ТЕПЛООТРАЖАЮЩИЙ ДИСПЕРСИОННЫЙ СВЕТОФИЛЬТР Российский патент 1998 года по МПК G02B5/22 G02B5/20 C08J5/18 C03C4/00 

Изобретение относится к отражающим ИК-излучение фильтрам, устанавливаемым для освещения, нагрева и защиты от перегрева солнечной энергией помещений, теплиц и др.

Известен рассеивающий дисперсионный фильтр, состоящий из связывающей среды с помещенными в нее однородными частицами, используемый в ИК-области спектра, в котором изменение спектрального состава проходящего через него излучения происходит в результате его рассеяния на неоднородностях, размеры которых сравнимы с длиной волны излучения (K.R.Armstrong, F.J.Low, Far-Infrared Filters Utilizing Small Paaticle and Antireflection Coating, Applied Optics, vol. 13, N 2, - 1974. - P. 425-430).

Однако известный фильтр всегда остается непрозрачным в видимой области спектра, а пропускает только дальнюю ИК-область в узком спектральном интервале. При этом температура не оказывает влияния на оптические характеристики фильтра.

Известен теплоотражающий дисперсионный светофильтр, включающий основу, в которую в качестве дисперсного наполнителя введены частицы двуокиси ванадия, причем частицы двуокиси ванадия имеют размер d, не превышающий длину волны λ фильтруемого света (GB, заявка, 1265282, кл. G 02 B 5/22, 1972). Фильтрация в этом случае обеспечивается отражением за счет релеевского рассеяния света. Однако выполнение только условия d < λ не обеспечивает получения максимального значения коэффициента отражения.

В основу изобретения поставлена задача создания фильтра, обеспечивающего при определенных температурах получение максимального значения коэффициента отражения в широком интервале ИК-области спектра (0,8-25 мкм) и прозрачность в видимой области спектра (0,3-0,8 мкм) при любой температуре.

Задача решается за счет того, что в известном теплоотражающем дисперсионном светофильтре, включающем основу, в которую в качестве дисперсного наполнителя введены частицы двуокиси ванадия, они имеют шарообразную форму с диаметром 0,5 мкм < d < 50 мкм.

Технология получения теплоотражающего дисперсионного светофильтра следующая. Наполнитель диспергируется, вводится в связующую среду (стекло, полимерная композиция) и перемещается до получения равномерного распределения по объему.

Комплексный показатель преломления этого вещества при достижении точки фазового перехода претерпевает существенные изменения - резко возрастает (на несколько порядков) электропроводность, и вещество переходит из состояния "диэлектрик" в состояние "металл". Поскольку вещество перешло из состояния "диэлектрик" в состояние "металл", меняются его оптические свойства. Это обстоятельство приводит к тому, что фильтр с таким наполнителем отражает ИК-излучение (0,8-25 мкм) и остается прозрачным для видимого излучения при температурах, превышающих температуру фазового перехода. При температурах, меньших температуры фазового перехода, фильтр остается прозрачным во всем спектральном интервале, поскольку наполнитель - двуокись ванадия при этих температурах находится в состоянии "диэлектрик".

Были проведены расчеты отражательной способности композиционных матриц (моделирующих фильтр), содержащих частицы двуокиси ванадия определенного размера из диапазона 0,1-50 мкм с объемной концентрацией до 3%.

На чертеже представлены результаты расчетов коэффициентов отражения композиционных матриц, содержащих частицы двуокиси ванадия определенного размера из диапазона 0,5-15 мкм с объемной концентрацией 0,1%, где кривые 1 - 4 - коэффициенты отражения для частиц с диаметром 0,5 мкм (кривая 1), 5 мкм (кривая 2), 10 мкм (кривая 3), 15 мкм (кривая 4) при температуре меньше температуры точки фазового перехода двуокиси ванадия, кривые 5 - 8 - расчетные коэффициенты отражения для матриц с частицами диаметром 0,5 мкм (кривая 5), 5 мкм (кривая 6), 10 мкм (кривая 7), 15 мкм (кривая 8) при температурах выше температуры фазового перехода двуокиси ванадия.

Как видно из графиков, отражательная способность композиционной матрицы в видимой области спектра (0,3-0,8 мкм) не зависит от температуры (кривые 1 - 8), а в ИК-области спектра фазовое состояние частиц существенным образом влияет на поведение отражательной способности композиционной матрицы. Такая композиционная матрица при взаимодействии с падающим потоком излучения будет работать следующим образом. При температурах, не превышающих температуру перехода "диэлектрик-металл", отражательная способность во всем спектральном диапазоне остается неизменной (кривые 1 - 4), а ее величина не существенно превышает величину отражательной способности связующего вещества. При температурах, равных или превышающих температуру фазового перехода, отражательная способность композиционной матрицы почти в два раза возрастает в ИК-области спектра, при этом в видимой области ее величина практически не изменяется (кривые 5 - 8). Проведенные расчеты также показали, что величина скачка отражательной способности при фазовом переходе зависит от размера частиц и их концентрации в матрице.

Пропускательная способность композиционных матриц была исследована экспериментально. Спектры пропускания образцов в области 0,3-2,5 мкм были получены с помощью спектрофотометра СФ-46, а в области 2,5-25 мкм были получены с помощью ИК-Specord. Исследуемые образцы размещались в специальном обогреваемом модуле, температура в котором измерялась в пределах 20-100^oC и поддерживалась на заданном уровне с точностью ± 0,1^oC. Спектральные характеристики фильтров на основе ПВХ-пленок при взаимодействии с проходящим излучением приведены в таблице.

Из экспериментальных данных, приведенных в таблице, следует, что в ИК-области спектра выше температуры фазового перехода отмечается уменьшение пропускательной способности для всех исследованных образцов. Фракционный состав частиц наполнителя влияет на степень изменения пропускательной способности композиционной пленки после фазового перехода. Наибольшее изменение отмечается при выборе размеров частиц двуокиси ванадия, не превышающих 50 мкм. При этом ослабление светопропускания за счет отражения в области 0,8025 мкм и сохранении неизменным светопропускания в видимой области 0,3-0,8 мкм для температур, превышающих точку фазового перехода, и сохранение неизменным светопропускания во всем спектральном интервале при температуре, меньшей точки фазового перехода, достигается при использовании в качестве наполнителя частиц двуокиси ванадия диаметром 0,5 мкм < d < 50 мкм.

Теплоотражающий дисперсионный светофильтр используется при освещении, нагреве и защите от перегрева солнечной энергии помещений, теплиц и т.п. Фильтр содержит основу, в которую в качестве дисперсного наполнителя введены частицы двуокиси ванадия, имеющие шарообразную форму с диаметром 0,5 мкм < d < 50 мкм. 1 ил.

Теплоотражающий дисперсионный светофильтр, включающий основу, в которую в качестве дисперсного наполнителя введены частицы двуокиси ванадия, отличающийся тем, что частицы двуокиси ванадия имеют шарообразную форму с диаметром 0,5 < d < 50 мкм.