ЭЛЕКТРОНАГРЕВАЕМОЕ БРОНИРОВАННОЕ СТЕКЛО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 2024 года по МПК B32B7/02 

Предлагаемое изобретение относится к транспортной технике и может быть использовано в наземной, плавательной, летательной технике, а также в качестве защитных стекол для оптических наблюдательных приборов беспилотных летательных аппаратов.

Известно бронированное лобовое стекло транспортного средства, имеющее в своем составе многослойные боросиликатные стекла на основе окислов кремния SiO₂ и бора В₂О₃ с содержанием окислов щелочных и щелочноземельных металлов, соединенные прозрачными полимерными пленками [1. Шипилов, В.В. Тенденции развития зарубежной военной автомобильной техники. Книга 2.: - Москва: 21 НИИИ AT МО РФ, 2008. - С. 47. 2. ООО "Стеклолюкс. Пулестойкое стекло. - URL: https://www. steklolux.ru/bronesteklo].

Недостатком известного бронированного лобового стекла является необходимость внешних источников тепловой энергии для его нагрева, в частности для поддува теплого воздуха.

Известно смотровое стекло транспортного средства, имеющее в своем составе многослойные боросиликатные стекла на основе окислов кремния SiO₂ и бора B₂O₃ с содержанием окислов щелочных и щелочноземельных металлов, соединенные прозрачными полимерными пленками, содержащее встроенные электрические проводники, монтажную рамку по периметру [3. ООО "Стеклолюкс. Стекло с подогревом. - URL: https://www.steklolux.ru /glavnaya/uslugi/steklo-s-podogrevom].

Известное стекло нагревают пропусканием электрического тока через встроенные проводники.

Встроенные проводники нарушают сплошность картины наблюдаемого пространства и снижают механическую прочность стекла вследствие образования механической напряженности и температурного градиента на границе «проводник-стекло». Вследствие этого такие стекла в качестве переднего (лобового) основного смотрового стекла не используют, а применяют в качестве заднего смотрового стекла.

Для применения нагреваемых стекол в качестве лобового стекла с встроенными проводниками диаметр встраиваемых нагревательных проводников уменьшают до слабой заметности невооруженным глазом.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является стекло транспортного средства, имеющее в своем составе многослойные боросиликатные стекла на основе окислов кремния SiO₂ и бора В₂О₃ с содержанием окислов щелочных и щелочноземельных металлов, соединенные прозрачными полимерными пленками, содержащее встроенные электрические проводники, монтажную рамку по периметру [4. Автомобиль Chery Tiggo 7 promax. Инструкция по эксплуатации. - URL:https://www.cherv.ru/ T1EFL 20ОМ20 Russion-RU-20220930_7530485749366006065.pdf. 5. Tiggo 7 promax. Руководство по эксплуатации. - Москва: 2023].

Известное электронагреваемое стекло транспортного средства нагревают пропусканием электрического тока через встроенные проводники.

Для повышения средней прозрачности стекла используют нагревающие проводники малых диаметров. Однако, чем тоньше проводники, тем больше механическая напряженность на границе контакта «проводник-стекло» и меньше прочность стекла. Ввиду малого диаметра и большой кривизны контактной поверхности границы раздела «проводник - стекло» в прилегающей области стекла создается большая механическая напряженность и большой градиент температуры при нагреве, увеличивающиеся с уменьшением диаметра проводников.

Недостатком известного электронагреваемого стекла является низкая его механическая прочность вследствие больших градиентов температуры и механической напряженности в стекле.

Техническое решение направлено на повышение прочности электронагреваемого бронированного стекла уменьшением температурного градиента и механической напряженности на границах «проводник - стекло»

Технический результат достигается тем, что электронагреваемое бронированное стекло транспортного средства, имеющее в своем составе многослойные боросиликатные стекла на основе окислов кремния SiO₂ и бора В₂О₃ с содержанием окислов щелочных и щелочноземельных металлов, соединенные прозрачными полимерными пленками, содержащее встроенные электрические проводники, монтажную рамку по периметру, при этом проводники выполнены в виде многослойных изолированных полос электропроводящих прозрачных пленок нестехиометричных окислов олова с избыточным содержанием атомов олова и дополнительно содержит общий электрический токоотвод полос, индивидуальные токоподводы полос, микропроцессор управления токами полос, соединенный с токоподводами, электрические клеммы питания, соединенные к общему электрическому токоотводу и к микропроцессору, микросистемные датчики освещенности, влажности и температуры, расположенные на поверхности стекла, и соединенные с управляющими входами микропроцессора.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в формировании на внутренней поверхности одного из слоев боросиликатного стекла многослойных тонких прозрачных проводящих полосовых пленок из нестехиометричных окислов олова.

На фиг. 1 приведена функциональная схема электронагреваемого бронированного стекла транспортного средства (далее - электронагреваемое стекло).

На фиг. 2 приведена схема слоевой структуры электронагреваемого бронированного стекла транспортного средства на примере трехслойной структуры.

На фиг. 3 приведена схема поперечного сечения слоевой структуры проводящей прозрачной нагревательной полосы электронагреваемого бронированного стекла транспортного средства.

Электронагреваемое стекло (фиг. 1, фиг. 2) содержит многослойные боросиликатные стекла: наружный слой 15 с наружной нагреваемой поверхностью 16, средний слой 19 и внутренний слой 21 с внутренней нагреваемой поверхностью 22 (фиг. 2) на основе окислов кремния SiO₂ и бора B₂O₃ с содержанием окислов щелочных и щелочноземельных металлов, прозрачные полимерные пленки 17, 18, 20, расположенные между боросиликатными стеклами 15, 19 и 19, 21, и прозрачные пленочные полосовые нагреватели 1 (фиг. 1, 2 и 3), встроенные между наружным 15 и средним 19 слоями боросиликатного стекла, для лучшего нагрева наружной поверхности 16 стекла. Его внутренняя поверхность 22 (фиг. 2) имеет внешний дополнительный нагрев атмосферой кабины транспортного средства.

Нагревательная полоса 1 (фиг. 3) содержит чередующиеся тонкие (0.1 мкм) прозрачные проводящие слои 23 нестехиометричных окислов олова и прозрачные изолирующие слои 24 толщиной до 0.1 мкм стехиометричных окислов олова (кремния, алюминия) или оксинитрида кремния.

Каждая нагревательная полоса 1 содержит 10-20 проводящих слоев 23. Ширина полос 1 может составлять от десятков микрон до сантиметров. Длина полос 1, расположенных в вертикальном направлении на нагреваемом лобовом стекле, определяется шириной нагреваемого стекла и нагреваемым полем. Длина изолирующих слоев 24 меньше длин проводящих слоев 23, конечные участки 13 (фиг. 2 и 3) которых размером 5-10 мм налагаются и замыкаются электрически друг на друга.

На концах 13 полос 1 все проводящие пленки 23 многослойной структуры соединяются параллельно. На верхние концевые участки нагревательных полос 1 наносятся индивидуальные токоподводящие пленки 2, соединяемые с силовыми транзисторами микропроцессора 5 (фиг. 1). На нижние концевые участки 13 полос 1 наносится один общий токоотвод 14, соединяющий параллельно все нагревательные полосы 1 и соединенный к отрицательной клемме питания 12. Микропроцессор 5 содержит силовые транзисторы, соединенные проводниками 2 с нагревательными полосами 1 по схеме с общим эмиттером, управляемый стабилизатор тока, соединенный к силовым транзисторам и управляющий процессор, соединенный выходами с базами силовых транзисторов и стабилизатора тока. Микропроцессор 5 содержит разъем с контактами, соединяемый с основным процессором транспортного средства.

Электронагреваемое бронированное стекло содержит микросистемные датчики 7, 8, 9 освещенности, влажности и температуры соответственно, соединенные с управляющими входами микропроцессора 5, сенсорный регулятор тока 10 со светодиодным индикатором 11 относительной величины тока нагрева, установленный на внутренней поверхности 23 нагреваемого стекла и соединенный с управляющим входом микропроцессора 5, независимым от управляющих входов для датчиков 7, 8, 9. Положительная клемма питания 6 соединена с источником бортового питания через выключатель, расположенный на приборной доске транспортного средства.

Описание работы электронагреваемого бронированного стекла транспортного средства с технологией изготовления и тепловым расчетом.

Изготовление проводящих слоев нагревательных полос 1 с чередующимися прозрачными проводящими 23 и непроводящими 24 слоями может осуществляться поочередным нанесением проводящих и непроводящих слоев методами планарных технологий. Проводящие слои 23 окисла олова с избыточными атомами олова осуществляется методом осаждения окисла из паровой фазы с использованием реакции термического разложения окиси олова в замкнутой технологической камере SnO=SnO₂+Sn при температуре 350-400°С и осаждения продуктов разложения из паровой фазы на рабочую поверхность. Пленка SnO₂+Sn при толщине меньше 0.2 мкм остается прозрачной и оказывается проводящей.

Проводимость пленки задается концентрацией свободных атомов олова и регулируется температурой осаждения и режимом окисления нагретой пленки либо в процессе, либо по окончании осаждения нужной толщины. Прозрачные непроводящие пленки окислов олова, или кремния, или оксинитрида кремния Si₃O_xN_4-x наносятся известными планарными технологиями.

В качестве непроводящей пленки 24 предпочтительнее наносить оксинитрид кремния, в которую не диффундирует олово и в которой не образуется центров окраски при закалке бронированного стекла, снижающие прозрачность пленок. Промежуточные непроводящие слои 24 нужны для разделения проводящей пленки на тонкие пленки, обеспечивающие в сумме прозрачность значительно выше, чем сплошная пленка эквивалентной толщины.

Из экспериментов по осаждению прозрачных проводящих пленок 23 окиси олова следует, что полосы с геометрией (1x100 см²) можно получать с сопротивлением до 50 Ом и менее. Нанесение полос осуществляется через маски. По окончании нанесения промежутки 17 между нагревательными полосами 1 заполняются полимерной массой для выравнивания рельефа, хорошей адгезии пленки 18 и предотвращения возникновения механической напряженности.

Прим.: Технология нанесения прозрачных проводящих пленок широко использовалась в практике изготовления стеклянных экспериментальных и промышленных вакуумных электронных приборов для отвода зарядов со стеклянных поверхностей и формирования электрических полей заданной конфигурации.

Нагрев стекла осуществляется следующим образом. Выключателем на приборной доске подается на клеммы 6 и 12 напряжение питания бортовой сети. Напряжение поступает на микропроцессор 5 и регулятор тока 10 нагревательных полос 1. От микропроцессора 5 ток подается на нагревательные полосы 1 через нагревательные пленки 2 и замыкается на отрицательную клемму 1 через концевые контакты 13 полос 1 и общую для всех полос 1 токоотводящую пленку 14. В нагревательных полосах ток проходит через проводящие пленки 23 (фиг. 3), изолированные друг от друга непроводящими прозрачными пленками 24 и запараллеленными контактами 13.

Сенсорным регулятором 10 устанавливается величина тока нагревательных полос 1, отображаемая световым индикатором 11 на регуляторе 10 в относительных единицах. Нагревающиеся полосы 1 с локализацией между средним 15 и наружным 19 слоями боросиликатных стекол интенсивнее нагревают наружную поверхность 16 (фиг. 2). Теплопередача на наружную поверхность 16 определяется теплопроводностью и толщиной первого слоя 15 боросиликатного стекла. Теплоперенос к внутренней поверхности 22 определяется толщинами среднего 15 внутреннего 21 слоев боросиликатных стекол и промежуточных полимерных пленок 18, 20, их теплопроводностями и коэффициентами теплопередачи всех границ раздела. Уже при трех слоях боросиликатных стекол 15, 19, 21 и двух слоях полимерных пленок 18, 20 с уплотнительных пленок 17 теплопередача на наружную поверхность 16 происходит в 3-4 раза больше, чем на внутреннюю поверхность 22. При этом разница температур снаружи в кабине транспортного средства выравнивают температуры наружной 16 и внутренней 22 поверхностей нагреваемого стекла в целом. Микросистемные датчики освещенности, влажности и температуры 7, 8, 9 управляют величиной и включением тока в зависимости от внешних условий по заложенному алгоритму.

Подводимая мощность Р для нагрева определяется величинами напряжения и тока питания. При фиксированном напряжении питания бортовой сети U_бc=12 или 24 В мощность определяется общим суммарным сопротивлением R_oбщ всех проводящих нагревательных полос Р=U_6c²/R_общ.

При толщине одного проводящего слоя окиси олова 0.2 мкм, ширине слоя 10 мм и 10 слоях в одной нагревательной полосе, сечение проводящей полосы составляет 0.2⋅10^-4⋅10⋅10=2⋅10^{-2 м}м².

При сопротивлении одной полосы 1, равном 100 Ом, и напряжении питания бортовой сети U=24 В ток одной полосы 1 составит I₁=0.24 А.

При этом плотность тока по проводящему сечению составит j=12 А/мм, величину вполне допустимую. Она может быть уменьшена нанесением 20 слоев в одной полосе в два раза. Рассеиваемая мощность в одной полосе составит P₁=UI₁=24⋅0.24=5.74 Вт. Полная мощность при длине нагреваемого лобового стекла 1.5 м и минимальном количестве полос n=100 полная подводимая мощность к стеклу и, соответственно, рассеиваемая мощность равна Р=P₁n=5.74⋅100=574 Вт (мощности бытовой электроплитки). Такая мощность обеспечивает поддержание рабочего состояния любого стекла транспортного средства в условиях северных широт. Для поддержания прозрачности стекла в условиях тумана и конденсации пара при большой влажности мощность может быть снижена в 5-10 раз.

Из сравнительного анализа практических примеров очевидно, что 500 Вт мощности, распределенной на площади ≈ 1-1.5 м, вполне достаточно для нагрева стекла более чем на 60°С. Отсюда следует, что предлагаемое изобретение может быть использовано для транспортных средств, эксплуатируемых в условиях Крайнего Севера и в летательных аппаратах при низких температурах.

Сопоставительный анализ с аналогом и прототипом показал, что отсутствие резких геометрических неровностей и градиентов температуры в сравнении с тонкими проволоками в стекле (в сравнении с прототипом) сохраняет броневую прочность стекла, имеющуюся в отсутствии нагревательных элементов.

При этом сохраняется также прозрачность стекла. При толщинах проводящих пленок меньше половины длины волны видимого диапазона света стекло остается прозрачным, а разделенные непроводящими прозрачными пленками проводящие пленки сохраняют общую прозрачность электронагреваемого бронированного стекла, сопоставимой по величине с прозрачностью одного проводящего слоя.

Предлагаемое изобретение относится к электронагреваемому бронированному стеклу и может быть использовано в наземной, плавательной, летательной технике, а также в качестве защитных стекол для оптических наблюдательных приборов беспилотных летательных аппаратов. Техническое решение направлено на повышение прочности бронированного стекла уменьшением температурного градиента и механической напряженности на границах «проводник - стекло». Электронагреваемое бронированное стекло транспортного средства, имеющее в своем составе многослойные боросиликатные стекла на основе окислов кремния SiO₂ и бора В₂О₃ с содержанием окислов щелочных и щелочноземельных металлов, соединенные прозрачными полимерными пленками, содержит встроенные электрические проводники, монтажную рамку по периметру, проводники выполнены в виде многослойных изолированных полос электропроводящих прозрачных пленок нестехиометричных окислов олова с избыточным содержанием атомов олова, и дополнительно содержит общий электрический токоотвод полос, индивидуальные токоподводы полос, микропроцессор управления токами полос соединен с токоподводами. Электрические клеммы питания подсоединены к общему электрическому токоотводу и к микропроцессору. Микросистемные датчики освещенности, влажности и температуры расположены на поверхности стекла и соединены с управляющими входами микропроцессора. 3 ил.

Электронагреваемое бронированное стекло транспортного средства, имеющее в своем составе многослойные боросиликатные стекла на основе окислов кремния SiO₂ и бора В₂О₃ с содержанием окислов щелочных и щелочноземельных металлов, соединенные прозрачными полимерными пленками, содержащее встроенные электрические проводники, монтажную рамку по периметру, отличающееся тем, что проводники выполнены в виде многослойных изолированных полос электропроводящих прозрачных пленок нестехиометричных окислов олова с избыточным содержанием атомов олова и дополнительно содержит общий электрический токоотвод полос, индивидуальные токоподводы полос, микропроцессор управления токами полос, соединенный с токоподводами, электрические клеммы питания, присоединенные к общему электрическому токоотводу и к микропроцессору, микросистемные датчики освещенности, влажности и температуры, расположенные на поверхности стекла и соединенные с управляющими входами микропроцессора.