Результат интеллектуальной деятельности: МНОГОСЛОЙНОЕ ОБОГРЕВАЕМОЕ ОКНО С УЛУЧШЕННЫМ ОБЗОРОМ

Настоящее изобретение касается многослойных обогреваемых окон, содержащих, по меньшей мере, два наложенных друг на друга листа механически прочной прозрачной подложки, при этом между двумя соседними листами вставлен промежуточный слой из прозрачного пластического материала, при этом упомянутое окно дополнительно, на поверхности или в толще, содержит, по меньшей мере, один проводящий тонкий и прозрачный слой, расположенный, по меньшей мере, на части окна, при этом упомянутый слой или упомянутые слои обогреваются за счет эффекта Джоуля с целью обеспечения защиты от обледенения и/или запотевания, с одной обогреваемой зоной между двумя подводами тока в случае питания однофазным током или с тремя обогреваемыми зонами между собственными подводами тока в случае питания трехфазным током, при этом упомянутые подводы тока расположены на границе окна и соединены с источником тока, внешним по отношению к окну, при этом, по меньшей мере, один тонкий слой содержит линии разделения потока, выполненные путем травления и предназначенные для направления тока от одной полосы к другой.

Как правило, защита от обледенения требует большой электрической мощности, порядка 70 Вт/дм², тогда как защита от запотевания требует меньшей мощности от 15 до 30 Вт/дм².

В качестве примера такого многослойного окна можно упомянуть окна для транспортных средств, в частности, окна кабины самолета, типичный (не ограничительный) пример структуры и изготовления которого можно представить следующим образом.

Структура

Как правило, окна кабины самолета состоят из трех стеклянных листов А, В, С, начиная снаружи самолета, соединенных между собой термопластическими промежуточными слоями, в частности, из поливинилбутираля (ПВБ) или из полиуретана (ТПУ). Как правило, внутреннюю сторону листа А (сторона 2, если обратиться к Фиг.1, которая будет описана ниже) или наружную сторону листа В (сторона 3) покрывают вышеупомянутым обогреваемым тонким слоем, чаще всего на основе металлического оксида, такого как SnO₂ или ITO (оксид индия, легированный оловом). Слой на стороне 2 используют для борьбы с обледенением, а слой на стороне 3 - для борьбы с запотеванием стекла. Следует подчеркнуть, что защита от запотевания может быть также выполнена на листе В на стороне 4 или на листе С на стороне 5. Обычно толщина листа А составляет 3 мм, а толщина листа В составляет 5 или 6 мм в случае бокового окна кабины самолета.

Выполнение токоподводящих полос

Тонкий прозрачный и проводящий слой нагревается за счет эффекта Джоуля между токоподводящими полосами (электроды или коллекторы, или шины), например, на основе электропроводящих эмалей с наполнителем из серебра (серебряная паста), причем эти полосы наносят на внутреннюю сторону листа А или листа В путем трафаретной печати. Как правило, они имеют ширину от 5 до 10 мм, и в случае питания однофазным током их наносят по всей длине листа А или листа В (или по ширине), обычно в нескольких миллиметрах от края окна, чтобы не мешать обзору. Подводы ограничивают между собой максимально большую обогреваемую зону по отношению к общей площади стеклянных листов, чтобы обеспечить максимальную эффективность защиты от обледенения/запотевания. Как было указано выше, при однофазном питании используют только два подвода. При трехфазном питании цепь содержит три зоны с собственными подводами, которые могут быть соединены в виде звезды или треугольника.

Когда окно является плоским, что чаще всего бывает в случае лобового окна, стекло А после вырезания и придания формы подвергают частичному закаливанию в вертикальной закалочной печи, при этом целью закаливания является обжиг содержащих серебро эмалей.

Если окно выпуклое, после придания формы по плавно закругленному стыку и после выгибания стекло усиливают химическим путем, чтобы повысить его реальное напряжение при разрушении. Например, используют лист из стекла с составом, который позволяет производить химическое усиление на большой глубине, превышающей 250 микрон (например, стекло Silidion®). Подводы тока наносят путем трафаретной печати на стекла, затем подвергают обжигу при высокой температуре после этапа химического усиления.

Выполнение обогреваемого тонкого слоя

На следующем этапе наносят тонкий прозрачный и проводящий слой на сторону стеклянного листа, содержащую подводы тока.

В частности, в случае слоя из ITO нанесение производят при помощи технологии PVD (Physical Vapor Deposition - физическое осаждение из паровой фазы), которое состоит в распылении исходного материала при помощи ионов, выходящих из плазмы. Если исходный материал, называемый мишенью, поляризуется отрицательно при активировании плазмы, технология называется катодным распылением. Если к электрическому полю добавляют перпендикулярное магнитное поле, чтобы повысить плотность ионов в зоне, близкой к катоду, то говорят о магнетронном распылении. Можно упомянуть катодное распыление с керамической мишенью ITO на «планарном магнетроне», который наносит ITO на всю поверхность стекла. Параметры мощности магнетрона и скорости прохождения стекла позволяют зафиксировать сопротивление на квадрат и, следовательно, электрическое сопротивление между подводами по отношению к характеристикам напряжение/ток питания обогреваемого окна.

Можно также указать способ пиролитического нанесения тонкими слоями как технологию, согласно которой при помощи системы распыления напыляют смесь, состоящую из органической части и из минеральной части, на стекло, нагретое до температуры 500-700°С, в частности от 600 до 650°С, при этом органическая часть сгорает, а минеральная часть остается на стекле в виде тонкого слоя. При помощи такой технологии можно, в частности, наносить слой на основе SnO₂.

Тонкие слои можно также наносить путем вакуумного испарения при помощи эффекта Джоуля.

В наиболее часто встречающемся случае непрямоугольных окон подводы следуют геометрии окна и поэтому не являются параллельными. Сеть нагрева в этом случае должна иметь разные локальные зоны сопротивления, чтобы компенсировать колебания расстояния между подводами. Компания заявителя имеет средства расчета и изготовления неравномерных сетей, позволяющие реализовать сети любой формы и с равномерным рассеянием, то есть без холодных зон, которые находятся в острых углах окон. Для этого, в частности, выполняют кривые линии или линии с изгибами для разделения потоков с целью направления тока, причем эти линии выполняют путем травления обогреваемого тонкого слоя.

В случае трехфазного питания путем травления обогреваемого тонкого слоя выполняют также разделение нагревательной сети на три зоны при помощи травления линий разделения фаз.

Сборка/Автоклавирование/Отделка

Для завершения изготовления окна, лист А, содержащий обогреваемый тонкий слой с системой соединения при помощи металлической оплетки, приклеенной к подводам тока, соединяют с двумя другими стеклянными листами В и С при помощи термопластических промежуточных слоев, таких как ПВБ или ТПУ. Весь комплекс подвергают термической обработке в вакууме в автоклаве высокого давления при высокой температуре для получения готового многослойного изделия. Герметичность краев многослойного изделия обеспечивают путем нанесения периферического покрытия из защитных материалов типа полисульфида, нержавеющего материала ZED и наносимой литьем силиконовой прокладки, что позволяет устанавливать окно в конструкции самолета.

Если обогреваемый тонкий слой предусмотрен на листе В, такой слой наносят перед сборкой листов А, В, С.

Проблема заключается в том, что линии разделения потоков, которые выполняют с шириной 0,5 мм при помощи известных технологий в обогреваемых тонких слоях, видны через стекло, что уменьшает обзор и ухудшает внешний вид окна.

Для решения этой проблемы заявитель установил, что значения ширины линий потока можно уменьшить до такой степени, чтобы их нельзя было рассмотреть внутри окна невооруженным глазом, не ухудшая при этом хорошего направления потока, и такое уменьшение ширины становится возможным при использовании лазерной технологии, при этом дополнительным преимуществом является возможность увеличить количество этих невидимых разделительных линий, что позволяет улучшить защиту от запотевания и/или обледенения.

Таким образом, объектом настоящего изобретения является многослойное обогреваемое окно, типа окон, описанных в первом разделе настоящего изобретения, отличающееся тем, что ширину упомянутых линий разделения потока выбирают достаточно малой, чтобы их нельзя было рассмотреть невооруженным глазом в многослойном обогреваемом окне.

В частности, каждая из линий разделения потока имеет ширину от 0,1 до 0,2 мм.

Линии разделения потока выполняют, в частности, путем травления тонкого и проводящего слоя на глубине, которая может доходить до находящегося ниже смежного слоя. Если травление не выполняют по глубине до дна линии, то есть до подложки (стекла), то на этом дне остается слой небольшой толщины, который способствует лучшей равномерности нагрева.

Линии разделения потока могут быть сплошными линиями или прерывистыми линиями, например, линиями в виде пунктира, чтобы достичь лучшего компромисса между электрической изоляцией и непрерывностью.

Предпочтительно тонкий слой или, по меньшей мере, один тонкий слой, содержащий линии разделения потока, является слоем защиты от запотевания.

Предпочтительно линии разделения потока располагают в виде, по существу, параллельных линий, которые соединяются, по существу, под прямым углом с соответствующими двумя подводящими полосами и которые имеют кривизну или изгибы, когда две полосы или находящиеся друг против друга части полос образуют между собой угол.

В случае когда питание током является трехфазным питанием, три зоны нагрева ограничены двумя линиями разделения фаз, предпочтительно расположенными, по существу, параллельно линиям разделения потока и выполненными путем травления до находящегося внизу смежного слоя и имеющими ширину от 1 до 2 мм, при этом токоподводящие полосы выполнены с возможностью соединения звездой или треугольником.

Предпочтительно проводящий тонкий слой является слоем оксида олова или оксида индия, легированного оловом, или оксида олова, легированного фтором, при этом каждый из этих слоев, как правило, имеет толщину от 50 до 500 нанометров, или слоем серебра или золота, как правило, имеющим толщину от 50 до 200 нанометров.

Предпочтительно проводящий тонкий слой ограничен по своей периферии замкнутой линией, тоже выполненной путем травления, при этом упомянутая линия охватывает токоподводящие полосы и выполнена по глубине, достигающей находящегося ниже смежного слоя. Ширина этой периферической линии составляет от 1 до 4 мм.

Окно в соответствии с настоящим изобретением может также представлять собой окно для транспортного средства, в частности, боковое или лобовое окно для кабины самолета, отличающееся тем, что многослойная структура содержит, по меньшей мере, два конструктивных стеклянных листа (Листы В и С), предназначенные для крепления в продольном пазу транспортного средства и соединенные между собой первым промежуточным слоем из прозрачного пластического материала, по меньшей мере, один третий лист (Лист А), в частности, из стекла, не закрепленный в продольному пазу и соединенный с конструктивным стеклянным листом, обращенным наружу (Лист В), через второй промежуточный слой из пластического материала, при этом в толще окна выполнен проводящий тонкий слой.

Такое окно может содержать, по меньшей мере, один тонкий слой для защиты от запотевания, при этом каждый слой защиты от запотевания может находиться в следующих положениях:

- на листе В на стороне, обращенной наружу окна (сторона 3), или на стороне, обращенной внутрь окна (сторона 4);

- на листе С на стороне, обращенной наружу окна (сторона 5).

Такое окно может также содержать тонкий слой защиты от обледенения на листе А на стороне, обращенной внутрь окна (сторона 2).

Проводящий тонкий слой, как правило, наносят при помощи известных средств, описанных выше, на соответствующий слой стекла, который предпочтительно снабжают средствами подвода тока.

Упомянутые токоподводящие полосы могут быть расположены между слоями окна, которые содержат между собой проводящий тонкий слой.

Окно в соответствии с настоящим изобретением может также содержать, по меньшей мере, один функциональный тонкий слой, отличный от обогреваемого слоя, например, солнцезащитный слой или электрохромный слой, при этом несколько из этих функциональных тонких слоев могут быть выполнены в виде наложенных друг на друга слоев. В некоторых случаях, например в случае лобового окна кабины самолета, можно выполнять слой ITO для защиты от обледенения на листе А и слой для защиты от запотевания на листе В.

Объектом настоящего изобретения является также способ изготовления окна, описанного выше, согласно которому осуществляют соединение листов прозрачной подложки при помощи промежуточных слоев из прозрачного пластического материала, при этом, по меньшей мере, на один из этих листов наносят прозрачный проводящий тонкий слой, содержащий линии разделения потока и средства подвода тока, отличающийся тем, что линии разделения потока выполняют путем абляции облучением ИАГ-лазером, таким как импульсный неодимовый ИАГ-лазер, лямбда 1064 нм, с мощностью накачки 20 Вт и с пиковой мощностью от 2,8 до 110 кВт.

Предпочтительно одновременно с линиями разделения потока выполняют линию, ограничивающую периферию проводящего слоя, и в случае трехфазного питания - линии разделения фаз.

Настоящее изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания частного варианта выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - частичный вид в продольном разрезе многослойного обогреваемого окна для кабины самолета в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.2 - схематичный вид спереди многослойного обогреваемого окна в соответствии с настоящим изобретением с однофазным питанием.

Фиг.3А и 3В - схематичный вид спереди многослойного обогреваемого окна в соответствии с настоящим изобретением с трехфазным питанием, соответственно с соединением звездой и треугольником.

Как известно, обогреваемое окно 1 для кабины самолета, показанное на Фиг.1, содержит два конструктивных стеклянных листа 2, 3, которые соединены между собой через промежуточный слой 4 из прозрачного термопластического материала, такого как ПВБ или ТПУ.

Стеклянный лист 3, обращенный наружу кабины, имеет большую площадь, чем стеклянный лист 2. Его наружную сторону накрывают третьим стеклянным листом 5 через второй промежуточный слой 6, тоже из прозрачного термопластического материала, такого как ПВБ или ТПУ.

Лист 5 является закаленным листом или химически усиленным листом.

Лист 5 и промежуточный слой 6 имеют меньшую площадь по сравнению с конструктивным стеклянным листом 3. Таким образом, на листах 2 и 3 образуется выступающий периферический бортик 7, при помощи которого окно можно закрепить в не показанном на чертеже продольном пазу кабины.

Вокруг упомянутого бортика 7 крепят первую кольцевую прокладку 8 из силикона или фторсиликона. Прокладка 8 имеет профиль общей U-образной формы, содержащей две полки 8а и 8b, соединенные между собой дном 8с. Полка 8а прижимается к внутренней стенке стеклянного листа 2, при этом между ними устанавливают объемную вставку 9 из алюминия.

Дно 8с имеет переменную толщину с учетом того, что лист 2 имеет меньшую площадь, чем лист 3.

Между полкой 8b и наружной стороной стеклянного листа 3 устанавливают вторую кольцевую прокладку 10, которая имеет форму кольца, прижимающегося к краю листов 5 и 6, и которая вдоль одного из своих краев содержит уголковый загиб 10а, направленный наружу, зажатый между листом 3 и полкой 8b прокладки 8, а вдоль другого края - уголковый загиб 10b, направленный внутрь, прижимающийся к наружной стороне наружного стеклянного листа 5.

Прокладка 10 усилена металлической полосой 10с, имеющей такой же профиль, как прокладка 10, и погруженной в эту прокладку.

Между наружным стеклянным листом 5 и промежуточным слоем 6 выполнена электропроводящая пленка или обогреваемый проводящий тонкий слой 11. Электропроводящая пленка 11 является прозрачной и может быть выполнена из оксида индия, легированного оловом, или из оксида олова, легированного фтором. Она имеет толщину от 50 нм до 500 нм. Электропроводящая пленка 11 соединена с двумя токоподводящими полосами или коллекторами 12. Эти полосы 12 соединены с источником тока, внешним по отношению к окну. Полосы 12 на Фиг.1 показаны в той же плоскости, что и электропроводящая пленка 11, однако они могут быть также вынесены на другие слои окна. Электропроводящая пленка 11 и токоподводящие полосы 12 отделены от внутреннего конструктивного стеклянного листа 2 материалом относительно большой толщины. Отсюда следует, что, если происходит сбой в регулировании температуры окна и, как следствие, появляются короткие замыкания и локальный перегрев, это может привести к повреждению элементов окна, которые находятся в контакте с проводящей пленкой 11, но ни в коем случае не в контакте с внутренним стеклянным листом 2. Поврежденное таким образом окно может выдерживать разницу давления между наружной средой и внутренней средой.

Согласно настоящему изобретению, линии 13 разделения потока, по существу, параллельные между собой, предназначенные для направления силы тока, выполнены путем травления лазером в слое 11. Это травление выполняют, по существу, по ширине порядка 0,1-0,2 мм и на части или по всей толщине обогреваемого проводящего слоя. Эти линии могут быть выполнены травлением непрерывными, как было указано выше.

Такие линии разделения тока, которые в действительности являются невидимыми, показаны кривыми 13 на Фиг.2 и 3А, 3В. На этих чертежах показаны многослойные обогреваемые окна типа окон, выпускаемых для задних боковых окон самолетов Airbus, соответственно А300-340 и А380, при этом окно на Фиг.3А, 3В показано в меньшем масштабе, чем окно на Фиг.2.

Окно, показанное на Фиг.2, с питанием от однофазного тока имеет пятиугольную форму и в положении монтажа содержит горизонтальный нижний край, два вертикальных боковых края с противоположными токоподводящими полосами 12, выполненными вдоль нижнего горизонтального края и вдоль противоположного края, который имеет вид ломаной линии.

Окно, показанное на Фиг.3А, 3В, с питанием от трехфазного тока, имеет общую форму прямоугольной трапеции с закругленными краями, при этом два основания трапеции расположены по высоте окна в положении монтажа. Как было указано выше, вдоль краев двух остальных сторон выполнены два коллектора 12.

В обоих случаях линии 13 разделения потока сопрягаются, по существу, под прямым углом с полосой 12 и выполнены таким образом, чтобы вне их зон сопряжения с полосами 12 они были расположены параллельно сторонам, не содержащим полосы; отсюда следует, что они имеют форму с кривизной (Фиг.2) или с изгибами (Фиг.3А, 3В), при этом их траектория является точной и рассчитывается специалистами, как было указано выше.

Поскольку окна, показанные на Фиг.3А, 3В, питаются трехфазным током, слой 11 содержит также две линии 14 разделения фаз вместо двух линий разделения потока, тоже выполненные путем травления или абляции лазером по всей толщине слоя 11, но по ширине от 0,5 до 2 мм, чтобы избежать любой возможности короткого замыкания между двумя фазами при высокой разности потенциалов, тогда как две линии разделения потока в одной фазе, где нет опасности короткого замыкания по причине низкой разности потенциалов, имеют ширину от 0,1 до 0,2 мм.

Во втором случае обе линии, верхняя и нижняя, являются прерывистыми, образуя соответственно полосу 12₁ и элемент 12₂ полосы, а также другой элемент 12₃ полосы и элемент 12₂ полосы, при этом каждая полоса 12₁, 12₂ и 12₃ соединена соответственно с фазами Р₁, Р₂ и Р₃.

Во всех описанных случаях слой 11 по своей периферии ограничен замкнутой линией 15, тоже выполненной путем травления до нижнего смежного слоя и по ширине 1-4 мм, при этом боковые части линии 12, по существу, параллельны линиям 13 разделения потока, а верхний и нижний края параллельны краям окна. Линия 15 охватывает полосы 12.

Изготовление описанных выше окон соответствует изготовлению, описанному во вступительной части настоящего описания, за исключением того, что линии 13 потока очень малых размеров выполняют способом абляции облучением при помощи импульсного неодимового ИАГ-лазера марки Trumpf, лямбда 1064 нм, с системой сканирования, которая позволяет получить любой рисунок (окружность диаметром 0,5 мм, 1, 2 или 4 мм…). Этот рисунок направляется затем на окна по точной траектории при помощи роботизированного манипулятора (марки KUKA). Соответствующие программы (траектории) загружаются в робот согласно прямоугольной системе координат. Таким образом, достаточно воссоздать эту систему координат перед лазерной обработкой стекла: подводы тока служат хорошим ориентиром на окне/обогреваемой зоне. Средняя мощность лазера для абляции ITO составляет 3,8 Вт, пиковая мощность составляет примерно 18 кВт.