Теплоизоляционное покрытие с односторонней проводимостью инфракрасного и видимого света Российский патент 2023 года по МПК F24S80/50 

Изобретение относится, например, к строительной гелиотехнике и предназначено для использования при строительстве зданий и сооружений, с обогревом и освещением за счет солнечного излучения, а также для теплоизоляции, отводящей тепловое инфракрасное (ИК) излучение, исключающей перегрев космических аппаратов, и зданий в южных регионах.

Известно полупрозрачное зеркало Гезелла, которое в действительности представляет собой стекло, покрытое тонким слоем металла - так, что часть падающего на поверхность зеркала света отражается, а часть проходит насквозь. При этом насквозь свет проходит в обоих направлениях одинаково. Если таким стеклом отгородить хорошо освещенное помещение от слабо освещенного, то со стороны светлого помещения оно будет казаться зеркалом, а с другой стороны оно будет выглядеть затемненным окном. Это объясняется тем, что со стороны освещенного помещения отражение будет маскировать свет, проходящий сквозь стекло из темного помещения. А со стороны темного помещения картина будет обратная: проходящий сквозь стекло свет будет более интенсивным, чем отраженный. Таким образом, зеркало Гезелла обладает только субъективной односторонней проводимостью света, но не физической. https://ru.wikipedia.org/wiki//Зеркало_Гезелла

Известна и широко используется отражающая теплоизоляция, состоящая из пористого слоя с односторонним или двухсторонним тонким металлическим покрытием (x-teplo.ru…otrazhajushhaja-teploizoljacija.html). Отражающая теплоизоляция (обычно это материал в рулонах) состоит из основного пористого и металлического отражающего слоя, сводящего к минимуму потери тепла (ИК излучения) помещения. Такая теплоизоляция, тоже одинаково снижает передачу тепла с обеих сторон, как с наружи, так и изнутри помещения, она не обладает односторонней тепловой проводимостью.

Известна стеновая панель солнечного обогрева здания (патент РФ №2011933), содержащая лицевую обшивку с установленными в ней оптическими линзами, теплопроводные стержни, установленные одними торцами в фокальных зонах линз, а другими - контактирующими с приемником. Стеновая панель имеет слой теплоизоляции, в которой есть воздушные конические полости, обращенные большими основаниями к линзам, а меньшими - к теплопроводным стержням. Известная стеновая панель имеет ограниченное применение в строительстве, у нее большой вес, и в жаркие дни летнего периода в помещение передается излишне большой поток тепловой энергии, создавая условия дискомфорта.

Известна также стеновая панель солнечного отопления здания (патент РФ №2191328), имеющая конструкционные признаки, полностью соответствующие предыдущему аналогу. В ней теплопроводные элементы выполнены в виде съемных наклоненных к горизонту тепловых трубок с односторонней тепловой проводимостью. В этих панелях односторонняя тепловая проводимость достигается за счет наклона тепловых трубок, и движения по ним, нагретого воздуха снизу вверх. Недостаток этой стеновой панели при их массовом изготовлении заключается в высокой стоимости оптических линз и большой трудоемкости по перестановке теплопроводных элементов в межсезонный период. Такие стеновые панели имеют большой вес, низкую эффективность, высокую инерционность, из-за большой массы, их нельзя применять для легких строительных сооружений, или для охлаждения космических аппаратов в безвоздушном пространстве.

Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение стоимости теплоизоляции, значительное уменьшение ее массы, и материалов для ее изготовления, увеличение эффективности за счет односторонней передачи тепла (вентильные свойства) с помощью ИК излучения, а не посредством воздушной конвекции. Применение заявляемого изобретения позволит снизить затраты на обогрев помещений, или на их охлаждение. Кроме того, снижается инерционность тепловой передачи, появляется возможность передачи видимого света, и это естественное освещение также снижает дополнительные энергетические затраты, упрощается конструкция и технология изготовления теплоизоляции.

Сущность изобретения. Технический результат достигается тем, что в теплоизоляционном покрытии (Фиг. 1) имеется основной пористый слой (4) и нанесенный на него слой односторонней металлизации (5), однако, эти слои не являются сплошными. Внутри основного пористого слоя (4), имеются прозрачные фоконы (3), ориентированные вдоль распространения теплового и светового излучения (1). Причем широкие торцы (2) фоконов (3) направлены в сторону источника излучения, а узкие торцы (6), направлены в сторону приемника лучистой энергии, совпадая с небольшими отверстиями в слое металлизации (5), нанесенном на основной пористый слой со стороны приемника тепловой и световой энергии. Таким образом, с помощью фоконов, тепловая и световая лучистая энергия, входящая в широкие торцы фоконов, сначала концентрируется, а затем излучается в сторону приемника энергии из узких торцов фоконов (Фиг. 1 и 2,А). Тепловые ИК лучи отраженные от приемника энергии (при обогреве, предметы и стены внутри помещения), попадая на теплоизоляционное покрытие, будут в основном отражаться (Фиг. 2,Б) от слоя металлизации (5), оставаясь внутри помещения. Однако незначительная часть этих лучей, все же будет уходить из помещения, через узкие торцы фоконов. Поэтому эффективность предлагаемого теплоизоляционного покрытия будет тем выше, чем меньше площадь отверстий в слое металлизации, т.е. чем меньше площадь выходных торцов фоконов. Концентрация ИК и видимых световых лучей в фоконах происходит посредством полного внутреннего отражения от их стенок, при этом, углы падения лучей увеличиваются с каждым последующим отражением, и на выходе из фоконов свет становится рассеянный (7). Поэтому, угловая апертура фоконов должна быть такой, чтобы угол отражения лучей в фоконах не превысил 90°, иначе лучи развернутся в обратную сторону, и выдут обратно в широкие торцы фоконов. На фотографии (Фиг. 3) видно, что фокон (3) светится все ярче, по мере его сужения. Чем ближе к выходному торцу - 6, тем ярче свечение фокона. Это объясняется тем, что угол падения лучей на стенку фокона увеличивается, а значит, увеличивается доля преломленных лучей, выходящих через стенки фокона (потерянных), и уменьшается доля отраженных лучей внутри фокона. Таким образом, концентрация выходного света (7) уменьшится, если площадь выходного торца (6) будет слишком мала. Для уменьшения световых потерь, может применяться металлизация боковых поверхностей фоконов, однако это усложнит технологию изготовления заявляемого однонаправленного теплоизоляционного покрытия.

Экспериментальные исследования компьютерной модели (Фиг. 2), в программе Trace Pro показали хорошие результаты. При направленном нормальном падении лучей (1) на широкий торец (2) фокона (3), все лучи после многократного отражения (Фиг. 2,А) от его стенок, вышли из узкого торца (6), создавая рассеянный свет (7). При обратном нормальном освещении (Фиг. 2,Б), более 90% лучей (8) отразилось обратно от металлизированного слоя (5). Наклон отраженных лучей (8) объясняется тем, что металлизация имела поверхностную геометрию линзы Френеля (ЛФ).

Экспериментальные исследования физической модели (Фиг. 3), также подтвердили работоспособность заявляемого изобретения, теплоизоляционного покрытия. Были рассчитаны оптимальные параметры фоконов, построены графики зависимости потерь от их угловой апертуры, графики зависимости светопроницаемости различных материалов от длины световой волны, выбраны наиболее подходящие материалы для изготовления каждого слоя теплоизоляционного покрытия. Установлено, что предлагаемое изобретение позволяет передать лучистую энергию в прямом направлении, превышающую по мощности на порядок (как минимум), обратную энергию потерь.

Применение заявляемого теплоизоляционного покрытия позволяет существенно снизить энергетические затраты на отопление помещений, находящихся в средней полосе, и северных районах. Заявляемое теплоизоляционное покрытие может применяться как для кровли, совместно с керамической, или мягкой черепицей в качестве ее подложки, так и для стен, с неметаллической облицовкой. Данное покрытие можно использовать и для освещения помещений естественным рассеянным дневным светом, при этом дополнительно, возможно снижение тепловых потерь, за счет уменьшения площади окон в данном помещении. Можно значительно снизить затраты на охлаждение помещений в южных регионах. Но особенно актуально, данное изобретение (теплоизоляционное покрытие), для теплоизоляции космических станций и аппаратов. Заявляемое теплоизоляционное покрытие найдет широкое применение при освоении космоса, поскольку с его помощью можно легко охлаждать космические аппараты, отведением тепла в космическое пространство, в виде ИК излучения. Изобретение позволит применить ручное регулирование температуры на космических станциях, в качестве дублирующего способа, наряду с автоматической тепловой системой микроклимата.

Цифровые обозначения элементов на рисунках

1 - входные лучи ИК или видимого света;

2 - широкий торец фокона;

3 - фокон;

4 - пористый теплоизоляционный материал;

5 - тонкий слой металла;

6 - узкий торец фокона;

7 - выходные лучи ИК или видимого света;

8 - отраженные лучи.

Теплоизоляционное покрытие с односторонней проводимостью инфракрасного и видимого света может использоваться при строительстве зданий и сооружений в северных районах с обогревом за счет солнечного излучения, или для охлаждения космических аппаратов и зданий в южных регионах, исключающее их перегрев. В теплоизоляционном покрытии имеется пористый слой и нанесенный на него слой металлизации. Внутри основного пористого слоя имеются прозрачные фоконы, ориентированные вдоль распространения теплового и светового излучения, широкие торцы фоконов направлены в сторону источника излучения, а узкие торцы направлены в сторону приемника излучения, совпадая с небольшими отверстиями в слое металлизации. С помощью фоконов из-за полного внутреннего отражения, тепловая и световая лучистая энергия, при обогреве помещений сначала концентрируется, а затем излучается в сторону приемника энергии из узких торцов фоконов. Однако обратные тепловые ИК лучи в основном отражаются от слоя металлизации, оставаясь внутри помещения. Теплоизоляционное покрытие позволяет снизить энергетические затраты на отопление помещений, находящихся в средней полосе, и северных районах. 3 ил.

Теплоизоляционное покрытие с односторонней проводимостью инфракрасного и видимого светового излучения, содержащее теплоизоляционный пористый слой, покрытый с внутренней стороны тонким слоем металла, отличающееся тем, что внутри пористого материала расположены прозрачные фоконы, ориентированные вдоль распространения лучистой энергии и направленные широким торцом к источнику излучения тепла и света, а узким торцом они направлены к приемнику лучистой энергии, и эти узкие торцы совмещены с небольшими отверстиями в металлическом слое.