УПРАВЛЕНИЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫМИ ПЕРЕКЛЮЧАЕМЫМИ ОПТИЧЕСКИМИ УСТРОЙСТВАМИ
CONTROL OF THIN FILM SWITCHABLE OPTICAL DEVICES

Перекрестная ссылка на родственные заявки
Настоящая заявка притязает на приоритет предварительной заявки на патент США №61/680 221, поданной 6 августа 2012 г., и заявки на патент США №13/682 618, поданной 20 ноября 2012 г., содержание которых полностью и для всех целей включено в настоящую заявку посредством ссылки.
Уровень техники
+
Электрохромные устройства (ЭУ) обычно содержат многослойную стопу, содержащую: (а) по меньшей мере один электрохромный материал, изменяющий свои оптические свойства, например, интенсивность видимого света, пропускаемого через слой, в ответ на приложение электрического напряжения, (b) ионный проводник, обеспечивающий возможность ионам (например, ионам Li) проходить через него в электрохромный материал и из электрохромного материала для изменения указанного оптического свойства, при изоляции от электрического замыкания, и (с) слои прозрачного проводника (например, прозрачные проводящие окиси, ППО), к которым приложен электрический потенциал. В некоторых случаях электрический потенциал приложен с противоположных краев электрохромного устройства и через видимую область устройства. Прозрачные слои проводника выполнены с возможностью обладания относительно высокими значениями электронной проводимости. Электрохромные устройства могут иметь слои в дополнение к вышеописанным, например, слои накопления ионов, которые выполняют или не выполняют окрашивание.
Вследствие физических особенностей работы устройства соответствующая функция электрохромного устройства зависит от многих факторов, например, от перемещения ионов через слои материала, электрического напряжения, необходимого для перемещения ионов, поверхностного сопротивления слоев прозрачных проводников и от других факторов. При увеличении размера электрохромных устройств становятся неподходящими обычные методики управления электрохромными переходами. Например, при обычных профилях управления устройство тщательно управляется при достаточно низких напряжениях во избежание повреждения устройства при слишком жестком прохождении ионов через него, что замедляет скорость переключения, или устройство работает при более высоких напряжениях с увеличением скорости переключения, что приводит к преждевременному ухудшению устройства.
Следовательно, необходимы улучшенные способы управления электрохромными устройствами.
Раскрытие изобретения
Особенности этого изобретения относятся к устройствам управления и способам управления при приложении управляющего напряжения к шинам большого электрохромного устройства. Такие устройства часто выполнены на окнах, например, из архитектурно-строительного стекла. В определенных вариантах реализации настоящего изобретения приложенное управляющее напряжение имеет определенную величину, достаточную для управления переходом по всей поверхности электрохромного устройства, которая не повреждает и не ухудшает устройство. Область, размещенная на одинаковом расстоянии от шин, испытывает самое низкое эффективное напряжение, а области вблизи шин испытывают самое высокое эффективное напряжение. Приложенное управляющее напряжение образует во всех местоположениях на наружной поверхности электрохромного устройства эффективное напряжение, значение которого находится в ограниченном диапазоне. Верхний предел этого диапазона расположен безопасно ниже напряжения, при котором полагают, что устройство может претерпевать повреждение или ухудшение работы, которые могли бы воздействовать на его характеристики в ближайшей перспективе или в течение длительного срока. На нижней границе этого диапазона имеет место эффективное напряжение, при котором переход между оптическими состояниями электрохромного устройства происходит относительно быстро. Уровень напряжения, приложенного между шинами, значительно превышает максимальное значение эффективного напряжения внутри ограниченного диапазона.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения предложено устройство управления, предназначенное для управления оптическим состоянием тонкопленочного электрохромного устройства. Такие устройства управления могут быть выполнены с: (а) электрической схемой для приложения напряжения или подачи команд на приложение напряжения между шинами на тонкопленочном электрохромном устройстве и (b) компонентом обработки. Компонент обработки (b) может быть разработан или выполнен с возможностью выполнения следующих операций: (i) определение необходимости перехода тонкопленочного электрохромного устройства из первого оптического состояния во второе оптическое состояние; и (ii) удержание значения первого приложенного напряжения между шинами тонкопленочного электрохромного устройства в ответ на определение необходимости перехода тонкопленочного электрохромного устройства из первого оптического состояния во второе оптическое состояние. Величина первого приложенного напряжения достаточна для обеспечения того, что во всех местоположениях на тонкопленочном электрохромном устройстве имеет место эффективное напряжение между максимальным эффективным напряжением, определенным как напряжение, безопасно избегающее повреждения тонкопленочного электрохромного устройства, и минимальным эффективным напряжением, определенным как напряжение, достаточное для управления переходом из первого оптического состояния во второе оптическое состояние. Кроме того, первое приложенное напряжение значительно больше максимального эффективного напряжения.
В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения это достигнуто посредством поддержания эффективного напряжения во всех местоположениях на тонкопленочном электрохромном устройстве во время перехода из первого оптического состояния во второе оптическое состояние. В таких случаях это достигают посредством уменьшения величины первого приложенного между шинами напряжения по сравнению с первым напряжением при переходе из первого оптического состояния во второе оптическое состояние.
В одном из вариантов реализации настоящего изобретения устройство управления может иметь максимальное эффективное напряжение, примерно равное 2,5 В или ниже, и минимальное эффективное напряжение, примерно равное 1,2 В или выше.
Согласно другому аспекту предложены электрохромное устройство и системы управления, которые содержат описанные выше устройства управления, причем тонкопленочное электрохромное устройство содержит шины, электрически соединенные с устройством управления.
В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения электрохромное устройство и система управления содержат шины, размещенные на противоположных сторонах тонкопленочного электрохромного устройства. В других случаях его шины разделены расстоянием, по меньшей мере равным примерно 30 дюймам. В других случаях его шины разделены расстоянием, по меньшей мере равным примерно 40 дюймам.
В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения тонкопленочное электрохромное устройство расположено на архитектурном стекле. В других вариантах реализации настоящего изобретения ширина тонкопленочного электрохромного устройства составляет по меньшей мере примерно 30 дюймов.
S
S
2
В одном варианте реализации настоящего изобретения тонкопленочное электрохромное устройство содержит два прозрачных проводящих слоя, каждый обладающий поверхностным сопротивлением R, расстояние между шинами составляет L, причем значение R*J*L для тонкопленочного электрохромного устройства больше примерно 3 В.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложены устройства управления, предназначенные для управления оптическим состоянием тонкопленочного электрохромного устройства. Такие устройства управления могут содержать: (а) электрическую схему для приложения напряжения или подачи команд о приложении напряжения между шинами на тонкопленочном электрохромном устройстве и (b) среду для хранения команд по управлению электрической схемой. Среда для хранения команд может содержать: (i) программу для определения необходимости перехода тонкопленочного электрохромного устройства из первого оптического состояния во второе оптическое состояние; и (ii) программу для удержания значения первого приложенного напряжения между шинами тонкопленочного электрохромного устройства в ответ на определение необходимости перехода тонкопленочного электрохромного устройства из первого оптического состояния во второе оптическое состояние. Первое приложенное напряжение выбрано для обеспечения того, чтобы во всех местоположениях на тонкопленочном электрохромном устройстве имело место эффективное напряжение между максимальным эффективным напряжением, определенным как напряжение, безопасно избегающее повреждения тонко пленочного электрохромного устройства, и минимальным эффективным напряжением, определенным как напряжение, достаточное для управления переходом из первого оптического состояния во второе оптическое состояние. Кроме того, такое первое приложенное напряжение значительно больше максимального эффективного напряжения.
В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения среда для хранения команд содержит программу для поддержания эффективного напряжения во всех местоположениях на тонкопленочном электрохромном устройстве во время перехода из первого оптического состояния во второе оптическое состояние. В этом случае это выполнено при наличии программы для уменьшения величины первого приложенного между шинами напряжения по сравнению с первым напряжением в течение перехода из первого оптического состояния во второе оптическое состояние.
Другая особенность среды для хранения команд состоит в наличии программы для линейного изменения приложенного к шинам напряжения с определенной скоростью изменения вплоть до достижения первого приложенного напряжения. Еще одна особенность состоит в наличии программы для удержания значения первого приложенного к шинам напряжения в течение определенного периода.
Кроме того, среда для хранения команд может также содержать программу для линейного изменения приложенного к шинам напряжения от первого приложенного напряжения до удерживаемого напряжения, имеющего меньшую величину, чем первое приложенное напряжение. При такой реализации программа для линейного изменения приложенного к шинам напряжения от первого приложенного напряжения до удерживаемого значения напряжения указывает определенную скорость изменения.
При некоторых реализациях устройства управления могут иметь максимальное эффективное напряжение, примерно составляющее 2,5 В или ниже, а минимальное эффективное напряжение составляет примерно 1,2 В или выше. Устройства управления могут подавать первое приложенное напряжение, составляющее от примерно 2,5 В до 5 В.
Эти и другие особенности и отличительные признаки описаны более подробно ниже со ссылками на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1А схематично показана плоская конфигурация шины.
На фиг. 1В показан упрощенный график локального значения напряжения на каждом прозрачном проводящем слое как функции положения на слое.
eff
На фиг. 1С показан упрощенный график напряжения V как функции положения при перемещении по устройству.
app
На фиг. 2 показаны профили напряжения для различных размеров устройства (расстояний между шинами) при постоянном значении напряжения V.
app
eff
На фиг. 3 показаны профили напряжения для различных размеров устройства при различных значениях приложенного напряжения V, необходимых для поддержания напряжения V на подходящих уровнях.
eff
app
На фиг. 4 показаны профили окрашивания устройства (величина напряжения V в зависимости от положения) для различных размеров устройства при использовании фиксированных и переменных значений напряжения V. В каждом наборе из четырех кривых верхняя кривая имеет отношение к самому маленькому устройству (10 дюймов), а самая нижняя кривая имеет отношение к самому большому устройству (40 дюймов).
TCL
eff
app
На фиг. 5 показаны напряжения V и V в зависимости от положения устройства для трех различных размеров устройства при использовании обычного фиксированного значения напряжения V.
TCL
eff
app
eff
На фиг. 6 показаны напряжения V и V в зависимости от положения устройства для трех различных размеров устройства при использовании переменных значений напряжения V, оптимизированных для управления переходами при поддержании безопасного значения напряжения V.
На фиг. 7 показана диаграмма, отображающая профили напряжения и тока, связанные с переходом электрохромного устройства из обесцвеченного состояния в окрашенное состояние и из окрашенного состояния в обесцвеченное состояние.
На фиг. 8 показана диаграмма, отображающая определенные профили напряжения и тока, связанные с переходом электрохромного устройства из обесцвеченного состояния в окрашенное состояние.
На фиг. 9 показана поперечная аксонометрическая проекция взятого в качестве примера электрохромного окна, содержащего две светоотражающие панели.
На фиг. 10 схематически показано устройство управления окном и сопутствующие компоненты.
Подробное описание изобретения
В типичном электрохромном устройстве управление цветовым переходом выполняют посредством приложения определенного напряжения к двум разделенным промежутком шинам на устройстве. В таком устройстве удобно размещать шины перпендикулярно к меньшему размеру прямоугольного окна (см. фиг. 1А), поскольку прозрачные проводящие слои обладают соответствующим поверхностным сопротивлением и эта конфигурация обеспечивает возможность самого короткого промежутка, по которому ток должен проходить для перекрытия всей области устройства, что, таким образом, уменьшает время, необходимое для полной зарядки слоев проводника по их соответствующим областям и, таким образом, уменьшает время для выполнения перехода устройством.
app
eff
eff
Хотя прилагаемое напряжение V подают через шины, по существу все области устройства видят более низкое локальное эффективное напряжение V вследствие поверхностного сопротивления прозрачных проводящих слоев и омического падения напряжения между концами устройства. Центр устройства (положение на полпути между двумя указанными шинами) часто обладает самым низким значением напряжения V. Это часто приводит к неприемлемо малому диапазону оптического переключения и/или к неприемлемо большому времени переключения в центре устройства. Эти проблемы, возможно, не имеют места на краях устройства, ближе к шинам. Это объяснено ниже более подробно со ссылками на фиг. 1B и 1С.
app
TCL
eff
eff
При использовании здесь значение напряжения V относится к разности напряжений, прилагаемой к двум шинам противоположной полярности на электрохромном устройстве. Как объяснено ниже, каждая шина электронно соединена с отдельным прозрачным проводящим слоем. Между прозрачными проводящими слоями помещены материалы электрохромного устройства. Каждый из прозрачных проводящих слоев испытывает падение напряжения на участке от шины, к которой он прикреплен, до местоположения, удаленного от шины. Обычно, чем больше расстояние от шины, тем больше падение напряжения в прозрачном проводящем слое. Локальный потенциал прозрачных проводящих слоев часто обозначен здесь как V. Как уже отмечено, шины противоположной полярности обычно отделены друг от друга в боковом направлении через наружную поверхность электрохромного устройства. Напряжение V равно потенциалу между положительным и отрицательным прозрачными проводящими слоями в любом определенном местоположении на электрохромном устройстве (при х, y-координатах в декартовом пространстве). В точке проведения измерения напряжения V два прозрачных проводящих слоя отстоят друг от друга в z-направлении (на толщину материалов электрохромного устройства), но совместно обладают одинаковыми х, y-координатами.
eff
Особенности настоящего изобретения имеют отношение к устройствам управления и способам управления, в которых уровень приложенного к шинам напряжения, управляющий переходом по всей поверхности электрохромного устройства, таков, что не повреждает или ухудшает устройство. Приложенное управляющее напряжение образует во всех местоположениях на наружной поверхности электрохромного устройства эффективное напряжение, значение которого находится в ограниченном диапазоне. Верхний предел этого диапазона связан с напряжением, расположенным безопасно ниже уровня, при котором устройство может претерпевать повреждение или ухудшение работы, которые могли бы воздействовать на его характеристики в ближайшей перспективе или в течение длительного срока. На нижней границе этого диапазона имеет место эффективное напряжение, при котором переход между оптическими состояниями электрохромного устройства происходит относительно быстро. Уровень напряжения, приложенного между шинами, значительно превышает максимальное значение эффективного напряжения V внутри ограниченного диапазона.
На фиг. 1А показан вид сверху вниз электрохромной светоотражающей панели 100, содержащей шины, обладающие плоской конфигурацией. Электрохромная светоотражающая панель 100 содержит первую шину 105, размещенную на первом проводящем слое 110, и вторую шину 115, размещенную на втором проводящем слое 120. Электрохромная стопа (не показана) размещена между первым проводящим слоем 110 и вторым проводящим слоем 120. Как можно видеть, первая шина 105 может быть вытянута по существу вдоль одной стороны первого проводящего слоя 110. Вторая шина 115 может быть вытянута вдоль по существу одной стороны второго проводящего слоя 120, противоположной той стороне электрохромной светоотражающей панели 100, на которой расположена первая шина 105. Некоторые устройства могут содержать дополнительные шины, например, на всех четырех краях, но это усложняет изготовление. Дальнейшее описание конфигураций шин, включая шины с плоской конфигурацией, можно найти в заявке на патент США №13/452032, поданной 20 апреля 2012 г., содержание которой полностью включено в настоящую заявку посредством ссылки.
TCL
TCL
app
eff
На фиг. 1В показана диаграмма, иллюстрирующая график локального напряжения в первом прозрачном проводящем слое 110 и напряжения во втором прозрачном проводящем слое 120, которое управляет, например, переходом электрохромной светоотражающей панели 100 из обесцвеченного состояния в окрашенное состояние. График 125 показывает локальные значения напряжения V в первом прозрачном проводящем слое 110. Как можно видеть, напряжение падает при переходе с левой стороны (например, где первая шина 105 размещена на первом проводящем слое 110 и где приложено напряжение) на правую сторону первого проводящего слоя 110 вследствие поверхностного сопротивления и тока, проходящего через первый проводящий слой 110. График 130 также показывает локальное напряжение V во втором проводящем слое 120. Как можно видеть, напряжение возрастает при переходе с правой стороны (например, где вторая шина 115 размещена на втором проводящем слое 120 и где приложено напряжение) на левую сторону второго проводящего слоя 120 вследствие поверхностного сопротивления второго проводящего слоя 120. В этом примере значение напряжения Vравно разности напряжений между правым концом графика 130 напряжения и левым концом графика 125 напряжения. Значение напряжения V в любом местоположении между шинами равно разности значений кривых 130 и 125 в положении на оси х, соответствующем представляющему интерес местоположению.
eff
На фиг. 1С показана диаграмма, иллюстрирующая график напряжения V по электрохромному устройству между первым и вторым проводящими слоями 110 и 120 электрохромной светоотражающей панели 100. Как можно видеть, эффективное напряжение равно разности локальных напряжений между первым проводящим слоем 110 и вторым проводящим слоем 120. Области электрохромного устройства, подвергнутые более высоким значениям эффективного напряжения, выполняют переход между оптическими состояниями быстрее областей, подвергнутых меньшим значениям эффективного напряжения. Как можно видеть, эффективное напряжение самое низкое в центре электрохромной светоотражающей панели 100 и самое высокое на краях электрохромной светоотражающей панели 100. Падение напряжения между концами устройства представляет собой омическое падение напряжения вследствие тока, проходящего через устройство (который представляет собой сумму электронного тока между слоями, способного к выполнению реакций окисления-восстановления в электрохромном устройстве, и ионного тока, связанного с реакцией окисления-восстановления). Падение напряжения между концами больших электрохромных окон может быть уменьшено посредством формирования дополнительных шин внутри поля зрения окна, что фактически разделяет одно большое оптическое окно на множество электрохромных окон меньшего размера, которые могут быть управляемы последовательно или параллельно. Однако такой подход не предпочтителен с эстетической точки зрения вследствие контраста между видимой областью и шиной(-ами) в видимой области. Таким образом, для глаз намного приятнее иметь монолитное электрохромное устройство без каких-либо раздражающих шин в видимой области.
app
Как описано выше, при возрастании размера окна возрастает сопротивление прозрачных проводящих оксидных слоев между точками, ближайшими к шине (называемыми в последующем описании краем устройства) и точками, дальше всего отстоящими от шин (называемыми в последующем описании центром устройства). При фиксированной величине тока, проходящего через прозрачный проводящий оксидный слой, возрастает падение эффективного напряжения при переходе через прозрачный проводящий оксидный слой и это уменьшает значение эффективного напряжения в центре устройства. Этот эффект усилен тем, что обычно при увеличении области окна плотность тока утечки для окна остается постоянной, но полный ток утечки возрастает вследствие увеличения области. Таким образом, при учете обоих этих эффектов имеет место существенное падение эффективного напряжения в центре электрохромного окна, вследствие чего электрохромные окна, размером больше, например, примерно 30 дюймов в поперечном направлении, могут работать ненадлежащим образом. В некоторой степени неудовлетворительная работа может быть устранена посредством использования более высокого напряжения V таким образом, что в центре устройства достигнуто подходящее эффективное напряжение; однако затруднение при таком подходе состоит в том, что обычные высокие напряжения на краю окна, необходимые для достижения подходящего напряжения в центре, могут ухудшать электрохромное устройство в области края, что может приводить к неудовлетворительной работе.
eff
eff
eff
eff
eff
Обычно диапазон безопасной работы окон, основанных на твердотельном электрохромном устройстве, составляет от примерно 0,5 В до 4 В, или чаще от примерно 1 В до 3 В, например, от 1,1 В до 1,8 В. Это локальные значения напряжения V. В одном варианте реализации настоящего изобретения устройство управления или алгоритм управления электрохромным устройством задают профиль управления, где напряжение V всегда ниже 3 В, в другом варианте реализации настоящего изобретения устройство управления управляет напряжением V таким образом, что оно всегда ниже 2,5 В, а еще в одном варианте реализации настоящего изобретения устройство управления управляет напряжением V таким образом, что оно всегда ниже 1,8 В. Специалистам в данной области техники понятно, что эти диапазоны применимы к обоим переходам между оптическими состояниями устройств (например, к переходам из обесцвеченного (чистого) состояния к слегка окрашенному и от слегка окрашенного состояния в обесцвеченное в абсорбционном устройстве) и что значение напряжения V может быть различным для конкретного перехода. Указанные значения напряжения имеют отношение к усредненному по времени напряжению (где время усреднения представляет собой время порядка того, что необходимо для малого оптического отклика, например, от нескольких секунд до нескольких минут). Специалистам в данной области техники также понятно, что это описание применимо к различным типам механизма управления, включая фиксированное напряжение (фиксированный постоянный ток), фиксированную полярность (переменный во времени постоянный ток) или переключаемую полярность (переменный ток, средние частоты, радиочастотная мощность и т.д. со смещением постоянным током).
eff
Дополнительная сложность при работе с электрохромными окнами состоит в том, что ток, проходящий через окно, не фиксирован во времени. Вместо этого, во время первоначального перехода из одного состояния в другое проходящий через устройство ток существенно больше (до 30 раз больше), чем в конечном состоянии после завершения оптического перехода. Затруднение, связанное с недостаточным окрашиванием в центре устройства, дополнительно усилено во время этого периода первоначального перехода, поскольку напряжение V в центре еще ниже, чем в конце периода перехода.
eff
Описанные здесь устройства управления и алгоритмы управления электрохромным устройством преодолевают эти вышеуказанные недостатки. Как уже упомянуто, приложенное напряжение образует во всех местоположениях на наружной поверхности электрохромного устройства эффективное напряжение, значение которого находится в ограниченном диапазоне, а уровень напряжения, приложенного между шинами, значительно больше максимального значения напряжения V внутри ограниченного диапазона.
eff
В случае электрохромного устройства с плоской шиной можно показать, что напряжение V по устройству с плоскими шинами обычно задано выражением:
где:
app
V представляет собой разность напряжений, приложенную к шинам для управления электрохромным окном;
eff
ΔV(0) представляет собой напряжение V в шине, прикрепленной к первому прозрачному проводящему слою (в примере ниже, к прозрачному проводящему оксидному слою типа ТЕС);
eff
ΔV(L) представляет собой напряжение V в шине, прикрепленной ко второму прозрачному проводящему слою (в примере ниже, к прозрачному проводящему оксидному слою типа оксида индия-олова (ITO));
eff
ΔV(L/2) представляет собой напряжение V в центре устройства, на полпути между двумя плоскими шинами;
R = поверхностное сопротивление прозрачного проводящего слоя;
J = мгновенная локальная плотность тока; и
L = расстояние между шинами электрохромного устройства.
Как полагают, прозрачные проводящие слои обладают по существу аналогичным, если не тем же самым, значением поверхностного сопротивления для вычисления. Однако специалистам в данной области техники понятно, что применимая физика омического падения напряжения и локального эффективного напряжения все еще работает, даже если прозрачные проводящие слои имеют различные поверхностные сопротивления.
Как уже отмечено, определенные примеры реализации настоящего изобретения относятся к устройствам управлениям и алгоритмам управления, предназначенным для управления оптическими переходами в устройствах с плоскими шинами. В таких устройствах по существу линейные шины противоположной полярности размещены на противоположных сторонах прямоугольного или другого многоугольного электрохромного устройства. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения могут быть использованы устройства с неплоскими шинами. Такие устройства могут использовать, например, изогнутые под углом шины, размещенные в вершинах устройства. В таких устройствах эффективное расстояние L между шинами определено на основании геометрии устройства и шин. Описание конфигураций шин и расстояний между шинами можно найти в заявке на патент США №13/452032, поименованной как «Изогнутая под углом шина» и поданной 20 апреля 2012 г., содержание которой полностью включено в настоящую заявку посредством ссылки.
eff
eff
При увеличении значений R, J или L происходит уменьшение напряжения V по устройству, что, тем самым, замедляется или уменьшается окрашивание устройства во время перехода и даже в заключительном оптическом состоянии. Как можно видеть на фиг. 2, по мере увеличения расстояния между шинами от 10 дюймов до 40 дюймов происходит увеличение падения напряжения по слоям ТЕС и оксида индия-олова (кривые на верхнем графике) и это приводит к падению напряжения V (нижние кривые) по устройству.
Таким образом, при использовании обычных алгоритмов управления электрохромные окна с размерами 10 дюймов и 20 дюймов могут быть выполнены с возможностью эффективного переключения, окна с размером 30 дюймов проявляют предельно допустимые характеристики в центре, а окна с размером 40 дюймов не будут показывать хорошие характеристики по всему окну. Это ограничивает масштабирование электрохромной технологии на окна больших размеров.
eff
app
app
eff
TCL
eff
2
Снова обращаясь к Уравнению 1, можно видеть, что напряжение V по окну по меньшей мере в RJL/2 раз меньше напряжения V.Было обнаружено, что по мере увеличения падения омического напряжения (вследствие увеличения размера окна, потребления тока и т.д.) часть потерь может быть нейтрализована посредством увеличения напряжения V, но это допустимо делать только до значения, удерживающего значение напряжение V на краях устройства ниже порогового значения, при котором может иметь место ухудшение надежности. Другими словами, было признано, что оба типа прозрачных проводящих слоев испытывают омическое падение напряжения и что это падение напряжения возрастает с увеличением расстояния от соответствующей шины, и следовательно напряжение V падает с увеличением расстояния от шины для обоих типов прозрачных проводящих слоев и, как следствие, имеет место уменьшение напряжения V по всему электрохромному окну.
eff
eff
app
eff
app
eff
app
Хотя приложенное напряжение увеличено до уровня, намного превышающего верхний предел безопасного напряжения V, фактически напряжение V никогда в действительности не достигает этого высокого значения приложенного напряжения. В местоположениях вблизи шин напряжение в прикрепленных прозрачных проводящих слоях, входящих в контакт с шинами, довольно высоко, но в том же самом местоположении напряжение в прозрачных проводящих слоях с противоположной полярностью падает приемлемо близко к приложенному потенциалу посредством омического падения напряжения по наружным поверхностям проводящих слоев. Описанные здесь алгоритмы управления принимают это во внимание. Другими словами, напряжение прилагаемое к шинам, может быть выше, чем обычно считают возможным. Можно предполагать, что высокое напряжение V, имеющее место на шинах, дает слишком высокое значение напряжения V вблизи шин. Однако при использовании значения напряжения V, учитывающего размер окна и омическое падение напряжения в прозрачных проводящих слоях, безопасное, но соответственно высокое значение напряжения V имеет место по всей поверхности электрохромного устройства. Соответствующее значение напряжения V, приложенного к шинам, больше в больших устройствах, чем в меньших устройствах. Это показано более подробно на фиг. 3 и в соответствующем описании.
app
eff
app
TCL
eff
Обращаясь к фиг. 3 можно видеть, что электрохромное устройство управляемо посредством механизмов управления, прилагающих напряжение V таким образом, что напряжение V остается определенно выше порогового напряжения 1,2 В (сравните с фиг. 2). Увеличение требуемого напряжения V может быть замечено по максимальному значению напряжения V, возрастающего со значения примерно 2,5 В до примерно 4 В. Однако это не приводит к увеличению значения напряжения V вблизи шин, которое остается равным примерно 2,4 В для всех устройств.
app
app
app
eff
S
На фиг. 4 показан график, сравнивающий обычный подход, при котором напряжение Vфиксировано для устройств различных размеров, с новым подходом, при котором напряжение V различно для устройств различных размеров. Посредством регулирования напряжения V в зависимости от размера устройства алгоритмы управления обеспечивают возможность существенного улучшения характеристик (скорости переключения) больших электрохромных окон без увеличения риска ухудшения устройства, поскольку значение напряжения V во всех случаях поддержано выше порогового напряжения, но внутри безопасного диапазона. Алгоритмы управления, специально приспособленные к параметрам данного окна, например, к размеру окна, к типу прозрачного проводящего слоя, значению сопротивления R, к значению мгновенной плотности тока через устройство и т.д., обеспечивают возможность работы существенно больших электрохромных окон с подходящей скоростью переключения, не доступной при ином подходе без ухудшения устройства.
eff
app
Параметры V и V
eff
eff
eff
eff
eff
eff
Далее будет дополнительно описано управление верхним и нижним пределами диапазона значений напряжения V по всей поверхности электрохромного устройства. Как указано выше, при слишком высоком напряжении V оно повреждает или ухудшает электрохромное устройство в местоположении(-ях) с высоким напряжением. Повреждение или ухудшение могут быть выражены в виде необратимой электрохромной реакции, которая может уменьшить оптический диапазон переключения, ухудшить эстетический вид (появление игольчатых отверстий, локальное изменение внешнего вида пленки), увеличить ток утечки, привести к расслаиванию пленки и т.д. Для многих устройств максимальное значение напряжения V составляет примерно 4 В или примерно 3 В или примерно 2,5 В или примерно 1,8 В. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения верхний предел напряжения V выбран так, что содержит буферный диапазон таким образом, что максимальное значение напряжения V ниже фактического значения, которое, как ожидают, приводит к ухудшению. Разность между этим фактическим значением и максимальным значением напряжения V равна размеру буфера. В определенных вариантах реализации настоящего изобретения значение буфера составляет от примерно 0,2 В до 0,6 В.
eff
eff
Нижняя граница диапазона эффективных напряжений должна быть выбрана с возможностью обеспечения приемлемого и эффективного перехода между оптическими состояниями электрохромного устройства. Этот переход может быть характеризован скоростью, с которой происходит переход после приложения напряжения, а также другими эффектами, связанными с переходом, такими как образование потеков (неоднородное оттенение по наружной поверхности электрохромного устройства). Например, минимальное значение напряжения V может быть выбрано так, что выполнение полного оптического перехода (например, между полностью обесцвеченным и полностью окрашенным состояниями) по наружной поверхности устройства происходит примерно за 45 минут или меньше, или примерно за 10 минут или меньше. Для многих устройств максимальное значение напряжения V составляет примерно 0,5 В или примерно 0,7 В или примерно 1 В или примерно 1,2 В.
eff
eff
Для устройств, имеющих 3 или больше состояний, целевой диапазон напряжений V обычно не воздействует на достижение и поддержание промежуточных состояний в электрохромном устройстве со многими состояниями. Промежуточные состояния управляются напряжениями между конечными состояниями и, следовательно, напряжение V всегда будет поддержано внутри безопасного диапазона.
app
eff
app
eff
app
eff
app
eff
eff
app
Как уже упомянуто, для больших электрохромных устройств значение напряжения Vможет быть больше максимального приемлемого значения напряжения V. Таким образом, в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения напряжение Vбольше (на любую величину) максимального значения напряжения V. Однако в некоторых вариантах реализации разность между значением напряжением V и максимальным значением напряжения V имеет по меньшей мере определенную величину. Например, эта разность может составить примерно 0,5 В или примерно 1 В или примерно 1,5 В или примерно 2 В. Совершенно понятно, что разность между значением напряжения V и максимальным значением напряжения V частично определена расстоянием между шинами в устройстве и, возможно, другими параметрами, такими как поверхностное сопротивление прозрачных проводящих слоев устройства и ток утечки. Например, при достаточно низком токе утечки устройства разность между напряжениями V и V может быть меньшей, чем в противном случае.
app
app
Как уже указано, описанные алгоритмы управления особенно полезны для устройств с большими размерами: например, для больших электрохромных окон. С технической точки зрения размер определен эффективным расстоянием L между шинами. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения устройства обладают значением L по меньшей мере составляющим примерно 30 дюймов или по меньшей мере примерно 40 дюймов или по меньшей мере примерно 50 дюймов или по меньшей мере примерно 60 дюймов. Расстояние между шинами не представляет собой единственный параметр, определяющий необходимость использования соответственно большого значения напряжения V для управления переходом. Другие параметры включают поверхностные сопротивления прозрачных проводящих слоев и плотность тока в устройстве во время оптического переключения. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения комбинация этих и/или других параметров использована для определения того, когда следует прилагать большое значение напряжения V. Эти параметры взаимодействуют и совместно указывают, существует ли достаточно большое омическое падение напряжения по наружной поверхности прозрачного проводящего слоя, требующее приложения большого напряжения.
loss
loss
loss
2
В определенных вариантах реализации настоящего изобретения комбинация параметров (например, безразмерное количество) обеспечивает возможность определения соответствующих рабочих диапазонов. Например, параметр потери напряжения (V) обеспечивает возможность определения условий, при которых обычный алгоритм управления не работает и описанный в настоящем изобретении подход хорошо приспособлен для работы. В определенных вариантах реализации настоящего изобретения параметр V определен равным RJL (где L равно расстоянию между шинами и R равно поверхностному сопротивлению прозрачного проводящего слоя). В некоторых вариантах реализации описанные здесь подходы наиболее полезны при значении V больше 3 В или точнее больше 2 В или еще точнее больше 1 В.
app
Профиль напряжения V во время перехода
app
app
eff
Ток, ответственный за омическое падение напряжения при переходе через наружную поверхность прозрачных проводящих слоев, содержит две компоненты. Он содержит ионный ток, используемый для управления оптическим переходом, и паразитный электронный ток, проходящий через электролит или ионный проводящий слой. Паразитный электронный ток должен быть относительно постоянным при заданном значении приложенного напряжения. Он может также быть назван током утечки. Ионный ток обусловлен ионами лития, перемещающимися между электрохромным слоем и слоем противоэлектрода для управления оптическим переходом. При заданном приложенном напряжении ионный ток претерпевает изменение во время перехода. До приложения любого напряжения V ионный ток мал или отсутствует. При приложении напряжения V ионный ток может расти и может даже продолжить рост после того, как приложенное напряжение удерживают постоянным. Однако в конечном счете величина ионного тока достигает максимума и спадает по мере того, как все существующие ионы выполнили перемещение между электродами во время оптического перехода. После завершения оптического перехода продолжает идти только ток утечки (электронный ток через электролит). Величина этого тока утечки зависит от эффективного напряжения, которое представляет собой функцию приложенного напряжения. Как описано более подробно ниже, посредством изменения приложенного напряжения после завершения оптического перехода методика управления уменьшает величину тока утечки и значение напряжения V.
app
eff
app
app
eff
app
eff
В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения методики управления, предназначенные для управления оптическими переходами, разработаны с изменяющимся значением напряжения V, которое удерживает максимум напряжения V ниже определенного уровня (например, 2,5 В) в течение всего оптического перехода. В определенных вариантах реализации настоящего изобретения величина напряжения Vпретерпевает изменение со временем во время перехода из одного состояния электрохромного устройства в другого его состояние. Изменение напряжения Vопределено, по меньшей мере частично, в виде функции напряжения V. В определенных вариантах реализации настоящего изобретения величину V регулируют во время перехода так, что имеет место поддержка приемлемого напряжения V, не приводящего к ухудшению работы устройства.
app
eff
eff
app
app
При отсутствии регулирования напряжения V во время оптического перехода напряжение V может стать слишком большим, поскольку ионный ток затухает в течение перехода. Для поддержания напряжения V на безопасном уровне величина напряжения V может быть уменьшена, когда ток устройства в основном представляет собой ток утечки. В определенных вариантах реализации настоящего изобретения регулирование напряжения V выполнено, как описано ниже, посредством участка «линейный наклон перед участком удержания» профиля управляющего напряжения.
app
app
eff
eff
eff
2
2
2
В определенных вариантах реализации настоящего изобретения напряжение V выбрано и отрегулировано на основании значения мгновенной плотности тока (J) во время оптического перехода. Первоначально, во время такого перехода значение напряжения V выше для учета большей плотности тока. На фиг. 5 показано воздействие плотности тока на напряжение V при фиксированном размере окна (40 дюймов) при использовании обычных алгоритмов управления. В этом примере профиль управления имеет отношение к сценарию со средним значением плотности тока (25 мкА/см), что приводит к очень низкому значению напряжения V во время начального переключения, а когда плотность тока высока (42 мкА/см), это приводит к существенно большим временам переключения. Кроме того, после завершения перехода и при достижении окном конфигурации с низким значением плотности тока (5 мкА/см), значение напряжение V намного выше (3,64 В), чем во время перехода. Поскольку это значение выше порогового напряжения, обеспечивающего безопасную работу, имеет место риск для долговременной надежности.
На фиг. 6 показаны определенные методики управления напряжением, которые принимают во внимание мгновенную плотность тока. В показанном варианте реализации состояния с низкой плотностью тока и с высокой плотностью тока теперь с запасом попадают внутрь необходимого окна напряжений. Даже в состоянии с высокой плотностью тока большая доля устройства теперь под напряжением выше порогового напряжения, что улучшает скорость переключения этого устройства. Профили управления могут быть упрощены посредством выбора скорости изменения напряжения, обеспечивающей возможность близости мгновенного напряжения к необходимой установленной точке, что предпочтительнее требования обратной связи по напряжению.
На фиг. 7 показан полный профиль тока и профиль напряжения для электрохромного устройства, использующего простой алгоритм управления напряжением, вызывающий цикл перехода электрохромного устройства из одного оптического состояния в другое (из окрашенного состояния в обесцвеченное состояние). На этом графике полная плотность тока (I) представлена в зависимости от времени. Как уже указано, полная плотность тока представляет собой комбинацию плотности ионного тока, связанного с электрохромным переходом, и плотности электронного тока утечки между электрохимически активными электродами. Многие различные типы электрохромных устройств имеют изображенный профиль тока. В одном примере катодный электрохромный материал, например, оксид вольфрама, использован в сочетании с анодным электрохромным материалом, например, с оксидом вольфрама-никеля в противоэлектроде. В таких устройствах отрицательные значения тока указывают на окрашивание устройства. В одном примере ионы лития протекают из анодным образом окрашивающего электрохромного электрода из окиси вольфрама-никеля в катодным образом окрашивающий электрохромный электрод из окиси вольфрама. Соответственно, электроны протекают в электрод из окиси вольфрама для компенсации положительно заряженных поступающих ионов лития. Следовательно, показанные напряжение и ток имеют отрицательную величину.
Изображенный профиль следует из линейного увеличения напряжения до установленного уровня и затем удержания значения напряжения для поддержания оптического состояния. Пиковые значения 701 тока связаны с изменениями оптического состояния, то есть, с окрашиванием и обесцвечиванием. В частности, пиковые значения тока отражают поступление ионного заряда, необходимого для окрашивания или обесцвечивания устройства. С математической точки зрения заштрихованная площадь под пиком представляет полный заряд, необходимый для окрашивания или обесцвечивания устройства. Части кривой после начальных пиковых значений тока (части 703) отражают электронный ток утечки при нахождении устройства в новом оптическом состоянии.
На этой фигуре профиль 705 напряжения наложен на кривую тока. Профиль напряжения образован в следующей последовательности: участок (707) отрицательного наклона, участок (709) с отрицательным постоянным значением, участок (711) положительного наклона и участок (713) с положительным постоянным значением. Следует отметить, что напряжение постоянно после достижения им максимального значения и в течение промежутка времени, когда устройство сохраняет свое определенное оптическое состояние. Участок 707 отрицательного наклона направляет устройство в его новое окрашенное состояние, участок 709 с отрицательным постоянным значением поддерживает устройство в окрашенном состоянии, пока участок (711) с противоположным направлением наклона не вызовет переход из окрашенного состояния в обесцвеченное состояние. В некоторых алгоритмах переключения наложено ограничение на величину тока. Таким образом, току не разрешают превышать определенный уровень для предотвращения повреждения устройства. Скорость окрашивания зависит не только от приложенного напряжения, но также от температуры и скорости изменения напряжения.
На фиг. 8 показан профиль управления напряжением в соответствии с определенными вариантами реализации настоящего изобретения. В изображенном варианте реализации настоящего изобретения профиль управления напряжением использован для управления переходом из обесцвеченного состояния в окрашенное состояние (или в промежуточное состояние). Для управления электрохромным устройством в обратном направлении, из окрашенного состояния в обесцвеченное состояние (или из более окрашенного состояния в менее окрашенное состояние), используют аналогичный, но обратный профиль. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения профиль управления, предназначенный для перехода из окрашенного состояния в обесцвеченное состояние, представляет собой зеркальное отображение профиля, показанного на фиг. 8.
app
app
drive
hold
app
drive
hold
app
Показанные на фиг. 8 значения напряжения представляют собой значения приложенного напряжения (V). Профиль приложенного напряжения показан штриховой линией. В противоположность этому плотность тока в устройстве показана сплошной линией. В изображенном профиле напряжение V содержит четыре участка: наклонный участок 803 перед участком управления, инициирующий переход, участок 813 с напряжением V, продолжающий управлять переходом, наклонный участок 815 перед участком удержания напряжения и участок 817 с напряжением V. Наклонные участки выполнены как участки с изменением напряжения V, а участки с напряжениями V и V обеспечивают постоянные или по существу постоянные значения напряжения V.
drive
drive
drive
drive
drive
drive
eff
Наклонный участок перед участком управления характеризуют скоростью изменения (увеличения величины) и величиной напряжения V. При достижении приложенным напряжением значения V имеет место окончание наклонного участка перед участком управления. Участок с напряжением V характеризуют значением напряжения V, а также продолжительностью приложения напряжения V. Величина напряжения V может быть выбрана так, что значения напряжения V попадают, как описано выше, в безопасный, но эффективный диапазон по всей наружной поверхности электрохромного устройства.
hold
drive
hold
app
hold
hold
hold
hold
hold
drive
hold
Наклонный участок перед участком удержания напряжения характеризуют скоростью изменения (уменьшения величины) и величиной напряжения V (или при необходимости разностью между напряжениями V и V). Напряжение V падает согласно скорости изменения вплоть до достижения значения V. Участок с напряжением V характеризуют величиной напряжения V и продолжительностью приложения напряжения V. Фактически, продолжительность приложения напряжения V обычно регулируется промежутком времени, в течение которого устройство удержано в окрашенном состоянии (или, наоборот, в обесцвеченном состоянии). В отличие от наклонного участка перед участком управления, участка с напряжением V и наклонного участка перед участком удержания напряжения участок с напряжением V имеет произвольную длину, не зависящую от физики оптического перехода устройства.
drive
hold
drive
hold
Каждый тип электрохромного устройства имеет свои собственные характерные участки профиля напряжения для управления оптическим переходом. Например, относительно большое устройство и/или устройство, содержащее проводящий слой с большим сопротивлением, требуют более высокого значения напряжения V и, возможно, больший уровень наклона на наклонном участке перед участком управления. Устройства большего размера могут также требовать более высоких значений напряжения V. Заявка на патент США №13/449,251, поданная 17 апреля 2012 г., содержание которой включено в настоящую заявку посредством ссылки, описывает устройства управления и связанные с ними алгоритмы для управления оптическими переходами в широком диапазоне условий. Как объяснено здесь, каждый из участков профиля приложенного напряжения (наклонный участок перед участком управления, участок с напряжением V, наклонный участок перед участком удержания значения напряжения и участок с напряжением V) может быть управляем независимо для разрешения вопросов, связанных с условиями в режиме реального времени, например, с текущей температурой, текущим уровнем коэффициента пропускания и т.д. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения значения на каждом участке профиля приложенного напряжения установлены для конкретного электрохромного устройства (имеющего свое собственные значения расстояния между шинами, удельного сопротивления и т.д.) и действительно различны в зависимости от текущих условий. Другими словами, в таких вариантах реализации настоящего изобретения профиль напряжения не принимает во внимание обратную связь, например, по температуре, плотности тока и т.п.
app
eff
Как уже указано, все значения напряжения, показанные (фиг. 8) на профиле напряжения при переходе, соответствуют описанным выше значениям напряжения V. При этом они не соответствуют описанным выше значениям напряжения V. Другими словами, показанные на фиг. 8 значения напряжения представительны для разности напряжений между шинами противоположной полярности на электрохромном устройстве.
drive
В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения наклонный участок перед участком управления в профиле напряжения выбран для безопасного, но быстрого, индуцирования протекания ионного тока между электрохромным электродом и противоэлектродом. Как можно видеть на фиг. 8, ток в устройстве следует за профилем напряжения на наклонном участке перед участком управления до завершения наклонного участка перед участком управления и начала участка с напряжением V. Смотри участок 801 профиля тока на фиг. 8. Безопасные уровни тока и напряжения могут быть определены эмпирически или основаны на другой обратной связи. Патент США №8254013, поданный 16 марта 2011 г. и выданный 28 августа 2012 г., содержание которого включено в настоящую заявку посредством ссылки, описывает примеры алгоритмов для поддержания безопасных уровней тока во время переходов электрохромного устройства.
drive
eff
drive
drive
drive
drive
drive
drive
В определенных вариантах реализации настоящего изобретения значение напряжения V выбрано на основании описанных выше соображений. В частности, оно выбрано так, что значение напряжения V по всей поверхности электрохромного устройства находится в диапазоне, в котором переход для больших электрохромных устройств выполнен эффективно и безопасно. Продолжительность участка с напряжением V может быть выбрана на основании различных соображений. Одно из них гарантирует, что потенциал управления удерживают в течение периода, достаточного для существенного окрашивания устройства. С этой целью продолжительность участка с напряжением V может быть определена эмпирически посредством отслеживания оптической плотности устройства в зависимости от промежутка времени, в течение которого напряжение V постоянно. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения продолжительность участка с напряжением V установлена равной определенному промежутку времени. В другом варианте реализации настоящего изобретения продолжительность участка с напряжением V установлена в соответствии с необходимым количеством прошедшего ионного заряда. Как можно видеть, на участке с напряжением V происходит увеличение тока. Смотри участок 807 профиля тока.
eff
eff
drive
eff
drive
hold
eff
hold
Другое соображение состоит в уменьшении плотности тока в устройстве по мере затухания ионного тока вследствие завершения перемещения существующих ионов лития От анодного электрода окраски до катодного электрода окраски (или противоэлектрода) во время оптического перехода. После завершения перехода единственный ток, протекающий через устройство, представляет собой ток утечки через ионный проводящий слой. Как следствие, происходит уменьшение омического падения напряжения через наружную поверхность устройства и увеличение локальных значений напряжения V. Эти увеличенные значения напряжения V могут повредить или ухудшить устройство при отсутствии уменьшения приложенного напряжения. Таким образом, другое соображение при определении продолжительности участка с напряжением V имеет цель уменьшения уровня напряжения V, связанного с током утечки. При падении приложенного напряжения от уровня V ДО уровня V происходит не только уменьшение напряжения V на наружной поверхности устройства, но и уменьшение тока утечки. Как можно видеть на фиг. 8, ток устройства выполняет переход на участке 805 во время наклонного участка перед участком удержания. На участке с напряжением V значение тока установлено равным стабильному току 809 утечки.
Электрохромные устройства и устройства управления
На фиг. 9 показана поперечная аксонометрическая проекция примера реализации стеклопакета 102, содержащего два оконных стекла или две светоотражающие панели 216. В различных вариантах реализации стеклопакет 102 может содержать одну, две или больше по существу прозрачных (например, в отсутствие приложения напряжения) светоотражающих панелей 216, а также раму 218, поддерживающую светоотражающие панели 216. Например, показанный на фиг. 9 стеклопакет 102 выполнен в виде окна с двойным стеклом. Одна или большее количество светоотражающих панелей 216 могут быть выполнены в виде слоистой структуры из двух, трех или больше слоев или светоотражающих панелей (например, в виде небьющегося стекла, аналогичного автомобильному ветровому стеклу). В стеклопакете 102 по меньшей мере одна из светоотражающих панелей 216 содержит электрохромное устройство или стопу 220, размещенное по меньшей мере на одной поверхности из ее внутренней поверхности 222 или наружной поверхности 224, например на внутренней поверхности 222 внешней светоотражающей панели 216.
В многопанельных конфигурациях каждый набор соседних светоотражающих панелей 216 может иметь размещенный между ними внутренний объем 226. Обычно каждая из светоотражающих панелей 216 и стеклопакет 102 в целом выполнены прямоугольными и образуют прямоугольное твердое тело. Однако в других вариантах реализации настоящего изобретения могут быть необходимы другие формы (например, круговая, эллиптическая, треугольная, криволинейная, выпуклая, вогнутая). В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения воздух откачан из объема 226 между светоотражающими панелями 116. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения стеклопакет 102 герметично уплотнен. Кроме того, объем 226 может быть заполнен (до соответствующего давления) одним или большим количеством газов, например, аргоном (Ar), криптоном (Kr) или ксеноном (Xn). Наполнение объема 226 газом, например, Ar, Kr или Xn, может уменьшить кондуктивный теплообмен через стеклопакет 102 вследствие низкой теплопроводности этих газов. Последние два газа могут также создавать улучшенную звукоизоляцию вследствие их увеличенного веса.
В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения рама 218 выполнена из одной или большего количества частей. Например, рама 218 может быть выполнена из одного или большего количества материалов, например, винила, ПХВ, алюминия (Al), стали или стекловолокна. Рама 218 может также содержать или удерживать одну или большее количество частей из пены или других материалов, которые работают вместе с рамой 218 для разделения светоотражающих панелей 216 и герметичного уплотнения объема 226 между светоотражающими панелями 216. Например, при типичном выполнении стеклопакета распорка размещена между соседними светоотражающими панелями 216 и образует герметическое уплотнение со стеклами вместе с клеевым герметиком, который может быть нанесен между ними. Это называют первичным уплотнением, вокруг которого может быть выполнено вторичное уплотнение, обычно из дополнительного клеевого герметика. В некоторых таких вариантах реализации настоящего изобретения рама 218 может быть выполнена как отдельная структура, поддерживающая конструкцию стеклопакета.
x
2
2
Каждая светоотражающая панель 216 содержит по существу прозрачную или просвечивающую подложку 228. Обычно подложка 228 содержит первую (например, внутреннюю) поверхность 222 и вторую (например, внешнюю) поверхность 224, противолежащую первой поверхности 222. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения подложка 228 может быть выполнена в виде стеклянной подложки. Например, подложка 228 может быть выполнена в виде обычной стеклянной подложки на основе обычной окиси кремния (SO), например, из известково-натриевого стекла или флоат-стекла, состоящего, например, примерно из 75% кремнезема (SiO) плюс NaO, СаО и несколько незначительных добавок. Однако любой материал, имеющий подходящие оптические, электрические, тепловые и механические свойства, может быть использован в качестве подложки 228. Такие подложки также могут содержать, например, другие стеклянные материалы, пластические массы и термопласты (например, поли(метилметакрилат), полистирен, поликарбонат, аллилдигликолькарбонат, сополимер стирола и акрилонитрила, поли(4-метил-1-пентан), полиэстер, полиамид), или зеркальные материалы. При выполнении подложки, например, из стекла, подложка 228 может быть усилена, например, посредством закалки, нагрева или химического укрепления. В других реализациях подложка 228 дополнительно не усилена, например, подложка не подвергнута закалке.
В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения подложка 228 представляет собой оконное стекло, размер которого предназначен для жилых или коммерческих окон. Размер такого оконного стекла может быть существенно различаться в зависимости от специфических потребностей места жительства или коммерческого предприятия. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения подложка 228 может быть выполнена из архитектурного стекла. Архитектурное стекло обычно используют в коммерческих зданиях, но также оно может быть использовано в жилых зданиях, и обычно, хотя не обязательно, оно отделяет внутреннюю среду от наружной окружающей среды. В определенных вариантах реализации настоящего изобретения подходящая подложка из архитектурного стекла может быть выполнена по меньшей мере размером примерно 20 дюймов на примерно 20 дюймов, и может быть намного больше, например, примерно 80 дюймов на примерно 120 дюймов или еще больше. Архитектурное стекло обычно обладает толщиной по меньшей мере составляющей примерно 2 миллиметра и может быть столь же толстым, как 6 мм или больше. Конечно, электрохромные устройства 220 могут масштабироваться в соответствие с подложками 228, меньшими или большими, чем архитектурное стекло, включая по отдельности или вместе соответствующие значения длины, ширины или толщины. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения подложка 228 выполнена с толщиной в диапазоне от примерно 1 мм до примерно 10 мм. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения подложка 228 может быть очень тонкой и гибкой, например, марок Gorilla Glass или Willow™ Glass, выпускаемых компанией Corning, Inc. из Корнинга, штат Нью-Йорк, причем эти стекла могут быть толщиной меньше 1 мм толщиной, и даже толщиной 0,3 мм.
Электрохромное устройство 220 размещено поверх, например, внутренней поверхности 222 подложки 228 из внешнего стекла 216 (стекла, смежного с внешней окружающей средой). В некоторых других вариантах реализации настоящего изобретения, например, предназначенных для более прохладного климата или для приложений, в которых стеклопакеты 102 получат большее количество прямого солнечного света (например, перпендикулярно поверхности электрохромного устройства 220), может быть выгодным размещать электрохромное устройство 220 поверх, например, внутренней поверхности (поверхности, ограничивающей объем 226) внутреннего стекла, смежного с внутренней окружающей средой. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения электрохромное устройство 220 содержит первый проводящий слой 230 (часто прозрачный), электрохромный слой 232, ионный проводящий слой 234, слой 236 противоэлектрода и второй проводящий слой 238 (часто прозрачный). Здесь слои 230, 232, 234, 236 и 238 также упоминаются все вместе как электрохромная стопа 220.
app
eff
Источник 240 электропитания выполнен с возможностью приложения электрического потенциала (V) к устройству и образования напряжения V по толщине электрохромной стопы 220 и управления переходом электрохромного устройства 220 из, например, обесцвеченного или более светлого состояния (например, прозрачного, полупрозрачного или просвечивающего состояния) в окрашенное или более темное состояние (например, в слегка окрашенное, менее прозрачное или менее просвечивающее состояние). В некоторых других вариантах реализации настоящего изобретения порядок следования слоев 230, 232, 234, 236 и 238 может быть обращен или иначе переупорядочен или перегруппирован относительно подложки 238.
В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения один или оба слоев из первого проводящего слоя 230 и второго проводящего слоя 238 выполнены из неорганического и твердого материала. Например, первый проводящий слой 230, а также второй проводящий слой 238, могут быть выполнены из многих различных материалов, включая, среди прочих подходящих материалов, проводящие окиси, тонкие металлические покрытия, проводящие нитриды металлов и композитные проводники. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения проводящие слои 230 и 238 выполнены по существу прозрачными по меньшей мере в диапазоне длин волн, где электрохромизм имеет место в электрохромном слое 232. Прозрачные проводящие окиси включают окиси металлов и окиси металлов, легированные одним или большим количеством металлов. Например, окиси металлов и легированные окиси металлов, подходящие для использования в качестве первого или второго проводящих слоев 230 и 238, могут включать, среди прочего, оксид индия, оксид индия-олова, легированный оксид индия, оксид олова, легированный оксид олова, оксид цинка, оксид алюминия-цинка, легированный оксид цинка, оксид рутения, легированный оксид рутения. Как указано выше, первый и второй проводящие слои 230 и 238 иногда упомянуты как «прозрачные проводящие оксидные» слои.
В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения промышленно производимые подложки, например, стеклянные подложки, уже при покупке содержат покрытие в виде прозрачного проводящего слоя. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения такое изделие может быть совместно использовано для подложки 238 и проводящего слоя 230. Примеры таких стеклянных подложек включают стекла, покрытые проводящим слоем, продаваемые под товарными знаками TEC Glass™ компанией Pilkington из Толедо, штат Огайо и SUNGATE™ 300 и SUNGATE™ 500 компанией PPG Industries из Питтсбурга, штат Пенсильвания. В частности, стекло марки TEC™ Glass представляет собой, например, стекло, покрытое проводящим слоем из фторированной окиси олова.
В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения каждый слой из первого или второго проводящих слоев 230 и 238 может быть осажден посредством процессов физического осаждения из паровой фазы, включая, например, напыление. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения каждый слой из первого и второго проводящих слоев 230 и 238 может обладать толщиной в диапазоне от примерно 0,01 мкм до примерно 1 мкм. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения обычно необходимо, чтобы толщина первого и второго проводящих слоев 230 и 238, а также толщина любого из других описанных ниже слоев была по отдельности однородной относительно данного слоя; то есть, чтобы толщина данного слоя была однородной и поверхности слоя были гладкими и по существу свободными от дефектов или других ионных ловушек.
Основная функция первого и второго проводящих слоев 230 и 238 состоит в распределении электрического потенциала, задаваемого источником 240 электропитания, например, источником напряжения или тока, по поверхностям электрохромной стопы 220 от областей наружной поверхности стопы к областям внутренней поверхности стопы. Как уже указано, напряжение, приложенное к электрохромному устройству, претерпевает определенное омическое падение напряжения от внешних областей до внутренних областей в результате поверхностного сопротивления первого и второго проводящих слоев 230 и 238. В показанном варианте реализации настоящего изобретения имеют место шины 242 и 244, причем шина 242 контактирует с проводящим слоем 230, а шина 244 контактирует с проводящим слоем 238 для обеспечения электрического соединения между источником 240 напряжения или тока и проводящими слоями 230 и 238. Например, шина 242 может быть электрически связана с первым (например, положительным) терминалом 246 источника 240 электропитания, а шина 244 может быть связана со вторым (например, отрицательным) терминалом 248 источника 240 электропитания.
В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения стеклопакет 102 содержит вставной компонент 250. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения вставной компонент 250 содержит первый электрический вход 252 (например, штырек, гнездо или другой электрический соединитель или проводник), который электрически связан с терминалом 246 источника электропитания посредством, например, одного или большего количества проводов или других электрических соединителей, компонентов или устройств. Аналогичным образом вставной компонент 250 может содержать второй электрический вход 254, электрически связанный с терминалом 248 источника электропитания посредством, например, одного или большего количества проводов или других электрических соединителей, компонентов или устройств. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения первый электрический вход 252 может быть электрически связан с шиной 242, и оттуда с первым проводящим слоем 230, а второй электрический вход 254 может быть связан с шиной 244, и оттуда со вторым проводящим слоем 238. Проводящие слои 230 и 238 также могут быть соединены с источником 240 электропитания посредством других обычных средств, а также согласно другим средствам, описанным ниже в связи с устройством управления окном. Например, как описано ниже со ссылками на фиг. 10, первый электрический вход 252 может быть соединен с первой линией электропитания, а второй электрический вход 254 может быть соединен со второй линией электропитания. Кроме того, в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения третий электрический вход 256 может быть связан с устройством, системой заземления или с заземлением здания. Кроме того, в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения четвертые и пятые электрические входы/выходы 258 и 260, соответственно, могут быть использованы для связи между, например, устройством или микроконтроллером управления окном и контроллером сети.
3
3
2
5
2
2
3
2
3
2
3
2
5
3
2
3
В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения электрохромный слой 232 осажден или иным образом нанесен поверх первого проводящего слоя 230. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения электрохромный слой 232 выполнен из неорганического и твердого материала. В различных вариантах реализаций настоящего изобретения электрохромный слой 232 может содержать или быть выполнен из одного или большего количества материалов из ряда электрохромных материалов, включая электрохимически катодные или электрохимически анодные материалы. Например, окиси металлов, подходящие для использования в качестве электрохромного слоя 232, могут включать, среди прочих материалов, оксид вольфрама (WO), оксид молибдена (MoO), оксид ниобия (NbO), оксид титана (TiO), оксид меди (CuO), оксид иридия (IrO), оксид хрома (CrO), оксид марганца (MnO), оксид ванадия (VO), оксид никеля (NiO) и оксид кобальта (CoO). В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения толщина электрохромного слоя 232 может составлять от примерно 0,05 мкм до примерно 1 мкм.
Во время работы в ответ на напряжение, приложенное по толщине электрохромного слоя 232 первым и вторым проводящими слоями 230 и 238, электрохромный слой 232 переносит ионы в слой 236 противоэлектрода или из него или выполняет обмен ионами с этим слоем, что приводит к необходимым оптическим переходам в электрохромном слое 232, и в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения также приводит к оптическому переходу в слое 236 противоэлектрода. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения выбор соответствующих материалов для электрохромного слоя и противоэлектрода управляет соответствующими оптическими переходами.
2
3
2
В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения слой 236 противоэлектрода выполнен из неорганического и твердого материала. Слой 236 противоэлектрода обычно может содержать один или большее количество из многих материалов или слоев материала, которые могут служить резервуаром ионов при нахождении электрохромного устройства 220, например, в прозрачном состоянии. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения слой 236 противоэлектрода представляет собой второй электрохромный слой с полярностью, противоположной полярности электрохромного слоя 232. Например, при выполнении электрохромного слоя 232 из электрохимически катодного материала слой 236 противоэлектрода может быть выполнен из электрохимически анодного материала. Примеры подходящих материалов для слоя 236 противоэлектрода включают оксид никеля (NiO), оксид никеля-вольфрама (NiWO), оксид никеля-ванадия, оксид никеля-хрома, оксид никеля-алюминия, оксид никеля-марганца, оксид никеля-магния, оксид хрома (CrO), оксид марганца (MnO) и берлинскую лазурь. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения толщина слоя 236 противоэлектрода может составлять от примерно 0,05 мкм до примерно 1 мкм.
Во время электрохромного перехода, инициированного, например, приложением соответствующего электрического напряжения к толщине электрохромной стопы 220, слой 236 противоэлектрода переносит все ионы или часть удерживаемых им ионов в электрохромный слой 232, вызывая оптический переход в электрохромном слое 232. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения, как, например, в случае слоя 236 противоэлектрода, выполненного из NiWO, слой 236 противоэлектрода также претерпевает оптический переход при потере ионов, которые он передал электрохромному слою 232. При удалении заряда из слоя 236 противоэлектрода, выполненного из NiWO (например, при переносе ионов из слоя 236 противоэлектрода в электрохромный слой 232), слой 236 противоэлектрода выполняет переход в противоположном направлении (например, из прозрачного состояния в затемненное состояние).
В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения ионный проводящий слой 234 представляет собой среду, через которую происходит перенос ионов (например, как в электролите) при переходе электрохромного устройства 220 между оптическими состояниями. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения ионный проводящий слой 234 выполнен в высокой степени проводящим для соответствующих ионов в электрохромном слое 232 и слое 236 противоэлектрода, но также имеет достаточно низкую электронную удельную проводимость, так что во время нормального функционирования происходит лишь незначительный перенос электронов. Тонкий ионный проводящий слой 234 с высокой ионной проводимостью обеспечивает возможность быстрой ионной проводимости и, следовательно, быстрого переключения для достижения высокой эффективности электрохромного устройства 220. Электронный ток утечки проходит через слой 234 во время работы устройства. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения толщина ионного проводящего слоя 234 может составлять от примерно 0,01 мкм до примерно 1 мкм.
В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения ионный проводящий слой 234 также выполнен неорганическим и твердым. Например, ионный проводящий слой 234 может быть выполнен из одного или большего количества материалов из силикатов, оксидов кремния, оксидов вольфрама, оксидов тантала, оксидов ниобия и боратов. Оксиды кремния включают оксид кремния-алминия. Эти материалы также могут быть легированы различными легирующими материалами, включая литий. Легированные литием оксиды кремния включают литиевый оксид кремния-алюминия.
В некоторых других вариантах реализации настоящего изобретения электрохромный слой 232 и слой 236 противоэлектрода выполнены непосредственно примыкающими друг к другу, иногда находящимися в прямом контакте, без отдельного нанесения ионного проводящего слоя. Например, в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения могут быть использованы электрохромные устройства, имеющие пограничную область между первым и вторым проводящими электродными слоями, а не выраженный ионный проводящий слой 234. Такие устройства и способы их выполнения описаны в заявках на патент США №12/772055 и 12/772075, поданных 30 апреля 2010 г., и в заявках на патент США №12/814277 и 12/814279, поданных 11 июня 2010 г., причем все эти четыре заявки поименованы как «Электрохромные устройства» и упоминают Zhongchun Wang и др. в качестве изобретателей. Содержание каждой из этих четырех заявок полностью включено в настоящую заявку посредством ссылки.
В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения электрохромное устройство 220 также может содержать один или большее количество дополнительных слоев (не показаны), например, один или большее количество пассивных слоев. Например, пассивные слои, используемые для улучшения определенных оптических свойств, могут иметь место в электрохромном устройстве 220 или на нем. Пассивные слои, обеспечивающие устойчивость к воздействию влаги или к царапанию, также могут иметь место в электрохромном устройстве 220. Например, проводящие слои 230 и 238 могут содержать антиотражающие или защитные оксидные или азотистые слои. Другие пассивные слои могут быть использованы для герметичного уплотнения электрохромного устройства 220.
Кроме того, в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения один или большее количество слоев в электрохромной стопе 220 могут содержать определенное количество органического материала. Дополнительно или в качестве альтернативы в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения один или большее количество слоев в электрохромной стопе 220 могут содержать определенное количество жидкостей в одном или большем количестве слоев. Дополнительно или в качестве альтернативы в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения твердотельный материал может быть осажден или иным образом нанесен посредством процессов, использующих жидкие компоненты, например, посредством определенных процессов, использующих золь-гели или химическое осаждение из паровой фазы.
Кроме того, переходы между обесцвеченным или прозрачным состоянием и окрашенным или непрозрачным состоянием представляют собой лишь один из множества примеров доступного для реализации оптического или электрохромного перехода. Если здесь не указано иначе (включая предшествующее описание), то всякий раз при указании на переход из обесцвеченного в непрозрачное состояние (или в промежуточные состояния между указанными состояниями или из этих промежуточных состояний) описанные соответствующее устройство или процесс охватывают другие переходы между оптическими состояниями, такие, например, как переходы между промежуточными состояниями, например, из состояния с коэффициентом пропускания (% Т) в состояние с коэффициентом пропускания % Т', переходы между неотражающим состоянием и отражающим состоянием (или в промежуточные состояния между указанными состояниями или из этих промежуточных состояний), переходы между обесцвеченным состоянием и окрашенным состоянием (или в промежуточные состояния между указанными состояниями или из этих промежуточных состояний), и переходы из одного окрашенного состояния в другое окрашенное состояние (или в промежуточные состояния между указанными состояниями или из этих промежуточных состояний). Кроме того, термин «обесцвеченный» может иметь отношение к оптически нейтральному состоянию, например, к бесцветному, прозрачному или просвечивающему. Далее, если здесь не указано иначе, термин «цвет» в отношении к электрохромному переходу не ограничен никакой конкретной длиной волны или диапазоном длин волн.
3-y
Обычно окрашивание или другой оптический переход электрохромного материала в электрохромном слое 232 вызван обратимым введением ионов в материал (например, посредством внедрения) и соответствующей подачей уравновешивающих заряд электронов. Как правило, некоторая доля ионов, ответственных за оптический переход, необратимо связана в электрохромном материале. Некоторые или все из необратимо связанных ионов могут быть использованы для компенсации «скрытого заряда» в материале. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения подходящие ионы включают ионы лития (Li+) и ионы водорода (Н+) (то есть, протоны). Однако в некоторых других вариантах реализации настоящего изобретения могут быть использованы другие ионы. Внедрение ионов лития, например, в окись вольфрама (WO(0<y≤~0,3)), вызывает изменение оксида вольфрама из прозрачного (например, обесцвеченного) состояния в синее (то есть, окрашенное) состояние.
В некоторых описанных здесь вариантах реализации настоящего изобретения электрохромное устройство 220 обратимым образом выполняет циклы между прозрачным состоянием и непрозрачным или слегка окрашенным состоянием. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения при нахождении устройства в прозрачном состоянии потенциал приложен к электрохромной стопе 220 таким образом, что имеющиеся в стопе ионы в основном размещены в слое 236 противоэлектрода. При уменьшении величины напряжения на электрохромной стопе, 220 или при изменении его полярности происходит перенос ионов назад через ионный проводящий слой 234 к электрохромному слою 232, что вызывает переход электрохромного материала в непрозрачное, слегка окрашенное, или более темное состояние. В определенных вариантах реализации настоящего изобретения слои 232 и 236 представляют собой слои дополнительной окраски; то есть, например, при переносе ионов в слой противоэлектрода он не окрашен. Точно так же, при переносе или после переноса ионов из электрохромного слоя он также не окрашен. Но при переключении полярности или уменьшении потенциала и переносе ионов из слоя противоэлектрода в электрохромный слой и слой противоэлектрода и электрохромные слои переходят в окрашенное состояние.
В некоторых других вариантах реализации настоящего изобретения при нахождении устройства в непрозрачном состоянии потенциал приложен к электрохромной стопе 220 таким образом, что имеющиеся в стопе ионы в основном размещены в слое 236 противоэлектрода. В таких вариантах реализации настоящего изобретения при уменьшении величины напряжения на электрохромной стопе 220 или изменении его полярности происходит перенос ионов назад через ионный проводящий слой 234 к электрохромному слою 232, что вызывает переход электрохромного материала в прозрачное или более светлое состояние. Эти слои могут также быть дополнительно окрашены.
Логическая схема управления оптическими переходами может быть выполнена со многими различными конфигурациями устройства управления и связана с другой логической схемой управления. Различные примеры подходящих конструкции и работы устройства управления описаны в следующих заявках на патент, содержание которых полностью включено в настоящую заявку посредством ссылки: заявка на патент США №13/049623, поданная 16 марта 2011 г.; заявка на патент США №13/049756, поданная 16 марта 2011 г.; патент США №8213074, поданная 16 марта 2011; заявка на патент США №13/449235, поданная 17 апреля 2012 г.; заявка на патент США №13/449248, поданная 17 апреля 2012 г.; заявка на патент США №13/449251, поданная 17 апреля 2012 г.; и заявка на патент США №13/326168, поданная 14 декабря 2011 г. Последующее описание и соответствующие фигуры (фиг. 9 и 10) показывают определенные неограничивающие варианты конструкции устройства управления, подходящие для реализации описанных здесь профилей управления.
В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения электрический вход 252 и электрический вход 254 принимают, переносят или передают дополнительные сигналы электропитания. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения электрический вход 252 и дополняющий его электрический вход 254 могут быть непосредственно прикреплены к шинам 242 и 244, соответственно, и с другой стороны, к внешнему источнику электропитания, подающему переменное (например, по знаку и величине) напряжение постоянного тока. Внешний источник электропитания может непосредственно быть самим устройством управления окном (См. элемент 114 на фиг. 10) или получать электропитание из здания, передаваемое к устройству управления окном, или может быть иначе соединен с электрическими входами 252 и 254. В таком варианте реализации настоящего изобретения электрические сигналы, передаваемые через электрические входы/выходы 258 и 260, могут быть непосредственно поданы к устройству памяти для обеспечения возможности связи между устройством управления окном и устройством памяти. Кроме того, в таком варианте реализации настоящего изобретения устройство подачи электрического сигнала на электрический вход 256 может быть внутренне прикреплено или связано (внутри стеклопакета 102) или с электрическим входом 252 или 254 или с шинами 242 или 244 с возможностью дистанционного измерения (регистрации) электрического потенциала одного или большего количества из этих элементов. Это может обеспечить устройству управления окном возможность компенсации падения напряжения на присоединительных проводах от устройства управления окном к электрохромному устройству 220.
В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения устройство управления окном может быть непосредственно прикреплено к стеклопакету 102 (например, внешним образом к стеклопакету 102, но без возможности отсоединения пользователем) или выполнено вместе со стеклопакетом 102. Например, заявка на патент США №13/049750 (номер дела поверенного № SLDMP008), в которой Brown и др. указаны в качестве изобретателей, которая поименована как «Встроенное устройство управления для окон со многими состояниями» и которая подана 16 марта 2011 г., включена в настоящую заявку посредством ссылки и подробно описывает различные примеры реализации встроенного устройства управления. В этом варианте реализации электрический вход 252 может быть прикреплен к положительному выводу внешнего источника электропитания постоянного тока. Аналогичным образом электрический вход 254 может быть прикреплен к отрицательному выводу источника электропитания постоянного тока. Однако как описано ниже, электрические входы 252 и 254 могут поочередно быть прикреплены к выходам внешнего источника электропитания переменного тока с низким напряжения (например, обычного трансформатора переменного тока напряжением 24 В, характерного для систем управления отоплением, вентиляцией и кондиционированием). В таком варианте реализации настоящего изобретения электрические входы/выходы 258 и 260 могут быть прикреплены к коммуникационной шине между устройством управления окном и контроллером сети. В этом варианте реализации настоящего изобретения электрический вход/выход 256 может быть в конечном счете (например, в источнике электропитания) соединен с заземляющим терминалом системы (например, с системой заземления Protective Earth, или РЕ в Европе).
Хотя напряжения, нанесенные на график на фиг. 7 и 8, могут быть выражены в виде напряжений постоянного тока, в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения напряжения, фактически подаваемые внешним источником электропитания, представляют собой сигналы напряжения переменного тока. В некоторых других вариантах реализации настоящего изобретения подаваемые сигналы напряжения преобразованы в сигналы напряжения с широтно-импульсной модуляцией. Однако напряжения, реально «видимые» шинами 242 и 244 или приложенные к ним, по существу представляют собой напряжения постоянного тока. Как правило, колебания напряжения, приложенного к терминалам 246 и 248, попадают в диапазон частот от примерно 1 Гц до 1 МГц, а в определенных вариантах реализации настоящего изобретения, примерно до 100 кГц. В различных вариантах реализации настоящего изобретения колебания обладают асимметричными временами пребывания в частях периода, ответственных за почернение (например, окрашивание) и осветление (например, обесцвечивание). Например, в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения переход из первого менее прозрачного состояния во второе более прозрачное состояние требует большего промежутка времени, чем обратный переход; то есть, переход из более прозрачного второго состояния в менее прозрачное первое состояние. Как описано ниже, устройство управления может быть разработано или выполнено с возможностью приложения управляющего напряжения, отвечающего этим требованиям.
Средство управления приложенным колебательным напряжением обеспечивает возможность электрохромному устройству 220 работать в одном или большем количестве состояний и выполнять переход между ними без какой-либо необходимой модификации стопы 220 электрохромного устройства или изменения времени, затрачиваемого на переход. Скорее устройство управления окном может быть разработано или выполнено с возможностью подачи колебательного управляющего напряжения соответствующего профиля волны, принимая во внимание, среди других возможных подходящих или соответствующих факторов, такие факторы, как частота, рабочий цикл, среднее напряжение, амплитуда. Кроме того, такой уровень управления обеспечивает возможность перехода в любое состояние по полному диапазону оптических состояний между двумя конечными состояниями. Например, соответствующим образом выполненное устройство управления способно обеспечить непрерывный диапазон значений коэффициента пропускания (% Т), которое может быть настроено на любое значение между конечными состояниями (например, между непрозрачным и обесцвеченным конечными состояниями).
Для направления устройства в промежуточное состояние, используя колебательное управляющее напряжение, устройство управления может просто приложить соответствующее промежуточное напряжение. Однако могут быть более эффективные способы достижения промежуточного оптического состояния. Это частично связано с тем, что для достижения конечных состояний могут быть приложены высокие управляющие напряжения, но как правило их не прилагают для достижения промежуточного состояния. Один способ увеличения скорости, с которой электрохромное устройство 220 достигает необходимого промежуточного состояния, состоит в приложении сначала импульса высокого напряжения, подходящего для полного перехода (в конечное состояние) и затем отступления к напряжению колеблющегося промежуточного состояния (как уже описано). Говоря иначе, начальный низкочастотный одиночный импульс (низкочастотный по сравнению с частотой, используемой для поддержания промежуточного состояния) с величиной и продолжительностью, выбранными для намеченного конечного состояния может быть использован для ускорения перехода. После этого начального импульса может быть использовано колебание напряжения более высокой частоты для поддержания промежуточного состояния сколь нужно долго.
В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения каждый стеклопакет 102 содержит компонент 250, выполненный с возможностью вставки в стеклопакет 120 или легкого удаления из него (например, для простоты обслуживания, производства или замены). В некоторых конкретных вариантах реализации настоящего изобретения каждый вставной компонент 250 непосредственно содержит устройство управления окном. Таким образом, в некоторых таких вариантах реализации каждое электрохромное устройство 220 управляется своим собственным соответствующим локальным устройством управления окном, размещенным внутри вставного элемента 250. В некоторых других вариантах реализации настоящего изобретения устройство управления окном объединено с другой частью рамы 218, размещено между стеклами в области вторичного уплотнения или внутри объема 226. В некоторых других вариантах реализации настоящего изобретения устройство управления окном может быть размещено вне стеклопакета 102. В различных вариантах реализации настоящего изобретения каждое устройство управления окном может поддерживать связь со стеклопакетами 102, которые оно контролирует и которыми управляет, а также поддерживать связь с другими устройствами управления окнами, контроллером сети, системой управления зданием или с другими серверами, системами или устройствами (например, датчиками), посредством одной или большего количества проводных сетей (например, сети Ethernet) или беспроводных сетей (например, сети WiFi), например, через проводной (например, типа Ethernet) интерфейс 263 или беспроводной (типа Wi-Fi) интерфейс 265. Смотри фигуру 10. Примеры реализации настоящего изобретения, имеющие возможности сетей Ethernet или Wi-Fi, также хорошо подходят для использования в жилых домах и других непромышленных приложениях меньшего масштаба. Кроме того, связь может быть прямой или косвенной, например, через промежуточный узел между главным контроллером, например, контроллером 112 сети, и стеклопакетом 102.
На фиг. 10 показано устройство 114 управления окном, которое может быть использовано, например, в качестве компонента 250. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения устройство 114 управления окном поддерживает связь с контроллером сети через коммуникационную шину 262. Например, коммуникационная шина 262 может быть разработана согласно стандарту CAN (локальная сеть контроллеров) на шину обмена сообщениями для автомобильных систем. В таких вариантах реализации настоящего изобретения первый электрический вход 252 может быть прикреплен к первой линии 264 электропитания, а второй электрический вход 254 может быть прикреплен ко второй линии 266 электропитания. Как описано выше, в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения сигналы электропитания, посланные по линиям электропитания 264 и 266, дополнительны; то есть, вместе они составляют дифференциальный сигнал (например, дифференциальный сигнал напряжения). В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения линия 268 соединена с заземлением системы или здания (например, с системой Earth Ground). В таких вариантах реализации настоящего изобретения связь через шину 262 стандарта CAN (например, между микроконтроллером 274 и контроллером 112 сети) может иметь место вдоль первой и второй коммуникационных линий 270 и 272, передаваемых через электрические входы/выходы 258 и 260, соответственно, согласно коммуникационному протоколу CANopen или другому подходящему открытому протоколу, протоколу пользователя или коммуникационному протоколу верхнего расположения. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения сигналы связи, посылаемые по коммуникационным линиям 270 и 272, дополнительны; то есть, вместе они представляют дифференциальный сигнал (например, дифференциальный сигнал напряжения).
COMMAND
PW1
PW2
COMMAND
PW1
PW2
PW1
PW2
PW1
PW1
PWM
PW1
PW2
В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения компонент 250 связывает коммуникационную шину 262 протокола CAN с устройством 114 управления окном, а в конкретных вариантах реализации с микроконтроллером 274. В некоторых таких вариантах реализации настоящего изобретения микроконтроллер 274 также выполнен с возможностью выполнения коммуникационного протокола CANopen. Микроконтроллер 274 также разработан или выполнен с возможностью (например, запрограммирован) реализации одного или большего количества алгоритмов управления вместе с усилителем с широтно-импульсной модуляцией или широтно-импульсным модулятором 276, устройством 278 интеллектуальной логики и преобразователем 280 сигналов. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения микроконтроллер 274 выполнен с возможностью выработки командного сигнала V, например, в виде сигнала напряжения, который затем передается в широтно-импульсный модулятор 276. Широтно-импульсный модулятор 276, в свою очередь, вырабатывает, сигнал электропитания с широтно-импульсной модуляцией, содержащий первый (например, положительный) компонент V и второй (например, отрицательный) компонент V) основанные на сигнале V. Затем происходит передача сигналов V и V электропитания, например, посредством интерфейса 288, к стеклопакету 102 или, в частности, к шинам 242 и 244 для принуждения к необходимым оптическим переходам в электрохромном устройстве 220. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения широтно-импульсный модулятор 276 выполнен с возможностью изменения рабочего цикла сигналов с широтно-импульсной модуляцией таким образом, что продолжительности импульсов в сигналах V и V не равны: например, широтно-импульсный модулятор 276 вырабатывает сигнал V с первым 60%-ым рабочим циклом и сигнал V со вторым 40%-ым рабочим циклом. Продолжительность первого рабочего цикла и продолжительность второго рабочего цикла вместе представляют продолжительность t каждого рабочего цикла. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения широтно-импульсный модулятор 276 может дополнительно или в качестве альтернативы изменять величины сигнальных импульсов V и V.
COMMAND
FB
FB
FB
FB
COMMAND
PW1
PW2
COMMAND
CON
TC
CON
В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения микроконтроллер 274 выполнен с возможностью выработки сигнала V на основании одного или большего количества факторов или сигналов, таких, например, как любой из сигналов, принятых посредством шины 262 CAN, а также сигналов обратной связи по напряжению или току, V и I соответственно, выработанных широтно-импульсным модулятором 276. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения микроконтроллер 274 определяет уровни тока или напряжения в электрохромном устройстве 220 на основании сигналов I или V обратной связи, соответственно, и регулирует сигнал V согласно одному или большему количеству правил или алгоритмов для выполнения изменения относительных продолжительностей импульса (например, относительных продолжительностей первого и второго рабочих циклов) или амплитуд сигналов V и V электропитания с целью выполнения описанных выше профилей напряжения. Дополнительно или в качестве альтернативы микроконтроллер 274 может также регулировать сигнал V в ответ на сигналы, принятые от устройства 278 интеллектуальной логики или преобразователя 280 сигналов. Например, сигнал Vпреобразования может быть выработан преобразователем 280 сигналов в ответ на обратную связь от одного или большего количества сетевых или несетевых устройств или датчиков, таких, например, как внешний фотодатчик или фотоприемник 282, внутренний фотодатчик или фотоприемник 284, тепловой или температурный датчик 286 или сигнал V команды оттенка. Например, дополнительные варианты реализации преобразователя 280 сигналов и сигнала V также описаны в заявке на патент США №13/449235, поданной 17 апреля 2012 г. и ранее включенной в настоящую заявку посредством ссылки.
TC
COMMAND
TC
TC
COMMAND
SMART
SMART
2
В определенных вариантах реализации настоящего изобретения сигнал V может быть выполнен в виде аналогового сигнала напряжения между 0 В и 10 В, который может быть использован или отрегулирован пользователями (например, жителями или рабочими) для динамического регулирования оттенка стеклопакета 102 (например, пользователь может использовать средство управления в комнате или зоне здания 104 аналогично термостату для точной регулировки или изменения оттенка стеклопакетов 102 в такой комнате или зоне), что позволяет выполнить динамический ввод данных пользователем в логическую схему внутри микроконтроллера 274, который определяет команду V. Например, при установке значения напряжения V в диапазоне от 0 В до 2,5 В оно может быть использовано для принуждения к переходу в состояние с пропусканием 5% Т, а при установке значения напряжения V в диапазоне от 2,51 В до 5 В оно может быть использовано для принуждения к переходу в состояние с пропусканием 20% Т, и аналогично, наряду с другими примерами диапазонов и напряжений, для других диапазонов, например от 5,1 В до 7,5 В и от 7,51 В до 10 В. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения преобразователь 280 сигналов принимает вышеупомянутые сигналы или другие сигналы через коммуникационную шину или интерфейс 290. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения широтно-импульсный модулятор 276 также вырабатывает сигнал V, основанный на сигнале V, принятом из устройства 278 интеллектуальной логики. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения устройство 278 интеллектуальной логики передает сигнал V через коммуникационную шину, такую, например, как последовательная компьютерная шина межсоединений интегральных схем (IC) с односторонними выводами и многими ведущими устройствами. В некоторых других вариантах реализации настоящего изобретения устройство 278 интеллектуальной логики поддерживает связь с устройством памяти 292 по протоколу 1-WIRE связи между устройствами для системы шин (компания «Dallas Semiconductor Corp.» из Далласа, штат Техас).
В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения микроконтроллер 274 содержит процессор, чип, карту, или плату, или комбинацию этих элементов, которые содержат логическую схему для выполнения одной или большего количества функций управления. Силовые и коммуникационные функции микроконтроллера 274 могут быть объединены в одном чипе, например, в чипе программируемого логического устройства (PLD) или в полевой программируемой матрице логических элементов (FPGA) или в аналогичной логической схеме. Такие интегральные схемы могут комбинировать логические, управляющие и энергетические функции в одном программируемом чипе. В одном варианте реализации настоящего изобретения, где одно стекло 216 содержит два электрохромных устройства 220 (например, на противоположных поверхностях) или где стеклопакет 102 содержит два или большее количество стекол 216 и каждое содержит электрохромное устройство 220, логическая схема может быть выполнена с возможностью управления каждым из двух электрохромных устройств 220 независимо друг от друга. Однако в одном варианте реализации настоящего изобретения функция каждого из двух электрохромных устройств 220 может быть управляема синергически, например, таким, что каждое устройство управляется так, что служит дополнением к другому. Например, необходимый уровень светопроницаемости, теплового изоляционного эффекта или другого свойства может управляться посредством комбинации состояний для каждого из отдельных электрохромных устройств 220. Например, одно электрохромное устройство может быть установлено в окрашенном состоянии, а другое использовано для резистивного нагрева, например, посредством прозрачного электрода устройства. В другом примере оптическими состояниями двух электрохромных устройств управляют так, что комбинированный коэффициент пропускания представляет собой необходимый результат.
В целом, логическая схема, используемая для управления переходами электрохромного устройства, может быть разработана или выполнена в виде аппаратных средств и/или программного обеспечения. Другими словами, команды, предназначенные для управления схемой управления, могут быть выполнены встроенными или представлены в виде программного обеспечения. Можно сказать, что команды представлены посредством «программирования». Такое программирование, как понимают, включает логические Операции в любой форме, включая встроенные логические операции в процессорах цифрового сигнала и в других устройствах, которые содержат определенные алгоритмы, реализованные как аппаратные средства. Программирование, как также понимают, включает программное обеспечение или микропрограммные команды, которые могут быть выполнены посредством процессора общего назначения. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения команды для управления приложением напряжения к шинам хранят в устройстве памяти, связанном с устройством управления, или подают по сети. Примеры подходящих устройств памяти включают полупроводниковую память, магнитную память, оптическую память и т.п. Код компьютерной программы для управления приложенным напряжением может быть написан на любом обычном понимаемом компьютером языке программирования, например, на ассемблере, С, С++, Паскале, Фортране и т.п. Компилированный объектный код или сценарий выполнения встроенной программы созданы процессором для выполнения задач, идентифицированных в программе.
Как описано выше, в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения микроконтроллер 274 или устройство 114 управления окном в целом также могут иметь беспроводные возможности, такие как возможности беспроводного управления и электропитания. Например, могут быть использованы сигналы беспроводного управления, например, высокочастотные (RF) сигналы или инфракрасные (IR) сигналы, а также протоколы беспроводной связи, например, среди других, протоколы WiFi (упомянут выше), Bluetooth, Zigbee, EnOcean, предназначенные для отсылки команд в микроконтроллер 274 и для отсылки данных из микроконтроллера 274, например, в другие устройства управления окнами, контроллер 112 сети или непосредственно в систему 110 управления зданием. В различных вариантах реализации настоящего изобретения беспроводная связь может быть использована по меньшей мере для одной операции, выбранной из программирования или работы электрохромного устройства 220, сбора данных или приема входного сигнала от электрохромного устройства 220 или стеклопакета 102 в целом, сбора данных или приема входного сигнала от датчиков, а также для использования устройства 114 управления окном в качестве пункта ретрансляции для других видов беспроводной связи. Данные, собранные от стеклопакета 102, также могут содержать дискретные данные, например, среди других полезных данных или показателей производительности, число событий активации электрохромного устройства 220 (в цикле), эффективность электрохромного устройства 220 во времени.
Устройство 114 управления окном также может иметь возможности беспроводного электропитания. Например, устройство управления окном может содержать один или большее количество приемников беспроводного электропитания, принимающих сигналы от одного или большего количества передатчиков беспроводного электропитания, а также один или большее количество передатчиков беспроводного электропитания, передающих сигналы электропитания, обеспечивающие возможность устройству 114 управления получать электропитание посредством беспроводных технологий и распределять электропитание беспроводным образом электрохромному устройству 220. Беспроводная передача электропитания включает, например, индукцию, резонансную индукцию, передачу радиочастотной энергии, передачу микроволновой энергии и передачу лазерной энергии. Например, заявка на патент США №12/971576 (номер дела № SLDMP003), в которой Rozbicki упомянут в качестве изобретателя, которая поименована как «Электрохромные окна с беспроводным электропитанием», которая зарегистрирована 17 декабря 2010 г. и включена в настоящую заявку посредством ссылки, подробно описывает различные варианты реализации возможностей беспроводного электропитания.
PW1
PW2
Для достижения необходимого оптического перехода сигнал электропитания с широтно-импульсной модуляцией выработан таким образом, что положительный компонент V подан, например, на шину 244 во время первой части цикла электропитания, в то время как отрицательный компонент V подан, например, на шину 242 во время второй части цикла электропитания.
PW1
PWM
PW2
PWM
PW1
PW2
PW1
PW2
EFF
В некоторых случаях, в зависимости от частоты (или, наоборот, пропорционально продолжительности) сигналов электропитания с широтно-импульсной модуляцией, это может приводить к работе шины 244 в плавающем режиме по существу при доле величины напряжения V, которая задана отношением продолжительности первого рабочего цикла к полной продолжительности t цикла электропитания. Аналогичным образом, это может приводить к работе шины 242 в плавающем режиме по существу при доле величины напряжения V, которая задана отношением продолжительности второго рабочего цикла к полной продолжительности t цикла электропитания. Таким образом, в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения разность между величинами компонентов V и V сигналов с широтно-импульсной модуляцией в два раза больше эффективного напряжения постоянного тока, приложенного к терминалам 246 и 248 и, следовательно, к электрохромному устройству 220. Иначе говоря, в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения разность между долей (определенной относительной продолжительностью первого рабочего цикла) напряжения V, приложенного к шине 244, и долей (определенной относительной продолжительностью второго рабочего цикла) напряжения V, приложенного к шине 242, равна эффективному напряжению V постоянного тока, приложенному к электрохромному устройству 220. Ток IEFF через нагрузку (электрохромное устройство 220) примерно равен эффективному напряжению VEFF, разделенному на эффективное сопротивление (представленное резистором 316) или импеданс нагрузки.
Другие варианты реализации настоящего изобретения
Хотя предшествующие варианты реализации настоящего изобретения были описаны достаточно подробно для облегчения понимания, описанные примеры реализации настоящего изобретения следует полагать иллюстративными и не ограничивающими. Специалистам в данной области техники совершенно понятно, что определенные изменения и модификации могут быть выполнены в объеме приложенных пунктов формулы изобретения. Например, хотя профили управления были описаны со ссылками на электрохромные устройства с плоскими шинами, они имеют отношение к любой ориентации шины, в которой шины противоположной полярности разделены промежутками, достаточно большими для образования значительного омического падения напряжения в прозрачном слое проводника от одной шины до другой. Кроме того, хотя профили управления были описаны со ссылками на электрохромные устройства, они могут быть применены к другим устройствам, в которых шины противоположной полярности размещены с противоположных сторон устройства.