BR112019016246B1 - Laminados de vidro termicamente isolantes, métodos de formação de um laminado e forno - Google Patents

Abstract

A presente revelação fornece laminados de vidro termicamente isolantes que mitigam ou evitam a perda de calor de cavidades aquecidas. A presente revelação também fornece um dispositivo de aquecimento, tal como um forno, que inclui os laminados de vidro isolantes como difusores, para proteger um elemento funcional. Em algumas modalidades, os laminados de vidro termicamente isolantes têm um primeiro substrato, um segundo substrato e uma camada de revestimento não uniforme, não condutora ou de baixa condutividade que forma uma ligação química com pelo menos uma superfície interna dos substratos. A camada de revestimento pode ter uma espessura de cerca de 0,010 polegadas (0,254 mm) ou menos e forma um padrão que contata cerca de 30% ou menos de pelo menos uma superfície interna de um substrato. A camada de revestimento também forma uma pluralidade de cavidades seladas de moléculas de gás entre os substratos. Uma vez que existe uma pequena quantidade de moléculas de gás em cada cavidade, a transferência de calor por convecção entre os substratos é minimizada, minimizando, assim, a perda de calor através dos laminados para o ambiente circundante.

Description

ANTECEDENTES DA REVELAÇÃO 1. Campo da Revelação

[0001] A presente revelação se refere a laminados de vidro termicamente isolantes.

2. Descrição da técnica relacionada

[0002] Os laminados de vidro são utilizados em aplicações de alta temperatura, como janelas e vidros de locais com a finalidade de visualizar uma cavidade aquecida. Para minimizar a perda de calor da cavidade, os laminados têm vários painéis de vidro com uma folga entre os painéis para evitar a transferência direta de calor da cavidade para o painel externo, mas a temperatura do painel externo ainda aumenta e o calor escapa para o ambiente circundante por causa da transferência de calor convectiva através do ar no intervalo entre os painéis. Revestimentos isolantes de calor têm sido usados para evitar a perda de calor, mas muitos revestimentos são inadequados.

[0003] Um difusor de luz é um elemento que transmite a luz visível, mas minimiza a transmissão de luz infravermelha de comprimento de onda médio e longo. A maioria dos difusores de luz não é necessariamente adequada para isolar termicamente componentes funcionais como LEDs, câmeras, conjuntos de iluminação, fiação, sensores e componentes semicondutores das altas temperaturas em fornos residenciais e comerciais e outras cavidades aquecidas. Isso é particularmente problemático para componentes funcionais, como os LEDs, que não são projetados para resistir a altas temperaturas. Uma abordagem para isolar um conjunto de iluminação das altas temperaturas nos fornos é fornecer uma abertura de ar que resfria o conjunto de iluminação por convecção. Outra abordagem é usar um dissipador de calor. Ainda outra abordagem é proteger o conjunto de iluminação com uma lente revestida com um revestimento low-e (baixa emissividade). No entanto, tais abordagens não necessariamente isolam adequadamente os elementos funcionais das altas temperaturas.

SUMÁRIO DA REVELAÇÃO

[0004] A presente revelação descreve laminados de vidro termicamente isolantes que mitigam ou evitam a perda de calor de cavidades aquecidas. Em algumas modalidades, os laminados de vidro termicamente isolantes compreendem uma camada de revestimento não uniforme, não condutora ou de baixa condutividade que forma uma ligação química com pelo menos uma superfície interna dos substratos, onde a camada de revestimento pode ter uma espessura de cerca de 0,010 polegadas (0,254 mm) ou menos. Em algumas modalidades, a camada de revestimento não uniforme, não condutora ou de baixa condutividade ajuda a formar uma pluralidade de cavidades tridimensionais vedadas entre os substratos, cada uma tendo um volume muito pequeno com uma pequena quantidade de moléculas de gás na mesma. Uma vez que existe uma pequena quantidade de moléculas de gás em cada cavidade, a transferência de calor por convecção entre os substratos é minimizada, minimizando assim a perda de calor através dos laminados e para o ambiente circundante.

[0005] A literatura atual sugere que os laminados de vidro termicamente isolantes são isolantes ótimos quando a cavidade do gás tem uma espessura de cerca de 15 milímetros, onde cavidades mais finas têm maiores perdas de condução e cavidades mais espessas têm maiores perdas por convecção. Este conhecimento sugere que a diminuição da espessura da cavidade aumentaria as perdas por condução, mas as perdas por condução não são aumentadas na presente revelação.

[0006] Os laminados de vidro termicamente isolantes da revelação podem ser usados, em um exemplo não limitativo, em aplicações de alta temperatura, tais como janelas e vidros locais em fornos residenciais e industriais e aplicações com cavidades aquecidas onde se deseja baixa perda de calor e temperaturas de janela de saída frias. Em algumas modalidades, as aplicações de alta temperatura estão acima de cerca de 175°C.

[0007] Em uma modalidade, a presente revelação fornece um laminado termicamente isolante compreendendo um primeiro substrato de vidro tendo uma superfície interna, um segundo substrato de vidro tendo uma superfície interna e uma camada de revestimento não uniforme, não condutora ou de baixa condutividade que forma uma ligação química com pelo menos uma superfície interna. A camada de revestimento tem uma espessura de cerca de 0,010 polegadas (0,254 mm) ou menos e forma um padrão que contata cerca de 30% ou menos da pelo menos uma superfície interna. Uma pluralidade de cavidades seladas de moléculas de gás existe entre os substratos.

[0008] A presente revelação também se refere a difusores de luz que isolam termicamente componentes funcionais, tais como LEDs, câmeras, conjuntos de iluminação, fiação, sensores e componentes semicondutores, dentro ou perto de cavidades aquecidas. Em algumas modalidades, o difusor de luz compreende o laminado de vidro termicamente isolante aqui descrito. O difusor de luz pode ter um laminado de vidro termicamente isolante localizado entre a cavidade do forno e o elemento funcional de modo a que o laminado isole parcialmente ou completamente o elemento funcional da temperatura dentro da cavidade. Em algumas modalidades, é fornecido um revestimento refletor de calor em um ou mais componentes do laminado para proporcionar isolamento térmico adicional.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0009] A Figura 1 ilustra uma porção de um laminado com uma pluralidade de cavidades de forma circular formadas usando uma camada de revestimento não uniforme que contata cerca de 30% ou menos de pelo menos uma superfície interna dos substratos.

[00010] A Figura 2 mostra um diagrama esquemático do laminado da presente revelação.

[00011] A Figura 3 mostra um diagrama esquemático de um forno utilizando o laminado da presente revelação para proteger um componente funcional.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA REVELAÇÃO

[00012] A presente revelação fornece laminados de vidro termicamente isolantes que mitigam ou evitam a perda de calor de cavidades aquecidas. Em algumas modalidades, os laminados de vidro termicamente isolantes compreendem um primeiro substrato de vidro tendo uma superfície interna, um segundo substrato de vidro tendo uma superfície interna e uma camada de revestimento não uniforme, não condutora ou de baixa condutividade que forma uma ligação química com pelo menos uma superfície interna, em que a camada de revestimento não uniforme, não condutora ou de baixa condutividade tem uma espessura de cerca de 0,010 polegadas (0,254 mm) ou menos e forma um padrão que contata cerca de 30% de menos de pelo menos uma superfície interna e em que uma pluralidade de cavidades seladas de moléculas gás existe entre os substratos.

[00013] A pluralidade de cavidades seladas de moléculas de gás pode compreender em algumas modalidades sem limitação cerca de 5 a cerca de 400, cerca de 100 a cerca de 400, ou cerca de 5 a cerca de 50 cavidades por centímetro quadrado da camada de revestimento. A largura do revestimento medida entre cada cavidade pode ser sem limitação inferior a cerca de 0,5, cerca de 0,01 a cerca de 0,5, ou cerca de 0,02 a cerca de 0,1 milímetros. A camada de revestimento deve evitar que os substratos se toquem. Um dos objetivos da camada de revestimento é proporcionar o espaçamento entre os substratos para reter moléculas de gás na pluralidade de cavidades seladas entre os substratos.

[00014] Em algumas modalidades, a condutividade da camada de revestimento é de cerca de 5 W/(m*K) ou menos, ou cerca de 3,5 W/(m*K) ou menos. Em algumas modalidades, a condutividade da camada de revestimento é inferior à condutividade dos substratos que entram em contato com a composição de revestimento. Para fins da presente revelação, uma camada de revestimento de “baixa condutividade” tem uma condutividade de cerca de 5 W/(m*K) ou menos e uma camada de revestimento “não condutora” tem uma condutividade de 0 ou cerca de 0 W/(m*K).

[00015] A camada de revestimento cria uma camada isolante entre os substratos para minimizar as correntes de convecção e reduzir a transferência de calor entre os substratos. Em algumas modalidades, a camada de revestimento é uma camada de revestimento não condutora ou de baixa condutividade formada a partir de uma composição de revestimento, tal como, em um exemplo não limitativo, de um esmalte, uma frita ou uma combinação dos mesmos, compreendendo, cada um, um composto cerâmico, um composto de vidro ou uma combinação dos mesmos, opcionalmente com outros compostos, alguns dos quais podem evaporar quando se cura a composição de revestimento para formar a camada de revestimento. Em certas modalidades, os compostos cerâmicos e de vidro na camada de revestimento têm uma composição e propriedades de expansão térmica semelhantes em comparação com o substrato que contata a camada de revestimento.

[00016] As Figuras 1 e 2 mostram desenhos esquemáticos do laminado 10 da presente revelação. O laminado 10 tem primeiro substrato de vidro 20, segundo substrato de vidro 30 e revestimento 40. O revestimento 40 tem poros 45, que, como discutido anteriormente, formam cavidades entre os substratos 20 e 30 no laminado 10.

[00017] A composição de revestimento pode compreender uma frita, que é uma mistura de substâncias químicas inorgânicas produzidas pela extinção rápida de uma combinação complexa de materiais fundidos e confinamento das substâncias químicas assim fabricadas como componentes não migratórios de flocos ou grânulos sólidos vítreos. Fritas incluem em um exemplo não limitativo todas as substâncias químicas especificadas abaixo quando são intencionalmente fabricadas na produção da frita. Os membros primários incluem, sem limitação, óxidos de alguns ou todos os elementos listados abaixo, onde os fluoretos desses elementos também podem ser incluídos: alumínio, antimônio, arsênio, bário, bismuto, boro, cádmio, cálcio, cério, crômio, cobalto, cobre, ouro, ferro, lantânio, chumbo, lítio, magnésio, manganês, molibdênio, neodímio, níquel, nióbio, fósforo, potássio, silício, prata, sódio, estrôncio, estanho, titânio, tungstênio, vanádio, zinco, zircônio e combinações dos mesmos. As fritas mais comuns são fritas à base de bismuto e zinco. As fritas podem compreender pigmentos adicionados em pequenas percentagens para fins de cor.

[00018] Um exemplo não limitativo de uma composição de revestimento adequada é: Sílica Cristalina: 11 a 15% Boratos: 19 a 22% Óxido de Zinco: 25 a 29% Dióxido de titânio: 32 a 36% Composto de Manganês: 0 a 2% Óxido de Ferro: 0 a 2% Composto de Crômio: 0 a 2% Composto de Cobalto: 0 a 3% Alumina: 3 a 6%

[00019] Outro exemplo não limitativo de uma composição de revestimento adequada é: Sílica Cristalina: 34 a 38% Boratos: 8 a 12% Óxido de zinco: 16 a 20% Dióxido de titânio: 5 a 9% Composto de Manganês: 0 a 3% Óxido de Ferro: 0 a 3% Composto de Crômio: 11 a 15% Composto de cobre: 8 a 12%

[00020] A camada de revestimento não uniforme pode ser aplicada ao substrato por serigrafia ou qualquer outra técnica adequada. Como mostrado na Figura 1, a camada de revestimento não uniforme tem vazios e não contata toda a superfície do substrato. A camada de revestimento não uniforme pode formar um padrão regular ou irregular. Em serigrafia, por exemplo, a composição de revestimento é injetada através da tela para formar o padrão. A composição de revestimento padronizada e não uniforme ajuda a formar uma pluralidade de cavidades seladas de moléculas de gás entre os substratos. A camada de revestimento pode ser transparente ou colorida. Camadas intermédias, substratos adicionais e camadas adicionais de revestimento podem estar presentes como desejado.

[00021] Os laminados podem ser formados ligando quimicamente a camada de revestimento a pelo menos um dos substratos de qualquer maneira conhecida pelos técnicos no assunto. Para um exemplo não limitativo, os laminados podem ser formados por etapas compreendendo aplicar a composição de revestimento a um primeiro substrato, aquecer a composição de revestimento para aderir a composição de revestimento ao primeiro substrato, aplicar um segundo substrato na composição de revestimento aquecida e queimar a composição de revestimento aquecida para formar uma ligação química entre a camada de revestimento e pelo menos um dos substratos. Em outras modalidades, os laminados são formados por etapas compreendendo a aplicação da composição de revestimento a um primeiro substrato, aplicando um segundo substrato na composição de revestimento, em seguida queimando a composição de revestimento para formar uma ligação química entre a camada de revestimento e pelo menos um dos substratos. Em todas as modalidades, pelo menos uma das camadas de revestimento, o primeiro substrato e o segundo substrato podem formar uma ligação química com pelo menos um dos outros.

[00022] As camadas de revestimento da revelação, pelo menos a camada de revestimento que toca o substrato, são pirolíticas porque a camada de revestimento é quimicamente ligada ao substrato por partilha de um átomo de oxigênio e tornando-se parte da cadeia Si-O-X. Os revestimentos pirolíticos são revestimentos “duros” e diferem dos revestimentos “macios”, como a tinta que é aderida mecanicamente a um substrato. Os revestimentos pirolíticos, comparados aos revestimentos aderidos, têm uma resistência superior ao desgaste, não são facilmente removíveis e normalmente não exigem revestimentos de proteção. Os revestimentos pirolíticos da revelação podem ser aplicados de qualquer modo conhecido pelos técnicos no assunto, tal como por deposição utilizando um processo de plasma de alta temperatura ou serigrafia.

[00023] O termo "vidro" como aqui utilizado inclui vidro e vidro cerâmico, incluindo, mas não se limitando a, cal sodada, borossilicato, aluminossilicato de lítio e combinações dos mesmos. O termo “substrato” significa uma plataforma na qual os revestimentos descritos aqui e outros elementos podem ser aplicados. Os substratos não são limitados em forma. Os substratos podem ser planos, curvos, côncavos ou convexos, e podem ter dimensões retangulares, quadradas ou outras. Em algumas modalidades, o substrato compreende um material de vidro e tem uma espessura de cerca de 1 a cerca de 10 mm ou cerca de 2 a cerca de 5 mm.

[00024] A camada de revestimento é não uniforme porque não cobre toda a área de superfície de um substrato. Em vez disso, a camada de revestimento não uniforme é distribuída em um padrão que ajuda a formar uma pluralidade de cavidades seladas de moléculas de gás entre os substratos. O padrão pode compreender muitos segmentos de revestimento ligados de uma maneira semelhante a uma grade para envolver a pluralidade de cavidades. As cavidades são essencialmente vazios que as moléculas de gás podem ocupar sem movimento substancial. A forma das cavidades não é crítica. As cavidades podem estar na forma de favos de mel, círculos ou quaisquer outras formas que produzam uma pluralidade de espaços vazios cheios de gás tridimensionais entre os dois substratos e segmentos de revestimento entre os vazios. A Figura 1 ilustra uma porção de um laminado que tem uma pluralidade de cavidades de forma circular e uma camada de revestimento não uniforme e padronizada que contata cerca de 30% ou menos de pelo menos uma superfície interna dos substratos.

[00025] Em algumas modalidades, a camada de revestimento tem uma espessura de cerca de 0,010 polegadas (0,254 mm) ou menos, cerca de 0,005 polegadas (0,127 mm) ou menos, ou cerca de 0,001 polegadas (0,0254 mm) ou menos. É desejável formar uma camada de revestimento com uma espessura tão pequena e usar uma composição de revestimento não condutora ou de baixa condutividade para minimizar a transferência de calor condutivo. Em algumas modalidades, a camada de revestimento não uniforme é distribuída pela maioria dos substratos e forma um padrão que entra em contato com cerca de 30% ou menos de pelo menos uma superfície interna dos substratos, cerca de 20% ou menos de pelo menos uma superfície interna dos substratos, ou cerca de 10% ou menos de pelo menos uma superfície interna dos substratos (em outras palavras, as cavidades/vazios contatam cerca de 70% ou mais, cerca de 80% ou mais, ou cerca de 90% ou mais de pelo menos uma superfície interna dos substratos). A camada de revestimento não uniforme com estas pequenas espessuras ajuda a produzir uma pluralidade de cavidades tridimensionais seladas, cada uma tendo um volume muito pequeno com uma pequena quantidade de moléculas de gás no seu interior. Uma vez que existe uma pequena quantidade de moléculas de gás em cada cavidade, a transferência de calor por convecção entre os substratos é minimizada, minimizando, assim, a perda de calor através dos laminados para o ambiente circundante. As cavidades atuam essencialmente como isolantes térmicos. O gás pode ser ar ou gás inerte. Em algumas modalidades, existe um vácuo parcial ou total nas cavidades. Em outras modalidades, não há vácuo.

[00026] A presente revelação também se refere a difusores de luz que isolam termicamente componentes funcionais, tais como LEDs, câmeras, conjuntos de iluminação, fiação, sensores e componentes semicondutores, dentro ou perto de cavidades aquecidas. Em algumas modalidades, o difusor de luz compreende um laminado de vidro termicamente isolante aqui descrito. O difusor de luz pode ter um laminado de vidro termicamente isolante localizado entre a cavidade do forno e o elemento funcional de modo que o laminado isole parcialmente ou completamente o elemento funcional da temperatura dentro da cavidade. Em algumas modalidades, é fornecido um revestimento refletor de calor em um ou mais componentes do laminado para proporcionar isolamento térmico adicional.

[00027] Ao contrário das lentes com ou sem revestimentos low-e (baixa emissão), os laminados termicamente isolantes aqui revelados são visivelmente transparentes, semelhantes a uma janela ou a um vidro local, uma vez que não distorcem significativamente a imagem do elemento por trás do laminado. Como resultado, os laminados podem ser usados como difusores de luz para isolar termicamente elementos funcionais em ou perto de um forno, por exemplo, enquanto também fornece transmissão suficiente de luz visível para permitir que uma câmera ou outro elemento funcional visualize o conteúdo da cavidade através do laminado.

[00028] Os difusores de luz e os elementos funcionais podem estar localizados em qualquer lugar dentro da cavidade aquecida, como na parte traseira, lateral ou superior, por exemplo. Em algumas modalidades, o difusor de luz é paralelo a um dos seis lados da cavidade do forno, tal como dentro do perímetro de tal lado, de uma maneira semelhante a uma janela de forno na porta frontal de um forno, de modo que o difusor de luz está localizado entre o centro da cavidade do forno e o elemento funcional.

[00029] Na Figura 3, um esquema de um interior de forno 100 compreendendo o laminado 10, que protege o componente funcional 50. Na modalidade mostrada, o laminado 10 é paralelo e adjacente a um dos lados do interior 100, e protege o componente 50 do calor. Como discutido anteriormente, outros locais para o laminado 10 e componente 50 são contemplados pela presente revelação.

[00030] Embora a presente descrição tenha sido descrita com referência a uma ou mais modalidades particulares, será entendido pelos técnicos no assunto que podem ser feitas várias alterações e os equivalentes podem ser substituídos por elementos da mesma sem se afastarem do seu escopo. Além disso, muitas modificações podem ser feitas para adaptar uma situação ou material particular aos ensinamentos da revelação sem se afastar do escopo do mesmo. Por conseguinte, pretende-se que a revelação não seja limitada à(s) modalidade(s) particular(es) revelada(s) como a melhor modalidade contemplada para a realização desta revelação. Os intervalos aqui revelados incluem todos os sub- intervalos entre eles.

Claims (14)

1. Laminado (10) termicamente isolante caracterizado pelo fato de compreender: um primeiro substrato de vidro (20) tendo uma superfície interna; um segundo substrato de vidro (30) tendo uma superfície interna; e uma camada de revestimento (40) não uniforme, não condutora ou de baixa condutividade entre o primeiro substrato de vidro (20) e o segundo substrato de vidro (30) que forma uma ligação química com pelo menos uma das superfícies internas, em que a camada de revestimento (40) tem uma espessura de 0,254 mm (0,010 polegadas) ou menos, forma um padrão que contata 30% ou menos das superfícies internas, e compreende uma pluralidade de segmentos interconectados com uma pluralidade de vazios, e em que a superfície interna (40) do primeiro substrato de vidro (20), a superfície interna do segundo substrato de vidro (30), a camada de revestimento (40) e os vazios definem uma pluralidade de cavidades seladas de gás estão entre os substratos (20, 30).

2. Laminado (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que existem de 5 a 400 cavidades por centímetro quadrado da camada de revestimento (40).

3. Laminado (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma largura da camada de revestimento (40) medida entre cada cavidade é de 0,01 a 0,5 milímetros.

4. Laminado (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a espessura da camada de revestimento (40) é de 0,127 mm (0,005 polegadas) ou menos.

5. Laminado (40), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a espessura da camada de revestimento (40) é de 0,0254 mm (0,001 polegadas) ou menos.

6. Laminado (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada de revestimento (40) compreende um esmalte, uma frita, ou uma combinação deles, e em que o esmalte, frita ou combinação deles compreende um composto cerâmico, um composto de vidro ou uma combinação dos mesmos.

7. Laminado (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada de revestimento (40) é transparente.

8. Laminado (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada de revestimento (40) tem uma condutividade inferior à condutividade do primeiro e segundo substratos (20, 30).

9. Laminado (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que não há vácuo nas cavidades.

10. Laminado (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a ligação química é ligação Si-O.

11. Método de formação do laminado (10), conforme definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: aplicar uma composição de revestimento ao primeiro substrato (20); aquecer a composição de revestimento para aderir a composição de revestimento ao primeiro substrato (20); aplicar o segundo substrato (30) à composição de revestimento aquecida; e queimar a composição de revestimento aquecida para formar a ligação química.

12. Método de formação do laminado (10), conforme definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: aplicar uma composição de revestimento ao primeiro substrato (20); aplicar o segundo substrato (30) à composição de revestimento; e queimar a composição de revestimento para formar a ligação química.

13. Forno (100) caracterizado pelo fato de compreender o laminado (10), conforme definido na reivindicação 1, em que o forno (100) opera a uma temperatura acima de 175°C.

14. Forno (100), de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que uma janela ou um local de vidro do forno (100) compreende o laminado (10).