Автомобильное стекло с изменяющейся прозрачностью
AUTOMOTIVE GLASS WITH VARIABLE TRANSPARENCY

Область техники.
Заявляемое техническое решение относится к стеклам транспортных средств и предназначено для изготовления электрохромных автомобильных стекол.
Предшествующий уровень техники.
Из патента US 6055088 (МПК G02F 1/15, 2000) известно остекление с изменяющимися оптическими свойствами для крыши автомобиля, которое содержит электрохромный активный слой и средство защиты, содержащее покрытие с отражающими свойствами в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах. Электрохромный активный слой представляет собой два прозрачных стекла с электропроводящими слоями из оксида олова, между которыми размещены слой анодного электрохромного материала, защитный слой гидротированного оксида тантала, слой электролита и слой катодного электрохромного материала. Одно из стекол снаружи ламинировано третьим прозрачным стеклом посредством промежуточного слоя полимера поливинилбутираля. Со стороны слоя полимера третье стекло имеет отражающее покрытие. Слой полимера и особенно отражающее покрытие защищают электрохромный активный слой от солнечного излучения.
Из патента RU 2695045 (МПК B60J 1/00, G02F 1/153, B60J 3/04, 2019) известно автомобильное стекло, содержащее три наложенные друг на друга стеклянных листа. На смежных поверхностях первого и второго листов выполнены электропроводящие слои с закрепленными шинами подключения источника электропитания. Пространство между этими листами герметизировано, и в нем размещено электрохромное рабочее вещество. Все стеклянные листы и электропроводящие слои являются полностью или частично прозрачными по крайней мере в части видимого спектра оптического излучения. Между третьим и вторым листами размещен полимерный слой, задерживающий ультрафиолетовое излучение. С другой стороны на первый лист наклеена защитная пленка, не пропускающая ультрафиолетовое излучение. Первый лист выполнен по размеру меньше второго листа в области контакта края автомобильного стекла с уплотнителем. При установке стекла третий лист ставится наружу автомобиля, а первый - внутрь.
Недостатком указанных аналогов является подверженность электрохромного рабочего вещества деградации при его перегреве на солнце и приложенном рабочем напряжении к шинам питания.
Патент RU 2695045 по совокупности технических признаков является наиболее близким аналогом предложенного технического решения. Поэтому он принят в качестве прототипа заявляемого технического решения.
Раскрытие заявляемого технического решения.
Автомобильными стеклами, которые могут быть выполнены в соответствии с заявляемым техническим решением, могут быть стекла салона автомобиля: боковые, в том числе опускающиеся вниз, и ветровые стекла; лобовые стекла; задние стекла; панорамные стекла в крышах. Также в соответствии с заявляемым техническим решением могут быть выполнены другие стекла автомобиля, например, стекла передних фар и задних фонарей.
При движении автомобиля его стекла охлаждаются потоками воздуха. При наличии климатической системы или воздушного кондиционера стекла салона автомобиля охлаждаются этими устройствами в движении или на стоянке автомобиля, но это требует, чтобы двигатель автомобиля был заведен. Как правило, кондиционер используется при нахождении людей в салоне автомобиля.
При оставлении автомобиля на стоянке его двигатель глушат. При этом нередко место остановки автомобиля предписывается дорожной разметкой или знаками дорожного движения и нет возможности выбрать такое место в тени для минимизации воздействия солнечных лучей. Под солнцем салон автомобиля быстро нагревается, также нагреваются и стекла автомобиля.
Если стекло нагреется выше некоторой температуры (около 55°С) и к шинам питания электрохромного рабочего вещества стекла приложено рабочее напряжение, то электрохромное рабочее вещество деградирует. Эта деградация проявляется в снижении светопропускания (появлении остаточной затененности) при отключенном питании на всем стекле или на его части, может сочетаться с окрашиванием электрохромного рабочего вещества, а вместе с ним и всего стекла.
Указанная деградация является по сути потерей автомобильным стеклом с изменяющейся прозрачностью своих потребительских свойств, то есть приводит к выходу из строя автомобильного стекла. Восстановить свойства электрохромного рабочего вещества после деградации не представляется возможным. Стекло в этом случае подлежит замене.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является повышение срока полезного использования автомобильного стекла.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым техническим решением, является предотвращение деградации электрохромного рабочего вещества при использовании автомобильного стекла.
Сущность заявленного технического решения состоит в том, что автомобильное стекло с изменяющейся прозрачностью содержит первый и второй наложенные друг на друга стеклянные листы, на смежных поверхностях которых выполнены электропроводящие слои, между которыми размещено электрохромное рабочее вещество. При этом к электропроводящим слоям закреплены шины подключения источника электропитания. Все стеклянные листы и электропроводящие слои являются полностью или частично прозрачными по крайней мере в части видимого спектра оптического излучения. Отличается тем, что автомобильное стекло снабжено термовыключателем, выполненным с возможностью отключения или значительного снижения подачи электропитания на упомянутые шины при превышении рабочим веществом порогового значения температуры, меньшего температуры деградации электрохромного рабочего вещества.
Вышеуказанная сущность является совокупностью существенных признаков заявленного технического решения, обеспечивающих достижение заявленного технического результата. Технический результат достигается за счет отключения или значительного снижения подачи электропитания на электрохромное рабочее вещество при превышении температуры стекла, а с ним и упомянутого вещества, выше порога деградации упомянутого вещества.
В частных случаях допустимо выполнять техническое решение следующим образом.
Пороговое значение температуры для большинства применений целесообразно выбирать равным 55°С.
Термовыключатель может состоять из одного или нескольких контактных или бесконтактных датчиков температуры, установленных с возможностью прямого или косвенного определения температуры электрохромного рабочего вещества, и соединенных с ними одного или нескольких выключателей, последовательно соединенных с одной или обеими шинами подключения источника электропитания.
Контактный датчик температуры может быть установлен в слое рабочего вещества между первым и вторым стеклянными листами или вне пространства между этими листами на внешней поверхности первого или второго листа.
На второй лист желательно наложен третий стеклянный лист и между этими листами размещен полимерный слой, задерживающий ультрафиолетовое излучение. На первый лист с внешней стороны стекла может быть наклеена защитная пленка, не пропускающая ультрафиолетовое излучение. При этом контактный датчик температуры допустимо устанавливать на внешней поверхности третьего листа или на внешней поверхности защитной пленки.
Термовыключатель может представлять собой один контактный датчик температуры, соединенный с одним выключателем. Датчик температуры может быть выполнен в виде биметаллической пластины, механически связанной с механическим выключателем, установленным в разрыв между одной из шин и ее разъемом.
Термовыключатель может представлять собой два контактных датчика температуры, соединенных каждый со своим выключателем. Датчик температуры выполнен в виде биметаллической пластины, механически связанной с механическим выключателем, при этом один выключатель установлен в разрыв между одной шиной и ее разъемом, а другой выключатель установлен в разрыв между другой шиной и ее разъемом.
Термовыключатель может представлять собой один или несколько термоэлектрических преобразователей в качестве датчиков температуры, электрически соединенных с контроллером, выход которого соединен с реле-выключателем, установленным последовательно с одной из шин подключения источника электропитания. Контроллер при этом выполнен с возможностью подачи на реле-выключатель сигнала на разрыв электрической цепи при превышении температуры, измеряемой датчиком температуры, выше порогового значения, и снятия сигнала на разрыв цепи при понижении температуры, измеряемой датчиком температуры, ниже порогового значения на два градуса.
Контроллер и реле-выключатель желательно размещать внутри автомобильного стекла, а реле-выключатель желательно устанавливать в разрыв между одной из шин подключения источника электропитания и ее разъемом.
Термовыключатель предпочтительно представляет собой по крайней мере один позистор, электрически последовательно соединенный с шиной подключения источника электропитания.
Позистор возможно устанавливать в слое рабочего вещества между первым и вторым стеклянными листами или вне пространства между этими листами на внешней поверхности первого или второго листа.
На второй лист желательно наложен третий стеклянный лист и между этими листами размещен полимерный слой, задерживающий ультрафиолетовое излучение. На первый лист с внешней стороны стекла может быть наклеена защитная пленка, не пропускающая ультрафиолетовое излучение. При этом позистор допустимо устанавливать на внешней поверхности третьего листа или на внешней поверхности защитной пленки.
Автором заявленного технического решения изготовлены опытные образцы этого решения, испытания которых подтвердили достижение указанного технического результата.
Краткое описание чертежей.
На фигуре 1 показана схема автомобильного стекла с изменяющейся прозрачностью, на фиг. 2 - схема установки автомобильного стекла, на фиг.3 - схема расположения шин на стекле передней двери автомобиля.
Осуществление технического решения.
Автомобильное стекло с изменяющейся прозрачностью представляет собой наложенные друг на друга первый (1) и второй (2) стеклянные листы, между которыми размещено электрохромное рабочее вещество (3) (фиг. 1). Широко применяемое в промышленности стекло является оптически прозрачным в области видимого излучения и в ультрафиолетовом диапазоне от 315 до 400 нм. Это стекло является оптически непрозрачным в диапазоне ультрафиолетового излучения меньше 315 нм. Стекло может быть закаленным. Стеклянные листы могут быть тонированными.
Рабочее вещество (3) выполнено с возможностью обратимого изменения прозрачности под действием приложенного электрического напряжения. Рабочее вещество может быть жидкостью, гелем или твердым веществом. Под гелем в настоящей заявке понимается дисперсная система с жидкой дисперсионной средой, в которых частицы дисперсной фазы образуют пространственную структурную сетку. Гель представляет собой твердообразное ("студенистое") тело, способное сохранять форму, обладающее упругостью (эластичностью) и пластичностью. Типичные гели имеют коагуляционную структуру, то есть частицы дисперсной фазы соединены в местах контакта силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через тонкую прослойку дисперсионной среды.
В качестве электрохромного компонента, изменяющего прозрачность (окрашивающегося) при восстановлении (при захвате электронов) используются материалы, включающие в себя оксиды вольфрама. В качестве электрохромного компонента, изменяющего прозрачность при окислении (при потере электронов) используются материалы, включающие в себя оксиды никеля и оксиды кобальта. Электрохромные материалы также могут быть выполнены на основе:
2
5
x
x
y
2
3
- оксидов неорганических металлов VO, lr(OH), NiOH, TiO, MoO,
- проводящих полимеров PEDOT (поли-3,4-этилендиокситиофен), полипиррол, полианилин, полиазулен, политиофен, полипиридин, полииндол, поликарбазол, полиазин, полихинон,
- органических электрохромных материалов виологен, антрахинон, феноциазин.
В качестве рабочего вещества целесообразно применять долговечные электрохромные растворы с повышенным перепадом оптической плотности, раскрытые в описании к изобретению по патенту RU 2464607, МПК G02F 1/15 (2006.01), C09K 9/02 (2006.01), C08L 39/04 (2006.01), 2012.
В качестве рабочего вещества возможно применять электрохромный состав, раскрытый в описании к изобретению по патенту RU 2144937, МПК C09K 9/02 (2000.01), G02F 1/15 (2000.01), 2000. В качестве рабочего вещества возможно применять электрохромный состав, раскрытый в патентной заявке US 20150355519, МПК G02F 1/161 20060101 G02F 001/161; C09K 9/02 20060101 C09K 009/02; B29D 99/00 20060101 B29D 099/00; G02F 1/155 20060101 G02F 001/155; B29D 11/00 20060101 B29D 011/00, 2015.
Для исключения контакта рабочего вещества с кислородом воздуха, а также для герметизации жидкого или гелеобразного рабочего вещества пространство между первым (1) и вторым (2) листами герметизировано барьером (12). Барьер (12) может быть выполнен из полиизобутиленового герметика или эпоксидной смолы.
Первый (1) и второй (2) листы, а также барьер (12) выполнены из материала, химически стойкого к рабочему веществу (3).
Для подвода напряжения к поверхностям рабочего вещества (3) первый (1) и второй (2) листы со стороны рабочего вещества снабжены электропроводящими слоями (4), выполненными в виде нанесенных на них оптически прозрачных слоев из оксида олова. Стеклянные листы (1, 2) могут быть выполнены в виде стекол NSG ТЕС 15 производства завода Pilkington (Англия), входящего в группу Nippon Sheet Glass Co., Ltd. (интернет-ресурс http://www.pilkington.com/en/global/products/product-categories/special-applications/nsg-tec-for-technical-applications). Например, TEC15 толщиной 3,85 мм.
Для подключения источника электропитания первая (5) и вторая (6) шины приклеены электропроводным клеем (7) к электропроводящим слоям (4) соответственно первого (1) и второго (2) листов. При изготовлении автомобильного стекла для выполнения шин целесообразно использовать медную ленту с проводящим клеевым слоем.
Снаружи шины желательно закрыть термостойкой изоляционной клейкой лентой (8). Эта лента предохраняет шины (5, 6) от замыкания или утечек. Кроме того, если при изготовлении автомобильного стекла требуется термообработка, то лента (8) предотвращает отклеивание шин (5, 6) от электропроводящих слоев (4) при нагревании. Аналогично лента (8) защищает шины при аномальном нагревании автомобильного стекла во время эксплуатации. Лента (8) может быть выполнена с использованием каптона, например, в виде каптонового скотча.
Автомобильное стекло снабжено термовыключателем, выполненным с возможностью отключения или значительного снижения подачи электропитания на рабочее вещество (3) при превышении рабочим веществом (3) порогового значения температуры. Пороговое значение температуры выбирается таким, чтобы оно было меньше температуры деградации электрохромного рабочего вещества (3) - температуры, превышение которой приводит к деградации электрохромного рабочего вещества (3) при подаче на него электропитания с рабочим напряжением, то есть при его нахождении в электрическом поле с рабочими характеристиками. Термовыключатель предпочтительно выполнен с возможностью восстановления отключенного им электропитания при понижении температуры рабочего вещества (3) ниже порогового значения температуры. Для большинства практических применений пороговое значение температуры опытным путем выбрано равным 55°С.
Термовыключатель может состоять из одного или нескольких контактных или бесконтактных датчиков температуры и одного или нескольких выключателей, последовательно соединенных с одной или обеими шинами (5, 6).
В связи с тем, что автомобильное стекло представляет собой лист, толщина которого не превышает 10 мм, температуру вдоль его толщины можно считать постоянной. Поэтому для измерения температуры электрохромного рабочего вещества (3) достаточно измерить температуру в любом месте поперечного сечения автомобильного стекла.
Датчик температуры установлен с возможностью прямого или косвенного определения температуры рабочего вещества (3). Для этой цели контактный датчик температуры (15) может быть установлен как непосредственно в слое рабочего вещества (3) между первым (1) и вторым (2) стеклянными листами, так и с другой стороны одного из листов (1, 2) вне пространства между ними. Таким образом, датчик температур (15) может быть размещен внутри автомобильного стекла, а также может быть закреплен, например, приклеен, на внешней стороне стекла снаружи или внутри по отношению к салону автомобиля.
Датчик температуры любым известным способом соединен с выключателем. Это соединение может быть, например, электрическим или механическим. Несколько датчиков температуры могут быть соединены с одним выключателем. Несколько датчиков температуры могут быть соединены каждый со своим выключателем.
На первый лист с внутренней стороны автомобильного стекла наклеена защитная пленка (14), не пропускающая ультрафиолетовое излучение (в диапазоне меньше 400 нм). Такая пленка обеспечивает защиту электрохромного рабочего вещества от ультрафиолета со стороны салона автомобиля (например, при открытых дверях, при попадании солнечного света через открытое другое окно, а также для кабриолетов и фаэтонов).
В целях обеспечения безопасности на транспорте пленка (14) может быть выполнена бронирующей. Этой пленкой может быть, например, пленка ClearPlex производства компании Madico, Inc. (интернет-ресурс https://clearplex.com/product/).
На второй лист (2) наложен третий стеклянный лист (9), между которыми размещен полимерный слой (10), задерживающий ультрафиолетовое излучение (в диапазоне меньше 400 нм). Полимерный слой (10) защищает электрохромное рабочее вещество (3) от скорой деградации под действием ультрафиолета. Полимерный слой (10) может быть выполнен из Акролата 18 производства ООО «НПП «Макромер» им. B.C. Лебедева», Россия (интернет-ресурс http://macromer.ru/product/glass/akrolat-18/), с добавлением ультрафиолетовых поглотителей. Полимерный слой (10) может содержать краситель, поглощающий на длине волны 380-400 нм.
Полимерный слой (10) может быть выполнен из поливинилбутираля. При изготовлении автомобильного стекла третий лист (9) склеивается со вторым листом (2) этим полимером с образованием слоя (10).
Третий лист (9) обеспечивает механическую стойкость автомобильного стекла к истиранию. Третий лист (9) может быть изготовлен из простого оконного стекла толщиной 1,8 мм.
Практически реализуемая суммарная толщина трех стеклянных слоев не меньше 8 мм. Штатные уплотнители автомобильных стекол рассчитаны на толщину стекла от 4 до 6 мм, в связи с чем первый лист (1) в области контакта края автомобильного стекла с уплотнителем (13) выполнен по размеру меньше второго листа (2) (фиг. 2). Этим обеспечивается снижение толщины автомобильного стекла в области уплотнителя. Целесообразно выполнять размер первого листа меньше размера второго листа на глубину уплотнителя с соответствующей стороны. Этим достигается сохранение функции изменения прозрачности автомобильного стекла на наибольшей части его поверхности, видимой при использовании.
Если суммарная толщина второго (2) и третьего (9) листов с полимерным слоем (10) больше размера, на который рассчитано уплотнение автомобильного стекла, то по краю второго листа (2) со стороны первого листа (1) возможно выполнять фацет (11) (фиг. 1). Это обеспечит достаточно малую толщину автомобильного стекла для установки в уплотнитель.
Для опускающегося автомобильного стекла, предназначенного для установки в двери, высота первого (1) и третьего (9) листов может быть выполнена меньше высоты второго листа (2) настолько, чтобы с небольшим перекрытием закрыть оконный проем. При этом механизм опускания автомобильного стекла в двери крепится ко второму листу (2).
С целью компенсационного распределения токов в стекле для передних дверей автомобилей первая шина (5) может быть выполнена по верхней половине периметра первого листа (1), а вторая шина (6) выполнена по нижней стороне второго листа (2) (фиг. 3).
Первый лист (1) и третий лист (9) с внешней стороны в области барьера (12) и шин (5, 6) могут быть окрашены краской по керамике.
Автомобильное стекло может быть плоским или изогнутым в соответствии с конструкцией автомобиля.
Примеры конкретного выполнения.
Пример 1. Термовыключатель состоит из одного контактного датчика температуры, соединенного с одним выключателем. Датчик температуры выполнен в виде биметаллической пластины, расположенной между первым (1) и вторым (2) стеклянными листами. Зазор между первым и вторым листами 0,35 мм. Датчик температуры механически связан с механическим выключателем, установленным в разрыв между первой шиной (5) и ее разъемом.
Пример 2. Термовыключатель состоит из двух контактных датчиков температуры, соединенных каждый со своим выключателем. Каждый датчик температуры выполнен в виде биметаллической пластины, расположенной внутри салона автомобиля снаружи первого (1) стеклянного листа. Один датчик температуры механически связан с механическим выключателем, установленным в разрыв между первой шиной (5) и ее разъемом. Другой датчик температуры механически связан с механическим выключателем, установленным в разрыв между второй шиной (6) и ее разъемом.
Пример 3. Термовыключатель представляет собой один термоэлектрический преобразователь в качестве датчика температуры, электрически соединенный с контроллером. Термоэлектрический преобразователь может быть выполнен, например, в виде термопары. Выход контроллера соединен с реле-выключателем, установленным в разрыв цепи питания электрохромного рабочего вещества. Указанная цепь питания соединяет источник бортового питания автомобиля с шинами (5, 6) автомобильного стекла. Контроллер выполнен с возможностью подачи на реле-выключатель сигнала на разрыв цепи питания электрохромного рабочего вещества при превышении температуры, измеряемой датчиком температуры, выше порогового значения 55°С, и снятия сигнала на разрыв цепи питания электрохромного рабочего вещества при понижении температуры, измеряемой датчиком температуры, ниже порогового значения, минус два градуса. Указанный гистерезис в 2 градуса предотвращает частое срабатывание реле-выключателя при нахождении температуры датчика в области порогового значения.
Термовыключатель, включая датчик температуры, контроллер и реле-выключатель, может быть встроен внутрь автомобильного стекла. При этом реле-выключатель установлен в разрыв между одной из шин (5, 6) и ее разъемом.
Пример 4. Термовыключатель представляет собой два термоэлектрических преобразователя в качестве датчиков температуры, электрически соединенных с контроллером. Выход контроллера соединен с реле-выключателем, установленным в разрыв цепи питания электрохромного рабочего вещества.
Пример 5. Термовыключатель представляет собой один или несколько позисторов (терморезисторов с положительным температурным коэффициентом сопротивления), установленных в разрыв цепи питания электрохромного рабочего вещества. Позистор за счет резкого и значительного роста сопротивления при его нагреве выше порогового значения значительно снижает ток в цепи питания электрохромного рабочего вещества, напряжение на шинах при этом становится значительно ниже рабочего напряжения электрохромного рабочего вещества. При понижении температуры сопротивление позистора снижается, электропитание электрохромного рабочего вещества восстанавливается.
Термовыключатель может быть встроен внутрь автомобильного стекла и электрически установлен в разрыв между одной из шин(5, 6) и ее разъемом.
Реализация заявляемого технического решения не ограничивается приведенными выше примерами.
Изготовление автомобильного стекла могут производить следующим образом.
Сначала вырезают из стекла заготовки первого, второго и третьего листов. Размер второго и третьего листов при этом соответствует размеру штатного стекла автомобиля, первый лист меньше на глубину уплотнителя стекла автомобиля с трех сторон.
Затем обрабатывают края стеклянных листов, после чего листы моллируют в печи для воспроизводства криволинейной формы штатного автомобильного стекла.
Затем по краю первого и второго листов прокладывают шины и проклеивают их сверху каптоновым скотчем.
Затем склеивают все три листа по периметру полиизобутеленовым герметиком в пакет, оставляя небольшие отверстия для введения электрохромного рабочего вещества между первым и вторым листами, и для введения раствора Акролата 18 с ультрафиолетовым поглотителем между вторым и третьим листами. После введения указанных жидкостей вышеупомянутые отверстия заклеивают.
Затем производят полимеризацию рабочего вещества (3) и полимерного слоя (10) ультрафиолетовым излучением и/или нагреванием.
Затем автомобильное стекло окрашивают по периметру, чтобы скрыть шины и герметик.
Затем на первый лист снаружи наклеивают бронирующую пленку ClearPlex, также обеспечивающую защиту рабочего вещества от ультрафиолета.
Порядок использования автомобильного стекла.
Автомобильное стекло устанавливается в автомобиль так, чтобы третий лист находился снаружи. При этом уменьшенный размер первого листа (1) и фацет (11) позволяют установить автомобильное стекло в штатный уплотнитель автомобиля.
Полимерный слой (10) и защитная пленка (14) обеспечивают защиту рабочего вещества (3) от ультрафиолета. Третий стеклянный лист (9) обеспечивает механическую защиту полимерного слоя (10) от истирания.
Изменение прозрачности обеспечивается подачей рабочего напряжения на первую (5) и вторую (6) шины.
Промышленная применимость.
Заявляемое техническое решение реализовано с использованием промышленно выпускаемых устройств и материалов, может быть изготовлено на промышленном предприятии и найдет широкое применение в области автомобилестроения.