VITRAGE A PERFORMANCES MULTIPLES
La présente invention concerne un vitrage à performances multiples.
Les vitrages constituent des points faibles, tant thermiques que phoniques, des constructions actuelles. Pour améliorer leurs performances, on utilise outre les protec¬ tions traditionnelles, de nombreux dispositifs fixes, tels que verres doubles ou triples, dits isolants, plaques synthé¬ tiques à alvéoles, verres réfléchissants ou absorbants, films interposés entre les verres, isolation translucide fixe entre les verres (par exemple laine de verre, gel de silice, fibres synthétiques), verres photosensibles ou électrosensibles, etc..
Ces dispositifs étant fixes, la modification des perfor¬ mances des vitrages au gré des besoins et des apports énergétiques extérieurs n'est pas possible. Ainsi, ces vitra¬ ges sont soit de bons capteurs mais peu isolants, soit de bons isolants mais de mauvais capteurs.
Diverses solutions ont été proposées pour améliorer les performances des doubles vitrages. Les plus intéressantes consistent à remplacer la traditionnelle lame d'air confinée entre les deux verres par d'autres éléments rétractables, qui peuvent être gazeux, liquides ou solides.
a) Les enceintes à remplissage gazeux:
Une première solution est de remplacer l'air ambiant par de l'air déshydraté, ce qui permet de supprimer les risques d'embuage et d'empoussièrement de l'air ambiant, mais ne donne pas d'amélioration thermique ni phonique par rapport a l'air ambiant. Une légère amélioration de l'iso¬ lation thermique peut être obtenue lorsque le remplissage s'effectue avec un gaz. Cette amélioration thermique est très nette lorsque l'on réalise un vide d'air dans
l'enceinte (vitrages dits "évacués"). Toutefois, les prin¬ cipaux inconvénients des enceintes à remplissage gazeux résident notamment d'une part en ce qu'il est nécessaire de remplacer les deux verres en cas de bris et d'autre part dans la fragilité du joint d'étanchéité aux gaz et dans le fait que ces solutions nécessitent des dispositifs complémentaires de protection solaire d'obscurcissement. De plus, dans le cas des vitrages à vide d'air, les fortes dépressions créées nécessitent des cales d'écartement.
b) Les enceintes à remplissage liquide:
Cette solution consiste à faire circuler des liquides (liquides acqueux ou huiles) colorés ou chargés d'agrégats dans une ou plusieurs lames d'air à l'aide d'une pompe. De tels dispositifs sont décrits par exemple dans les brevets suisses no 627818 et anglais no 2227043. Le principal avantage de ce type d'enceinte par rapport aux enceintes à remplissage gazeux est que le remplissage est réversible et que les liquides peuvent être colorés. Leur principal inconvénient est qu'ils procurent une isolation thermique très défavorable et qu'ils peuvent même présenter des risques de gel ou de vaporisation. De plus, des dépôts peuvent se produire sur les verres, ce qui réduit leur transparence. D'autre part, le remplissage liquide néces¬ site des joints d'étanchéité particulièrement soignés.
c) Les enceintes à remplissage solide:
Les granulés utilisés pour le remplissage peuvent être des granulés massifs ou des granulés semi-poreux, les granulés semi-poreux permettant une bonne isolation thermique.
Comme pour les enceintes à remplissage liquide, le princi¬ pal avantage des enceintes à remplissage solide est que le remplissage est réversible. Par contre, ils ont pour inconvénients principaux le poids et le volume importants de la matière de remplissage, et nécessitent un appareil-
lage très conséquent pour la circulation de la matière.
d) Les enceintes à remplissage poreux:
Le remplissage peut être réalisé soit avec des granulés poreux, soit avec des aérogels de silice.
Dans le premier cas, les granulés poreux, par exemple des billes de polystyrène expansé, ont pour avantage d'être très légers, isolants et translucides. Par contre, ces granulés ont pour inconvénient leur adhérence aux verres si une solution antistatique n'est pas appliquée périodi¬ quement. De plus, la résine des billes de polystyrène est sensible aux rayonnement ultra-violet solaire, ce qui provoque leur jaunissement et leur fragilisation.
Les aérogels de silice ont également pour avantage de permettre un remplissage très léger et isolant. De plus, ils sont parfaitement transparents. Parmi leurs inconvé¬ nients, on peut citer le fait que le voilage et l'obscur¬ cissement doivent être assurés par d'autres moyens, ainsi que l'instabilité des gels. De plus, leur coût est actuel¬ lement très élevé. En outre, le principal inconvénient de ce remplissage poreux réside en ce qu'il n'est pas réver¬ sible.
Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients des solutions qui ont été proposées jusqu'ici, de façon à améliorer les performances physiques et/ou esthé¬ tiques des enveloppes vitrées et de permettre une variation des performances du vitrage au gré des besoins.
A cet effet, l'invention concerne un vitrage à perfor¬ mances multiples comprenant au moins une enceinte à au moins deux parois transparentes, translucides ou opaques, agencée pour recevoir une matière de remplissage, tel que défini à la revendication 1 ou à la revendication 11. D'autres caracté¬ ristiques importantes de l'invention sont l'objet des reven-
dications subordonnées à la revendication 1.
Par rapport au remplissage des lames d'air au moyen d'un gaz, d'un liquide ou de granulés solides, le remplissage avec une mousse réversible présente notamment les avantages suivants:
- l'isolation est légère et assimilable aux aérogels de silice. La pression de remplissage exercée sur les parois vitrées est négligeable;
- le poids et le volume de stockage de la matière de remplissage sont négligeables, ce qui permet de réaliser des panneaux complètement vitrés et légers;
- les différences de pression nécessaires pour produire et injecter la mousse dans la lame d'air sont très faibles;
- la translucidité des mousses est bonne et bien supérieure à celle des granulés solides obtenus à base de résine synthé¬ tique;
- la densité et donc la translucidité et le pouvoir isolant des mousses peuvent être différenciés en utilisant le même liquide et le même gaz, mais en produisant la mousse par des buses d'ouvertures différentes.
En résumé, les mousses sont des matériaux très légers, isolants et translucides. Le coût de la matière de remplis¬ sage est très réduit et son encombrement négligeable.
D'autres avantages du vitrage de l'invention ressorti- ront de la description qui suit, donnée à titre d'exemple, e: qui se réfère au dessin sur lequel:
- la figure 1 est une vue schématique en élévation d'un exemple de vitrage selon l'invention,
- la figure 2 est une coupe verticale transversale schématique du vitrage de la figure 1,
- la figure 3 est un schéma du principe de fonctionne¬ ment du vitrage de la figure 1, illustrant le remplissage de l'enceinte,
- les figures 4a à 4c illustrent diverses densités de remplissage de la lame d'air de l'enceinte par des mousses dont les bulles ont des diamètres différents,
- la figure 5 est un schéma du principe de fonctionne¬ ment du vitrage de la figure 1, illustrant la vidange de
1'enceinte,
- la figure 6 est une coupe verticale transversale schématique partielle de détail d'un vitrage de la figure 1,
- les figures 7a à 7c illustrent divers types de rampes de barbotage,
- la figure 8 est une coupe horizontale partielle illustrant un détail au niveau du cadre de la variante des figures 10 et 11,
- la figure 9 est une coupe verticale partielle ilustrant un détail au niveau du cadre de la variante des figures 10 et 11,
- la figure 10 est un schéma de principe du remplissage d'un vitrage à feuilles rigides et transparentes,
- la figure 11 est un schéma de principe de la vidange du vitrage de la figure 10,
- la figure 12 est un schéma de principe du remplissage d'un vitrage à membranes souples et transparentes,
- la figure 13 est un schéma de principe de la vidange du vitrage de la figure 12,
- la figure 14 est une coupe horizontale ou verticale partielle d'un mode d'exécution de vitrage à membranes sou¬ ples et transparentes des figures 12 et 13,
- la figure 15 illustre un exemple de combinaison de plusieurs vitrages selon l'invention, alimentés par un dispo¬ sitif de remplissage unique,
- les figures 16a à 16e illustrent schématiquement plusieurs exemples de vitrages selon l'invention, en coupe verticale,
- les figures 17a et 17b présentent deux profils de plaques rigides disponibles sur le marché vus en coupes horizontales et pouvant équiper la variante 16e,
- la figure 18 illustre une membrane double en matière synthétique gauffrée dans laquelle les alvéoles sont communi¬ cantes, et
- les figures 19a à 19d illustrent le remplissage d'une lame d'air par un matelas gonflable constitué d'alvéoles communicantes. Les figures 19a à 19c sont des vues en coupe et la figure 19d est une vue du vitrage.
Le vitrage peut être constitué d'une ou plusieurs enceintes fermées hermétiquement. Chaque enceinte constitue un module de vitrage, les modules pouvant être combinés à volonté. Chaque enceinte comporte un cadre et des parois transparentes, translucides ou opaques. L'enceinte peut être remplie de mousse ou vidée au gré des besoins d'isolation thermique et phonique, d'obsurcissement ou de voilage ou dans d'autres buts, tels que la décoration ou la coloration des murs, par la mousse issue d'un liquide ou, à certaines conditions, par le liquide lui-même. Le remplissage de
l'enceinte peut être effectué partiellement ou complètement selon les besoins. La mousse accroît l'isolation thermique et phonique de l'enceinte. Sa translucidité ou son opacité dépendent de la dimension des bulles d'air qui la consti¬ tuent. La mousse peut en effet être plus ou moins dense selon la nature du liquide et sa production par le barbotage de gaz dans des rampes comportant des buses de diamètre plus ou moins gros.
L'injection d'air peut se faire par l'intermédiaire d'une buse unique ou par plusieurs buses disposées le long d'une rampe. Le terme de rampe utilisé dans cette description recouvre tout dispositif muni d'au moins une buse.
On désigne ici par le terme de "vitrage" toutes sortes d'enveloppes qui doivent être transparentes ou translucides, utilisables pour les bâtiments, les engins de transport, les serres horticoles, les capteurs solaires, etc.. Le vitrage peut être vertical, horizontal ou incliné. Il peut être plan (tel que fenêtres, portes-fenêtres, façades), cintré (tel que les couvertures de verrières, vérandas et serres horticoles) ou à double-courbure (tel que les coupoles et dômes à double coque). Bien que le terme de vitrage s'applique aux envelop¬ pes munies de verres, les parois de l'enceinte selon l'invention peuvent également être constituées par des films souples, tels que ceux utilisés pour les serres agricoles, les cultures sous abris ou les constructions dites "textiles".
De même, dans le cadre de la présente description, le terme de liquide désigne la solution qui permet de produire une mousse par barbotage d'air ou de gaz, cette mousse étant destinée à être injectée dans la lame d'air entre les parois vitrées.
L'enceinte représentée sur les figures 1 et 2 comporte un vitrage 1 proprement dit, soit une lame d'air 2 confinée entre deux parois 3, 3' transparentes, translucides ou
opaques, montées sur un cadre 4. Un espace technique 5 peut être prévu à la partie inférieure de l'enceinte. Il comprend une pompe 6 et d'autres éléments nécessaires au fonctionne¬ ment de l'enceinte, comme par exemple un sélecteur actionné au moyen de la commande 9. A la partie supérieure de l'espace technique se trouve un réservoir de liquide 7 dans lequel sont disposés un ou plusieurs barboteurs 8 pour la production de mousse. L'installation comprend en outre des conduits, soupapes et vannes qui peuvent être logés dans les cadres 4 lorsque ces derniers sont creux. Des schémas du principe de fonctionnement de l'enceinte illustrant le remplissage et la vidange de l'enceinte sont représentés aux figures 3 et 5. La pompe 6 est réversible. En mode de remplissage, elle pompe le fluide gazeux, par exemple de l'air, présent dans l'enceinte, en l'aspirant par le trop-plein 21 à la partie supérieure de l'enceinte. Cet air est alors insufflé dans le ou les barboteurs 8. En mode de vidange, la pompe aspire le liquide 7 par les rampes et le propulse à la partie supérieure de l'enceinte 13, de façon à créer un ruissellement le long des parois.
Les parois 3, 3' ne subissant pas d'autre pression que celle exercée par leur propre poids, elles peuvent être réalisées avec des matériaux traditionnels, tels que le verre ou les matières plastiques, qu'ils soient transparents, translucides ou opaques, ainsi qu'avec des matériaux souples tels que des films synthétiques. Des enceintes combinant par exemple une paroi rigide et une paroi souple sont possibles. De même, on peut combiner une paroi transparente avec une paroi translucide ou opaque. Pour tendre les parois consti¬ tuées de films souples, on peut créer une légère surpression dans l'enceinte à l'aide de la même pompe que celle utilisée pour la production de la mousse. La transparence est rétablie en évacuant la mousse, ce qui colle les deux films.
L'épaisseur de la lame d'air 2 entre les parois 3, 3' peut aller du millimètre au décimètre selon les performances que l'on attend de la mousse. Par exemple, pour obtenir un
pouvoir isolant thermique et phonique proche de celui d'un mur de façade isolé, on utilisera des épaisseurs de l'ordre du décimètre.
A titre indicatif et comparatif, pour une lame d'air de 1 décimètre, les conductivités thermiques K (Watt/ma.K) que l'on obtient peuvent être approximativement les suivantes:
- remplissage avec de l'air: ≈ 2,5
- remplissage avec de la mousse translucide (diamètre des pores d'environ 10 millimètres): ≈ 1,5
- remplissage avec de la mousse opaque (diamètre des pores environ 0,1 millimètre): ≈ 0,5
Les cadres de l'enceinte peuvent être réalisés comme les cadres des vitrages traditionnels, en acier, en aluminium, en PVC, etc. Ils doivent être conçus de telle sorte qu'ils soient parfaitement étanches à l'air et au liquide, qu'ils ne soient pas dégradables par celui-ci et qu'il permettent de fixer les parois de façon étanche. Lorsque l'isolation thermique est recherchée, il convient de veiller à ce que la conductivité thermique des cadres soit la plus faible possi¬ ble. On utilise pour ce faire le principe de la coupure thermique entre les deux faces du cadre ou, dans le cas de vitrages à modules multiples, entre ces modules.
Le liquide et le gaz sont confinés dans des enceintes hermétiquement fermées et la mousse circule en circuit fermé, ce qui prévient leur contamination. Pour prévenir les varia¬ tions de pression, l'espace fermé peut être raccordé a un ballon d'équilibrage des pressions, afin de prévenir les contraintes excessives sur les parois vitrées produites par les variations de la pression atmosphérique et la dilation thermique de l'air confiné. Dans les enceintes à parois à films souples, la mousse est produite de façon à venir gonfler l'enceinte. La pression de l'enceinte est dans ce cas supérieure à la pression atmosphérique, ce qui permet de
tendre les films souples et ainsi de les rigidifier.
Les enceintes peuvent- être conçues de manière à pouvoir être combinées à volonté selon les besoins, par exemple en fonction de l'orientation des façades ou de la destination des locaux. A titre d'exemple, une paroi comportant plusieurs vitrages 25 alimentés par un dispositif d'alimentation unique 26 est représentée à la figure 15.
Dans le cas où le vitrage est constitué de plusieurs modules, chacun peut comporter un liquide dont les propriétés sont différentes, de façon à correspondre aux caractéristi¬ ques souhaitées du module (isolation, voilage, captage solaire passif, protection solaire, etc) .
La solution peut être constituée par un liquide composé par exemple d'eau, d'alcool isopropylique, d'un agent mouillant, de savon, de parafine, de sucre, de glycol, de colorants, de particules en suspension, etc.. D'autres liquides à base d'huile silicone peuvent être utilisés.
Les liquides utilisés doivent avoir des propriétés aptes à procurer un moussage par barbotage de gaz à travers les buses. Leur conductivité thermique doit être aussi faible que possible. Ils doivent avoir une bonne stabilité au rayonnement solaire, en particulier aux ultra-violets, ne pas corroder les matériaux de l'enceinte, ni produire de buée sur les verres lors de leur évaporation. D'autre part, lorsqu'il risquent d'être exposés à des basses températures, ils doivent être non gélifs. De plus, les mousses produites ne doivent pas laisser des dépôts, gouttes, traînées ou bulles sur les parois du vitrage après leur enlèvement. Ces problèmes peuvent être résolus par l'adjonction d'agents mouillants dans le liquide, les condensats ne formant alors pas de buée, mais un mince film régulier transparent et invisible.
Le gaz puisé dans le liquide peut être de l'air ou tout autre gaz. Selon un mode d'exécution préférentiel, comme
représenté sur les variantes des figures 1 à 3, 10 et 11 et 12 et 13, le liquide et la mousse circulent en circuit fermé, ce qui permet de prévenir les arrivées d'impuretés dans les enceintes.
La pression du gaz nécessaire à la production de mousse est obtenue par une pompe 6 électrique ou manuelle, ou par cartouches d'air comprimé ou tout autre moyen. On peut par exemple utiliser des pompes péristaltiques assurant la circu¬ lation de l'air et du liquide ou des compresseurs électriques ou manuels. Ces dispositifs permettent également de remplir une enceinte de liquide. Ils peuvent être utilisés également au dégazage des mousses.
Selon une variante, la production de la mousse peut également se faire par agitation mécanique du liquide.
Des conduits pour la circulation du liquide, du gaz et de la mousse peuvent être aménagés dans les profilés, lorsque ces derniers sont creux.
Le détail d'un exemple de vitrage à double verre clair 17, 17' disposés dans un cadre 18 est représenté à la figure 6. La mousse peut être produite par soufflage d'air ou de gaz dans la lame d'air 20 au moyen de buses ponctuelles ou placées le long d'une ou de plusieurs rampes d'alimentation immergées dans le liquide 15. Trois rampes d'alimentation sont représentées sur cet exemple: une rampe de diffusion fine 11, une rampe de diffusion grosse 12 et une rampe de diffusion moyenne 13. Sont également représentés sur cette figure: les orifices de circulation de la mousse 14, des parecloses de fixation des verres 16, un conduit de trop- plein 21 qui peut être muni de percements 19, de façon à pouvoir travailler comme lave-glace.
Divers types de rampes sont représentés sur les figures 7a à 7c. La figure 7a illustre un tube percé. Lorsque le diamètre du tube est trop petit pour qu'on puisse le percer,
on peut utiliser des tubes en matériaux microporeux (figure 7c), tels que céramiques poreuses, plastiques poreux ou analogues. On peut également utiliser un tube fendu muni d'une bande de mousse ou feutre, tel que représenté à la figure 7b.
La disposition horizontale des rampes et leur longueur sur toute la largeur de l'enceinte permet d'obtenir un rideau de mousse dont la crête est horizontale. Pour éviter que le rideau de mousse ne soit hétérogène, il faut s'assurer que les rampes soient parfaitement horizontales. La mousse peut être produite dans un compartiment, puis puisée dans une canalisation alimentant un ou plusieurs vitrages.
Afin que le rideau de mousse remplisse complètement l'enceinte et que l'air puisse être évacué, le sommet de l'enceinte est pourvu d'un trop-plein 21 s'écoulant dans le réservoir de liquide.
Les figures 8 et 9 illustrent la variante (figure 10) de montage des verres 17, 17' sur un cadre 18' avec des joints d'étanchéité 54. On distingue sur la figure 9 des rampes d'injection 56 et des conduits 57 destinés à la douche interne du vitrage par ruissellement de liquide le long des parois. Des grilles 55, 55' sont prévues pour l'esthétique.
Un exemple de montage des membranes 43, 43' d'un vitrage à membranes souples (variante de la figure 12) sur un cadre 52 est illustré à la figure 14. Selon le mode d'exécution représenté, le cadre 52 sert de conduit pour l'acheminement de la mousse sur tout le pourtour de l'enceinte, la mousse pénétrant dans l'enceinte par l'intermédiaire d'un élément 53 en feutre ou en matière poreuse. Après extraction de la mousse, les membranes reviennent à la position indiquée en 43'.
La vitesse de remplissage dépend du débit de la pompe et du volume à remplir. La pompe peut être arrêtée automatique-
ment après le remplissage au moyen d'une minuterie réglable. En arrêtant manuellement la pompe en cours de remplissage, le rideau de mousse peut être limité à une partie seulement de la surface de l'enceinte.
Plusieurs types de mousses peuvent être obtenus avec le même liquide, dans la même enceinte, en soufflant le gaz dans des rampes à caractéristiques différentes. On peut par exemple réaliser les différentes types de mousses suivants:
- Mousse de voilage:
Le diamètre des bulles est de l'ordre du centimètre ou plus (figure 4a) . Il n'y a par conséquent que quelques membranes de bulles entre les deux parois vitrées de l'enceinte. Ce type de mousse supprime la vision de part et d'autre de l'enceinte transparente, mais ne réduit que très faiblement les apports lumineux. Les propriétés isolantes de cette mousse sont limitées. Elle est recherchée lorsqu'on souhai¬ te obtenir simultanément la privacité visuelle et le maxi¬ mum de lumière. Elle a un aspect transparent et irisé sous la lumière.
- Mousse translucide:
Cette mousse est plus dense et la transmission lumineuse est fortement réduite (figure 4b) . Elle est recherchée lorsqu'on souhaite atténuer ou se protéger de la lumière intense, en particulier du rayonnement solaire direct. Quelle que soit la couleur du liquide, cette mousse reste blanchâtre.
- Mousse ot>aσue:
Cette mousse est très dense (figure 4c) . Elle est consti¬ tuée de bulles microscopiques. Ses performances d'isolatic: thermique sont maximales et la transparence nulle. Cette solution est recherchée lorsqu'on souhaite à la fois
comporte une vanne de remplissage 31, une vanne de vidange 32, une rampe 34 de production de mousse dense et de récupération du liquide, une rampe 35 de production de mousse légère et de récupération du liquide, un conduit 37 pour le trop-plein de mousse et la projection du liquide sur les verres et une pompe électrique 38 péristaltique ou autre à débit réversible. Le niveau du liquide moussant est représenté par 36.
Des exemples schématiques de circuits de remplissage et de vidange d'un vitrage à membranes souples et transparentes 43 sont représentés sur les figures 12 et 13. Cette applica¬ tion permet d'obtenir des vitrages dont la transparence, la translucidité et l'opacité sont réglés par l'injection de quantités variables de mousse. L'épaisseur moyenne de l'espace entre membranes est donc variable, ce qui permet des variations de transparence obtenues quasi instantanément. On utilisera dans ce cas une mousse présentant une grande stabilité. Un vitrage de ce type peut être utilisé pour les enveloppes en matière plastique (PE, PVC, PTFE, etc.), des cultures sous abris telles que serres, tunnels ou souches, où la protection solaire diurne et l'isolation thermique nocturne sont souhaitables ou nécessaires. Ce vitrage comporte un vanne de remplissage 41, une vanne de vidange 42, un distributeur/récupérateur de mousse 44, une enceinte rigide 45 de production de mousse (nécessaire seulement lorsque l'on veut utiliser divers types de mousse), une buse 46 pour mousse dense et opaque, une buse 47 pour mousse légère et translucide, une pompe péristaltique électrique 49 à débit réversible et une vanne 48 à trois voies pour commander le type de mousse, la mise en marche et l'inversion du sens de rotation de la pompe. La mousse est stockée dans un réservoir souple 50 d'où elle est extraite par un tube plongeur 51 pour être réutilisée.
A titre d'exemple divers types de vitrages selon l'invention sont représentés sur les figures 16a à 16e, sc t: un vitrage à double verre (figure 16a) , un vitrage mixte