Способ изменения теплового баланса в объеме конструкционных материалов технических изделий


 


Владельцы патента RU 2496046:

Павлова Наталья Тихоновна (RU)
Астахов Дмитрий Николаевич (RU)

Способ относится к области солнечной энергетики, а также к области защиты технических изделий и их фрагментов от воздействия светового ультрафиолетового и инфракрасного излучения. При осуществлении способа в пространстве между, по меньшей мере, частью площади поверхности технического изделия и объемом возможного расположения источника лучистой энергии размещается не менее чем один слой материала, сформированного способами, применяемыми по отношению к слоям лакокрасочных материалов, при этом слой размещаемого материала не менее чем на 30% по объему состоит из полых микросфер, фиксируемых в слое при помощи связующей субстанции, занимающей оставшуюся часть объема слоя, дополнительно более чем 30% микросфер, используемых в составе одного и того же слоя, состоят из материала, обладающего прозрачностью, отличной от нулевой, по меньшей мере, в ограниченной области спектра лучистой энергии, способной поступать от источника лучистой энергии. Технический результат - снижение количества энергии, поступающей в объем конструкционных материалов вследствие облучения внешней поверхности источниками ультрафиолетового светового и инфракрасного излучения. 24 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

«Способ изменения теплового баланса в объеме конструкционных материалов технических изделий» относится к области солнечной энергетики и защиты конструкционных материалов технических изделий от воздействия светового ультрафиолетового и инфракрасного излучения. Изобретение может быть использования также для защиты от термического воздействия при контактном теплообмене. Одним из основных технических результатов использования изобретения является привлечение дополнительного количества солнечной энергии для целей снижения количества невозобновляемых энергоресурсов, расходуемых для целей отопления зданий. Применение данного способа, при определенных условиях, позволяет снижать количество энергии, поступающей в объем конструкционных материалов вследствие облучения внешней поверхности источниками ультрафиолетового светового и инфракрасного излучения (лучистой энергии), что может быть использовано, например, для целей снижения энергоресурсов при осуществлении кондиционирования. Предлагаемый способ может быть также использован для целей повышения пожароустойчивости конструкционных материалов используемых, например, при возведении зданий и сооружений. В рамках предлагаемого способа достижение технического результата предполагает использование слоев материалов типа «полые микросферы - полимерное связующее» при различных сочетаниях оптических свойств подложки, на которую наносятся подобные материалы, а также оптических свойств внешнего слоя, наличие которого (внешнего слоя) в ряде случаев не является обязательным. Материалы «полые микросферы полимерное связующее» предлагается наносить на поверхность различных конструкционных материалов в жидком виде с последующим отверждением полимерного связующего. Согласно мнению авторов предлагаемого изобретения «Способ изменения теплового баланса в объеме конструкционных материалов» эффекты, наблюдаемые в случае применения материалов типа «полые микросферы - полимерное связующее», в целом ряде случаев обусловлены не только свойствами, присущими пористой среде, но и проявлением оптических эффектов в видимой и/или инфракрасной области.

Ниже приведена цитата из текста описания изобретения «Способ перераспределения составляющих теплового потока», информация о котором не была опубликована к моменту подачи заявления на выдачу патента «Способ изменения теплового баланса в объеме конструкционных материалов технических изделий».

«Согласно представлениям авторов о сущности явления существенного снижения потока тепловой энергии через слой материала, содержащего полые микросферы, при использовании дополнительного слоя алюминиевой фольги или акрилового лака, содержащего алюминиевую пудру, в таком снижении теплового потока заметную роль играет процесс отражения «генерируемой» покрытием инфракрасной составляющей тепловой энергии на фоне достаточно высокой проницаемости тонких слоев покрытий, содержащих микросферы для «генерируемого» этими материалами инфракрасного излучения. В соответствии с подобными представлениями вполне логично предположение о том, что степень излучения/отражения поверхности, на которое наносится покрытие, должна оказывать заметное влияние на эффекты изменения суммарного количества энергии, передаваемой через «сандвич», состоящий из покрытия с микросферами и теплоотражающего слоя, изготовленного, например, из алюминиевой фольги».

Конец цитаты.

Следует отметить, что в случае современных научных представлений о явлениях переноса тепловой энергии свойствами, описанными в вышеприведенной цитате, в частности, обладают так называемые «фотонные кристаллы». Через непродолжительное время после подачи заявления на выдачу патента «Способ перераспределения составляющих теплового потока» авторами была обнаружена публикация «Фотонные кристаллы на основе полимерных микросфер» в научно-техническом журнале «Фотоника» [1]. В работе [1] приведены сведения о наблюдении свойств фотонных кристаллов в случае монослоев полимерных микросфер, зафиксированных на поверхности при помощи связующей субстанции, при этом диаметр микросфер, используемый для формирования монослоев, составлял 6, 20 и 58 мкм. Согласно сведениям, приведенным в [1], плотная упаковка монослоя микросфер с относительно регулярной структурой, характерной именно для фотонного кристалла, достигалась мерами, способствующими самоорганизации структуры, в частности использованием подложки с хорошими адгезионными свойствами по отношению к поверхности используемых микросфер. Анализируя сведения, приведенные в [1], авторы предлагаемого изобретения обратили внимание на факты, которые наблюдались ими во время проведения опытов с многослойными субстанциями типа «полые стеклянные микросферы-полимерное связующе», так, например, в процессе флотации микросфер, предварительно размешанных в жидком полимерном связующем, в целом ряде случаев, через непродолжительное время (часто менее одних суток) наблюдалось образование в полученной субстанции плотного поверхностного слоя, преимущественно состоящего из микросфер, при этом значительная часть связующей субстанции «выдавливалась» в нижнюю часть емкости, в которой производилось смешивание. При соблюдении условия достаточно небольшого разброса микросфер по внешним диаметрам (сколь либо точной классификации) следует ожидать, что при формировании поверхностного слоя, образующегося в ходе процесса флотации полых микросфер, при определенных условиях, так же как в случае [1] следует ожидать образование пространственной структуры, по геометрическим характеристикам сходной со структурой фотонных кристаллов. Образованию подобных (достаточно регулярных) структур может также способствовать такое соотношение объемного содержания микросфер в первоначально текучей субстанции, когда удаление (например, испарение) части связующей субстанции приведет к тому, что конечная концентрация микросфер (в многослойной структуре) будет близка к тому соотношению, которое характерно для плотно упакованной регулярной структуры, при этом самоорганизации стоит ожидать в процессе уплотнения структуры типа полые микросферы - связующее. В то же время следует обратить внимание и на существование таких структур, как «квазикристаллы». В случае квазикристаллов проявление свойств (в том числе и оптических), характерных для истинно кристаллических структур, может иметь место и при фрагментарной упорядоченности, что может наблюдаться (фрагментарная упорядоченность) в виде существовании кластеров, например, распределенных по объему не с такой строгой регулярностью, которой стоит ожидать в случае истинно кристаллической структуры. Следует отметить, что подобные кластеры могут состоять из конгломератов типа одна микросфера, окруженная группой микросфер примерно одинакового, но меньшего диаметра чем та микросфера, которую они окружают, по этой причине предлагаемый способ не ограничивается применением микросфер одного диаметра или типа. В случае проявления свойств, характерных для фотонных кристаллов (или квазикристаллов), материал типа полые микросферы - полимерное связующее, в целом ряде случаев, становится более привлекательным для использования, чем просто структура, содержащая полости, и не только для целей теплоизоляции. Одним из характерных явлений для случая фотонных (и квази-) кристаллов является так называемый «полупроводниковый эффект», наличие которого может способствовать как дополнительному снижению тепловых потерь (по сравнению со случаем применением нерегулярной пористой структуры), так и, напротив, интенсификации теплообмена, последнее, в целом ряде случаев также является актуальным, например, для целей снижения затрат невозобновляемых энергоресурсов для целей отопления зданий.

Согласно мнению авторов, привлекательность предлагаемого способа заключается в возможности формирования структур, проявляющих свойства трехмерного фотонного или квазикристалла методами, аналогичными тем, что используются при формировании слоев лакокрасочных материалов, что отражено в пункте 1 формулы изобретения. До настоящего времени подобные возможности, связанные с формированием структуры, проявляющей свойства трехмерного фотонного кристалла методом нанесения на поверхность относительно толстого (по отношению к диаметрам используемых микросфер) слоя аналогично методам, применяемым по отношению к лакокрасочным материалам, не были обнаружены авторами среди доступных им публикаций. В то же время следует отметить, что наблюдаемые авторами признаки наличия температурных границ эффектов, связанных с проявлением свойств фотонного кристалла, не позволяют с абсолютной уверенностью говорить о том, что в случае фасадов зданий проявление эффекта энергосбережения (как только следствия наличия свойств фотонного кристалла) происходит при любом значении плотности потока инфракрасного излучения, в то же время прозрачность стекла и пористость структуры материалов типа «полые стеклянные микросферы - связующее», которое (связующее) также обладает некоторой прозрачностью (пускай и в ограниченной области спектра поступающей на поверхность лучистой энергии), позволяют явным образом предполагать наличие привлечения дополнительного источника излучения (энергии). Следует также отметить, что прозрачным (по меньшей мере в ограниченной области спектра лучистой энергии поступающей на поверхность) материалом микросфер может являться не только стекло, но и другие, например, полимерные материалы.

При проведении опытов по исследованию теплофизических свойств относительно тонких (0.5-2 миллиметра) слоев материалов, содержащих полые стеклянные микросферы, авторами неоднократно наблюдались явления, позволяющие говорить о том, что в случае субстанций, состоящих из полых стеклянных микросфер (диаметр которых измеряется порядком в десятки микрометров) и полимерного связующего, в целом ряде случаев, достаточно выражено проявляются признаки свойств, характерных для фотонных кристаллов. Дополнительно следует еще раз отметить, что при наличие достаточно упорядоченного расположения компонентов (микросфер) субстанция, состоящая из сплошных или полых микросфер, имеющих относительно небольшую разницу в диаметрах (достаточно точную классификацию по диаметрам), является характерным примером трехмерного фотонного кристалла.

Так, например, при нанесении на поверхность модели (например, участка трубопровода), имеющей высокий коэффициент отражения и низкий коэффициент поглощения инфракрасного излучения относительно тонкого (порядка 0.4-0.6 мм) слоя субстанции, состоящей из полых стеклянных микросфер, имеющих внешний диаметр порядка десятков микрометров, и связующего на акриловой основе при начальной температуре модели порядка 70-95 градусов по шкале Цельсия авторами наблюдалась интенсификации теплообмена. С точки зрения прогнозирования свойств пористой субстанции (поры это внутренний объем микросфер) в соответствие с «классическими» представлениями о теплофизических свойствах материалов, в подавляющем большинстве случаев, использование на «горячей» металлической поверхности пористого материала должно приводить не к увеличению, а к снижению тепловых потерь по сравнению с тем случаем, когда на металлической поверхности отсутствует дополнительный слой какого, либо пористого материала. Одним из исключений примера, приведенного в предыдущем предложении, является наличие на поверхности субстанции, в той или иной степени проявляющей свойства фотонного кристалла.

При проведении опытов с нанесением субстанций, содержащих полые микросферы, на поверхность селективного материала, выполненного по схеме одномерного фотонного кристалла (был использован селективный материал, используемый на поверхности солнечных коллекторов), авторами был получен результат, когда при облучении источником инфракрасного излучения скорость нагрева модели, имеющей на своей поверхности только селективный материал, была заметно более низкой (далеко выходящей за погрешности измерения температуры), чем для случая, когда поверх селективного материала наносился слой субстанции (толщиной порядка 0.4-0.5 мм), состоящий из микросфер и связующего на акриловой основе. При проведении опытов в качестве нагреваемых моделей использовались гильзы, изготовленные из участков стальной трубы с внешним диаметром 89 мм (высота гильз являлась одинаковой и составляла 350 мм), гильзы располагались вертикально, цилиндрические поверхности обеих гильз были полностью («плотно») обернуты алюминиевой фольгой, на поверхность которой методом магнетронного напыления предварительно было нанесено несколько слоев в виде тонких пленок титана и его соединений при толщине слоев порядка длины волны, соответствующей максимуму спектра солнечного излучения, деленной на число, при расчете которого (разработчиком селективного материала) использовалась производная величина от коэффициентов преломления материалов, применяемых при напылении слоев. Поверх селективного материала, размещенного на поверхности одной из гильз, была нанесена субстанция, состоящая из полых стеклянных микросфер и полимерного связующего на акриловой основе (нанесение было осуществлено на ту часть поверхности, которая была обращена по направлению к источнику инфракрасного излучения, толщина слоя составляла порядка 0.4-0.5 мм). При проведении опытов использовался естественный (солнце) и искусственный источники инфракрасного излучения. При оценке интенсивности нагрева моделей (гильз) энергией инфракрасного и видимого спектров излучения данная интенсивность была ассоциирована со скоростью нагрева воды, залитой в гильзы. Сравнительный мониторинг скорости нагрева воды в гильзах (при облучении инфракрасным излучением) осуществлялся при помощи двухканального (по одному каналу на каждую из двух гильз) измерителя-регулятора температуры ИРТ-4/2 (версия 1.3), класс точности прибора 0.1, прибор имеет сертификат об утверждении типа средства измерения, выданный «Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии» (RU.C.32.083.A №25890), к моменту проведения экспериментов свидетельство о поверке прибора было действительно (выдано 11.07.2009 г. действительно до 11.07.2010 г.). Свидетельство о поверке прибора ИРТ-4/2 (№03-154831128) выдано ФГУ «Менделеевский ЦМС». Периодически (непосредственно после проведения измерений или между проведением измерений) прибор ИРТ-4/2 дополнительно поверялся методом погружения подключенных к нему терморезисторов (по одному на каждый канал измерения) в лабораторный термостат - разница между показаниями термометра термостата и прибора (для каждого из двух зондов с терморезисторами) не составила более 0.5°C.

Результаты одного из опытов по сравнительному мониторингу нагрева воды в гильзах при облучении гильз искусственным источником инфракрасного излучения представлены на фиг.1, где цифрами 1 и 2 соответственно обозначены линия мониторинга для гильзы, на поверхности которой размещен только селективный материал, и гильзы, где на поверхность селективного материала нанесен слой субстанции, содержащей полые стеклянные микросферы и связующую субстанцию на акриловой основе. На основании изучения графиков, представленных на фиг.1, можно сделать вывод, что наблюдаемое увеличение скорости нагрева воды в гильзе, на поверхность которой нанесен слой материала, содержащего полые стеклянные микросферы, по своему числовому значению заметно превосходит погрешность измерения, предполагаемую при использовании в качестве инструмента измерения температуры прибора ИРТ-4 (класс точности 0.1). С точки зрения прогнозирования свойств пористой субстанции (поры - это внутренний объем микросфер) в соответствие с «классическими» представлениями о теплофизических свойствах материалов, в подавляющем большинстве случаев, использование на облучаемой инфракрасным излучением поверхности объемного тела пористого материала должно приводить не к увеличению скорости нагрева объема тела, а к снижению скорости нагрева объема тела по сравнению с тем случаем, когда на поверхности тела отсутствует дополнительный слой какого-либо пористого материала, включающий в свой состав значительное количество компонентов, способных рассеивать инфракрасное излучение, подобные свойства, а именно, высокая способность рассеяния инфракрасного полыми микросферами, в частности, рассматривается в работе [4]. Одним из исключений примера, приведенного в предыдущем предложении, является наличие на поверхности тела субстанции, в той или иной степени проявляющей свойства фотонного кристалла, и, в частности, присутствия так называемого «полупроводникового эффекта», наблюдаемого именно в случае фотонных кристаллов. В настоящее время существуют, по меньшей мере, теоретические разработки, в которых предлагается использовать фотонные кристаллы для увеличения эффективности фотоэлектрических элементов, что, согласно мнению авторов, по сути механизмов имеющих место явлений, достаточно близко к полученным ими результатам экспериментов по облучению моделей инфракрасным излучением. Таким образом к настоящему времени имеется экспериментальный факт, пускай и косвенно, подтверждающий то, что в случае субстанций, содержащих достаточно плотно упакованные микросферы и связующее на акриловой основе (при формировании слоя методами, аналогичными тем, что применяются по отношению к слоям лакокрасочных материалов), имеются признаки проявления свойств, характерных для фотонных кристаллов.

До настоящего времени авторами не было обнаружено каких-либо публикаций, в которых свойства субстанций, содержащих более одного слоя полых стеклянных (или состоящих из других материалов) микросфер с размерностью внешних диаметров порядка нескольких десятков микрометров, тем или иным образом ассоциировались с оптическими свойствами фотонных кристаллов, например, на основе тех же полых микросфер, в работе [1] свойства, характерные для фотонного кристалла, обсуждаются только для случая однослойных структур. Причина подобного состояния дел достаточно понятна для авторов, поскольку с точки зрения современных общепринятых представлений о сущности фотонных кристаллов их структура является достаточно упорядоченной и в процессе «произвольной» укладки пускай даже близко расположенных (плотно упакованных) микросфер, предварительно размешанных в неком связующем «субстрате», действительно (или «скорее всего») не следует ожидать сколь-либо приемлемой упорядоченности структуры для заметного проявления характерных свойств фотонного кристалла. Скорее всего, в случае субстанции, в которой полые микросферы занимают, например, более 50% по объему и были смешаны со связующим субстратом «хаотическим образом», следует ожидать, что подобный геометрический аналог фотонного кристалла (после отверждения связующего субстрата) сможет выступать, скорее, в качестве набора дислокации, которые с той или иной частотой встречаются в структуре истинных (по большей части упорядоченных по структуре расположения элементов) фотонных или даже квазикристаллов. Так, например, в работах [2] и [3] свойства материалов типа «полые микросферы - полимерное связующее» рассматриваются исключительно с точки зрения представлений о свойствах дисперсных сред. В то же время при изучении отдельных публикаций, в рамках которых затрагивались вопросы, связанные с обсуждением свойств так называемых «теплоизолирующих покрытий», содержащих полые микросферы, можно встретить графические отображения результатов спектрометрических исследований, при подробном рассмотрении которых можно видеть всплески интенсивности инфракрасного излучения, характерные именно для случая проявления свойств фотонного кристалла.

В качестве примера такой публикации можно привести публикацию [3], снабженную рисунком (рис.5, стр.50) на котором можно видеть значительные (по амплитудному значению) всплески интенсивности инфракрасного излучения, один из которых (всплесков) находится в непосредственной близости с границей прозрачности стекла в инфракрасной области. Исследованию теплоизоляционных свойств материалов, содержащих в качестве наполнителя полые стеклянные микросферы с внешним диаметром порядка десятков микрометров, была посвящена работа [4], выводы, сделанные по итогам работы, в ходе которой проводились эксперименты по измерению теплопроводности материалов на основе полых стеклянных микросфер, заключаются в том, что величина коэффициентов теплопроводности подобных материалов не выходит за пределы того, что можно наблюдать в случае пористых материалов, используемых для целей теплоизоляции. При проведении экспериментов в рамках работы [4], в частности, использовался участок трубопровода, изолированный с торцов «заглушками» из теплоизоляционного материала, во внутреннем объеме модели участка трубопровода, из соображений равномерности нагрева, (на максимально возможном протяжении по длине) располагался электрический нагревательный элемент, на поверхность модели в жидком виде наносились субстанции, состоящие из полых микросфер в качестве наполнителя и отверждаемого связующего (с варьированием в различных экспериментах величиной объемного содержания микросфер по отношению к отверждаемой субстанции). В ходе экспериментов, проводимых в рамках работы [4], какого-либо внимания оптическим свойствам поверхности модели трубопровода не уделялось. Следует отметить, что при нанесении материалов, состоящих из полых микросфер со средними наружными диаметрами, измеряемыми порядком десятков микромеров, и точностью классификации по диаметрам, характерными для современного массового производства (в частности, использовались микросферы марок S-32, К-37 выпускаемыми компанией 3М США), на поверхности гильз, изготовленных из обычной стали, так же как и в случае работы [4], авторы наблюдали эффекты снижения тепловых потерь, характерные для пористых материалов, имеющих толщину такого же порядка, как и применяемый слой композиции полые микросферы - полимерное связующее. Так, например, при отсутствии «отражающего экрана» (например, выполненного из алюминиевой фольги) на внешней стороне материала, содержащего полые микросферы, слой такого материала толщиной в 1-2 мм, в целом ряде случаев, в плане эффекта снижения тепловых потерь, заметно проигрывал листовому пенополиуретану толщиной 3 мм. В то же время при изменении оптических свойств поверхности гильзы в сторону увеличения способности к отражению инфракрасного излучения (например, оборачивании фольгой) при нанесении слоя субстанции, состоящей из полых микросфер в качестве наполнителя и связующего на акриловой основе, в целом ряде случаев, авторами наблюдалось явление увеличения скорости охлаждения горячей воды, залитой в гильзу, по сравнению с тем случаем, когда на поверхности с высокой степенью отражения инфракрасного излучения (и низкой излучающей способностью) отсутствовал какой-либо пористый материал.

Для проверки предположения о том, что в случае субстанций, в которых в качестве наполнителя используются полые стеклянные микросферы, имеют место оптические эффекты, связанные со свойствами, характерными для фотонных кристаллов, авторами был проведен опыт, в котором в субстанцию, состоящую из полых стеклянных микросфер и связующего субстрата на акриловой основе, был обильно добавлен пигмент, интенсивно поглощающий инфракрасное излучение. При нанесении обильно пигментированного субстрата на основе полых микросфер на поверхность модели, которая (поверхность) имела высокую степень отражения инфракрасного излучения, увеличения интенсивности теплообмена, при наполнении внутреннего объема горячей водой, не наблюдалось, напротив, произошло заметное (выходящее за рамки погрешности измерений температуры) снижение скорости теплообмена. Таким образом, с точки зрения классических представлений о пористых материалах в случае добавления в субстанцию, имеющую в своем объеме значительное количество полых микросфер, пигмента, интенсивно поглощающего инфракрасное излучения (была добавлена черная сажа), вне зависимости от оптических свойств подложки, материал начинает проявлять теплоизолирующие свойства и «аномалия», связанная с явлением интенсификации теплообмена, уже не проявляется. Согласно мнению авторов, результат опытов с добавлением в «теплоизолирующее покрытие» на основе микросфер сажи, которое (добавление) инвертирует эффект интенсификации теплообмена при наличии подложки с высоким коэффициентом отражения, является дополнительным фактором, позволяющим говорить о проявлении оптических эффектов в инфракрасной области в случае субстанций, содержащих в качестве наполнителя полые стеклянные микросферы. Результаты опытов с добавлением сажи в субстанцию, состоящую из полых микросфер и связующего на акриловой основе, позволяют говорить о том, что наряду с эффектами, связанными с оптическими свойствами, в случае «теплоизолирующих покрытий» на основе полых микросфер проявляются и свойства, связанные с термическим сопротивлением, обусловленные пористостью структуры, что не противоречит общепринятым представлениям о свойствах пористых материалов.

При анализе свойств материалов, состоящих из полых стеклянных микросфер, внешний диаметр которых измеряется величинами порядка десятков микрометров и связующего на полимерной (акриловой) основе, авторами был сделан вывод о том, что подобные материалы применимы не только для целей снижения тепловых потерь с нагретых поверхностей, но и для, например, целей увеличения составляющей солнечного излучения в тепловом балансе ограждающих конструкций зданий. В настоящее время целым рядом производителей и поставщиков так называемых «теплоизолирующих покрытий», где в качестве наполнителя используются полые (и в том числе стеклянные) микросферы, предлагается использовать данные материалы для целей теплоизоляции, в частности, фасадов жилых зданий. Согласно заявлений целого ряда производителей материалов, где в качестве основного наполнителя используются полые стеклянные микросферы (а также микросферы, изготовленные из других материалов, например, пластмасс), теплопроводность подобных материалов лежит в диапазоне 0.001-0.005 Вт/м*К. С точки зрения возможностей снижения тепловых потерь, подобные (0.001-0.005 Вт/м*К) значения коэффициента теплопроводности в десять и более раз ниже (более низкое значение коэффициента теплопроводности означает более высокую эффективность материала как теплоизолятора), чем, например, аналогичные показатели для минерально-ватных материалов, которые в настоящее время широко используются для целей теплоизоляции фасадов зданий. В качестве наглядной демонстрации «аномально низкого» коэффициента теплопроводности покрытий, содержащих микросферы, отдельные представители производителей или поставщиков покрытий, содержащих микросферы, достаточно часто ссылаются на результаты следующего «физического опыта»: на металлическую поверхность нагревательного элемента - электрической плиты, предназначенной, например, для приготовления пищи, разогретой до температуры порядка 170°C, помешается, например, прямоугольная пластина «теплоизолирующего материала» толщиной порядка одного миллиметра (или немногим более того). Если на разогретую до температуры выше температуры кипения поверхность нагревательного элемента электроплиты поместить каплю воды, то вода практически сразу закипает и быстро испаряется, в то же время капля воды, помещенная на поверхность «теплоизолирующего материала с микросферами», не закипает.

Интерпретация результатов вышеописанного эксперимента с применением так называемого «классического подхода» должна приводить к выводу о том, что температура поверхности «теплоизолирующего материала» заведомо ниже температуры кипения воды и применение подобных материалов должно способствовать существенному снижению тепловых потерь. В то же время результаты измерения скорости охлаждения образцов с нанесенными покрытиями, содержащими микросферы, показывают, что в целом ряде случаев наблюдаемое снижение тепловых потерь является заметно менее значительным, чем, например, при использовании слоя пенополиуретана толщиной всего в 3 мм, а в отдельных случаях происходит не снижение, а увеличение величины тепловых потерь.

По итогам проведенных ими экспериментов авторами было выдвинуто предположение о том, что в случае субстанций, содержащих полые микросферы, в качестве наполнителя имеет место явление перераспределения конвективной и радиационной составляющих, что в целом ряде случаев наблюдается именно при использовании фотонных или квазикристаллов.

Для проверки предположения о перераспределении конвективной и радиационной составляющих авторами был поставлен опыт, сходный с вышеописанной схемой размещения прямоугольного образца покрытия на металлической поверхности нагревательного элемента электрической плиты. Поверхность нагревательного элемента плиты была разогрета до температуры порядка 170°C, кипения капли воды на поверхности покрытия с микросферами, размещенного на нагревательном элементе, не происходило до того момента, пока капля не была накрыта алюминиевой фольгой. После «накрытия» капли куском фольги вода закипела и испарилась. Как известно из уровня техники, тонкий слой воды является достаточно прозрачным для инфракрасного излучения в диапазоне инфракрасных волн, расположенных относительно близко к «видимой» области, а алюминиевая фольга - это хороший отражатель инфракрасного излучения. Измерение температуры «разлитой» на поверхности покрытия воды контактным способом (с помощью термопары) показало значение температуры 64°C (без наличия алюминиевой фольги). В том случае если при расчетах коэффициента теплопроводности тонкого слоя покрытия, содержащего микросферы (толщиной порядка 1 мм), принять значение телоперепада 106°C (170-64), то расчетный коэффициент теплопроводности действительно будет иметь аномально низкое значение - близкое к тем величинам, которые заявляют отдельные производители и поставщики покрытий, содержащих микросферы, но в то же время вследствие специфичности процессов теплопереноса в покрытиях, содержащих микросферы, этот «расчетный коэффициент» не может являться однозначным критерием для оценки снижения тепловых потерь, тем более, как уже упоминалось ранее, в некоторых случаях, применение подобных покрытий приводит не к снижению, а, напротив, к увеличению тепловых потерь.

В том случае если «аномалии» (к подобным аномалиям можно отнести отсутствие кипения воды на тонком слое), наблюдаемые в случае материалов, содержащих полые микросферы, связаны с оптическими эффектами в инфракрасной области (что, в частности, должно иметь место в случае фотонных или квазикристаллов) для материалов, содержащих микросферы с размерностью внешнего диаметра порядка десятков микрон, следует ожидать существенного расхождения с закономерностями принципа аддитивности, наблюдаемыми в случае пористых материалов, в объеме (или на поверхности) которых оптические эффекты не играют столь заметной роли в эффекте снижения теплового потока. Для проверки предположения о возможном наличии «аномалии» в проявлении закономерности характерных для аддитивности пористых материалов в случае субстанций типа «микросферы - полимерное связующее» авторами была проведена серия опытов, результаты которых позволяют с уверенностью говорить о подтверждении выдвинутого предположения. Так, например, наблюдалось явление, когда при удвоении слоя материала, содержащего микросферы, получаемый эффект снижения тепловых потерь (по наблюдаемой скорости охлаждения воды) находился на уровне погрешности измерения температуры (0.5 градуса по шкале Цельсия).

При анализе явлений, наблюдаемых в случае субстанций типа «полые микросферы - полимерное связующее», сделанные авторами выводы позволяют уверенно говорить о том, что в случае применения подобных материалов на фасадах зданий значительная доля эффекта снижения расходов тепла для целей отопления может быть связана не только со снижением термического сопротивления ограждающих конструкций, но и привлечением дополнительного количества энергии солнца как мощного источника инфракрасного излучения. О роли солнечной энергии как фактора, снижающего расходы тепла на отопления в случае наличия на фасаде здания относительно тонкого слоя материала типа «полые микросферы - полимерное связующее», позволяют говорить и результаты опыта, отраженные в виде графиков на фиг.1. Для проверки влияния наличия на фасаде здания материала типа «полые микросферы - полимерное связующее» на изменение теплового баланса в объеме массивных ограждающих конструкций авторами была проведена серия опытов по облучению кирпичных блоков искусственным источником инфракрасного излучения. В ходе опытов при помощи терморезисторов изучалось изменение температуры вблизи поверхности кирпичных блоков, терморезисторы размещались в вертикальных отверстиях, просверленных параллельно облучаемой поверхности блока на расстоянии 20 мм от этой поверхности. После получения кривых нагрева при помощи программного обеспечения, поставляемого в комплекте измерителя-регулятора температуры ИРТ-4, осуществлялся мониторинг охлаждения образца после выключения источника инфракрасного излучения (в ходе опытов осуществлялся параллельный мониторинг двух образцов с различными вариантами исполнения внешней поверхности). Результаты опытов позволили выявить тот факт, что при наличии на поверхности кирпичного блока материала типа полые микросферы - полимерное связующее (при облучении поверхности источником инфракрасного излучения) может наблюдаться сходный по интенсивности нагрев по сравнению с блоком, на поверхности которого отсутствует какой-либо материал, и более медленное охлаждение. Таким образом, результаты опытов по облучению кирпичных блоков явным образом указывают на то, что наличие на фасаде здания материала типа полые микросферы - полимерное связующее позволяет изменять тепловой баланс ограждающих конструкций здания в сторону вовлечения в этот баланс дополнительного количества солнечной энергии, что в той или иной степени неизбежно должно сказываться на количестве энергии, потребляемой для целей отопления, например, отбираемой из тепловой сети в сторону снижения количества этой энергии. При проведении опытов по облучению поверхности кирпичных блоков был выявлен факт, что при нанесении тонкого слоя краски с больших количеством пигмента, отражающего инфракрасное излучение, (например чешуйчатого алюминия) на поверхность блока под слой материала, содержащего микросферы, скорость нагрева массива блока существенно снижается как по сравнению со случаями, когда на поверхности блока отсутствуют какие либо материалы, так и в случае, когда на поверхность блока нанесен только материал типа полые микросферы-полимерное связующее. Таким образом, результаты опытов по облучению источником инфракрасного излучения кирпичных блоков позволяют с уверенностью говорить о том, что по меньшей мере в ряде случаев эффект от использования на фасадах зданий материалов, содержащих полые микросферы, в существенной мере зависит от оптических свойств подложки по отношению к инфракрасному и/или видимому излучению, поступающему на поверхность, на которой имеется слой материала, содержащий микросферы. В том случае если в состав материала, по большей части, входят стеклянные микросферы (или микросферы из другого прозрачного материала), то влияние оптических свойств подложки на эффект энергосбережения (при использовании материала на фасадах зданий) очевиден, и в данном случае имеют место эффекты, сходные, например, с эффектами применения солнечного коллектора для целей отопления здания.

Применительно к бытовым и промышленным тепловым установкам, использующим солнечное излучение, в настоящее время разрабатываются селективные покрытия с большой поглощательной способностью в видимой части спектра и как можно более низкой излучательной способностью. Одним из вариантов исполнения подобных селективный покрытий являются слоистые покрытия, выполненные по схеме одномерного фотонного кристалла, когда оптические свойства слоев и их толщина удовлетворяют поставленной задаче. В качестве примера используемых подходов при создании многослойных селективных покрытий, выполненных по схеме многослойного одномерного фотонного кристалла, можно привести патент РФ №РФ 2407958 (дата публикации 27.12.2010 г.) «Многослойное селективное поглощающее покрытие для солнечного коллектора и способ его изготовления».

Согласно информации, изложенной в реферате патента РФ №2407958, «изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано в солнечных коллекторах, применяемых для теплоснабжения и хладоснабжения жилых и промышленных зданий и установок. Многослойное селективное поглощающее покрытие предназначено для нанесения на внешнюю поверхность теплоприемной панели солнечного коллектора, преобразующего излучение Солнца в тепло. Покрытие состоит из первого слоя титана толщиной d10/4n1, второго слоя в виде окислов, карбидов или нитридов титана TiCxOy или TiNx, толщиной d22/n2, третьего слоя в виде силицида титана TiSi толщиной d30/4n3, причем показатель преломления третьего слоя n3=(n2×n0)1/2, где λ0 - длина волны, соответствующая максимуму спектра солнечного излучения, n0 - показатель преломления воздуха, n1 - показатель преломления первого слоя титана, n2 - показатель преломления второго слоя из TiCxOy или TiNx».

Одной из альтернатив многослойным селективным материалам являются материалы, содержащие частицы определенных пигментов.

Для решения задач пожарной безопасности рассматриваются покрытия, имеющие высокий коэффициент отражения в диапазоне длин волн от 1 до 8 мкм. В частности, предлагаются обычные краски, в которые добавляют частицы оксидов металлов или частицы кремния диаметром 1-2 мкм [2].

Влияние свойств подложки на эффект применения материалов, содержащих полые микросферы, позволяет говорить о том, что наличие у подобных материалов (содержащих полые микросферы) собственного термического сопротивления в состоянии увеличить огнестойкость материалов, применяемых для защиты от термического воздействия различных конструкций, в том числе изготовленных из металлов и их сплавов. При использовании материалов, содержащих полые микросферы, для решения задач пожарной безопасности целесообразно использовать подложку с выраженными отражающими и/или рассеивающими свойствами. Подобные (отражающие и/или рассеивающие) подложки могут применяться и в случае необходимости избежания перегрева конструкционных материалов и материалов ограждающих конструкций в условиях жаркого климата.

Первый независимый пункт формулы изобретения «Способ изменения теплового баланса в объеме конструкционных материалов технических изделий» сформулирован следующим образом:

Способ изменения теплового баланса в объеме конструкционных материалов технических изделий, при котором в пространстве между, по меньшей мере, частью площади поверхности технического изделия и объемом возможного расположения источника лучистой энергии размещают не менее чем один слой материала, сформированного способами, применяемыми по отношению к слоям лакокрасочных материалов, при этом слой размещаемого материала не менее чем на 30% по объему состоит из полых микросфер, которые фиксируют в слое при помощи связующей субстанции, занимающей оставшуюся часть объема слоя, дополнительно более чем 30% микросфер, используемых в составе одного и того же, слоя состоят из материала, обладающего прозрачностью, отличной от нулевой, по меньшей мере, в ограниченной области спектра лучистой энергии, способной поступать от источника лучистой энергии.

При этом не менее чем один слой, содержащий микросферы, формируют непосредственно на, по меньшей мере, части, по меньшей мере, одной из поверхностей, имеющихся в составе технического изделия, и в процессе формирования связующий материал находится в текучем состоянии, при этом связующий материал обладает способностью к последующему отверждению.

Кроме того, оптические свойства, по меньшей мере, части площади, по меньшей мере, одной поверхности, входящей в состав технического изделия, со стороны возможного поступления потока лучистой энергии подвергают модификации.

При этом перед размещением, по меньшей мере, одного слоя, содержащего микросферы, оптические свойства, по меньшей мере, части площади поверхности технического изделия подвергают модификации.

При этом связующая субстанция не менее чем одного из используемых слоев имеет прозрачность, отличную от нулевой, по меньшей мере, в ограниченной области спектра лучистой энергии.

Кроме того, после отверждения связующая субстанция, входящая в состав не менее чем одного из используемых слоев, имеет прозрачность, отличную от нулевой, по меньшей мере, в ограниченной области спектра лучистой энергии.

Кроме того, связующая субстанция, входящая в состав не менее чем одного из используемых слоев, по меньшей мере, в ограниченной области диапазона лучистой энергии обладает отличным от материала, по меньшей мере, части используемых микросфер того же слоя коэффициентом преломления.

Кроме того, после отверждения связующая субстанция, входящая в состав не менее чем одного из используемых слоев, по меньшей мере, в ограниченной области диапазона лучистой энергии обладает отличным от материала, по меньшей мере, части используемых микросфер в составе того же слоя коэффициентом преломления.

При этом связующая субстанция, входящая в состав не менее чем одного из используемых слоев, по меньшей мере, в ограниченной области диапазона лучистой энергии обладает отличным от материала, по меньшей мере, части используемых микросфер того же слоя коэффициентом преломления.

Кроме того, после отверждения связующая субстанция, по меньшей мере, в ограниченной области диапазона лучистой энергии обладает отличным от материала, по меньшей мере, части используемых микросфер того же слоя коэффициентом преломления.

При этом связующая субстанция, по меньшей мере, одного слоя, по меньшей мере, в ограниченной области диапазона лучистой энергии обладает отличным от материала, по меньшей мере, части используемых микросфер того же слоя коэффициентом преломления.

При этом не менее чем 70% используемых в составе одного и того же слоя микросфер имеют отклонения по размеру диаметра и толщине стенок на величины, не превышающие 30% от заданных средних значений.

При этом смесь газов, заполняющих объем, по меньшей мере, части микросфер, используемых в составе не менее чем одного слоя, находится при давлении ниже 0.1 МПа.

Кроме того, за, по отношению к источнику лучистой энергии, по меньшей мере, одним слоем субстанции, содержащей полые микросферы, размещают, по меньшей мере, один слой, поверхность которого, обращенная к источнику лучистой энергии, обладает коэффициентом поглощения лучистой энергии не ниже 0.1, по меньшей мере, в ограниченной области спектра лучистой энергии.

Кроме того, за, по отношению к источнику лучистой энергии, по меньшей мере, одним слоем субстанции, содержащей полые микросферы, размещают, по меньшей мере, один слой материала, поверхность которого, обращенная к источнику лучистой энергии, облает селективными свойствами по отношению к лучистой энергии, по меньшей мере, в ограниченной области спектра лучистой энергии.

Кроме того, за, по отношению к источнику лучистой энергии, по меньшей мере, одним слоем, содержащим полые микросферы, размещают, по меньшей мере, один слой материала, поверхность которого имеет коэффициент отражения не ниже 0.5 и одновременно коэффициент излучения не выше 0.5, по меньшей мере, в ограниченной области спектра лучистой энергии.

Кроме того, за, по отношению к источнику лучистой энергии, по меньшей мере, одним слоем, содержащим полые микросферы, размещают, по меньшей мере, один комбинированный слой, одна из поверхностей которого обладает селективными свойствами по отношению к лучистой энергии, одновременно противоположная сторона того же слоя обладает коэффициентом отражения не менее 0.5 и коэффициентом излучения не выше 0.5, по меньшей мере, в ограниченной области спектра лучистой энергии.

Кроме того, за, по отношению к источнику лучистой энергии, по меньшей мере, одним слоем материала, содержащего полые микросферы, размещают, по меньшей мере, один слой материала, поверхность которого, обращенная к источнику лучистой энергии, имеет коэффициент отражения не ниже 0.5, по меньшей мере, в ограниченной области спектра лучистой энергии.

Кроме того, на поверхности, по меньшей мере, одного слоя, содержащего микросферы, обращенного к источнику лучистой энергии, размещают слой материала, обладающего селективными свойствами по отношению к лучистой энергии, по меньшей мере, в ограниченной области инфракрасной и/или видимой части спектра.

Кроме того, перед, по отношению к источнику лучистой энергии, по меньшей мере, одним слоем, содержащим полые микросферы, размещают, по меньшей мере, один комбинированный слой, поверхность которого обладает селективными свойствами по отношению к лучистой энергии, одновременно противоположная поверхность того же комбинированного слоя обладает коэффициентом отражения не менее 0.5 и коэффициентом излучения не выше 0.5, по меньшей мере, в ограниченной области спектра лучистой энергии.

Оптические свойства поверхности (в том числе и в смысле возможностей модификации) в первом пункте формулы изобретения не обсуждаются по той причине, что в случае, например, необходимости защиты какого-либо изделия от излишнего нагрева под действием солнечного излучения, если поверхность изделия обладает выраженными отражающими свойствами по отношению к лучистой энергии, то применение способа может и не предполагать каких-либо мер по изменению оптических свойств поверхности. В том случае если «аномальные» свойства материалов типа полые микросферы - полимерное связующее в той или иной мере связаны со свойствами, проявляемыми в случае фотонных кристаллов, то, по меньшей мере, в ряде случаев на величины наблюдаемых эффектов должно влиять отношение коэффициентов преломления материала микросфер и материала связующей субстанции как в инфракрасной, так и в видимой области излучения. В пунктах 9-16 формулы изобретения описана возможность использование эффектов, связанных с разностью коэффициентов преломления материала микросфер и связующей субстанции. Для увеличения эффекта реализации привлечения в тепловой баланс ограждающих конструкций зданий дополнительного количества солнечной энергии весьма актуальными являются прозрачности материала микросфер и связующей субстанции как в видимой видимого, так и инфракрасной области спектра, что отражено в пунктах 5-8 формулы изобретения. Наличие «собственного» термического сопротивления полых микросфер в значительной степени зависит от свойств среды, находящейся внутри полостей, что отражено в пункте 18 формулы изобретения как возможность того, что смесь газов, находящаяся в полостях, по меньшей мере, части используемых микросфер может находится при давлении ниже атмосферного, вплоть до условного вакуума.

Полости, по меньшей мере, части микросфер могут быть заполнены газом с низким коэффициентом теплопроводности, и в том числе находящимся при относительно низком давлении.

Варьирование оптическими свойствами материалов подложки и внешнего «отражающего экрана» (при использовании такого экрана) также неизбежно должно сказываться на величине и направленности эффектов, что в рамках данного описания было подробно отражено при описании опытов, проведенных авторами. Авторами также было изучено и влияние свойств подложки (проявление селективности в той или иной мере) при использовании материалов, содержащих полые микросферы, в качестве теплоизолирующих материалов на нагретых поверхностях, и, по меньшей мере, в ряде случаев отмечалось увеличение эффекта в смысле снижения скорости нагрева моделей, используемых в экспериментах. Что касается нижней концентрации объемного содержания микросфер в используемых материалах, фигурируемой в пункте 1 формулы изобретения, то авторы считают влияние концентрации недостаточно изученной, в то же время следует привести цитату из работы [2]: «В первом приближении естественно также предположить, что микросферы не образуют регулярной структуры и не объединяются в кластеры. При не слишком высокой концентрации микросфер это означает, что микросферы можно рассматривать как независимые рассеиватели». В работе [2] теоретическая объемная концентрация микросфер, когда они выполняют только рассеивающую функцию, принята на уровне 30%, авторами было принято решение ориентироваться на эту величину как на нижний предел концентрации микросфер, поскольку только рассеиванием наблюдаемые эффекты (например, интенсификацию теплообмена) объяснить достаточно трудно.

В качестве наиболее близкого аналога предлагаемого изобретения авторами выбран патент РФ №2382164 «Солнечный фасад с вакуумированным стеклопакетом» (опубликован 20.02 2010 г.). Согласно информации, изложенной в автореферате к патенту РФ №2382164 «Изобретение относится к области строительства, а именно к конструкциям фасадов зданий. Изобретение позволит повысить теплоизоляционные свойства стены здания. Солнечный фасад с вакуумированным стеклопакетом содержит стену с поглощающей поверхностью и вакуумированный стеклопакет с вакуумом 10-3-10-4 мм рт.ст. и с селективным покрытием на внутренней поверхности стекла с излучательной способностью ∈=0,1. Поглощающая поверхность выполнена с селективным покрытием, имеющем коэффициент поглощения α=0,95 и коэффициентом излучательной способности ∈=0,1.

В случае патента РФ №2382164 аналогом полых микросфер является обладающий прозрачностью в, по меньшей мере, ограниченной области спектра лучистой энергии (поступающей на поверхность) стеклопакет, а аналогом подходящей (или модифицированной) по оптическим свойствам поверхности является селективный материал с высоким коэффициентом поглощения и относительно низким коэффициентом излучения.

Недостатками концепции, предложенной в случае патента РФ №2382164, например, для применения на фасадах ранее возведенных зданий является необходимость проведения дорогостоящих строительно-монтажных работ и создание дополнительных нагрузок на несущие конструкции.

Поскольку материал типа «полые микросферы-связующее» обладает собственным термическим сопротивлением (так же как и стеклопакет в случае патента РФ №2382164), а, по меньшей мере, часть микросфер является прозрачной в, по меньшей мере, ограниченной области спектра лучистой энергии (поступающей на поверхность), то, по своей физической сущности, эффект, достигаемый применением материала типа «полые микросферы-связующее», является аналогичным и связан с привлечением в качестве источника энергии солнечной энергии. В пункте 1 формулы изобретения намеренно не затронут вопрос, связанный с оптическими свойствами связующей субстанции, поскольку в случае, например, фасадов зданий способ может использоваться и при отсутствии эффектов, связанных со свойствами фотонных кристаллов, и в таком варианте аналогом стеклопакетов (патент РФ №2382164) будут являться прозрачные микросферы, расположенные в наружном слое материала типа полые микросферы-связующее. Согласно мнению авторов в случае применение менее 30% «прозрачных» микросфер эффект энергосбережения на фасадах, по большей части, будет связан с пористостью структуры.

Что касается «прозрачности» микросфер и связующей субстанции, следует отметить, что такое понятие, как «прозрачность» в случае, например, солнечного излучения является достаточно относительным понятием, так, например, граница прозрачности стекла в инфракрасной области составляет величину порядка длины волны излучения 2.4 мкм, по этой причине в формуле изобретения фигурирует выражение «прозрачность, отличная от нулевой, по меньшей мере, в ограниченной области спектра лучистой энергии».

Что касается размеров микросфер и точности их классификации, то согласно мнению авторов, в случае наличия проявления свойств фотонного или квазикристалла, размерность и точность классификации неизбежно должны в той или иной степени сказываться на численные значения наблюдаемых эффектов, по этой причине в пункте 17 формулы изобретения приведены численные значения верхних границ точности классификации используемых микросфер. Следует отметить, что существенных эффектов от применения материалов, содержащих микросферы, следует ожидать при размерности микросфер, измеряемой не только порядками десятков микрометра (использовалось авторами), но и единиц и десятых (видимый спектр солнечного излучения) частей микрометра, поскольку предлагаемый способ предполагает использование нескольких слоев микросфер, это неизбежно накладывает ограничение на минимальную толщину применяемых слоев, которая должна измеряться десятыми долями микрометра, что отражено в первом пункте формулы изобретения нижней границей размерности толщины слоя 0.5 мкм, но подобное ограничение по толщине не было введено в формулу изобретения. Использование слоев микросфер, удаленных от «целевой поверхности», может быть целесообразно, например, в случае конструкций, обладающих ненулевой прозрачностью в видимой области спектра лучистой энергии. Так, например, нанесение тонкого слоя, содержащего полые «прозрачные» микросферы («прозрачность, отличная от нулевой, по меньшей мере, в ограниченной области спектра лучистой энергии), на стекло, входящее в состав ограждающей конструкции здания, по меньшей мере, частично сохранит прозрачность конструкции и в то же время увеличит термическое сопротивление изготовленного из стекла элемента ограждающей конструкции, сохранение прозрачности приведет к тому, что солнечная энергия (пускай даже трансформированная наличием эффекта фотонного кристалла) будет продолжать поступать во внутренний объем помещения, что в свою очередь будет приводить к нагреву, например, стены, расположенной на некотором отдалении от «прозрачной» конструкции, последнее обстоятельство в той или иной степени может сопровождаться энергосберегающим эффектом.

Учитывая средние масштабы помещений жилых и общественных зданий, авторы планировали ввести в формулу изобретения ограничение по удаленности слоя содержащего микросферы, от «целевой поверхности» на уровне 50000 миллиметров, в то же время, учитывая тот факт, что в случае «масштабных сооружений» (например, вокзалов) это расстояние может являться и большим, подобное ограничение не было введено в формулу изобретения. Дополнительно следует отметить, что совместное применение слоев стекла со слоями материала типа «полые стеклянные микросферы - связующее» (в случае проявления свойств фотонного кристалла) может приводить как к увеличению, так и снижению суммарного количества энергии, поступающего в объем, например, помещения при наличии внешнего источника инфракрасного излучения, последнее предполагает, что целевой поверхностью может являться не только, например, стена здания, расположенная за светопрозрачной конструкцией, но и одновременно (или исключительно) стекло, из которого изготовлена подобная конструкция. При нанесении слоя материала типа «микросферы - связующее» на стекло поверхность стекла, например, предварительно может быть подвергнута модификации в смысле изменения оптических свойств. Использование под слоем типа микросферы - связующее поверхности или нанесенного слоя с максимально высоким коэффициентом отражения и/или рассеяния инфракрасной составляющей лучистой энергии актуально и случае использования предлагаемого способа для целей повышения пожароустойчивости различных сооружений и конструкций. В ряде случаев, например, при необходимости регулирования и/или фиксации количества энергии, поступающей извне (и/или наружу), оптические свойства поверхности, на которую наносится материал типа «микросферы - связующее», могут быть подвергнуты модификации частично (на некоторой части площади поверхности), подобное может быть достигнуто, например, нанесением полос лакокрасочного материала с высокой отражающей, и/или рассеивающей, и/или селективной способностью определенной расчетной ширины с расчетным шагом, в пунктах 3 и 4 формулы изобретения подобная возможность предполагается применением такой фразы, как «отличающийся тем, что оптические свойства, по меньшей мере, части площади поверхности технического изделия модифицируют». При необходимости ограничения поступление энергии в объем различных технических изделий и/или регулирования теплового баланса объемов конструкционных материалов возможно применение такой меры, как изменения соотношений поглощающей, и/или отражающей, и/или рассеивающей способности как поверхности, на которую наносится материал типа «микросферы - связующее», так и применение мер по изменению оптических свойств поверхности, обращенной к источнику инфракрасного излучения. Поясняя информацию, изложенную в пунктах 21, 22, 23 и 25 формулы изобретения, следует отметить, что согласно мнению авторов при использовании субстанций типа «микросферы - связующее» практически значимый результат может быть получен при любых оптических свойствах поверхностей, на которых используются подобные субстанции. Варьирование соотношением коэффициента поглощения и отражение поверхности может иметь практический смысл, например, в том случае, когда наряду с избежанием перегрева какой-либо конструкции под действием инфракрасного излучения определенной интенсивности необходимо, чтобы часть тепловой энергии все же поступала в объем конструкции, в этом случае регулирующим фактором будет являться именно определенное соотношение отражающей и излучающей способностей поверхности, на которой используется материал типа «полые микросферы - полимерное связующее». Следует привести пример следующего технического решения: параллельно поверхности конструкции, обращенной к источнику лучистой энергии, находится слой металлической фольги, внешняя (по отношению к источнику) поверхность которой методом нанесения тонкого слоя оксида меди модифицирована в селективный материал, одновременно внутренняя поверхность (противоположная по отношении к источнику излучения) является отражающим слоем по отношению к слою материала типа «полые микросферы - связующее», расположенному на противоположной стороне «вспомогательного слоя», в данном случае при условии наличия эффектов, связанных с проявлением свойств фотонного или квазикристалла, (либо дисперсной среды) в качестве одного из регулирующих факторов будет выступать собственное (не связанное со свойствами, например, фотонного кристалла) термическое сопротивление слоя, содержащего полые микросферы (как пористой структуры). В то же время селективные свойства поверхности (с нанесенным слоем материала «полые микросферы - полимерное связующее»), обращенной к источнику инфракрасного излучения, будет способствовать разогреву объема размещенной на поверхности энергосберегающей конструкции, одновременно выраженная отражающая способность противоположной стороны вспомогательного слоя (при наличие на ней слоя материала, содержащего микросферы) будет способствовать наличию полупроводникового эффекта - аккумуляции энергии излучения внешнего источника с одновременным снижением интенсивности теплообмена по направлению «конструкционный материал - окружающая среда». Различные варианты возможностей изменения баланса тепловой энергии методом варьирования соотношениями излучающей/поглощающей способности подложки и/или промежуточных слоев приведены в пунктах 19-25 формулы изобретения. Поскольку, при определенных условиях, оптические свойства поверхности, на которую наносится материал полые «микросферы - полимерное связующее», играют существенную роль в эффекте снижения или увеличения интенсивности теплообмена, то в зависимости от необходимого технического результата актуальным является сочетание поглощающей и излучательной способности в достаточно широких пределах. В пункте 20 формулы изобретения отражены актуальные, по мнению авторов, границы, связанные с сочетанием излучающей и поглощающей способности поверхности. В качестве конкретного примера такого сочетания можно привести лакокрасочный материал, обладающий более высоким коэффициентом излучения, чем металлическая фольга или металлизированный лавсан (использование которых явным образом укладывается в рамки предлагаемого способа), и в то же время более высоким коэффициентом излучения, чем та же металлическая фольга, подобный материал будет способствовать меньшему отражению инфракрасного и/или видимого излучения, и в то же время часть поглощенной энергии будет аккумулироваться в объеме конструкционного материала, подобное сочетание будет являться тем же самым «регулирующим фактором», связанным с варьированием оптических свойств поверхностей в достаточно широких пределах.

Применение под достаточно тонким слоем материала «полые микросферы - полимерное связующее» селективного материала (как показано примером приведенным на фиг.1) в ряде случаев способствует накоплению тепловой энергии в объеме технического изделия, что, например, в случае зданий, находящихся в условиях умеренного климата, может способствовать энергосберегающему эффекту, в случае жаркого климата более актуальным может являться применение отражающей подложки (высокий коэффициент отражения инфракрасного и/или видимого излучения). Таким образом пункты 19-21 формулы изобретения по сути описывают варианты модификации оптических свойств поверхностей, возможность которой (модификации) явным образом указывается в пункте 3 формулы.

Применение такой фразы в независимом пункте изобретения, как «по меньшей мере, части поверхности технического изделия», оправдано тем фактом, что, например, в случае применения способа для целей снижения расхода невозобновляемых энергоресурсов, используемых при отоплении зданий, в ряде случаев, нанесение слоев материала типа «полые микросферы - связующее» на всю поверхность ограждающих конструкций может не являться целесообразным вследствие, например, значительной затененности определенных фрагментов поверхности фасада на протяжении всего светового дня.

В настоящее время влияние затененности фасада на эффект применения материалов типа полые микросферы - связующее (в смысле снижения затрат энергоресурсов на отопление) не является сколь-либо подробно изученным вопросом, в то же время не исключена вероятность того, что в смысле изыскания дополнительных резервов энергосбережения сильно затененные (на протяжении всего светового дня) области фасадов зданий целесообразней теплоизолировать с применением так называемых «традиционных теплоизолирующих материалов». В любом случае при изучении заключений, в которых, например, представители управляющих компаний делали заключения по поводу объемов снижения энергопотребления на цели отопления после нанесения на фасад здания слоев материала типа полые микросферы - полимерное связующее, авторы обращали внимание на факты, позволяющие, по меньшей мере, предполагать, что в случае однотипных зданий величины эффектов энергосбережения могут отличаться на величину порядка 10% (и даже более). Согласно мнению авторов, невозможно полностью исключать вероятность того, что в случае применения материалов, включающих в свой состав полые прозрачные микросферы, на фасадах зданий эффект энергосбережения, в значительной степени, зависит от количества солнечной энергии, поступающей на поверхность фасада в светлое время суток, что, пускай и косвенно, подтверждается проведенными авторами опытами по облучению поверхностей источниками инфракрасного излучения.

Что касается применения такой фразы в первом пункте формулы изобретения, как «не менее одного слоя», оправдано тем, что достижение требуемого эффекта, в целом ряде случаев, требует применения нескольких последовательно наносимых слоев и в то же время использование способа не исключает применения сразу нескольких слоев, включающих в свой состав полые микросферы, которые (слои) могут и не контактировать непосредственно, либо при наличии непосредственного (в том числе и адгезионного) контакта иметь принципиально отличные оптические свойства, например, различаться по коэффициенту преломления связующей субстанции, что может быть использовано для целей реализации оптического эффекта отражения (среда-среда), распространяющегося (как известно из уровня техники) и на инфракрасную область спектра лучистой энергии.

При использовании материалов типа «полые микросферы - связующее» на фасадах зданий и во внутренних помещениях, в ряде случаев, в состав используемых материалов, например, связующей субстанции, целесообразно введение биоцидных добавок, антикоррозионные добавки актуальны при наличии металлических поверхностей. При использовании способа для целей повышения пожароустойчивости различных материалов и конструкций в ряде случаев может быть актуально применение компонентов, способствующих вспучиванию при превышении предельного значения температуры, и/или компонентов, применяемых в пропиточных противопожарных составах.

В заключение, согласно мнению авторов, следует привести обоснования имеющегося у них мнения по поводу выбора такого названия, как «Способ изменения теплового баланса в объеме конструкционных материалов технических изделий». В случае, например, элемента строительной конструкции, на поверхности которой имеется ранее нанесенный слой какого-либо защитного материала, с формальной (скорее даже лингвистической) точки зрения, данный элемент может быть позиционирован отдельно от нанесенного на него защитного слоя, например, в рамках такого выражения, как «строительная конструкция с нанесенным на нее слоем защитного материала», несмотря на то, что приведенный пример «разделения», с технической точки зрения, является достаточно формальным, в то же время совокупность строительной конструкции и нанесенного на него защитного материала, без всякого сомнения, является техническим изделием (или, по меньшей мере, частью технического изделия), в составе которого (изделия или его части) конструкционный материал присутствует (выделяется) явным образом.

Что касается новизны предлагаемого способа, следует обратить внимание на тот факт, что до настоящего времени при использовании материалов типа «полые микросферы - связующее» на фасадах зданий и для целей теплоизоляции не уделялось какого-либо должного внимания оптическим свойствам подложки или материала, расположенного на поверхности слоев субстанций, содержащих полые микросферы. При использовании материалов, содержащих полые микросферы, на фасадах зданий также не рассматривалась и возможность привлечения в тепловой баланс ограждающих конструкций дополнительного количества солнечной энергии, при этом упор делался, в основном, на то, что материалы, содержащие полые микросферы, обладают «уникальными теплоизолирующими свойствами», в то же время в ходе целого ряда экспериментов (в том числе результаты которых приведены в данном описании) подобная «уникальность» не подтверждается. В заключение следует отметить, что к настоящему времени в распоряжении авторов не имеется достаточно убедительных доказательств в пользу того, что в случае материалов «полые микросферы полимерное связующее» наблюдаемые эффекты могут быть объяснены проявлением свойств, характерных для фотонного кристалла, в то же время если абсолютно все подобные эффекты могут быть объяснены с точки зрения подхода аналогичного тому, который применяется по отношению к дисперсным средам, предлагаемое изобретение остается актуальным.

1. Способ изменения теплового баланса в объеме конструкционных материалов технических изделий, при котором в пространстве между, по меньшей мере, части площади поверхности технического изделия и объемом возможного расположения источника лучистой энергии размещают не менее чем один слой материала, сформированного способами, применяемыми по отношению к слоям лакокрасочных материалов, при этом слой размещаемого материала не менее чем на 30% по объему состоит из полых микросфер, которые фиксируют в слое при помощи связующей субстанции, занимающей оставшуюся часть объема слоя, дополнительно более чем 30% микросфер, используемых в составе одного и того же слоя, состоят из материала, обладающего прозрачностью, отличной от нулевой, по меньшей мере, в ограниченной области спектра лучистой энергии, способной поступать от источника лучистой энергии.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что не менее чем один слой, содержащий микросферы, формируют непосредственно на, по меньшей мере, части, по меньшей мере, одной из поверхностей, имеющихся в составе технического изделия, и в процессе формирования связующий материал находится в текучем состоянии, при этом связующий материал обладает способностью к последующему отверждению.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что оптические свойства, по меньшей мере, части площади, по меньшей мере, одной поверхности, входящей в состав технического изделия, со стороны возможного поступления потока лучистой энергии подвергают модификации.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что перед размещением, по меньшей мере, одного слоя, содержащего микросферы, оптические свойства, по меньшей мере, части площади поверхности технического изделия подвергают модификации.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что связующая субстанция не менее чем одного из используемых слоев имеет прозрачность, отличную от нулевой, по меньшей мере, в ограниченной области спектра лучистой энергии.

6. Способ по п.2, отличающийся тем, что после отверждения связующая субстанция, входящая в состав не менее чем одного из используемых слоев, имеет прозрачность, отличную от нулевой, по меньшей мере, в ограниченной области спектра лучистой энергии.

7. Способ по п.3, отличающийся тем, что связующая субстанция, входящая в состав не менее чем одного из используемых слоев, имеет прозрачность, отличную от нулевой, по меньшей мере, в ограниченной области спектра лучистой энергии.

8. Способ по п.4, отличающийся тем, что после отверждения связующая субстанция, входящая в состав не менее чем одного из используемых слоев, имеет прозрачность, отличную от нулевой, по меньшей мере, в ограниченной области спектра лучистой энергии.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что связующая субстанция, входящая в состав не менее чем одного из используемых слоев, по меньшей мере, в ограниченной области диапазона лучистой энергии, обладает отличным от материала, по меньшей мере, части используемых микросфер того же слоя коэффициентом преломления.

10. Способ по п.2, отличающийся тем, что после отверждения связующая субстанция, входящая в состав не менее чем одного из используемых слоев, по меньшей мере, в ограниченной области диапазона лучистой энергии, обладает отличным от материала, по меньшей мере, части используемых микросфер в составе того же слоя коэффициентом преломления.

11. Способ по п.3, отличающийся тем, что связующая субстанция, входящая в состав не менее чем одного из используемых слоев, по меньшей мере, в ограниченной области диапазона лучистой энергии, обладает отличным от материала, по меньшей мере, части используемых микросфер того же слоя коэффициентом преломления.

12. Способ по п.4, отличающийся тем, что связующая субстанция, входящая в состав не менее чем одного из используемых слоев, по меньшей мере, в ограниченной области диапазона лучистой энергии, обладает отличным от материала, по меньшей мере, части используемых микросфер того же слоя коэффициентом преломления.

13. Способ по п.5, отличающийся тем, что связующая субстанция, входящая в состав не менее чем одного из используемых слоев, по меньшей мере, в ограниченной области диапазона лучистой энергии, обладает отличным от материала, по меньшей мере, части используемых микросфер того же слоя коэффициентом преломления.

14. Способ по п.6, отличающийся тем, что после отверждения связующая субстанция, по меньшей мере, в ограниченной области диапазона лучистой энергии, обладает отличным от материала, по меньшей мере, части используемых микросфер того же слоя коэффициентом преломления.

15. Способ по п.7, отличающийся тем, что связующая субстанция, по меньшей мере, одного слоя, по меньшей мере, в ограниченной области диапазона лучистой энергии, обладает отличным от материала, по меньшей мере, части используемых микросфер того же слоя коэффициентом преломления.

16. Способ по п.8, отличающийся тем, что после отверждения связующая субстанция, по меньшей мере, в ограниченной области диапазона лучистой энергии, обладает отличным от материала, по меньшей мере, части используемых микросфер того же слоя коэффициентом преломления.

17. Способ по одному из пп.1-16, отличающийся тем, что не менее чем 70% используемых в составе одного и того же слоя микросфер имеют отклонения по размеру диаметра и толщине стенок на величины, не превышающие 30% от заданных средних значений.

18. Способ по одному из пп.1-16, отличающийся тем, что смесь газов, заполняющих объем, по меньшей мере, части микросфер, используемых в составе не менее чем одного слоя, находится при давлении ниже 0,1 МПа.

19. Способ по одному из пп.1-16, отличающийся тем, что за, по отношению к источнику лучистой энергии, по меньшей мере, одним слоем субстанции, содержащей полые микросферы, размещают, по меньшей мере, один слой, поверхность которого, обращенная к источнику лучистой энергии, обладает коэффициентом поглощения лучистой энергии не ниже 0,1, по меньшей мере, в ограниченной области спектра лучистой энергии.

20. Способ по одному из пп.1-16, отличающийся тем, что за, по отношению к источнику лучистой энергии, по меньшей мере, одним слоем субстанции, содержащей полые микросферы, размещают, по меньшей мере, один слой материала, поверхность которого, обращенная к источнику лучистой энергии, обладает селективными свойствами по отношению к лучистой энергии, по меньшей мере, в ограниченной области спектра лучистой энергии.

21. Способ по одному из пп.1-16, отличающийся тем, что за, по отношению к источнику лучистой энергии, по меньшей мере, одним слоем, содержащим полые микросферы, размещают, по меньшей мере, один слой материала, поверхность которого имеет коэффициент отражения не ниже 0,5 и одновременно коэффициент излучения не выше 0,5, по меньшей мере, в ограниченной области спектра лучистой энергии.

22. Способ по одному из пп.1-16, отличающийся тем, что за, по отношению к источнику лучистой энергии, по меньшей мере, одним слоем, содержащим полые микросферы, размещают, по меньшей мере, один комбинированный слой, одна из поверхностей которого обладает селективными свойствами по отношению к лучистой энергии, одновременно противоположная сторона того же слоя обладает коэффициентом отражения не менее 0,5 и коэффициентом излучения не выше 0,5, по меньшей мере, в ограниченной области спектра лучистой энергии.

23. Способ по одному из пп.1-16, отличающийся тем, что за, по отношению к источнику лучистой энергии, по меньшей мере, одним слоем материала, содержащего полые микросферы, размещают, по меньшей мере, один слой материала, поверхность которого, обращенная к источнику лучистой энергии, имеет коэффициент отражения не ниже 0,5, по меньшей мере, в ограниченной области спектра лучистой энергии.

24. Способ по одному из пп.1-16, отличающийся тем, что на поверхности, по меньшей мере, одного слоя, содержащего микросферы, обращенного к источнику лучистой энергии, размещают слой материала, обладающего селективными свойствами по отношению к лучистой энергии, по меньшей мере, в ограниченной области инфракрасной и/или видимой части спектра.

25. Способ по одному из пп.1-16, отличающийся тем, что перед, по отношению к источнику лучистой энергии, по меньшей мере, одним слоем, содержащим полые микросферы, размещают, по меньшей мере, один комбинированный слой, поверхность которого обладает селективными свойствами по отношению к лучистой энергии, одновременно противоположная поверхность того же комбинированного слоя обладает коэффициентом отражения не менее 0,5 и коэффициентом излучения не выше 0,5, по меньшей мере, в ограниченной области спектра лучистой энергии.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к теплоизоляции, преимущественно криогенных емкостей космических изделий. .

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к теплоизолированным колоннам, и может быть использовано для добычи нефти, газа и термальных вод, закачки теплоносителя в пласт.
Изобретение относится к области теплоизоляции. .

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для теплоизоляции, например, высокотемпературных аккумуляторных батарей, применяемых в космических установках.

Изобретение относится к области теплоизоляции. .

Изобретение относится к получению гибкого теплоаккумулирующего материала, предназначенного для использования в средствах защиты органов дыхания человека от воздействия повышенных температур, а также в элементах защитной одежды, упаковках и т.п.

Изобретение относится к созданию композиционных материалов на основе полимеров, предназначенных преимущественно для изготовления стенок теплообменных аппаратов, разделяющих теплоносители, и работающих в агрессивных, малоагрессивных и не агрессивных средах при капельной и пленочной конденсации водяных паров на тепловоспринимающих поверхностях, а также конвективной передаче теплоты от горячего теплоносителя к стенке(ам) и от стенки(ок) к холодному теплоносителю и может быть использовано как на стационарных теплоэнергетических установках, так и в системах двигателей транспортных средств.

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано в магнитных холодильных машинах, работающих в области температур ниже 30 К. .

Изобретение относится к теплоаккумулирующим составам и способам их получения для использования в системах вентиляции и кондиционирования воздуха, с температурой фазового превращения 20-24°С.

Холодильник содержит основной корпус, который открыт на передней поверхности и имеет камеру для хранения на внутренней стороне, и дверь для закрытия отверстия на передней поверхности основного корпуса холодильника. Дверь содержит элемент поверхности двери, расположенный на наружной стороне холодильника, внутреннюю пластину, расположенную на внутренней стороне холодильника, и теплоизоляционный участок, который расположен между элементом поверхности двери и внутренней пластиной и который содержит вакуумную теплоизоляционную панель и вспененный изоляционный материал, и усилительную пластину, которая находится в контакте с элементом поверхности двери, расположена между элементом поверхности двери и вакуумной теплоизоляционной панелью. Использование данного изобретения позволяет исключить выпадение теплоизоляционной панели при изготовлении двери. 4 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к изделию, представляющему собой теплоизолирующую панель, которая обеспечивает свойства теплового барьера. Изделие содержит: a. экструдированную термопластичную полимерную пену, которая имеет термопластичную полимерную матрицу, определяющую множество ячеек, экструдированная термопластичная полимерная пена определяет, по меньшей мере, одну полость; и b. панель с вакуумной изоляцией, расположенную полностью внутри, по меньшей мере, одной полости экструдированной термопластичной полимерной пены. Изобретение относится также к способу получения изделия. Технический результат - изделие обладает пониженной теплопроводностью. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил., 8 пр.
Наверх