Многослойное стекло, содержащее прозрачную подложку с нагревательным слоем, имеющим замкнутые линии абляции

Изобретение относится к области оконного остекления транспортных средств и зданий, которые могут быть оснащены нагревательными функциями, интегрированными в стекла, чтобы предупреждать/удалять в зависимости от случаев запотевание на внутренней стороне или образование инея на наружной стороне. Объектом изобретения является многослойное стекло, состоящее из нескольких жестких прозрачных подложек, склеенных друг с другом попарно при помощи промежуточного адгезивного слоя, при этом по меньшей мере одна из этих прозрачных подложек покрыта электропроводящим слоем, по существу однородным по своей природе и в своей толщине, при этом одна зона этой прозрачной подложки имеет четыре попарно противоположных края, при этом вдоль двух противоположных краев расположены первая и вторая шины, при этом линии абляции электропроводящего слоя выполнены замкнутыми и образуют непроводящие полоски, каждая из которых занимает преобладающую часть расстояния между шинами, при этом форма непроводящих полосок предусмотрена для обеспечения температуры нагрева, почти постоянной на всей поверхности зоны, электропроводящим слоем. Объектом является также применение в качестве стекла против обледенения/инея и стекла против запотевания. Изобретение обеспечивает использование стекол с однородным проводящим слоем, предназначенным для контроля солнечного освещения, для низкоэмиссионных свойств, для обогрева автомобиля с целью получения искомой удельной мощности однородного нагрева на всей поверхности нагрева, независимо от сложности ее геометрии. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Окна транспортных средств (самолетов, поездов, вертолетов, судов, автомобилей…) и в некоторых случаях окна зданий могут быть оснащены нагревательными функциями, интегрированными в стекла, чтобы предупреждать/удалять в зависимости от случаев запотевание на внутренней стороне или образование инея на наружной стороне.

Нагрев характеризуется своей удельной мощностью (Вт/м²), которую адаптируют для конкретной потребности в каждом варианте применения.

Нагревательная система состоит либо из проводов, заделанных в стекло, либо из прозрачных проводящих слоев (легированные оксиды: оксид индия, легированный оловом, - на английском языке «Indium Tin Oxide»: ITO, - AZO (Aluminum Zinc Oxide), SnO₂:F, или металлы, такие как серебро, золото), обеспечивающих нагрев за счет эффекта Джоуля. В этих обоих случаях нагревательная система получает через электроды питание напряжением, присутствующим на транспортном средстве или в здании. В простом случае прямоугольного стекла с нагревательным слоем с поверхностным удельным сопротивлением Rs, нагреваемого под напряжением U через два электрода на двух противоположных сторонах, отстоящих друг от друга на D, развиваемая удельная мощность Ps определяется следующим уравнением:

Стекла с нагревательным слоем получают либо посредством вырезания и, возможно, придания формы стеклу, уже имеющему слой, либо посредством нанесения слоя (после вырезания) на сформованное стекло. Под «стеклом» в данном случае прежде всего следует понимать любое минеральное стекло, а также жесткую прозрачную подложку из полимерного материала, типичным примером которого является полиметилметакрилат (ПММА).

Поскольку однородный нагрев непрямоугольной формы невозможен со слоем однородной электропроводности, применяют две стратегии:

- градиент электропроводности, обычно получаемый за счет градиента толщины проводящего металлического оксида (как правило, ITO);

- линии абляции в электропроводящем слое, называемые линиями потока и описанные в патенте ЕР1897412-В1, которые ориентируют направление потока электрического тока и часто требуют тоже градиента толщины слоя.

Использование стекла с предварительно (до разрезания и, возможно, формования - выгибания) нанесенным проводящим слоем является намного более удовлетворительным в промышленном масштабе и экономически, так как при этом пользуются эффектами объема производства, не характерного для стекла.

Тем не менее это является невозможным в двух довольно распространенных случаях:

- значения электропроводности стекла со слоем не совместимы с размерами стекол и имеющимся напряжением питания, чтобы получить желаемую удельную мощность (иначе говоря, при имеющемся напряжении и при данной геометрии искомая удельная мощность требует значения сопротивления слоя, которое не существует или не является стандартным в автомобиле или здании);

- форма стекла существенно отходит от прямоугольника: появляются зоны перегрева или недостаточного нагрева.

На стеклах с большой удельной мощностью (порог составляет около одного кВт/м²) локальные перегревы могут привести к слишком быстрому старению стекла и даже к ухудшению оптики (при локальном растекании промежуточного адгезива многослойного стекла) или к локальному образованию пузырьков в этом промежуточном адгезиве.

Эти два ограничения можно преодолеть посредством контролированного нанесения электропроводящего слоя таким образом, чтобы:

- адаптировать проводимость (за счет контроля нанесения: градиент толщины, содержание О₂ в металлическом оксиде, в ITO или в другом оксиде…),

- преодолевать эффекты формы путем построения картографии электропроводности.

Наконец, можно также способствовать гомогенизации удельной мощности, направляя электрический ток по каналам, в частности, выполняя линии проводящих слоев при помощи лазерной технологии.

Таким образом, задачей изобретения является использование стекол с однородным проводящим слоем (предназначенным для контроля солнечного освещения, для низкоэмиссионных свойств, для обогрева автомобиля…) с целью получения искомой удельной мощности однородного нагрева на всей поверхности нагрева, независимо от сложности ее геометрии.

Эту задачу решают при помощи изобретения, объектом которого является, таким образом, многослойное стекло, состоящее из нескольких жестких прозрачных подложек, склеенных друг с другом попарно при помощи промежуточного адгезивного слоя, при этом по меньшей мере одна из этих прозрачных подложек покрыта электропроводящим слоем, по существу однородным по своей природе и в своей толщине, одна зона которого имеет четыре попарно противоположных края, при этом вдоль двух противоположных краев расположены первая и вторая шины, отличающееся тем, что линии абляции электропроводящего слоя выполнены замкнутыми и образуют непроводящие полоски, каждая из которых занимает преобладающую часть расстояния между шинами, при этом форма непроводящих полосок предусмотрена для обеспечения температуры нагрева, почти постоянной на всей поверхности зоны, электропроводящим слоем.

Разумеется, название «непроводящие полоски» относится к прохождению электрического тока.

Поверхность, комплементарная относительно поверхности непроводящих полосок, образует проводящие полоски (или зоны), которые образуют выходы проводов электропроводящего слоя, ширина которых и промежуток между которыми предусмотрены для получения искомой удельной мощности с имеющимся напряжением питания.

Селективная абляция слоев обеспечивает адаптацию к имеющемуся напряжению питания и контроль эффектов формы. В пропускании тока участвует только часть поверхности слоя, что повышает поверхностное удельное сопротивление. Кроме того, это повышение поверхностного удельного сопротивления сопровождается направлением тока по каналам, которое позволяет контролировать сложные формы. Таким образом, поверхностную проводимость уменьшают, пропуская ток только в части слоя.

В целом, зоны или линии абляции можно предусмотреть для любых форм.

Ширина непроводящих зон должна быть достаточно малой (порядка миллиметра, в зависимости от удельной мощности), чтобы избегать оптической размытости при нагреве (эффект изменения показателя преломления промежуточного адгезива многослойного стекла при повышении температуры). Именно эту проблему решают при определении допустимого промежутка в нагревательных стеклах с проводами.

Согласно предпочтительным признакам заявленного многослойного стекла:

- расстояние между первой и второй шинами меняется вдоль противоположных краев, и проводящие полоски тем шире, чем больше расстояние между шинами; например, для зоны нагрева постоянной ширины и, следовательно, с переменным расстоянием между электродами питания (шинами) нагрев можно обеспечивать, выполняя проводящие полоски однородной ширины по их длине, но адаптируя эту ширину к длине между электродами;

- длина первой шины больше, чем длина второй шины, и ширина каждой проводящей полоски увеличивается от первой шины к второй шине; так, например, для электродов (шин) разной длины, но параллельных между собой, проводящая полоска может образовать более узкий четырехугольник со стороны наиболее длинного электрода, чтобы получить однородную удельную мощность;

- электропроводящий слой выполнен на основе легированного металлического оксида, такого как оксид индия, легированный оловом (ITO) или SnO₂:F, или набора слоев серебра; последний вариант является предпочтительным, так как линии абляции являются менее видимыми;

- проводящий слой имеет поверхностную проводимость или сопротивление на квадрат от 0,5 до 100 Ом/квадрат; это значение выбирают в зависимости от размеров нагреваемого стекла и от имеющегося напряжения питания;

- линии абляции имеют ширину от 5 до 200 мкм, при этом следует иметь в виду, что узкие линии абляции являются менее видимыми, но технически более сложными в выполнении;

- проводящие полоски имеют ширину, по меньшей мере равную 50, предпочтительно 200 мкм, и не превышающую 5, предпочтительно 3 мм;

- шаг рисунка проводящих полосок и непроводящих полосок по меньшей мере равен 0,5, предпочтительно 1 мм, и не превышает 10, предпочтительно 4 мм; шаг рисунка является шириной соседних проводящей полоски и непроводящей полоски; этот шаг является меньшим для больших значений удельной мощности (до 7 кВт/м²) и более значительным для небольших значений удельной мощности (до 350 Вт/м²);

- оно является таким стеклом, как щелочно-известковое, алюмосиликатное, боросиликатное стекло, или выполнено из полимерного материала, такого как полиметилметакрилат (ПММА), поликарбонат (ПК) или полиуретан (ПУ);

- электропроводящий слой находится на стороне, обращенной внутрь многослойного стекла, по меньшей мере одной из двух жестких прозрачных подложек, образующих две наружные поверхности многослойного стекла;

- промежуточный адгезивный слой выбирают из поливинилбутираля (ПВБ), полиуретана (ПУ), этиленвинилацетата (ЭВА) отдельно или в смеси нескольких из них.

Объектами изобретения также являются:

- применение описанного выше многослойного стекла, в котором прозрачная подложка в соответствии с изобретением предназначена для вхождения в контакт с внешней атмосферой, в качестве стекла против обледенения/инея;

- применение описанного выше многослойного стекла, в котором прозрачная подложка в соответствии с изобретением предназначена для вхождения в контакт с внутренним объемом транспортного средства или здания, в качестве стекла против запотевания.

Эти варианты применения предназначены, в частности, для воздушного, наземного или водного транспортного средства, в частности, самолета, и предпочтительно в качестве лобового окна и даже бокового окна кабины самолета.

Изобретение будет более понятно из нижеследующего описания и прилагаемых фиг. 1 и 2, где схематично представлены два основных варианта выполнения характеристической прозрачной подложки заявленного многослойного стекла.

Как показано на фиг. 1 и 2, прозрачная подложка из алюмосиликатного стекла покрыта электропроводящим слоем (2) из легированного оловом оксида индия (ITO) по существу однородной толщины, одна зона (1) которого имеет четыре попарно противоположных края (3,5), (4,6), при этом вдоль двух противоположных краев (3,5) расположены первая и вторая шины (7,8).

Линии (9) абляции электропроводящего слоя (2) замыкаются, образуя непроводящие полоски (11), каждая из которых занимает преобладающую часть расстояния между шинами (7,8). Поверхность, комплементарная к непроводящим полоскам (11) в зоне (1), образует проводящие полоски (10).

Пример выполнения, представленный на фиг. 1:

Удельная мощность: Ps=7000 Вт/м²

Поверхностное удельное сопротивление: R на квадрат=0,9 Ом/квадрат

Напряжение питания: U=40 В

Ширина: L=0,4 м

Наибольшая высота Н1=0,4 м

Наименьшая высота Н2=0,2 м

Определяют абсциссу х, которая увеличивается от 0 на наибольшей высоте Н1 до 0,4 м на наименьшей высоте Н2. Высота Н на абсциссе х равна

H(x)=H1+x/L . (H2-H1)

Ширину или шаг рисунка определяют как ширину соседних проводящей полоски (10) и непроводящей полоски (11); в данном случае она имеет значение е0=600 мкм, то есть 667 элементов рисунка.

Ширина проводящей полоски (10) является функцией положения:

Это дает следующее цифровое выражение:

- проводящая ширина со стороны наименьшего расстояния между шинами (Н2) равна е1=95 мкм;

- проводящая ширина со стороны наибольшего расстояния между шинами (Н1) равна е2=378 мкм.

Пример выполнения, представленный на фиг. 2:

шина с L1=1 м и L2=1.5 м

расстояние между шинами Н=1 м

удельная мощность Ps=1000 Вт/м² при U=100 В

слой c R квадрат=5 Ом/квадрат

n=31 проводящих полосок.

Ширина рисунка, определенная выше, зависит от положения h между двумя шинами x0(h) = (L1+h/H(L2-L1))/n.

Центр каждой проводящей полоски образует сегмент прямой, который образует угол θ относительно нормали к шинам.

Ширина проводящей полоски равна:

В этом конкретном случае центральная проводящая полоска имеет ширину 2.52 мм со стороны короткой шины (8) и 1.68 мм со стороны длинной шины (7).

Изобретение находит свое предпочтительное применение для нагревательных стекол транспортного средства, для которых электрическое питание является задаваемым, так как оно обеспечивает установление требуемой удельной мощности нагрева однородно на всей поверхности нагрева.

1. Многослойное стекло, состоящее из множества жестких прозрачных подложек, склеенных друг с другом попарно при помощи промежуточного адгезивного слоя, при этом по меньшей мере одна из этих прозрачных подложек покрыта электропроводящим слоем (2), по существу однородным по природе и толщине, при этом зона (1) этой прозрачной подложки имеет четыре попарно противоположных края (3, 5), (4, 6), при этом вдоль двух противоположных краев (3, 5) расположены первая и вторая шины (7, 8), отличающееся тем, что линии (9) абляции электропроводящего слоя (2) выполнены замкнутыми и образуют непроводящие полоски (11), каждая из которых занимает преобладающую часть расстояния между шинами (7, 8), при этом форма непроводящих полосок (11) предусмотрена для обеспечения температуры нагрева, почти постоянной на всей поверхности зоны (1), электропроводящим слоем (2), причем ширина проводящих полосок (10), по меньшей мере, равна 50 мкм и не превышает 5 мм, и причем шаг рисунка проводящих полосок (10) и непроводящих полосок (11) по меньшей мере равен 0,5 мм и не превышает 10 мм.

2. Многослойное стекло по п. 1, отличающееся тем, что расстояние между первой и второй шинами (7, 8) меняется вдоль противоположных краев (3, 5), и тем, что проводящие полоски (10) тем шире, чем больше расстояние между шинами (7, 8).

3. Многослойное стекло по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что длина первой шины (7) больше, чем длина второй шины (8), и тем, что ширина каждой проводящей полоски (10) увеличивается от первой шины (7) ко второй шине (8).

4. Многослойное стекло по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что электропроводящий слой (2) выполнен на основе легированного металлического оксида, такого как оксид индия, легированный оловом (ITO), или SnO₂:F, или из набора слоев серебра.

5. Многослойное стекло по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что проводящий слой имеет поверхностную проводимость или удельное сопротивление на квадрат от 0,5 до 100 Ом/квадрат.

6. Многослойное стекло по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что линии (9) абляции имеют ширину, составляющую от 5 до 200 мкм.

7. Многослойное стекло по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что проводящие полоски (10) имеют ширину, по меньшей мере равную 200 мкм, и не превышающую 3 мм.

8. Многослойное стекло по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что шаг рисунка проводящих полосок (10) и непроводящих полосок (11) по меньшей мере равен 1 мм и не превышает 4 мм.

9. Многослойное стекло по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что прозрачная подложка, покрытая электропроводящим слоем (2), выполнена из стекла, такого как щелочно-известковое, алюмосиликатное или боросиликатное стекло, или выполнена из полимерного материала, такого как полиметилметакрилат (ПММА), поликарбонат (ПК) или полиуретан (ПУ).

10. Многослойное стекло по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что электропроводящий слой (2) находится на стороне, ориентированной внутрь многослойного стекла, по меньшей мере одной из двух жестких прозрачных подложек, образующих две наружные поверхности многослойного стекла.

11. Многослойное стекло по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что промежуточный адгезивный слой выбирают из поливинилбутираля (ПВБ), полиуретана (ПУ), этиленвинилацетата (ЭВА) отдельно или в смеси нескольких из них.

12. Применение многослойного стекла по одному из пп. 1-11, в котором прозрачная подложка, покрытая электропроводящим слоем (2), предназначена для вхождения в контакт с внешней атмосферой, в качестве стекла против обледенения/инея.

13. Применение многослойного стекла по одному из пп. 1-11, в котором прозрачная подложка, покрытая электропроводящим слоем (2), предназначена для вхождения в контакт с внутренним объемом транспортного средства или здания, в качестве стекла против запотевания.