Brevet FR2691550A1 — publié le 19931126

VITRAGE ELECTROCHROME ARCHITECTURAL L'invention concerne un vitrage électrochrome archi- tectural; plus précisément, l'invention a pour objet un vitrage bâtiment dont les facteurs de transmission, de réflexion et d'absorption énergétiques peuvent être modifiés par une commande électrique. Depuis quelques années, le développement des systèmes de climatisation a créé une demande accrue de vitrages présentant un facteur solaire faible, autrement dit de vitrages contribuant aussi faiblement que possible à l'élé- vation de la température à l'intérieur du bâtiment Dans ce but, des architectes se sont tournés vers des vitrages com- portant une glace réfléchissante de protection solaire obtenue par dépôt d'une couche minérale sur une glace claire ou teintée dans la masse, le dépôt étant par exemple réalisé par une technique de pyrolyse ou une technique de pulvéri- sation cathodique sous vide d'une couche d'oxydes métalli- ques. Malheureusement, l'effet immédiat de ces couches de protection solaire est une diminution de la transmission lumineuse, avec dans le cas des produits les plus perfor- mants du point de vue facteur solaire, la nécessité quasi permanente d'un éclairage artificiel dans le bâtiment On comprend bien que cette chute de la transmission lumineuse est dans une large mesure inévitable si on la rapproche de la définition physique du facteur solaire d'un vitrage, à savoir que le facteur solaire est le rapport entre l'énergie -2 - totale entrant dans le local à travers le vitrage et l'énergie solaire incidente, l'énergie totale étant la somme de l'énergie solaire entrant par transmission directe et de l'énergie cédée par le vitrage à l'ambiance intérieure à la suite de son échauffement par absorption énergétique En pratique d'ailleurs, le choix du client s'effectue avant tout sur le niveau de transmission lumineuse, le facteur solaire étant une retombée de ce choix. D'autre part, les conditions d'ensoleillement varient d'un bout à l'autre de l'année et selon l'heure de la journée A l'approche de la tombée de la nuit ou en hiver sous les climats froids ou tempérés, la préoccupation première est une transmission lumineuse élevée Par contre, dans les périodes de fort ensoleillement, une luminosité suffisante pourra être obtenue même avec une transmission lumineuse très faible; l'essentiel alors est bien la réduction du facteur solaire pour diminuer le coût de la climatisation Enfin, et indépendamment de toutes les conditions d'ensoleillement, il peut être utile d'opacifier un vitrage, par exemple lors d'une projection vidéo. C'est notamment avec l'objectif d'apporter une solution évolutive qu'ont été développés les vitrages électrochromes, c'est-à-dire très généralement des vitrages à propriétés optiques électrocommandées A ce jour, différents systèmes électrochromes ont été proposés pour des applications telles que dispositifs d'affichage, des rétroviseurs avec une position anti-éblouissement ou encore des toits automobiles, mais aucun vitrage bâtiment n'a été développé de façon complète, cette application apparaissant toujours dans la littérature comme un objectif encore lointain, sans concré- tisation à court terme. Le premier objet de la présente invention est un vitrage à contrôle solaire électrocommandable particulière- ment adapté à une configuration bâtiment. Ce problème est résolu selon l'invention par un vitrage bâtiment à contrôle solaire électrocommandable formé au moins de deux panneaux espacés par une lame d'un gaz inter- calaire notamment de l'air, le panneau tourné vers l'exté- rieur du bâtiment étant constitué par un système à -3- transmission variable du type électrochrome comportant deux substrats transparents, constitués notamment par des feuilles de verre, assemblés par un polymère organique conducteur ionique, revêtus sur les faces d'assemblage de couches électroconductrices transparentes et de couches de matériaux électrochromes anodique et cathodique. Le vitrage bâtiment ainsi défini est un vitrage multi- ple, particularité qui en soi constitue un début de réponse à la question de la gestion des apports solaires ou du moins va dans le sens de leur réduction La seconde caractéristi- que du vitrage selon l'invention est la présence d'un panneau électrochrome côté extérieur De ce fait, la paroi chaude constituée par le panneau électrochrome dans son état coloré est isolée de l'habitat Dans le cas d'un vitrage électrochrome monté en vitrage "simple" au contraire, l'efficacité du vitrage n'est pas remise en cause si on considère simplement la quantité de rayonnement solaire transmis au travers de la paroi mais le vitrage devient lui-même une source de chaleur du fait de son échauffement et même en admettant que cette chaleur n'est pas réémise vers l'intérieur du bâtiment sous forme de rayonnement, il va se comporter comme un radiateur chauffant par conduction. Si le vitrage bâtiment selon l'invention est plus particulièrement destiné à des bâtiments de grande hauteur de type "tour", un des panneaux est de préférence en verre trempé ou en verre feuilleté, ceci afin d'assurer une plus grande sécurité Il est tout particulièrement avantageux de substituer au substrat transparent extérieur du système électrochrome une structure composite d'au moins deux feuilles de verre assemblées par un polymère organique, par exemple du type polyuréthane ou polyvinylbutyral, choisi de préférence parmi ceux présentant les meilleurs pouvoirs de filtration des ultra-violets Cette structure composite assure ainsi une très bonne protection pour le polymère organique conducteur ionique et les autres couches du sys- tème, en particulier la couche de matériau électrochrome et la contreélectrode qui peuvent présenter un vieillissement accéléré en cas de fortes expositions aux ultra-violets. Par ailleurs, le facteur solaire du vitrage-bâtiment 4 - selon l'invention est très sensiblement amélioré si la face tournée vers la lame de gaz intercalaire d'au moins un des panneaux est revêtue d'une couche dite basse émissive, par exemple du type dépôt pyrolytique d'un oxyde d'étain et/ou d'indium ou de manière encore plus performante dépôt métal- lique, notamment d'argent, en sandwich entre deux couches protectrices d'oxydes métalliques. D'autres détails et caractéristiques avantageuses de l'invention ressortent de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés qui représentent: * figure 1: un schéma d'un vitrage conforme au mode de réalisation préféré de l'invention, * figure 2: une courbe comparative de la valeur de la transmission lumineuse en fonction du facteur solaire, obtenue par modélisation, dans un vitrage du type illustré à la figure 1 et de différents vitrages commerciaux de pro- tection solaire. Pour définir un vitrage bâtiment avec un facteur solaire électrocommandable, comportant à cet effet un système électrochrome, la première question qui se pose est celle de la configuration optimale Pour déterminer celle-ci les auteurs ont réalisé différentes configurations type en calculant par modélisation les performances optiques Ces différentes configurations ont été obtenues avec un système électrochrome constitué d'un empilement: substrat en verre/ couche électrocondûctrice/matériau électrochrome cathodique/ électrolyte conducteur protonique/matériau électrochrome anodique/couche électroconductrice/substrat en verre. A titre indicatif, les caractéristiques de chacun des matériaux utilisés dans les différentes couches de l'empi- lement sont les suivantes: * substrats en verre: feuilles de verre float de 3 mm d'épaisseur, type planilux glace claire (marque déposée par la société SAINT-GOBAIN VITRAGE INTERNATIONAL), les facteurs lumineux en transmission et en réflexion étant respective- ment de 91 % et 8 %, le facteur solaire de 89 % et les fac- teurs énergétiques en transmission, réflexion et absorption respectivement de 87 %, 8 % et 5 %. * couches électroconductrices: oxyde d'indium dopé à l'étain, déposé par pulvérisation cathodique magnétron d'épaisseur 400 nanomètres et de résistance carrée infé- rieure ou égale à 5 ohms, * matériau électrochrome cathodique: oxyde de tungstène W 03 déposé par pulvérisation cathodique magnétron réactive à partir d'une cible en tungstène en présence d'oxygène sous une pression de 50 millitors d'un mélange argon-oxygène ( 15 %), pour une épaisseur de 300 nanomètres, * matériau électrochrome anodique: oxyde d'iridium, déposé par pulvérisation cathodique assistée d'un champ magnétique, sous une pression de 6 millitorrs d'un mélange gazeux oxygène/hydrogène dans un rapport volumique 80/20, d'épais- seur 55 nanomètres, * électrolyte: solution solide d'acide phosphorique anhydre dans du polyoxyéthylène, d'épaisseur 100 micromètres, de conductivité à 201 C de 9 10-5 ohm-' cm-' et de transmission lumineuse supérieure à 85 % Il est préparé de la manière suivante: dans des conditions anhydres, on dissout par litre de solvant de l'acide phosphorique anhydre ( 21,5 g) et du polyoxyéthylène de masse moléculaire 5 000 000 (densité 1,21; température de transition vitreuse -401 C; rapport O/H du nombre d'atomes d'hydrogène de l'acide égal à 0,66). Le solvant est un mélange 60/40 en volume d'acétonitrile et de tétrahydrofurane. La solution est coulée sous atmosphère à taux d'humi- dité contrôlé (inférieur ou égal à 50 ppm d'eau) par la méthode du tirefilm sur le substrat recouvert de l'une ou l'autre des couches de matériau électrochrome On évapore ensuite le solvant à température ambiante sous air sec pendant 20 h. L'assemblage du système électrochrome est réalisé selon l'enseignement de la demande de brevet européen EP-A-477 065 c'est-à-dire, que la superposition des deux substrats ou plus exactement des ensembles verre/couche électroc- onductrice transparente/matériau électrochrome et verre/couche électroconductrice transparente/matériau électrochrome/électrolyte est précédée d'une étape de mise sous vide alors que ces deux ensembles sont mis en position d'assemblage et maintenus à distance l'un de l'autre Cet -6- espacement est avantageusement obtenu au moyen d'un cordon thermoplastique disposé à la périphérie des substrats, constitué de caoutchouc butyl et/ou de polyisobutylène, cordon qui va fluer à température élevée lors de l'assem- blage par chauffage et qui va ainsi contribuer à garantir l'étanchéité à l'eau et à la vapeur d'eau du système élec- trochrome. Le système électrochrome ainsi réalisé a été monté dans différents vitrages dont les configurations sont indiquées dans le tableau suivant, les exemples 1, 2 et 6 corres- pondant à des configurations double-vitrage, l'exemple 3 à une configuration feuilleté et les exemples 3 et 4 à des configurations mixtes feuilleté/double-vitrage Par conven- tion, les panneaux sont numérotés de l'extérieur vers l'intérieur Sauf indication contraire, les panneaux de verre utilisés sont du type planilux teinte claire Le terme PVB est l'abréviation conventionnelle pour un film de butyral de polyvinyle Dans la configuration 6, le panneau de verre intérieur est revêtu sur sa face en contact avec la lame d'air intercalaire d'un revêtement métallique du type planitherm (marque déposée par la société SAINT-GOBAIN VITRAGE INTERNATIONAL), à base d'une couche d'argent métal- lique de 10 nm insérée dans un empilage verre/Sn O 2 ( 4 Onm)/argent/Ni Cr ( 3 nm)/Sn O 2 ( 40 nm). 7 - :N : Configuration:Etat: TL TE Facteur d Pe: ::: : (%) (%) solaire (nm) (%): :: - - -: :1:verre 1 = 6 mm: ON : 7 4 0,51 481 25: ::air = 12 mm: : : :verre 2 =électrochrome: OFF: 29 20 0,56 562 5: : -:: :: :2:verre 1 =électrochrome: ON: 7 4 0,15 481 25: ::air = 12 mm: : ::verre 2 = 6 mm: OFF: 29 20 0,29 562 5: ::: : :3:verre 1 = 3 mm: ON : 7 4 0,27 481 25: : :PVB = 0, 38 mm: ::verre 2 =électrochrome: OFF: 32 22 0,40 564 5: ::: :: :4:verre 1 = 6 mm: ON : 7 4 0,51 481 25: ::air = 12 mm: : ::verre 2 = 3 mm: : ::PVB = 0,38 mm: OFF: 29 19 0, 57 560 5: : verre 3 =électrochrome:: : :: : :5:verre 1 = 3 mm: ON : 7 4 0,15 481 25: ::PVB = 0,38 mm: : : verre 2 =électrochrome:: ::air = 12 mm: OFF: 29 19 0, 29 560 5: ::verre 3 = 6 mm: : :-: :6 :verre 1 =électrochrome: ON: 6 3 0,11 482 24: ::air = 12 mm: : ::verre 2 = 6 mm + bas: OFF: 26 15 0,24 561 6: :: émissif: : :7:verre 1 = 3 mm: ON : 7 4 0,15 481 25: ::PVB = 0,38 mm: : ::verre 2 =électrochrome:: : :air = 12 mm: OFF: 51 35 0,44 570 5: ::verre 3 = 6 mm: : :: :8:verre 1 = 3 mm: ON : 6 3 0,09 482 25: :PVB = 0,38 mm:: ::verre 2 =électrochrome:: ::air = 12 mm: OFF: 47 28 0,38 568 5: : :verre 3 = 6 mm: : :: + bas émissif:: Dans le tableau ci- dessus, TL, TE, F S, d et Pe correspondant respectivement aux facteurs de transmission lumineuse, de transmission énergétique, au facteur solaire, à la longueur d'onde de la teinte dominante (en nanomètres) et à la pureté dans la couleur, ces valeurs ayant été obtenues avec un système électrochrome dont la transmission lumineuse à l'état coloré est de 7 % et à l'état décoloré de -8- 32 % (pour les configurations 1 à 6) ou 61 % (configurations 7 et 8). Du tableau ci-dessus, il ressort que les configurations 2, 5 et 6, toutes trois de type double-vitrage avec le système électrochrome en panneau extérieur répondent le mieux au problème posé d'une modulation du contrôle solaire, avec dans ces trois cas une variation du simple au double du facteur solaire La configuration 3 de type feuilleté monté en vitrage monolithique conduit certes à une différence importante entre les facteurs solaires à l'état décoloré et à l'état coloré mais ceux-ci restent d'un niveau rela- tivement élevé alors que les performances des vitrages montés en configuration double-vitrage sont globalement bien supérieures. Les configurations 2 et 5 sont équivalentes du point de vue transmission lumineuse et facteur solaire et peuvent donc être utilisées indifféremment si on s'en tient aux critères optiques Néanmoins, la configuration 5 présente l'avantage d'une non exposition directe au rayonnement solaire du système électrochrome qui est protégé et par le panneau de verre de 3 mm et par le film PVB qui peut si nécessaire être choisi parmi les PVB présentant la plus grande capacité de filtration du rayonnement ultra-violet. La configuration 6 qui comporte une couche basse émissive en contact avec la lame d'air intercalaire corres- pond à la base de configuration préférée car permettant d'atteindre un facteur solaire à l'état coloré de seulement 11 % et un facteur solaire à l'état décoloré de 24 %. L'exemple 7 est une reprise de la configuration 5 mais cette fois avec un système électrochrome présentant un contraste plus grand, avec ainsi une transmission lumineuse à l'état décoloré pour l'ensemble du vitrage de 51 %. L'exemple 8 correspond à la configuration préférée selon l'invention, une combinaison des configurations 5 et 6, ce qui donne alors la configuration de base. Le tableau ci-dessus fait également ressortir pour l'état OFF, donc l'état de décoloration maximale, une pureté dans la couleur de seulement 5 % ce qui signifie que la couleur est en fait pratiquement imperceptible à l'oeil et -9- que celui-ci perçoit une couleur neutre Par contre, pour l'état ON, en coloration maximale, la pureté dans la couleur dominante est de 25 %, cette couleur est donc bien effec- tivement perçue comme la couleur dominante. Sur la figure 1, on a ainsi schématisé un double- vitrage correspondant à la configuration préférée comportant 4 panneaux de verre, soit 8 faces numérotées de 1 à 8, disposés de la manière suivante: en premier, un panneau de verre de 3 mm avec la face 1 en façade et la face 2 collée à une feuille de PVB 9 de 0,38 mm; en second, un panneau de verre également de 3 mm auquel appartiennent la face 3 collée de même à la feuille PVB 9 et la face 4 revêtue d'une couche électroconductrice transparente d'ITO puis d'une couche d'oxyde d'iridium Sur cette couche d'oxyde d'iridium adhère le polymère conducteur ionique 10 d'une épaisseur de micromètres. A l'arrière du POE, toujours en analysant le vitrage depuis la façade, on trouve la couche d'oxyde de tungstène qui est déterminante pour la coloration Cette couche d'oxyde de tungstène est de préférence placée côté intérieur pour une question d'esthétique Elle est déposée sur une couche d'ITO couvrant la face 5 appartenant au 3 ème panneau de verre également de 3 mm. Le système électrochrome doit également comprendre des éléments de connexion à un dispositif d'alimentation en procédant du point de vue électrique comme indiqué dans la demande de brevet EP 91 402431 0 Pour cela, il est avanta- geux de prévoir des couches électroconductrices qui d'un côté sont déposées jusqu'au bord du panneau et de l'autre s'arrêtent à par exemple 1 cm, les panneaux étant montés en opposition de façon à ce que la bande d'amenée de courant 11, déposée par exemple par sérigraphie, sur la bande marginale d'un des panneaux ne soit pas en regard de la couche électroconductrice du panneau opposé, ceci afin d'éviter les courts circuits Dans ce même but, près des bords, le film d'électrolyte est de préférence remplacé par un joint 12 par exemple à base de caoutchouc butyl, joint qui joue aussi un rôle lors de l'assemblage du système en maintenant les deux panneaux espacés pendant la phase de - dégazage et contribue à préserver le système de la pénétra- tion d'eau liquide ou de vapeur d'eau. Cet ensemble extérieur de 3 panneaux formant une structure composite complexe est associé par un montage type double vitrage a un 4 ème panneau de verre de 6 mm qui porte donc les faces 7 et 8 La face 7, ou éventuellement la face 6 est munie d'une couche basse émissive (typiquement à base d'argent mais une couche d'oxyde de type ITO ou Sn O 2 dopé au fluor peut également être utilisée bien que les performances d'émissivité soient légèrement inférieures) Cette associa- tion du type double-vitrage est réalisée selon les techni- ques bien connues de cet art par exemple en employant un cadre périphérique d'aluminium 13, collé au verre par des cordons de caoutchouc butyl 14 et doublé par un second joint d'étanchéité 15 à base de polyuréthane ou de polysulfure La lame d'air a par exemple une épaisseur de 12 mm. Cette configuration optimisée peut bien sûr comporter de nombreuses variantes Il doit être ainsi remarqué que les épaisseurs de verre et de lame d'air indiquées peuvent bien entendu être modifiées sans sortir du cadre de l'invention. De même, l'invention n'est nullement limitée au type de système électrochrome décrit plus haut, tout système com- portant un polymère électrolyte conducteur ionique (protons, Li', Na',) pouvant être utilisé en substitution. Un autre aspect important de l'invention est que les états ON/OFF ne correspondent en fait qu'à deux état ex- trêmes et que tous les états intermédiaires peuvent être obtenus en jouant par exemple sur les temps de commutation. La figure 2 permet d'illustrer l'avantage qui en résulte Sur cette figure 2, on a en effet reporté les valeurs des transmissions lumineuses en fonction des fac- teurs solaires pour une série de double-vitrages (verre 6 mm; lame d'air 12 mm; verre 6 mm; la paroi extérieure étant constituée par un vitrage de protection solaire commercialisé sous la marque COOL- LITE de la société des GLACERIES DE SAINT-ROCH, ce vitrage étant typiquement obtenu par pulvérisation cathodique sous vide en réalisant par exemple un empilement de type Zn Sn O /acier nitruré/Ti O 2 ou Ti N l'épaisseur de la couche Zn Sn O variant entre 10 et 100 là - nm selon la teinte désirée, celle de la couche d'acier nitruré entre 15 et 45 nm (les épaisseurs des plus grandes correspondant aux facteurs solaires les plus petits) et la couche d'oxyde de titane étant typiquement de 10 nm La couche pulvérisée est positionnée vers la lame d'air inter- calaire. Comme le montre la série 16 de points indiquée sur la figure 2, ce type d'empilement permet de balayer une très large gamme de performances mais il faut bien remarquer que chaque point correspond à un empilement donné et que pour modifier le facteur solaire, il n'y a pas d'autre possi- bilité que de remplacer le vitrage Par contre, la droite 17 représentative d'un vitrage selon l'invention, et qui couvre pour l'essentiel la même gamme de facteurs solaires, est obtenue avec un seul et même vitrage dont la transmission lumineuse peut varier entre 60 et 10 % de l'état OFF à l'état ON. Par ailleurs, pour un facteur solaire donné, les vitrages selon l'invention conduisent à des valeurs de transmissions lumineuses toujours supérieures à celles obtenues avec des vitrages de protection solaires commer- ciaux Et il s'agit là encore d'un point remarquable, le but premier d'un vitrage bâtiment étant bien sûr de laisser passer la lumière. 12 - REVENDICATIONS 1 Vitrage bâtiment à contrôle solaire électro- commandable formé de deux panneaux espacés par une lame d'un gaz intercalaire, le panneau tourné vers l'extérieur du bâtiment étant constitué par un système à transmission variable du type électrochrome comportant deux substrats transparents, constitués notamment par des feuilles de verre, assemblés par un polymère organique conducteur ionique, revêtus sur les faces d'assemblage de couches électroconductrices transparentes et de couches de matériaux électrochromes anodique et cathodique. 2 Vitrage bâtiment selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le substrat transparent extérieur du système électrochrome est une structure composite d'au moins deux feuilles de verre assemblées par un polymère organique filtrant les ultra-violets. 3 Vitrage bâtiment selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit matériau électrochrome cathodi- que est à base d'oxyde de tungstène. 4 Vitrage bâtiment selon la revendication 3, caracté- risé en ce que ladite couche à base d'oxyde de tungstène est disposée du côté du substrat transparent intérieur du système électrochrome. Vitrage bâtiment selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par une couche basse émissive sur la face tournée vers la lame de gaz intercalaire d'au moins un des panneaux.