PL229058B1 - Ustrój transparentnych przeszkleń termoizolacyjnych - Google Patents

Abstract

Ustrój transparentnych przeszkleń termoizolacyjnych charakteryzuje się tym, że przezroczyste przegrody (2) usytuowane są pod kątem od 30 do 60 stopni w stosunku do tafli zewnętrznych (1), równolegle względem siebie i bez wzajemnego styku, przy czym przegrody (2), złożone z co najmniej jednego poziomo wydłużonego pasma materiału, przedzielone są co najmniej jedną poziomą przerwą (3), tworząc labiryntową w przekroju geometrię wspólnej komory przeszklenia, bez kondukcyjnego mostka cieplnego między taflami zewnętrznymi (1). Każde z pasm skrajnych względem płaszczyzny osiowej szyby zespolonej znajduje się w poziomym kontakcie tylko z jedną z tafli (1), a wszystkie pasma znajdują się w kontakcie wzdłuż linii ukośnej z pionowymi ramkami bocznymi.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest ustrój transparentnych przeszkleń termoizolacyjnych stosowanych głównie w budownictwie. W szczególności wynalazek dotyczy przeszkleń pionowych lub stromo nachylonych jako elementu klasycznej stolarki otworowej (okien otwieranych i okien stałych, oszklonych drzwi, w tym balkonowych), lekkich szklanych ścian osłonowych (w wersji otwieranej i stałej), szklanych fasad (w tym podwójnych), stromych okien połaciowych i innych stromych przeszkleń dachowych oraz konstrukcji typu szklarni.

Kondukcję termiczną wewnątrz szyby zespolonej można ograniczyć na przykład dzięki zastosowaniu gazu o wyższej gęstości niż powietrze, a także dzięki zwiększeniu grubości warstwy gazu w wyniku zwiększenia odległości między taflami zewnętrznymi. Jednak przy zwiększeniu odległości pomiędzy zewnętrznymi powierzchniami znaczenia nabiera mechanizm konwekcji termicznej, w wyniku którego gaz zaczyna coraz intensywniej krążyć w przestrzeni pomiędzy szybami, tworząc obszerne komórki konwekcyjne. Kondukcja spada wraz z odległością pomiędzy szybami, a konwekcja - wzrasta. Z tego powodu odległość pomiędzy zewnętrznymi taflami powinna być na tyle mała, aby lepkość ga zu ograniczała konwekcję, ale na tyle duża, żeby ograniczyć kondukcyjny transfer ciepła. W przypadku typowych szyb zespolonych wypełnionych np. argonem, ta kompromisowa, optymalna odległość wynosi 16 mm. Innymi słowy, powietrze, a zwłaszcza niektóre inne gazy o niskiej kondukcji właściwej, są doskonałym izolatorem, ale tylko w sytuacji kiedy wyeliminujemy konwekcję.

Wytłumienie zjawiska konwekcji zachodzącego wewnątrz szyby zespolonej zostało dotychczas zaproponowane w kilku rozwiązaniach.

Proponowano wprowadzanie do przeszkleń przezroczystych lub lustrzanych płyt szklanych lub polimerowych, tworzących pomiędzy szybami system wzajemnie równoległych przegród, zorientowanych kulisowo względem owych szyb (EP 1 072 752). W niektórych wersjach wykonania przegrody mają regulowany kąt nachylenia lub też mają formę systemu ruchomych dwuspadowych daszków (US 4 245 435, DE 4 232 395) i stanowią rodzaj żaluzji, zapewniającej dodatkowo, w razie potrzeby prywatność wewnątrz pomieszczenia. Podział przestrzeni wewnątrz szyb na kulisowe komory ma pewne znaczenie dla zwiększenia oporu cieplnego całego przeszklenia. W proponowanych rozwiązaniach komory te są jednak obszerne, nieomal izometryczne w przekroju poprzecznym i wzajemnie skomunikowane bocznie, poprzez szczeliny między lamelami a taflami szyby. Transparentne (lub lustrzane w innych rozwiązaniach), zawieszone na cięgnach przegrody ograniczające te komory muszą być sztywne, a więc masywne. Wprowadzenie wspomnianych przezroczystych lub zwierciadlanych żaluzji w niewielkim stopniu poprawia własności termiczne okna, natomiast radykalnie pogarsza widoczność obiektów obserwowanych przez tak zabudowane przeszklenia. Wszelkie przegrody w komorze szyby zespolonej pozostawiające przestrzeń pomiędzy swymi krawędziami a taflami zewnętrznymi pozwalają na rozwinięcie się celi konwekcyjnej opływającej pakiet przegród dookoła i efektywnie transportującej ciepło pomiędzy taflami.

W rozwiązaniach według opisów DE 2 647 337, DE 4 209 653 przewidziane są zamknięte komory, których ściany stanowią kondukcyjne mostki cieplne pomiędzy taflami zewnętrznymi. Rozwiązania te nie spełniają wymogów wystarczającej przezierności przeszklenia.

Próby pogodzenia sprzecznych wymogów wysokiego oporu termicznego i dobrych właściwości optycznych przedstawione są w opisach DE 1 950 9545 oraz WO 03 104 599. Rozwiązania te przewidują wprowadzenia do przestrzeni między przezroczystymi przegrodami, zwłaszcza szybami, wypełnionej przezroczystym, bezbarwnym gazem, niewidocznego systemu blokującego możliwość rozwinięcia się konwekcji termicznej w owym medium. Ustrój gazowej izolacji termicznej w cytowanych rozwiązaniach ma wewnętrzny układ blokady konwekcji w postaci płaskorównoległych i równoległych względem siebie zamkniętych komór usytuowanych pomiędzy zewnętrznymi szybami pod kątem względem poziomu. Dobre parametry optyczne przeszkleń według cytowanych rozwiązań zapewnione są przez właściwości materiału, z którego wytworzone są ściany komór lub przez pokrycie tych ścian odpowiednimi powłokami antyrefleksyjnymi.

Powyższe rozwiązania, podobnie, jak w przypadku wcześniejszych konstrukcji, są niedoskonałe ze względu na występowanie kondukcyjnego transferu ciepła poprzez materiał powłok komór. Transfer ten można ograniczyć zmniejszając grubość tych powłok aż do wartości submikronowych oraz poprzez zastosowanie do ich produkcji materiału o niskim współczynniku przenikalności cieplnej, np. polimeru. Jest to jednak niedogodne z powodu skomplikowanej technologii montażu tak cienkich przegród wewnątrz szyby zespolonej.

PL 229 058 B1

Również alternatywne rozwiązanie przedstawione w opisie WO 2011 068 425 wykazuje te same niedogodności jeśli chodzi o technologię produkcji oraz występowanie kondukcyjnych „mostków cieplnych” w postaci ścian komór.

Celem wynalazku jest wprowadzenie przeszkleń wielowarstwowych łączących w sobie wysoki opór cieplny z całkowitą przeziernością. Konieczne jest więc nadanie odpowiednich własności optycznych wszystkim elementom, tak aby uczynić je praktycznie niewidocznymi dla użytkownika.

Blokadę konwekcji poprzez stabilną stratyfikację termiczno-gęstościową gazu wewnątrz szyby zespolonej zbudowanej według wynalazku można osiągnąć za pomocą nadania komorze wydzielonej przez tafle zewnętrzne labiryntowej geometrii za pomocą systemu niewidocznych przegród pochylonych pod kątem w stosunku do tafli zewnętrznych, przy czym wnętrze szyby zespolonej wypełnione jest suchym powietrzem lub gazem korzystnie o wysokiej gęstości. Odległość między przegrodami, o których mowa powinna być dobrana optymalnie do rodzaju gazu wypełniającego komorę szyby zespolonej, zgodnie ze znanym stanem techniki. Konfiguracja tych elementów wewnątrz szyby zespolonej powinna skutkować blokadą konwekcji.

Ustrój transparentnych przeszkleń termoizolacyjnych z szybami zespolonymi składa się zatem z dwóch zewnętrznych przezroczystych tafli w postaci szyb pomiędzy którymi znajduje się przezroczyste medium gazowe i niewidoczne przezroczyste przegrody.

Istota rozwiązania polega na tym, że przezroczyste przegrody usytuowane są pod kątem od 30 do 60 stopni w stosunku do tafli zewnętrznych, równolegle względem siebie i bez wzajemnego styku, przy czym przegrody te, złożone z co najmniej jednego poziomo wydłużonego pasma materiału przedzielone są co najmniej jedną poziomą przerwą tworząc labiryntową w przekroju geometrię wspólnej komory przeszklenia, bez kondukcyjnego mostka cieplnego między taflami zewnętrznymi. Każde z pasm skrajnych względem płaszczyzny osiowej szyby zespolonej znajduje się w poziomym kontakcie tylko z jedną z tafli a wszystkie pasma znajdują się w kontakcie wzdłuż linii ukośnej z pionowymi ramkami bocznymi.

W odmianie ustrój transparentnych składa się z dwóch labiryntowych komór oddzielonych od siebie pionową taflą wewnętrzną lub arkuszem z ultracienkiego szkła, pokrytych obustronnie powłoką niskoemisyjną a przegrody w obu komorach nachylone są w przeciwne strony tak, że płaszczyzna tafli wewnętrznej stanowi dwusieczną kąta wyznaczonego przez te przegrody.

Dla adaptacji do zmiennych warunków termicznych każda z zestawu równoległych przegród połączona jest z cięgnem zmiany orientacji lub wszystkie przegrody osadzone są sztywno wraz z szybą zespoloną obrotowo na pionowej osi.

Przegrody zbudowane są z pasm ultracienkiego, elastycznego szkła, których grubość nie przekracza 100 mikrometrów, z innego mineralnego polikrystalicznego materiału nieorganicznego, z polimerowego materiału organicznego lub z nanosiatki.

Pasma materiału stanowiące przegrody zaopatrzone są w powłokę antyrefleksyjną w postaci nanostosu interferencyjnego lub nanoreliefu.

Poziome, wolne krawędzie są uformowane w ostrze o bardzo małym kącie rozwarcia, od 1 do 5 stopni, jego powierzchnia ma właściwości antyrefleksyjne zaś grań ostrza ma kształt nieregularnego falistego, korzystnie fraktalnie postrzępionego brzegu w skali od nanometrów do mikrometrów.

Poziome, wolne krawędzie są perforowane otworami o rozmiarach od nanometrów do mikrometrów, zajmującymi gradientowo coraz większy procent powierzchni idąc w kierunku grani lub nałożona jest na tą krawędź nanosiatka rozrzedzająca się w kierunku grani.

Wolne krawędzie arkuszy i pasm są spojone z transparentnymi pokrytymi antyrefleksyjną warstwą typu oka ćmy listwami typu połówkowej cylindrycznej soczewki dwuwypukłej z materiału o gradientowym współczynniku załamania światła (GRIN) rosnącym w kierunku grani ostrza od wartości równej współczynnikowi załamania światła materiału, z którego wytworzony jest arkusz przegrody aż do n=2,5 na grani celem skompensowania deformacji obrazów powstającej w wyniku załamania promieni na pryzmatycznym ostrzu.

Poziome wolne krawędzie przegród zaopatrzone są w dodatkowo mocowane ostrza wykonane z transparentnego, monolitycznego aerożelu krzemionkowego o powierzchni gładkiej w pobliżu grani, posiadającego poprzeczny do przebiegu ostrza gradient współczynnika załamania światła i gradient gęstości, oba parametry malejące w kierunku prostej w tym wykonaniu grani ostrza.

Ustrój transparentnych przeszkleń termoizolacyjnych ma układ kompensacji zmian objętości powietrza znajdującego się pomiędzy taflami zewnętrznymi, poprzez połączenie przestrzeni międzyszy4

PL 229 058 B1 bowej z atmosferą z poborem powietrza zawsze od strony chłodniejszej zależnie od gradientu termicznego między zewnętrzem a wnętrzem budynku a pobór odbywa się poprzez przewody z układem zaworów, zaopatrzone w odpowiedni filtr przeciwpyłowy.

Zasobnik osuszacza jest celem regeneracji termicznej wyposażony w osłonę w postaci solarnej rury próżniowej z selektywną spektralnie powłoką lub w spiralę grzewczą.

Ustrój może tworzyć jedną hermetyczną jednostkę wypełnioną osuszonym gazem szlachetnym tak, że układ kompensacji zmian objętości obejmuje zewnętrzny mieszek wraz z układem osuszania, oczyszczania i regeneracji gazu szlachetnego z układem przewodów, filtrów i zaworów, pracujący w pneumatycznym ekwiwalencie mostka Graetza, w którego skład wchodzą - zbiornik wyrównawczy gazu w formie mieszka lub zespołu kompresor - butla, osuszacz w formie zasobnika z sitem molekularnym, układ uzupełniania gazu szlachetnego z butli lub separatora membranowego absorpcyjnego lub regenerowanego gettera pobierającego ten gaz z otaczającej atmosfery.

Rozwiązanie według wynalazku ogranicza kondukcyjne mostki cieplne między taflami, co pozwala na wprowadzenie grubszych, sztywniejszych i łatwiejszych w montażu przegród w szczególności wykonanych z ultracienkiego szkła przy jednoczesnym zapewnieniu doskonałych właściwości optycznych. Mimo braku materiałowej łączności pomiędzy taflami konwekcja wewnątrz tak zbudowanej szyby zespolonej jest blokowana dzięki labiryntowemu układowi niewidocznych przegród.

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

Fig. 1 - przykładowe podstawowe konfiguracje układu przegród wewnątrz komory szyby zespolonej

Fig. 2 - schemat układu podwójnego, składającego się z dwóch komór oddzielonych od siebie pionową taflą wewnętrzną lub arkuszem z ultracienkiego szkła

Fig. 3 - schemat układu dachówkowo ułożonych transparentnych taśm formujących ukośne zespoły (nieciągłe wirtualne przegrody)

Fig. 4 - przekrój krawędzi arkusza przegrody pokrytej antyrefleksyjną nano-rzeźbą typu oka ćmy zoptymalizowaną dla kąta padania promieni świetlnych 45 stopni

Fig. 5 - przykłady wykonania krawędzi arkusza przegrody w przekrojach uformowanej w klinowate ostrze o falistej/fraktalnej i perforowanej grani

Fig. 6 - przykład wykonania krawędzi arkusza przegrody ze spojoną z arkuszem kształtką z aerożelu o pryzmatycznym kształcie i gradientowym współczynniku załamania światła

Fig. 7 - przykład wykonania krawędzi arkusza przegrody ze spojoną z arkuszem kształtką w formie połówkowej, dwuwypukłej soczewki cylindrycznej i gradiencie współczynnika załamania światła nie odchylającym biegu promieni światła

Fig. 8 - przykład wykonania krawędzi arkusza przegrody o prostoliniowym przebiegu zapewnionym przez naprężoną transparentną taśmę umieszczoną w kanale wypełnionym immersyjnym żelem optycznym

Fig. 9 - schemat instalacji kompensującej za pomocą mieszka zmiany objętości gazu w obrębie komory szyby zespolonej

Fig. 10 - schemat instalacji kompensującej za pomocą tandemu pompa-absorbent zmiany objętości gazu w obrębie komory szyby zespolonej

Fig. 11 - schemat instalacji kompensującej aktywnie, za pomocą tandemu pompa-zbiornik ciśnieniowy zmiany objętości gazu w obrębie komory szyby zespolonej

Fig. 12 - schemat układu półotwartego do wyrównywania ciśnienia powietrza w komorze szyby zespolonej z osuszaczem regenerowanym solarnie albo elektrycznie

Fig. 13- tryby działania półotwartego układu do wyrównywania ciśnień powietrza w komorze szyby zespolonej i regeneracji osuszacza dla różnych konfiguracji termicznych.

Na fig. 1-3 pokazano ustrój izolacji termicznej gazowej według wynalazku, składający się z dwóch zewnętrznych przezroczystych tafli 1, pomiędzy którymi znajduje się przezroczyste medium gazowe. Ustrój ma wewnętrzny układ blokady konwekcji termicznej w postaci układu komór wyznaczonych równoległymi względem siebie przezroczystymi przegrodami 2. Przegrody 2 usytuowane są pod kątem od 30 do 60 stopni w stosunku do zewnętrznych tafli 1, równoległe względem siebie i bez wzajemnego styku.

Przegrody 2, 5, złożone z co najmniej jednego poziomo wydłużonego pasma materiału 6, przedzielone są co najmniej jedną poziomą przerwą 3 tworząc labiryntową w przekroju geometrię wspólnej komory przeszklenia, bez kondukcyjnego mostka cieplnego między taflami zewnętrznymi. Każde

PL 229 058 B1 z pasm skrajnych względem płaszczyzny osiowej szyby zespolonej znajduje się w poziomym kontakcie tylko z jedną z tafli 1 a wszystkie pasma znajdują się w kontakcie wzdłuż linii ukośnej z pionowymi ramkami bocznymi.

Ustrój w takim wykonaniu jest zoptymalizowany dla stałego lub przeważającego typu termicznego klimatu, z dominującym jednokierunkowym gradientem termicznym między wnętrzem budynku a otaczającą atmosferą. W wypadku zastosowania go w klimatach z wyraźnymi wahaniami temperatury wskazane jest zabudowanie szyb zespolonych w konstrukcji okna tak aby można było dokonywać rotacji skrzydła okna o kąt 180 stopni, najkorzystniej wokół osi pionowej za pomocą pary zawiasów umieszczonych w połowie szerokości skrzydła. Alternatywnym systemem adaptacji przeszklenia do zmieniających się warunków termicznych jest takie zamontowanie indywidualnych transparentnych elementów wewnątrz szyby zespolonej, aby umożliwić ich obrót wokół osi poziomej o 90 stopni.

W odmianie podwójnej, zilustrowanej na fig. 2 ustrój składa się z dwóch komór oddzielonych od siebie pionową taflą wewnętrzną 4 lub arkuszem z ultracienkiego szkła, w obu wykonaniach korzystnie pokrytymi obustronnie powłoką niskoemisyjną, a przegrody 2 w obu komorach nachylone są w przeciwne strony tak, że płaszczyzna tafli wewnętrznej 4 stanowi dwusieczną kąta wyznaczonego przez te przegrody. Ustrój w tym wykonaniu dedykowany jest dla klimatów z wyraźnymi sezonami termicznymi.

Wariant wykonania przedstawiony na fig. 3 wyróżnia się wieloelementową, nieciągłą strukturą przegród 5 złożonych z zespołu równoległych, ale nie stykających się ze sobą, naprężonych transparentnych taśm 6, korzystnie z ultracienkiego szkła, o dachówkowatym w przekroj u ustawieniu. Szczegół X przedstawia drogi spływu po zespole taśm strug chłodnego i gęstszego gazu i odpowiednio linie wstępujących strug gazu ogrzanego i przez to lżejszego. Dzięki takiej konfiguracji typu wirtualnej dynamicznej bariery silnie ograniczona jest konwekcyjnie napędzana infiltracja, przepływ i mieszanie się gazu o różnej temperaturze między sąsiednimi geometrycznie skomunikowanymi przedziałami komory szyby zespolonej.

Kluczową sprawą jest dobór właściwego transparentnego materiału 7 do wytworzenia przegród wewnątrzszybowych (fig. 4). Powinien się on charakteryzować całkowitą przezroczystością, niskim zamgleniem (haze), niską absorpcją w zakresie światła widzialnego, odpornością na duże zmiany temperatur, odpornością na działanie promieni UV (fotodegradacja), odpornością na starzenie, etc. Co istotne powinien posiadać lub pozwalać na nadanie jego powierzchni własności antyrefleksyjnych, np. przez nałożenie dodatkowej powłoki albo wydrążenie nanoreliefu w samym materiale. Korzystne jest zastosowanie polimerów o wysokiej jakości optycznej np. CR39, poliwęglanu, politeraftalanu etylenu, korzystnie z dodatkiem stabilizatorów UV. Zaletą polimerów jest łatwość uzyskania bard zo cienkich arkuszy i niska gęstość co skutkuje niską jednostkową wagą całego wielowarstwowego przeszklenia.

Materiałem najlepszym z punktu widzenia własności optycznych i o najwyższej stabilności (odporności na fotodegradację) jest nieorganiczny, amorficzny materiał (w szczególności szkło krzemianowe lub borowo-krzemianowe czy tlenkowe lub krzemionkowy aerożel). Dotychczas nie udawało się uzyskać arkuszy szkła o grubości porównywalnej z foliami polimerowymi, co eliminowało ten materiał w przeszkleniach wielowarstwowych z powodu zbyt wysokiej masy jednostkowej całego przeszklenia. Obecny postęp w technologii wytwarzania supercienkiego szkła pozwala na zastosowanie tego materiału jako opcji z wyboru do wielowarstwowych przeszkleń. Supercienkie szkło jest sprężyste i elastyczne zarazem, przez co jest odporniejsze na stłuczenie od konwencjonalnie wytwarzanych tafli szkła o grubości rzędu milimetrów, pozwala na nakładanie powłok antyrefleksyjnych różnego rodzaju, formowanie nanoreliefów metodą hot embossing, selektywnego drążenia, trawienia chemicznego, litografii, etc. Dotychczasowe problemy z cięciem na wymiar takiego supercienkiego, elastycznego szkła zostały przezwyciężone dzięki metodzie cięcia laserem albo bezdotykowego przełamywania za pomocą termicznej kontrakcji. Możliwe jest też stosowanie materiałów krystalicznych, nieorganicznych, np. transparentnych membran z minerałów ilastych korzystnie pokrytych nanoreliefem typu oka ćmy wytworzonym z samych nano-płytek lub z nałożonych nanowłókien. Jest również możliwość wykorzystania materiału kompozytowego łączącego wytrzymałość szkieletu z mikro- lub nanowłókien z doskonałymi własnościami optycznymi polimerów lub bezżelazowych minerałów ilastych.

Przyczyną widoczności skądinąd całkowicie transparentnych elementów może być odbicie światła od ich powierzchni, załamanie lub ugięcie światła powodujące deformacje obrazu obserwowanego przez element oraz dyfuzyjne rozpraszanie światła degradujące jakość obrazu obserwowanego przez element. Dyfuzyjne rozproszenie skutkuje rozmyciem konturów oraz spadkiem kontrastów poprzez wsteczne rozpraszanie światła przez materiał optyczny, z którego wykonany jest element i odbicie dyfuzyjne od jego powierzchni. Także absorpcja, zwłaszcza selektywna, światła przez materiał, z którego

PL 229 058 B1 wykonany jest element skutkuje jego widocznością psującą jakość obrazu widocznego przez przeszklenie. Warunkiem niewidoczności transparentnego elementu jest eliminacja wszystkich wymienionych mechanizmów. Można to osiągnąć poprzez odpowiednią geometrię i orientację przestrzenną elementów optycznych, odpowiednią inżynierię powierzchni tych elementów i dobór materiałów charakteryzujących się niskim poziomem rozpraszania (haze) i absorpcji.

Geometria elementu optycznego najmniej zakłócająca bieg promieni i tym samym widoczność obrazu to płasko-równoległa płyta lub arkusz. Dla wyeliminowania refleksów od powierzchni międzyfazowych ciało stałe/gaz niezbędne jest nadanie tej powierzchni międzyfazowej własności antyrefleksyjnych. Takie własności powierzchni można osiągnąć poprzez obustronne pokrycie powłoką korzystnie z regularnym nanoreliefem typu oka ćmy (moth eye), najlepiej zoptymalizowaną pod względem skuteczności optycznej dla skośnego ustawienia przegrody, czyli ukośnego, pod katem 45 stopni padania widzialnych promieni świetlnych na przegrodę 8 (fig. 4). Powłoka AR może być wykonana w fo rmie warstwy z metamateriału optycznego lub kryształu fotonicznego, z rezonatorami Mie o rozmiarach poniżej długości fali światła (subwave surface Mie resonators) lub z nanoporowatą warstwą z gradientem optycznym (np. złożoną z nanowłókien). Inną możliwością nadania powierzchni własności antyrefleksyjności jest jej obustronne pokrycie powłoką typu stosu interferencyjnego 10 (fig. 5A) przez co jednakże uzyskuje się antyrefleksyjność wąskopasmową i silniej zależną od kierunku padania wiązki niż dla nanoreliefów. Z tego powodu jeszcze istotniejsze jest zoptymalizowanie struktury interferencyjnego nanostosu pod względem skuteczności optycznej dla skośnego ustawienia przegrody, czyli jak wspomniano powyżej pod kątem 45 stopni padania widzialnych promieni świetlnych. W celu zminimalizowania rozpraszania powierzchnia powinna być możliwie gładka (skala nierówności poniżej długości fali światła widzialnego) a materiał elementu powinien być jednorodny optycznie czyli mieć jednakowy współczynnik załamania światła w całej objętości i możliwie niski współczynnik absorpcji, korzystnie nieselektywnej spektralnie (ciało optycznie szare).

W przypadku arkuszy ciągłych montowanych wewnątrz szyby zespolonej w sztywnych ramkach np. typu „heat mirror” nie ma problemu widoczności krawędzi, natomiast w rozwiązaniu według wynalazku w polu widzenia znajdować się będą wolne krawędzie (fig. 4) wymagające odpowiedniego ukształtowania elementów optycznych w celu ich uniewidocznienia. Dla arkuszy wbudowanych w szybę zespoloną z poziomymi przerwami rozwiązania wymaga „ukrycie” optyczne krawędzi arkusza, widocznej w normalnych warunkach jako wyraźna kreska w wyniku linearnego odbicia i łamania światła nieuniknionego na ostrym przejściu ciało stałe-gaz. Problem ten dotyczy zarówno krawędzi swobodnej czyli całkowicie otoczonej gazem, jak i krawędzi w przypadku styku dwóch przezroczystych materiałów.

W pierwszym przypadku nie wystarczy pokrycie powierzchni arkusza powłoką antyrefleksyjną. Konieczna jest specjalna obróbka krawędzi arkusza tak, żeby stały się niewidoczne. Można to osiągnąć poprzez stażowanie tej krawędzi pod bardzo niskim kątem (fig. 5A i B) w celu wytworzenia w przekroju klinowatego lub zaokrąglonego ostrza, w którym następuje stopniowa redukcja grubości warstwy materiału, aż do poziomu nanometrycznego, poniżej długości fali światła widzialnego. W celu wyeliminowania liniowych prążków Newtona na powierzchni fazy powinien zostać wytworzony nanorelief, najlepiej typu oka ćmy 8, pełniący jednocześnie dwie funkcje - wygaszenia prążków interferencyjnych oraz eliminacji odbicia światła widzialnego od powierzchni faz. Sama grań ostrza nie powinna tworzyć prostej linii, szczególnie wyraźnie widocznej jako jasna kreska przy niekorzystnym usytuowaniu obserwatora i położeniu słońca. Aby wyeliminować to zjawisko korzystne jest nadanie grani ostrza nieregularnego falistego i postrzępionego przebiegu w skali od setek nanometrów do mikrometrów (fig. 5A wraz ze szczegółem Y).

W drugim przypadku, gdy dwie warstwy transparentnego materiału stykają się, stażowanie krawędzi arkusza powinno być asymetryczne, czyli jednostronne, izoklinalne w przekroju.

Korzystna jest dodatkowa perforacja 9 krawędzi otworami o rozmiarach od setek nanometrów do mikrometrów (szczegół Y fig. 5A) zajmującymi coraz większy procent powierzchni w kierunku grani lub nałożenie na krawędź nanosiatki rozrzedzającej się w kierunku grani.

Możliwe jest również zaopatrzenie wolnych krawędzi w ostrza spojone z materiałem arkusza, wykonane z transparentnego, monolitycznego aerożelu krzemionkowego 11 o gładkiej, począwszy od połowy fazy ostrza powierzchni i prostej grani (fig. 6), posiadającego poprzeczny do przebiegu ostrza gradient współczynnika załamania światła i gradient gęstości malejący w kierunku grani ostrza. Immanentnie antyrefleksyjne właściwości aerożelu o niskiej gęstości czynią wyżej opisane, dodatkowe zabiegi uniewidocznienia krawędzi i grani zbędnymi.

PL 229 058 B1

W alternatywnym wykonaniu według wynalazku wolne krawędzie arkuszy i taśm są optycznie i mechanicznie spojone z transparentnymi listwami o geometrii dwuwypukłej połówkowej soczewki cylindrycznej 12, pokrytymi antyrefleksyjną warstwą typu oka ćmy 8 zapobiegjącą rozwojowi interferencyjnych prążków Newtona i posiadającymi poprzeczny do przebiegu ostrza gradient współczynnika załamania światła (skupiająco-rozpraszająca tj. samoskompensowana „zerowa” cylindryczna soczewka 13 GRIN na fig. 7). Współczynnik ten rośnie w kierunku grani ostrza od wartości równej współczynnikowi załamania światła materiału 7, z którego wytworzony jest arkusz przegrody aż do n=2,5 na grani. Taki dobrany gradient jest zastosowany celem całkowitego skompensowania deformacji obrazów widocznych przez ostrze, nieuniknionej w wyniku załamania promieni na tradycyjnej soczewce cylindrycznej.

Płaskość przegród w przestrzeni międzyszybowej, kluczowa dla jakości obrazu widocznego przez przeszklenie, może być osiągnięta głównie poprzez ich odpowiednio wysoką sztywność typową dla takich materiałów jak szkło. Dla elementów wiotkich, cienkich lub wykonanych z materiałów o niższej niż nieorganiczne szkło sztywności możliwe jest zastosowanie dodatkowego sytemu napinającego i usztywniającego przede wszystkim wolne krawędzie arkuszy i taśm (fig. 8), a także w razie potrzeby ich powierzchnię. Ten szkieletowy system cięgien będzie całkowicie niewidoczny dla obserwatora dzięki wykonaniu jego elementów z idealnie transparentnego materiału o współczynniku załamania światła możliwie zbliżonym do współczynnika materiału arkusza 8. Naprężone taśmy 14 przebiegające wewnątrz kanałów wydrążonych w materiale arkusza będą umieszczone z odpowiednim luzem (tj. umożliwiającym swobodne poosiowe przemieszczanie się) w środowisku immersyjnego żelu 15. Ten całkowicie transparentny, stabilny i odporny na starzenie środek obecnie jest powszechnie stosowany dla zapewnienia doskonałego kontaktu optycznego łączonych odcinków światłowodów.

Elementy optyczne wykonane zgodnie z omówionymi powyżej zasadami, zabudowane wewnątrz przeszklenia, będą praktycznie niewidoczne.

W przypadku konstrukcji wielowarstwowego przeszklenia jako hermetycznie zamkniętej szyby zespolonej wypełnionej gazem innym niż powietrze, jednym z istotnych problemów jest problem kompensacji zmian objętości gazu wypełniającego szybę zespoloną na skutek zmian temperatury bądź ciśnienia atmosferycznego. Dla takiej wersji rozwiązania według wynalazku konieczne jest wprowadzenie niewidocznego dla użytkownika systemu kompensacji tych właśnie zmian objętości, które w wypadku jej braku mogłyby doprowadzić do mechanicznego uszkodzenia szyby zespolonej. System kompensacji można rozwiązać na kilka sposobów.

Jedną z dróg rozwiązania problemu kompensacji jest utworzenie jednej hermetycznej jednostki 16 o sztywnej ramce i dwóch nieruchomych stałych taflach zewnętrznych wypełnionej osuszonym gazem szlachetnym tak, że system kompensacji zmian objętości (fig. 9, fig. 10, fig. 11) stanowi odpowiedni układ pracujących w pneumatycznym ekwiwalencie mostka Graetza 17, zaworów 18, przewodów wraz z układem oczyszczania gazu szlachetnego z infiltrujących do wnętrza szyby gazów atmosferycznych i jego regeneracji 19 oraz osuszania 20, obejmujący także zewnętrzny hermetyczny mieszek 21.

Układ może mieć charakter pasywny, tj. napędzany przez zmiany objętości gazu, wypełniającego szyby zespolone w termicznym cyklu dobowym lub sezonowym, rodzaj „oddechu” (fig. 9A i B, fig. 10A i B, fig. 11A i B). Także możliwe jest wykorzystanie systemu aktywnego, z dodatkowym kompresorem 23 zasilanym zewnętrznie lub przez wbudowany w przeszklenie system solarny np. fotowoltaiczny. Osuszanie gazu może odbywać się poprzez jego przepuszczanie przez złoże sita molekularnego 20, okresowo regenerowane termicznie lub wymieniane. Usuwanie infiltrujących gazowych składników powietrza jest możliwe za pomocą miniaturowego układu gazowej separacji 19, membranowej, opartej na zjawisku odwracalnej absorpcji lub z zastosowaniem regenerowanych getterów, opartych np. na stopach tytanu. Poważniejszym problemem jest utrata, w wyniku dyfuzji na zewnątrz, gazu szlachetnego. Straty te można uzupełniać poprzez okresowe napełnianie dodatkową porcją gazu bezpośrednio ze zbiorników zewnętrznych lub wbudowanych w system zbiorników ze złożem absorpcyjnym 22 klatratowo-hydratowym np. w formie tak zwanej „suchej wody” stosowanej dla magazynowania kryptonu lub klasycznych ciśnieniowych zbiorników 24. Możliwe jest także pobieranie gazu z otaczającej atmosfery i jego separacja na przykład przy użyciu systemu membranowego 19. Dzięki takiej dodatkowej instalacji zachowanie parametrów termicznych okna jest zapewnione przez cały okres użytkowania szyby zespolonej.

Ze względu na złożoność hermetycznego systemu kompensacji zmian objętości gazu opisanego powyżej wydaje się celowym stosowanie go przede wszystkim jako systemu centralnego, obejmującego np. zintegrowany, połączony przewodami system szyb zespolonych, obejmujący całą przeszkloną fasadę budynku komercyjnego. Można z niego zrezygnować w przypadku, kiedy szyba zespolona będzie

PL 229 058 B1 odpowiednio grubsza i napełniona powietrzem. Takie półotwarte „oddychające” (fig. 12) rozwiązanie wymaga zastosowania filtru przeciwpyłowego i osuszacza powietrza oraz nieco innego układu przewodów i zaworów. Dla uniknięcia kondensacji wilgoci na zewnętrznej tafli szyby zespolonej, korzystnie pokrytych skutecznymi, ale wrażliwymi na korozję miękkimi powłokami niskoemisyjnymi, powietrze powinno być pobierane odpowiednio z zewnętrza lub wnętrza budynku, ze strefy aktualnie chłodniejszej, a więc o niższej zawartości bezwzględnej wilgoci, zależnie od bieżącego gradientu termicznego TE/TI. Regeneracja sita molekularnego może odbywać się jedynie w trakcie przepuszczania przez złoże 20, powierza ogrzanego we wnętrzu rozgrzewającej się rankiem szyby i ekspandującego na zewnątrz. Taki przedmuch suchym powietrzem umożliwia usunięcie na zewnątrz pary wodnej wydzielającej się z ogrzewanego solarnie 25 lub elektrycznie 26 sita molekularnego. Pozycje zaworów, w tym typu logicznego 27, w trakcie podstawowych faz cyklu termicznego „oddechu” i regeneracji złoża osuszacza zostały zilustrowane na fig. 13.

Claims (15)

1. Ustrój transparentnych przeszkleń termoizolacyjnych z szybami zespolonymi, składający się z dwóch zewnętrznych przezroczystych tafli w postaci szyb pomiędzy którymi znajduje się przezroczyste medium gazowe i niewidoczne przezroczyste przegrody, znamienny tym, że przezroczyste przegrody (2), (5) usytuowane są pod kątem od 30 do 60 stopni w stosunku do tafli zewnętrznych (1), równolegle względem siebie i bez wzajemnego styku, przy czym przegrody te (2), (5), złożone z co najmniej jednego poziomo wydłużonego pasma materiału (6) przedzielone są co najmniej jedną poziomą przerwą (3), tworząc labiryntową w przekroju geometrię wspólnej komory przeszklenia, bez kondukcyjnego mostka cieplnego między taflami zewnętrznymi (1), każde z pasm skrajnych względem płaszczyzny osiowej szyby zespolonej znajduje się w poziomym kontakcie tylko z jedną z tafli (1) a wszystkie pasma znajdują się w kontakcie wzdłuż linii ukośnej z pionowymi ramkami bocznymi.

2. Ustrój transparentnych przeszkleń termoizolacyjnych według zastrz. 1, znamienny tym, że składa się z dwóch labiryntowych komór oddzielonych od siebie pionową taflą wewnętrzną (4) lub arkuszem z ultracienkiego szkła, pokrytych obustronnie powłoką niskoemisyjną, a przegrody (2), (5) w obu komorach nachylone są w przeciwne strony tak, że płaszczyzna tafli wewnętrznej (4) stanowi dwusieczną kąta wyznaczonego przez te przegrody (2), (5).

3. Ustrój transparentnych przeszkleń termoizolacyjnych według zastrz. 1, znamienny tym, że dla adaptacji do zmiennych warunków termicznych każda z zestawu równoległych przegród (2), (5) połączona jest z cięgnem zmiany orientacji lub wszystkie przegrody (2), (5) osadzone są sztywno wraz z szybą zespoloną obrotowo na pionowej osi.

4. Ustrój transparentnych przeszkleń termoizolacyjnych według zastrz. 1, 2 lub 3, znamienny tym, że przegrody zbudowane są z pasm ultracienkiego, elastycznego szkła (7), których grubość nie przekracza 100 mikrometrów.

5. Ustrój transparentnych przeszkleń termoizolacyjnych według zastrz. 1, 2 lub 3, znamienny tym, że przegrody zbudowane są z innego mineralnego polikrystalicznego materiału nieorganicznego.

6. Ustrój transparentnych przeszkleń termoizolacyjnych według zastrz. 1, 2 lub 3, znamienny tym, że przegrody zbudowane są z polimerowego materiału organicznego.

7. Ustrój transparentnych przeszkleń termoizolacyjnych według zastrzeżenia 1, 2, lub 3, znamienny tym, że przegrody zbudowane są z nanosiatki.

8. Ustrój transparentnych przeszkleń termoizolacyjnych według zastrz. 4, znamienny tym, że pasma materiału stanowiące przegrody zaopatrzone są w powłokę antyrefleksyjną w postaci nanostosu interferencyjnego (10) lub nanoreliefu (8).

9. Ustrój transparentnych przeszkleń termoizolacyjnych według zastrz. 5, znamienny tym, że poziome, wolne krawędzie są uformowane w ostrze o bardzo małym kącie rozwarcia, od 1 do 5 stopni, jego powierzchnia ma właściwości antyrefleksyjne, zaś grań ostrza ma kształt nieregularnego falistego, korzystnie fraktalnie postrzępionego brzegu w skali od nanometrów do mikrometrów.

PL 229 058 B1

10. Ustrój transparentnych przeszkleń termoizolacyjnych według zastrz. 5, znamienny tym, że poziome, wolne krawędzie są perforowane otworami (9) o rozmiarach od nanometrów do mikrometrów, zajmującymi gradientowo coraz większy procent powierzchni idąc w kierunku grani lub nałożona jest na tą krawędź nanosiatka rozrzedzająca się w kierunku grani.

11. Ustrój transparentnych przeszkleń termoizolacyjnych według zastrz. 5, 6 i 7, znamienny tym, że wolne krawędzie arkuszy i pasm są spojone z transparentnymi pokrytymi antyrefleksyjną warstwą typu oka ćmy listwami typu połówkowej cylindrycznej soczewki dwuwypukłej (12) z materiału o gradientowym współczynniku załamania światła (GRIN) rosnącym w kierunku grani ostrza od wartości równej współczynnikowi załamania światła materiału, z którego wytworzony jest arkusz przegrody aż do n=2,5 na grani celem skompensowania deformacji obrazów powstającej w wyniku załamania promieni na pryzmatycznym ostrzu.

12. Ustrój transparentnych przeszkleń termoizolacyjnych według zastrz. 5, znamienny tym, że poziome wolne krawędzie przegród zaopatrzone są w dodatkowo mocowane ostrza wykonane z transparentnego, monolitycznego aerożelu krzemionkowego (11) o powierzchni gładkiej w pobliżu grani, posiadającego poprzeczny do przebiegu ostrza gradient współczynnika załamania światła i gradient gęstości, oba parametry malejące w kierunku prostej w tym wykonaniu grani ostrza.

13. Ustrój transparentnych przeszkleń termoizolacyjnych według zastrz. 4, znamienny tym, że ma układ kompensacji zmian objętości powietrza znajdującego się pomiędzy taflami zewnętrznymi (1), poprzez połączenie przestrzeni międzyszybowej z atmosferą z poborem powietrza zawsze od strony chłodniejszej zależnie od gradientu termicznego między zewnętrzem a wnętrzem budynku a pobór odbywa się poprzez przewody z układem zaworów (17), (18) zaopatrzone w odpowiedni filtr przeciwpyłowy i zasobnik z wymiennym lub osuszaczem (20).

14. Ustrój transparentnych przeszkleń termoizolacyjnych według zastrz. 10, znamienny tym, że zasobnik osuszacza (20) jest celem regeneracji termicznej wyposażony w osłonę w postaci solarnej rury próżniowej z selektywną spektralnie powłoką (20) lub w spiralę grzewczą (26).

15. Ustrój transparentnych przeszkleń termoizolacyjnych według zastrz. 4, znamienny tym, że tworzy jedną hermetyczną jednostkę wypełnioną osuszonym gazem szlachetnym tak, że układ kompensacji zmian objętości obejmuje zewnętrzny mieszek (21) wraz z układem osuszania, oczyszczania i regeneracji gazu szlachetnego z układem przewodów, filtrów i zaworów pracujący w pneumatycznym ekwiwalencie mostka Graetza (17), w którego skład wchodzą zbiornik wyrównawczy gazu w formie mieszka (21) lub zespołu kompresor (23) - butla (24), osuszacz w formie zasobnika z sitem molekularnym (20), układ uzupełniania gazu szlachetnego z butli lub separatora (19) membranowego absorpcyjnego lub regenerowanego gettera pobierającego ten gaz z otaczającej atmosfery.