BR112016028408B1 - Vidraça laminada para automóveis - Google Patents

Abstract

VIDRAÇA COMPREENDENDO UM FILME DE CRISTAIS LÍQUIDOS. A invenção se refere a uma vidraça laminada para automóveis compreendendo um filme PDLC alimentado eletricamente por uma corrente alternada de frequência inferior a 100 Hz, variando a tensão de forma não sinusoidal, e não ultrapassando a tensão máxima «eficaz» (RMS) os 80 V nem de preferência os 50 V.

Description

[001] A invenção se refere a vidraças para automóveis que possuem um filme de cristais líquidos e, mais particularmente, a filmes poliméricos nos quais os cristais líquidos estão dispersos (PDLC, do inglês "polymer dispersed liquid cristals" = cristais líquidos dispersos em polímeros). A utilização destes filmes se destina a modificar as características óticas de uma vidraça por meio de um comando elétrico. De modo mais preciso, esta utilização tem por objetivo passar de um estado no qual a vidraça apresenta uma difusão praticamente completa da luz incidente, para um estado em que esta difusão é tão reduzida quanto possível. Esta mudança de estado é controlada respetivamente pela ausência de um campo elétrico no primeiro caso e pela aplicação do campo elétrico no segundo caso.

[002] Publicações relatam em especial a implementação destas vidraças, nomeadamente para tetos de automóveis. É o caso, por exemplo, do pedido não publicado PCT/EP2014/05994, depositado a 28.2.2014. Na aplicação visada neste pedido, são necessárias várias restrições, algumas das quais são específicas do domínio automóvel. Entre estas restrições, figuram as condições relativas ao controle elétrico destes filmes.

[003] Nas aplicações mais tradicionais relativas por exemplo à formação de divisórias que atuam como cortinas nos edifícios, os meios utilizados para estes comandos elétricos podem ser adaptados sem muita dificuldade. Trata-se, por exemplo, da escolha da tensão necessária, ou da energia consumida. A ligação à rede de abastecimento oferece uma certa flexibilidade mesmo que dispositivos sejam necessários para selecionar as melhores condições.

[004] A implementação no domínio das vidraças automóveis exige alimentações que não estão normalmente presentes. É necessário, nomeadamente, alimentar os elétrodos do filme a uma tensão de várias dezenas de volts. Geralmente, os veículos automóveis, quando não se trata de veículos comerciais grandes, dispõem de uma alimentação contínua na ordem dos 12 a 14 volts. Convém, por conseguinte, converter esta alimentação de modo a produzir as condições necessárias para a implementação dos filmes de cristais líquidos. Da mesma forma, a alimentação é necessariamente em corrente alternada, mais uma vez com frequências variáveis. A presença de corrente alternada é necessária para não alterar as propriedades dos filmes no decorrer da sua utilização, por meio de uma modificação da dispersão necessária destes cristais no polímero. A implementação destes filmes requer assim, necessariamente, a utilização de conversores DC/AC.

[005] Para além destas condições básicas, o fato do veículo ter de funcionar de forma autônoma, e a multiplicação dos elementos funcionais que necessitam de uma alimentação elétrica, exige que estes produtos consumam apenas um mínimo de energia, embora esta, considerada isoladamente, continue a ser relativamente modesta. A alimentação deve ser também de dimensões tão pequenas quanto possível e deve ser mantida por um resfriamento adequado a uma temperatura pouco elevada. Tudo isto conduz, por conseguinte, à pesquisa de um funcionamento com uma energia tão limitada quanto possível.

[006] As condições de alimentação dos filmes de cristais líquidos são primeiramente controladas pela natureza dos produtos implementados. A escolha destes últimos é função das propriedades óticas requeridas. Consequentemente, as possibilidades de fazer variar estas condições são limitadas. Os melhores desempenhos para a utilização automóvel residem na importância da variação da difusão entre os dois estados extremos, e sobretudo no valor da difusão no estado ativo. Esta, para satisfazer as solicitações dos construtores, deveria ser praticamente inexistente. Na prática, nas aplicações de divisórias em edifícios, se constata uma difusão residual que se situa à volta dos 810%. Para as aplicações automóveis esta difusão deve de preferência ser inferior a 5%, e vantajosamente inferior a 3%.

[007] Como indicado no pedido anterior acima mencionado, a difusão residual é em parte função da tensão aplicada. Mas esta não pode ser aumentada sem limites. Para além de um determinado limiar, o risco de « degradação » do filme se torna significativo. Para evitar este inconveniente, a tensão aplicada é necessariamente limitada. Para os filmes de espessura satisfatória, ou seja, aqueles que permitem uma difusão residual tão fraca quanto possível por um lado, e por outro lado uma difusão muito relevante no estado não ativado de modo a constituir um verdadeiro efeito de «cortina» que assegure o aspeto privado que se procura, a tensão aplicada não ultrapassa normalmente os 220 V, e se estabelece mais frequentemente em torno de 70 Vrms.

[008] A escolha da frequência é controlada pelos tempos de resposta do filme. Esta é tal que o observador não se aperceba da alternância relacionada com esta frequência. A persistência da visão leva à utilização de uma frequência que não é inferior a 20 Hz nem vantajosamente inferior a 25 Hz. Nas aplicações mais usuais, a escolha é uma frequência bem superior, na ordem dos 100 Hz ou mais.

[009] Nas aplicações tradicionais, para além disso, os conversores utilizados geravam uma variação de tensão sensivelmente sinusoidal.

[0010] É também bem sabido que os filmes PDLC são sensíveis à temperatura. Quando ela aumenta, o efeito do campo elétrico tende a se atenuar. Os cristais se orientam menos facilmente porque se tornam mais móveis. Para manter o mesmo efeito, a energia fornecida ao filme deve ser aumentada. Para além de um certo limite, já não é possível compensar a perda de resposta do filme por meio de um aumento da energia. Para a maioria dos filmes PDLC, a temperatura a partir da qual a difusão é radicalmente reduzida quando o filme é submetido ao campo elétrico, se situa em torno de 60 a 80 °C. Se a temperatura for reduzida, o filme recupera as suas propriedades iniciais. A temperaturas mais elevadas, na ordem dos 110-120 °C, a alteração do filme pode se tornar irreversível. Os construtores querem conservar a transição adequada até uma temperatura de pelo menos 50 °C e de preferência de pelo menos 60 °C, para refletir o aquecimento natural ao qual as vidraças automóveis estão expostas.

[0011] As diferentes restrições expostas acima deixam uma margem limitada para a melhoria das condições de implementação. Os inventores procuraram, contudo, otimizar os desempenhos e em especial o consumo energético da utilização dos filmes PDLC nas vidraças automóveis. A solução proposta é tal como especificada na reivindicação 1. Eles mostraram deste modo que a escolha de uma tensão que não segue uma senoide permitia obter um efeito ótico similar com uma energia menos elevada.

[0012] A criação de uma tensão não sinusoidal, nomeadamente trapezoidal ou quadrada, que segue uma frequência de base F, pode se analisar em um conjunto compreendendo as frequências harmônicas superiores 2F, 3F Uma escolha de frequência de base apropriada permite também evitar as possíveis interferências com fontes luminosas do tipo néon, cuja frequência mais usual é de 50 Hz.

[0013] De preferência, de acordo com a invenção, a tensão varia segundo um modo trapezoidal. O seguimento de um modo «quadrado» leva a uma variação instantânea da intensidade que conduz a um pico extremamente acentuado no início de cada período. Uma variação de potencial mais progressiva permite minimizar o pico de intensidade como indicado nos exemplos que se seguem.

[0014] Para as frequências escolhidas de acordo com a invenção, o tempo de aumento da tensão está vantajosamente compreendido entre 0,5 e 2 milissegundos.

[0015] A diminuição da energia necessária afeta o funcionamento do filme PDLC, mas também os conversores que dissipam em calor cerca de um quarto da energia total. Esta diminuição conduz assim a um ganho sensível.

[0016] A escolha de uma tensão rms limitada conduz também a uma tensão máxima menor. De acordo com a invenção, a tensão preferencial não é superior a 55 Vrms, nem de forma particularmente preferida 50 Vrms. Ao se limitar a tensão, as restrições de segurança fixadas nas normas automóveis são para além disso mais facilmente respeitadas.

[0017] Os inventores também mostraram que a limitação da frequência é um fator que permite reduzir o consumo energético. Contudo, para manter uma percepção contínua, a frequência não é inferior a 20 Hz nem de preferência inferior a 25 Hz.

[0018] De acordo com a invenção, a frequência é vantajosamente no máximo igual a 50 Hz, mas devido às possíveis interferências anteriormente indicadas, é preferível não se escolher precisamente o valor de 50 Hz.

[0019] Nas condições indicadas, a energia dissipada no filme no estado ativado, com uma difusão residual que não é superior a 5% nem vantajosamente superior a 3%, pode ser limitada a um valor que não exceda 10 W por metro quadrado de filme, e que pode ser vantajosamente inferior a 5 W por metro quadrado.

[0020] Se as condições forem bem definidas como indicado acima, e se a escolha do filme for apropriada, a implementação de um filme PDLC de acordo com a invenção permite manter a difusão no estado ativado em valores muito reduzidos aí compreendidos quando a temperatura for superior à temperatura ambiente, sem exceder 50 ou mesmo 60 °C.

[0021] A invenção é descrita a seguir fazendo-se referência às figuras, em que: - a figura 1 representa em vista explodida esquemática uma vidraça compreendendo um filme PDLC; - a figura 2 representa a vidraça da figura 1 montada, em corte esquemático; - a figura 3 é um gráfico que ilustra as variações da proporção de luz difusa («haze») na transmissão total, direta e difusa, tal como definido na norma ASTM 1003, em função da temperatura no estado não ativado; - a figura 4 é análoga à figura 3, estando o filme ativado; - a figura 5 apresenta para três amostras distintas, a evolução da transmissão direta TL no estado não ativado em função da temperatura; - a figura 6 ilustra um modo de sinal de tensão tradicional e um modo de acordo com a invenção; - a figura 7 mostra de forma comparativa a difusão residual no modo ativado nas condições tradicionais e de acordo com a invenção; - a figura 8, como a figura 7, mostra de forma comparativa a transmissão total para o modo ativado; - a figura 9 mostra o impacto de diferentes tensões eficazes na difusão residual para sinais trapezoidais.

[0022] A vidraça representada nas figuras 1 e 2, se destina a entrar na composição do teto de um automóvel. A escolha desta utilização leva a reduzir sensivelmente a transmissão luminosa em todas as circunstâncias, esteja ou não o filme PDLC ativado. Por esta razão, o conjunto constituído pelas folhas de vidro e camadas intercalares reduz a transmissão drasticamente.

[0023] No exemplo escolhido, a vidraça compreende duas folhas de vidro 1 e 2. A folha 1 é em vidro claro para minimizar a absorção dos infravermelhos solares por parte da mesma. É revestida na sua face virada para as camadas intercalares com um conjunto de camadas que refletem seletivamente os infravermelhos, denominado 6 na figura 2. No exemplo escolhido, se trata de um conjunto que compreende três camadas de prata com camadas dielétricas a separar estas camadas metálicas. O sistema de camadas é do tipo descrito na publicação WO 2005/00348.

[0024] A proporção de energia incidente que atravessa o sistema de camadas é assim limitada a cerca de metade. Através da combinação da folha de vidro claro e das camadas refletoras se limita o aquecimento da vidraça, e, por conseguinte, do filme PDLC quando ele é exposto à radiação solar.

[0025] Sob a folha de vidro 1 revestida com camadas refletoras, uma primeira folha 3 intercalar, de PVB cinzento, está em contato com o filme PDLC 4. O próprio filme é inserido numa moldura 5 constituída por uma folha de PVB na qual é fornecida a carcaça que recebe o filme 4. Uma outra folha de PVB 3' está em contato com a segunda face do filme 4.

[0026] As folhas intercalares e o filme 4 têm cada um uma espessura de 0,38 mm.

[0027] A segunda folha de vidro é em vidro cinzento fortemente absorvente. Cada folha de vidro apresenta uma espessura de 2,1 mm.

[0028] O conjunto das folhas de vidro e das camadas intercalares (na ausência de filme PDLC) apresenta uma transmissão luminosa de 7-8%. A presença do filme PDLC permite modificar esta transmissão luminosa sob a forma difundida ou transmitida, como indicado a seguir.

[0029] Para os ensaios relatados, o filme PDLC provém da empresa «Innoptec». Este filme, como a maior parte dos filmes deste tipo provenientes de outros fornecedores, é constituído por uma matriz polimérica contendo cristais líquidos. Esta matriz é revestida em cada uma das suas faces com elétrodos constituídos por folhas de PET (polietilenotereftalato), revestidas com uma camada de óxido condutor (ITO).

[0030] Os construtores exigem em primeiro lugar vidraças comportando um filme PDLC que respondam ao seu pedido de propriedades óticas. Para isto, no estado não ativado a vidraça deve difundir praticamente a totalidade da luz visível que atravessa a vidraça. A difusão é a medida de acordo com a norma ASTMD 1003. Ela é feita com uma esfera de integração e compreende a luz efetivamente difundida como essencialmente não desviada (menos de 2° em relação à incidência), designada como luz transmitida.

[0031] Nos ensaios relatados, a fonte de iluminação é a fonte de iluminação C.

[0032] O filme de ensaio é primeiro submetido a uma corrente alternada sinusoidal com uma tensão máxima de 70 Vrms (ou seja, um máximo de 100 V) e uma frequência de 50 Hz.

[0033] Um primeiro ensaio relatado na figura 3 mostra a evolução da relação entre a difusão da transmissão total qualificada como «haze» e o valor da transmissão total para a vidraça, em função da temperatura da vidraça. Constata-se à temperatura ambiente uma difusão praticamente completa no estado não ativado. A parte de luz total transmitida é inferior a 10%. Nestas condições, a vidraça é translúcida e desempenha o seu papel de cortina, mascarando os objetos situados do outro lado da vidraça relativamente ao observador.

[0034] Est as características permanecem pouco modificadas quando a temperatura da vidraça aumenta até cerca de 50 °C. Acima deste valor, o caráter difusor se atenua rapidamente.

[0035] A mesma vidraça é testada nas condições ativadas. O resultado é relatado na figura 4. A difusão desta vez é muito reduzida. A relação anterior permanece inferior a 4% para as temperaturas inferiores a 55 °C. Ela cresce de seguida devido a uma perda de eficácia do campo elétrico sobre as partículas de cristais líquidos.

[0036] A transmissão total ao ângulo de 2° permanece pouco modificada, na ordem dos 6%.

[0037] A figura 5 ilustra a razão da TL direta para a totalidade da luz transmitida (TL direta + luz difundida) no modo não ativado para três amostras distintas (a, b, c). Esta razão mostra a eficácia do filme como elemento que cria um modo «privado».

[0038] Para melhorar as características da alimentação do filme PDLC, a tensão utilizada é tal como representada na figura 6. Esta figura comporta o tipo «tradicional», com uma alimentação cuja tensão (70 Vrms) varia de forma sinusoidal à frequência de 50 Hz. Na figura 6 também está representada uma alimentação de acordo com a invenção. Para esta, a frequência é reduzida a 30 Hz e o sinal da tensão tem a forma trapezoidal, com uma tensão eficaz de 48 Vrms. O tempo de aumento da tensão é de 1 ms, e conduz a uma intensidade que não ultrapassa 200 mA. Note-se que a mesma frequência e a mesma tensão, mas com um sinal quadrado, conduzem a um pico de intensidade inicial da ordem de 2 A.

[0039] Na configuração de acordo com a invenção, se verifica em primeiro lugar que as propriedades óticas da vidraça não são alteradas. No modo não ativado, não é necessário dizer que nada se modificou. Para o modo ativado, as figuras 7 e 8 mostram uma concordância quase perfeita na difusão residual (figura 7) entre a curva correspondente à vidraça de acordo com a invenção (d) e a curva correspondente à vidraça de comparação (e), e na transmissão total (figura 8). O modo de alimentação utilizado de acordo com a invenção conserva assim perfeitamente as propriedades do filme PDLC utilizado nas condições anteriores.

[0040] A figura 9 mostra a evolução da difusão residual em função da temperatura para uma frequência de 30 Hz a diferentes valores da tensão eficaz em tensão trapezoidal. Constata-se que é necessário um mínimo de tensão para se obter uma ordem de grandeza aceitável da difusão residual. A 20 Vrms a difusão é excessiva. Ela decresce rapidamente quando a tensão eficaz atinge 30 V, e estabiliza praticamente para os valores de 40, 48 Vrms, mostrando que um aumento suplementar seria inútil. A título indicativo, o modo anterior também é ilustrado na figura (valor de 70 Vrms).

[0041] Estabelece-se uma comparação em termos de energia necessária para diferentes condições. A tabela que se segue indica os resultados registrados. Nesta tabela figuram as formas e as frequências aplicadas, a tensão eficaz e a potência consumida por metro quadrado de filme PDLC. As medições são feitas à temperatura de 60 °C.

[0042] A primeira linha corresponde à referência que serve de base de comparação. Constata-se que qualquer que seja o ensaio, de acordo com as condições da invenção, a potência consumida é sensivelmente menor que para o exemplo comparativo. Constata-se também que para uma mesma frequência (30 Hz) com a mesma forma de sinal, a potência consumida decresce significativamente com a tensão eficaz aplicada, desde que esta permita manter uma fraca difusão residual como indicado a propósito da figura 9.

Claims (12)

1. Vidraça laminada para automóveis compreendendo: um filme PDLC alimentado eletricamente por uma corrente AC tendo uma frequência de 20Hz a menos do que 50Hz, a variação de tensão tem um perfil trapezoidal ou quadrado, e a tensão máxima «eficaz» é no máximo de 55 Vrms, em que uma difusão residual em um estado ativado é no máximo 5%, para uma temperatura de no máximo 50°C, caracterizada pelo fato de que a potência requerida para a obtenção do estado ativado é no máximo 10 W/m2 de filme PDLC.

2. Vidraça, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a tensão máxima «eficaz» é de no máximo 50 Vrms e um mínimo «eficaz» de 30 Vrms.

3. Vidraça, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a tensão é de no máximo 50 Vrms.

4. Vidraça, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a tensão varia de acordo com uma forma trapezoidal, com um tempo de subida de 0,5 a 2 ms.

5. Vidraça, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a frequência é de no mínimo 25 Hz.

6. Vidraça, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a difusão residual no estado ativado é de no máximo 3%, para uma temperatura de no máximo 60°C.

7. Vidraça, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a transmissão de luz direta no estado não ativado é de no máximo 1%.

8. Vidraça, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a transmissão de luz direta no estado não ativado é de no máximo 0,5%.

9. Vidraça, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a potência requerida para a obtenção do estado ativado é de no máximo 5 W/m2 de filme PDLC.

10. Vidraça, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a tensão máxima «eficaz» é de no máximo 50 Vrms.

11. Vidraça, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o filme PDLC é alimentado eletricamente por uma corrente AC tendo uma frequência de 30 Hz ou inferior.

12. Vidraça, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que o filme PDLC é alimentado eletricamente por uma corrente de no máximo 200 mA.