Способ изготовления пакетов элементов остекления ограждающих конструкций зданий

Изобретение относится к области строительства, а именно к конструкциям остекления и способам их изготовления. Задачей данного изобретения является разработка улучшенного теплоизолирующего элемента стеклопакета, лишенного недостатков обычных вакуумных стеклопакетов, стеклопакетов, заполненных газом, с пониженной теплопроводностью и стеклоизделий с покрытием из оксида цинка или других материалов с высокой отражательной способностью и стоимостью. Для этого в способе изготовления пакетов элементов остекления ограждающих конструкций зданий, состоящих из листов стекла, устанавливаемых с промежутком между ними, который заполняют газом и герметизируют с установкой по периметру стекла фиксирующих прокладок, покрытых слоем уплотнительной замазки, согласно изобретению заполнение промежутка производят газом, поглощающим тепловое (инфракрасное) излучение, имеющим в своем составе три и более атомов. При подаче газа давление Р₁ и температуру Т₁ газа задают выше этих параметров для окружающей среды для того, чтобы после герметизации промежутка между стеклами за счет остывания газа в промежутке установилось бы давление P₁=Р_атм, что предотвратит перетекание газа, при этом соотношение начальных и конечных после заполнения параметров должно подчиняться соотношению $$\frac{P_1}{P_{атм}}=\frac{{Т}_1}{{Т}_2}$$ . В качестве лучепоглощающих газов используют как отдельные лучепоглощающие газы, так и их смеси. При использовании смеси лучепоглощающих газов состав их подбирают таким образом, чтобы, с учетом селективности излучения газов, диапазоны излучения отдельных газов создавали близкий к сплошному спектр излучения, характерный для «серого» тела. Для гарантии заданного состава и вытеснения воздуха из промежутка количество газа подаваемого для заполнения камеры, в 3-4 раза превышает ее объем. 2 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 ил.

 

Изобретение относится к области строительства, а именно к конструкциям остекления и способам их изготовления.

В WO 91/02878 и WO 93/15296 предложен вакуумный стеклопакет, состоящий из двух смежных листов стекла, из пространства между которыми откачан воздух. Листы стекла разделены между собой дистанционными прокладками и соединены между собой по периметру слоем герметизирующего материала (уплотнения). Откачка воздуха из межстекольного пространства производится через отверстие в одном из стекол.

Известные вакуумные стеклопакеты до настоящего времени не смогли завоевать рынок. Современными выпускаемыми промышленным способом вакуумными стеклопакетами достигнут неудовлетворительный коэффициент теплопередачи U=1,0 Вт/(м²·К) или ниже, этот параметр сегодня без труда обеспечивают даже традиционные стеклопакеты. И хотя лабораторные исследования показали реальность достижения коэффициента теплопередачи U=0,4 Вт/(м²·K), все же на практике эти результаты ограничивались только мелкими лабораторными образцами. Переход в лабораторных опытах на более крупные форматы изделий от 0,8 м² и выше до сих пор не удавался. Причина этого кроется в том, что, например, при практическом использовании известных вакуумных стеклопакетов часто имеют место повреждения в виде боя стекла, негерметичности или потери вакуума и т.п., что зачастую может приводить изделие к полной непригодности и отказу в работе. Особенно сильно страдают краевые зоны, находящиеся в соединительном профиле, и особенно в углах. Как оказалось, такие недостатки проявляются обычно на крупногабаритных изделиях площадью не менее 0,4 м² и прежде всего в более крупных, в то время как в малых лабораторных образцах обычного размера 500×500 мм (площадью до 0,25 м²) такие явления не наблюдались.

Кроме того, обычные вакуумные стеклопакеты по сравнению с традиционными стеклопакетами значительно дороже. До настоящего времени не удалось значительно снизить себестоимость изделий за счет улучшения технологии производства.

В качестве примера повышения теплового сопротивления стеклопакета из патентной документации известны способы нанесения покрытий на наружный лист стекла для обеспечения определенных свойств поглощения энергии и пропускания света для снижения тепловых потерь из помещений зданий.

В патенте US 4751149 описан способ нанесения покрытия из оксида цинка на основу при низкой температуре с использованием смеси цинкорганического соединения и воды в среде инертного газа. Получаемая пленка оксида цинка имеет сравнительно низкое удельное сопротивление, которое можно изменить путем добавления химического элемента III группы Таблицы Д.И. Менделеева (В, Al, Sc).

В патенте US 6071561 описан способ осаждения пленок из оксида цинка с примесью фтора с использованием паров соединений исходных веществ, например хелатадиалкилцинка, в частности, с использованием аминохелата, источника кислорода и источника фтора. Полученные покрытия являются электропроводными, отражают инфракрасное излучение, поглощают ультрафиолетовое излучение и не содержат углерода.

Наиболее близким к заявленному способу является патент RU 2448133, в котором говорится о том, что теплопередача в герметизированных изоляционных стеклопакетах может быть снижена при замене воздуха в герметизированном изоляционном стеклоокне на газ с более низкой теплопроводностью. Подходящие газы должны быть бесцветными, нетоксичными, некорродирующими, негорючими, не разрушающимися под действием ультрафиолетового излучения и более низкопроводными по теплу, чем воздух. Аргон, криптон, ксенон и гексафторид серы являются известными примерами газов, которые обычно являются заменителями воздуха в изоляционных стеклоокнах для снижения энергопереноса теплопроводностью.

Однако при проведении эксперимента с использованием воздуха, дорогостоящего инертного аргона и углекислоты CO₂ выявлено, что заполнение камер аргоном почти ничего не дало, а в случае с газом-заполнителем CO₂ результат уменьшения теплообмена на 8-10% по сравнению с воздушным заполнителем. Такие результаты приводят к выводу о том, что неправильно были представлены механизмы теплопередачи в случае использования теплопроводности газов как средства управления процессом теплопередачи через стеклопакет.

Задачей данного изобретения является разработка улучшенного теплоизолирующего элемента стеклопакета, лишенного недостатков обычных вакуумных стеклопакетов, стеклопакетов, заполненных газом, с пониженной теплопроводностью и стеклоизделий с покрытием из оксида цинка или других материалов с высокой отражательной способностью и стоимостью.

Сущность изобретения: в способе изготовления пакетов элементов остекления ограждающих конструкций зданий, состоящих из листов стекла, устанавливаемых с промежутком между ними, который заполняют газом и герметизируют с установкой по периметру стекла фиксирующих прокладок, покрытых слоем уплотнительной замазки, согласно изобретению заполнение промежутка производят газом, поглощающим тепловое (инфракрасное) излучение, имеющим в своем составе три и более атомов. При этом при подаче газа давление P₁ и температуру T₁ газа задают выше этих параметров для окружающей среды для того, чтобы после герметизации промежутка между стеклами за счет остывания газа в промежутке установилось бы давление P₁=P_атм, что предотвратит перетекание газа, при этом соотношение начальных и конечных после заполнения параметров должно подчиняться соотношению $$\frac{P_1}{P_{атм}}=\frac{T_1}{T_2}$$ .

В качестве лучепоглощающих газов используют как отдельные лучепоглощающие газы, так и их смеси. При использовании смеси лучепоглощающих газов состав их подбирают таким образом, чтобы, с учетом селективности излучения газов, диапазоны излучения отдельных газов создавали близкий к сплошному спектр излучения, характерный для «серого» тела. Для гарантии заданного состава и вытеснения воздуха из промежутка количество газа, подаваемого для заполнения камеры, в 3-4 раза превышает ее объем

На фиг. 1 изображен оконный стеклопакет с улучшенной теплоизоляционной способностью, содержащий два отстоящих друг от друга листа стекла в пространственном отношении друг к другу, с газовой прослойкой между ними. На фиг. 2 представлена зависимость приведенной степени черноты от степени черноты газа

Для анализа условий теплообмена были произведены расчеты с целью определения составляющих теплопередачи через пакет в прослойке между стеклами. Определялись тепловые потоки при заполнении полости между стеклами разными газами.

Таблица 1

Расчеты были проведены при обработке опытных замеров δ=14·10^-3 м, Δt=8°C - разница температур между стеклами. Тепловым сопротивлением самих стекол ввиду его малости пренебрегаем.

Как показали расчеты, доля лучистого теплообмена является довольно значительной, и поэтому тепловое сопротивление окон лучше всего изменять за счет излучения.

Теоретическое решение задачи лучистого теплообмена представляется уравнением:

где C₀=5,77 Вт/(м²·К⁴) - коэффициент излучения абсолютно черного тела;

T₁ и T₂ - абсолютные температуры каждого из стекол, К;

ε_пр - приведеная степень черноты.

Именно это величина содержит характеристику поглощающих свойств газового слоя.

Для случая ε_г=0 (отсутствие поглощения газом):

,

При наличии поглощающего газа:

.

Сравнение этих двух случаев можно провести, используя отношение этих величин, т.е. $$\overline{\epsilon }=\frac{{\epsilon }_{пр}^{\text{'}}}{{\epsilon }_{пр}}$$ , что в развернутом виде представлено выражением:

.

Если $$\overline{\epsilon }<1$$ , то это будет означать, что лучепоглощающая среда будет уменьшать тепловой поток, и наоборот.

Ниже в таблице 2 приводятся результаты расчетов величины $$\overline{\epsilon }$$ для различных газов.

Таблица 2 - Расчет сравнительной степени черноты

Как видно из приведенных данных, увеличение степени черноты газа, заполняющего прослойку между стеклами, ведет к снижению приведенной степени черноты системы и, следовательно, к снижению интенсивности лучистого теплообмена. Особенно наглядно эта связь представлена на графике (фиг. 2), построенном по результатам расчетов.

Приведенный график можно интерпретировать зависимостью:

$$\overline{\epsilon }\approx 1-{\epsilon }_{г}$$ , при этом ошибка будет составлять 0,7%.

Для проверки справедливости такой интерпретации проведем контрольный расчет в двух точках:

ε_г=0,2; ; ,

ε_г=0,9; ; .

Таким образом, введение в прослойку поглощающего «парникового» газа должно снижать тепловые потоки через стеклопакет. К таким газам, поглощающим тепловое инфракрасное излучение, относятся газы, имеющие в своем составе более трех атомов, например, CO₂, SO₂, CH₄, фреоны и др. Поскольку газы отличаются селективностью излучения, т.е. наличием излучения и поглощения только в каких-то характерных для данного газа диапазонах длин волн, и в газовых смесях действует правило парциальности действия и аддитивности (слагаемости) величин эффектов отдельных газов, то целесообразно окна заполнять смесями поглощающих газов. При этом их состав нужно подбирать так, чтобы диапазоны излучения газов не совпадали, а в сумме давали бы спектр излучения, близкий к сплошному спектру излучения твердого «серого» тела.

При заполнении газом необходимо добиться вытеснения воздушного объема из промежутка между стеклами, иначе эффект поглощения будет снижен за счет снижения доли парциального давления в объеме промежутка. Для гарантии полного вытеснения, как показывает опыт, достаточно прокачать объем газа, превышающий объем воздушной прослойки в 3-4 раза.

Для обеспечения герметичности в процессе службы окон в них необходимо создать давление, близкое к атмосферному, что исключит процесс перетекания. Вместе с тем для продувки в камере (промежутке) окна необходимо держать давление выше атмосферного. Для выполнения этих противоречащих друг другу требований, необходимых для нормальной работы окна с заполнением поглощающим газом, предлагается при продувке держать избыточное давление в камере около 10 кПа или 0,1 атм (абсолютное давление P₁=110 кПа), при этом температура газа должна составлять 40-50°C или 310-320 K. После заполнения камеры пружинные клапаны отсекают объем камеры, фиксируя ее объем.

При постоянном объеме, что характерно для газовой прослойки, давление и температура связаны соотношением, вытекающим из известного закона Бойля-Мариотта

где T₁ и P₁ - температура и давление газа сразу после заполнения,

T₂ и P₂ - температура и давление газа после остывания газа через некоторое время, когда возникнут рабочие условия службы окон в целом и газозаполненной камеры в частности.

При работе окон температура газа в камере окна может быть определена на основе практических данных зимой t₂~0°C и летом 25°C. Если принять среднюю за год температуру t₂=17°C (T₂=290 K), то тогда из закона Бойля-Мариотта

что дает $$P_2=110\cdot \frac{290}{320}=100кПа\approx 1атм$$ ,

что соответствует барометрическому давлению воздушной среды. При этом не будет перепада давлений между давлением газа в камере окна и снаружи ее, что исключит возможное перетекание газа.

Аналитический расчет лучистых тепловых потоков был произведен для четырех газов: углекислота, аммиак, метан и пропан-бутан. Здесь четко выявилась тенденция к уменьшению тепловых потоков от одного стекла к другому при введении так называемых «парниковых» газов.

Экспериментальную проверку гипотезы удалось в полной мере провести только для углекислоты и метана.

Результаты опытов показали, что введение CO₂ в качестве заполнителя пространства между стеклами дало снижение тепловых потоков на 8-10%, а для метана - на 10-12%.

Изобретение позволяет уменьшить тепловые потери через элементы остекления зданий. Теплоизолирующий элемент остекления содержит систему листов стекла, первый из которых является наружным стеклом, второй - внутренним. Пространство между листами стекла заполнено лучепоглощающим газом, в частности многоатомным, который, в свою очередь, увеличивает сопротивление теплопередаче.

1. Способ изготовления пакетов элементов остекления ограждающих конструкций зданий, состоящих из листов стекла, устанавливаемых с промежутком между ними, который заполняют газом и герметизируют с установкой по периметру стекла фиксирующих прокладок, покрытых слоем уплотнительной замазки, отличающийся тем, что заполнение промежутка производят газом, поглощающим тепловое (инфракрасное) излучение, имеющим в своем составе три и более атомов, при этом при подаче газа давление Р₁ и температуру Т₁ газа задают выше этих параметров для окружающей среды, чтобы после герметизации промежутка между стеклами за счет остывания газа в промежутке установилось бы давление Р₁=Р_атм, что предотвратит перетекание газа, при этом соотношение начальных и конечных после заполнения параметров должно подчиняться соотношению $$\frac{P_1}{P_{атм}}=\frac{{Т}_1}{{Т}_2}$$ , а для гарантии заданного состава и вытеснения воздуха из промежутка количество газа, подаваемого для заполнения камеры, в 3-4 раза превышает ее объем.

2. Способ изготовления пакетов по п. 1, отличающийся тем, что в качестве лучепоглощающих газов используют как отдельные лучепоглощающие газы, так и их смеси.

3. Способ изготовления пакетов по п. 1, отличающийся тем, что при использовании смеси лучепоглощающих газов состав их подбирают таким образом, чтобы, с учетом селективности излучения газов, диапазоны излучения отдельных газов создавали близкий к сплошному спектр излучения, характерный для «серого» тела.