CN102203357A - 具有玻璃凸起间隔件的真空隔离玻璃窗 - Google Patents

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Abstract

披露了利用玻璃凸起间隔件(50)和两个或更多个玻璃板(20)的真空隔离玻璃(VIG)窗(10)。玻璃凸起间隔件形成在其中一块玻璃板(20)的表面(24)内，并由来自玻璃板的本体部分(23)的玻璃材料构成。因此，玻璃凸起间隔件一体地形成在玻璃板中，与需要添加和固定至玻璃板的分立间隔元件相反。另外披露了形成VIG窗的方法。该方法包括通过用来自激光器(110)的聚焦光束(112F)照射玻璃板来形成玻璃板间隔件。玻璃内的加热效果使玻璃局部膨胀，由此形成玻璃凸起间隔件。在玻璃板内不同位置重复该工艺以形成玻璃凸起间隔件的阵列。第二玻璃板与玻璃凸起间隔件接触，并且对边缘(28F、28B)进行密封。所得到的密封内部区(40)然后被抽空至低于一个大气压的真空压力。

Description

具有玻璃凸起间隔件的真空隔离玻璃窗
优先权
本申请要求2008年11月5日提交的题为“Vacuum Insulated Glass Windows With Glass Bump Spacers(具有玻璃凸起间隔件的真空隔离玻璃窗)”的美国专利申请S/N 12/265,192的优先权。
发明领域
本发明总地涉及真空隔离玻璃窗，尤其涉及采用玻璃凸起间隔件的这类窗。
背景技术
真空隔离玻璃(VIG)窗通常由两块或更多块玻璃板构成，在这些玻璃板之间具有真空，该玻璃窗相比普通玻璃窗提供改善的热和噪声隔离特性。为了防止玻璃板的松垂，将分立的间隔件设置在玻璃板之间以防止玻璃板彼此接触。这些间隔件通常由铝、塑料、陶瓷或玻璃制成并异于玻璃板，即它们是设置和固定在玻璃板之间的分立部件。
尽管当今的间隔件在分隔玻璃板方面是有效的，然而它们当透过窗观察时容易被看见，由此使窗不美观。另外，在玻璃板之间设置分立间隔件并随后将间隔件固定于玻璃板的需要增加了VIG窗制造工艺的成本和复杂性。
发明内容
本发明的第一方面是VIG窗。VIG窗包括第一玻璃板，该第一玻璃板具有由第一玻璃材料形成的第一本体并具有第一相对表面和第一外缘。VIG窗还包括第二玻璃板，该第二玻璃板与第一玻璃板间隔并以一定距离基本平行于第一玻璃板设置并具有由第二玻璃材料形成的第二本体并具有第二相对表面和第二外缘。第一边缘封条形成在各第一和第二外缘周围以在第一和第二玻璃板之间定义第一密封的内部区，其中第一边缘封条的内部区具有低于一个大气压的真空压力。VIG窗还包括第一多个玻璃凸起间隔件，它们与第一玻璃板在其中一个第一表面内一体地形成并由来自第一本体部分的第一玻璃材料构成，并接触第二玻璃板以保持隔开第一距离。
本发明的另一方面是形成VIG窗的方法。该方法包括：在具有带第一表面和第一边缘并由第一玻璃材料构成的第一本体部分的第一玻璃板中，在第一表面内一体地形成第一多个玻璃凸起间隔件，这些玻璃凸起间隔件由来自第一本体部分的第一玻璃材料构成。该方法还包括：使具有带第二表面和第二边缘并由第二玻璃材料构成的第二本体部分的第二玻璃板与第一多个玻璃凸起间隔件接触以使第一和第二玻璃板在第一表面和第二表面之间间隔第一距离。该方法另外包括密封第一和第二边缘以定义第一和第二玻璃板之间的内部区，并由此在内部区域内形成低于一个大气压的真空压力。
本发明的另一方面是VIG窗制品，该VIG窗制品是通过下列工艺形成的：提供具有带第一表面和第一边缘并由第一玻璃材料构成的第一本体部分的第一玻璃板；并在第一玻璃板第一表面内形成多个玻璃凸起间隔件，这些玻璃凸起间隔件由来自第一本体部分的第一玻璃材料构成。该工艺还包括：使具有带第二表面和第二边缘并由第二玻璃材料构成的第二本体部分的第二玻璃板与玻璃凸起间隔件接触以使第一和第二玻璃板在第一表面和第二表面之间间隔第一距离。该工艺还包括密封第一和第二边缘以在第一和第二玻璃板之间定义一内部区域。该工艺还包括在内部区域内形成低于一个大气压的真空压力。
将在下面详细描述中阐述本发明的附加方面、特征和优点，这些特征和优点在某种程度上对于本领域的技术人员来说根据该描述将是显而易见的，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图的本文所述的本发明来认识到。
应当理解的是，前面的一般描述和之后的详细描述两者给出本发明的实施例，并且它们旨在提供用于理解所要求保护的本发明的本质和特性的概观或框架。所包括的附图用于提供对本发明的进一步理解，且被结合到本说明书中并构成其一部分。附图示出本发明的各个实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理和操作。
附图说明
图1是根据本发明的示例性双层板VIG窗的前视图；
图2是沿方向CS-CS观察到的图1的VIG窗的横截面图；
图3是示例性玻璃凸起间隔件的近观横截面图；
图4是与图2类似的横截面图，其示出具有中间玻璃板的三层板VIG窗的示例性实施例，该三层板VIG窗具有形成在中间玻璃板的两个表面中的玻璃凸起间隔件；
图4B与图4A类似，除了第二组玻璃凸起间隔件形成于后部玻璃板而不是中间玻璃板以外；
图5A和5B示出针对透明碱土铝硅酸盐玻璃(图5A)和透明钠钙玻璃(图5B)的UV和可见波长光谱的典型透射曲线(透射率(％)相对于波长(nm))；
图6是用来在形成VIG窗的工艺中在玻璃板内形成玻璃凸起间隔件的示例性基于激光的玻璃凸起形成装置的示意图；
图7是由来自脉冲式激光器的光脉冲形成的激光束的示例性实施例的示意图；
图8是绘出基于实验数据针对钠钙玻璃板的激光功率P(W)、距离DF和玻璃凸起间隔件高度H的柱状图；
图9是形成在3mm钠钙玻璃板样本中的玻璃凸起间隔件的三维图像；
图10是图9的玻璃凸起间隔件的线扫描，其揭示了基本半球形轮廓；
图11是与图9所示相似的玻璃凸起间隔件的三维图像，除了玻璃凸起间隔件具有基本平坦的顶部外；
图12是具有红外反射涂层的示例性玻璃板的示意性侧视图；以及
图13是形成在图12的玻璃板内的无涂层玻璃凸起间隔件的横截面近观图。
具体实施方式
在这里为方便说明，术语“前”、“后”、“中间”及其衍生词是用来便于描述本发明的装置和方法的相对术语。然而，可以理解，本发明可采取各种替换方向和步骤序列，除非明确指定为相反情况。还应该理解，在附图中所示的、以及在以下说明书中所描述的具体设备和工艺是所附权利要求中所定义的创新性理念的示例性实施例。因此，与在此所公开的各实施例有关的具体尺寸和其他物理特征不被认为是限制性的，除非权利要求明确地另有声明。
术语“光致吸收”被广泛地理解为表示使玻璃板局部暴露(照射)于光照射而导致的玻璃板吸收光谱的局部变化。光致吸收可能涉及在某一波长或某一范围波长下的吸收变化，包括但不局限于紫外、近紫外、可见、近红外和/或红外波长。在透明玻璃板中的光致吸收的实例包括，例如但不局限于，色心形成、短暂玻璃缺陷形成以及永久玻璃缺陷形成。
将玻璃凸起间隔件描述为“形成在玻璃板内”意味着玻璃凸起间隔件生长出玻璃板的本体部分并由构成玻璃板的玻璃材料形成，由此以凸面形式从另外基本平坦的玻璃板表面向外凸出。
本文中使用的窗是由对电磁(EM)照射至少部分透明的两块或更多块玻璃窗构成的产品，电磁(EM)照射包括具有紫外、近紫外、可见、近红外和/或红外波长的EM照射。
具有一体形成的玻璃凸起的VIG窗
图1是根据本发明的双层板VIG窗10的示例性实施例的前视图。图2是沿方向CS-CS观察到的图1的示例性VIG窗10的横截面图。出于参考的目的，示出笛卡尔坐标。VIG窗10包括两块玻璃板20，也就是相对设置并基本相互平行的前玻璃板20F和后玻璃板20B。前玻璃板20F具有由第一玻璃材料形成的第一本体23F并具有外表面22F、内表面24F以及外缘28F。同样，后玻璃板20B具有由第二玻璃材料形成的本体部分23B并具有外表面22B、内表面24B以及外缘28B。在一示例性实施例中，构成本体部分23F和23B的第一和第二玻璃材料是相同的。
前、后玻璃板20F、20B以从其各自的内表面24F、24B所测量的距离DG分隔开。边缘封条30设置在各个外缘28F和28B以围住每个外缘的至少一部分以提供密封。边缘封条30以及前、后玻璃板内表面24F、24B定义密封内部区域40。密封内部区域40优选地至少部分地抽真空以使其具有低于一个大气压的真空压力，这向VIG窗10提供所期望的热和声隔绝特性。
VIG窗10还包括一体地形成在后玻璃板20B的内表面24B的多个玻璃凸起间隔件50。图3是示例性玻璃凸起间隔件50的近观图。注意，玻璃凸起间隔件50一体地形成在后玻璃板20B并且不是以独立或分立元件添加至VIG窗10。因此，玻璃凸起50由与后玻璃板20B相同的材料形成(并因此由其构成)，并事实上是本体部分23B的延伸。下文中详细讨论形成玻璃凸起50的示例性方法。
在一示例性实施例中，玻璃凸起间隔件50相对于彼此规则地间隔开。由于玻璃凸起间隔件50一体地形成在本体部分23B中，因此当以常规的(即基本垂直入射)视角观察VIG窗10时它们基本是不可见的。结果，玻璃凸起50如图1中的虚线圆所示。玻璃凸起50具有“尖部”或“顶部”51，如图3所示。如下面讨论的那样，顶部51不需要如图3所示那样被圆滑化。玻璃凸起间隔件50接触前玻璃板内表面24F并用来在前玻璃板20F和后玻璃板20B之间保持间隔距离DG。
在一示例性实施例中，玻璃板20F、20B由钠钙玻璃板构成，该钠钙玻璃板在示例性实施例中进一步具有在2mm和3mm之间的厚度TG。在一示例性实施例中，形成在钠钙玻璃中的玻璃凸起间隔件50具有高度(“凸起高度”)H，其范围是75μm-170μm，更优选地是100μm-170μm，特别优选地是150μm-170μm。在一示例性实施例中，玻璃板20F和20B具有基本相同的厚度TG(见图6)。
图4是与图2类似的横截面图并示出三层板VIG窗10的示例性实施例，它包括夹设在前板20F和后板20B之间的中间玻璃板20M。中间玻璃板20M具有第三玻璃材料的本体部分23M并具有前侧22M、后侧24M和边缘28M。第一和第二组玻璃凸起间隔件50分别形成在中间板20M的前侧22M和后侧24M中并分别用来保持中间玻璃板20M和前板20F之间的距离DGA以及中间玻璃板和后板20B之间的距离DGB。在图4A所示的示例性实施例中，单个边缘封条30用来密封边缘28F，28M和28B。在另一示例性实施例中，使用多个边缘封条30，其中一个边缘封条用来密封边缘28F、28M的至少相应部分，而另一边缘封条用来密封边缘28M、28B的至少相应部分(见图4B)。
边缘封条30和玻璃板表面24F、22M定义第一密封的内部区40A，而边缘封条30和玻璃板表面24M、24B定义第二密封的内部区40B。密封的内部区40A、40B优选地被抽空以使它们各自具有低于一个大气压的真空压力，这为三层板VIG窗10提供所期望的隔热和声学特征，并尤其是例如图1和图2所示的双层板VIG窗10大约两倍的绝缘性。
图4B类似于图4A，并示出三层板VIG窗10的替代示例性实施例，其中第二组玻璃凸起间隔件50形成在后玻璃板20B的内表面24B中而不是形成在中间玻璃板20M中。图4B还示出如前所述地使用多个边缘封条30的示例性实施例。
在一示例性实施例中，中间玻璃板20M由钠钙玻璃形成，并在示例性实施例中进一步具有2mm-3mm之间的厚度TG。在一示例性实施例中，前、中间和后玻璃板本体部分23F、23M和23B由同一玻璃材料制成。
尽管钠钙玻璃是最常见的窗玻璃，然而本文披露的VIG窗的发明可应用于任何类型的玻璃，其中一体的玻璃凸起间隔件50可使用下面详细描述的方法来形成。例如，本文披露的VIG窗发明应用于低铁(“超纯净”)窗玻璃以及下文中介绍和讨论的其它玻璃。
玻璃凸起间隔件形成
用于窗玻璃的可用透明玻璃在高功率激光器可用的波长下往往具有非常低的吸收率，该波长例如为大约800μm和1600μm之间的近红外(NIR)波段或大约340nm和380nm之间的紫外(UV)波段。例如，碱土铝硅玻璃和硅酸铝钠玻璃(例如Eagle2000
Figure BPA00001368885700061
玻璃、EagleXGTM玻璃、1317玻璃和GorillaTM玻璃，这些玻璃均可从纽约州的科宁(Corning，NY)的康宁公司获得)通常具有如图5A所示的透射光谱，并且钠钙玻璃通常具有图5B所示的透射光谱。如图5A和图5B中一目了然的那样，碱土铝硅玻璃和钠钙玻璃在355nm波长下的透射率大于约85％(包括由于玻璃/空气界面处的反射造成的菲涅耳损耗)，这不足以将即使很小体积的玻璃加热至接近工作点的温度(～105泊(Poise，平方厘米达因-秒))，除非使用具有几百瓦可用输出功率的激光器。
意想不到地，对于某些透明玻璃板，包括由碱土铝硅玻璃(例如前面提到的Eagle 2000TM玻璃和Eagle XGTM玻璃的LCD玻璃)、钠钙玻璃和硅酸铝钠玻璃(例如前面提到的1317玻璃和GorillaTM玻璃)，已发现在激光器波长下的吸收度可通过使强烈UV激光束发射透过透明玻璃板而上升至足够水平。特别地，高重复频率、纳秒脉宽UV激光器已发现是最有效的。发现使用这种脉冲的UV激光束的若干秒暴露会导致在其他情况下相对低吸收的透明玻璃中的光致吸收。该光致玻璃吸收在UV波长下显著增大，这能够局部地将玻璃板加热至其工作温度(使用相同激光器或不同激光器)并使玻璃凸起间隔件50形成。一旦照射终止，UV致吸收在短时间段(例如几秒)内衰弱。
例如中间红外波长激光器的其它类型激光器可代替UV激光器用于最透明玻璃材料。示例性的中间红外波长激光器产生具有大约2.7μm波长的激光束。为便于说明，下面结合用来执行本发明的方法的装置来描述并考虑UV激光器。
图6是在形成VIG窗10的工艺中用来在玻璃板20中形成玻璃凸起间隔件50的示例性基于激光器的装置(“装置”)100的示意图。装置100包括沿光轴A1设置的激光器110。激光器110射出沿光轴具有功率P的激光束112。在一示例性实施例中，激光器110工作在电磁波谱的紫外(UV)区。
也参见图7，在一特定示例性实施例中，激光器110是产生构成激光束112的光脉冲112P的脉冲式激光器，其中光脉冲具有UV波长(例如大约355nm)以及纳秒数量级的时间脉宽τP。τ在一示例性实施例中，光脉冲112P具有在20ns≤τP≤80ns范围内的时间脉宽τP，以及在50kHz≤R≤200kHz范围内的重复频率R。此外在该示例性实施例中，激光器110是20瓦激光器(即P＝20W)。在一示例性实施例中，激光器110包括三次谐波基于Nd的激光器。如图7所示，光脉冲112P在时间上隔开Δt的量，由此将重复频率定义为R＝1/Δt。
装置110还包括聚焦光学系统120，该聚焦光学系统120沿光轴A1设置并定义包含焦点FP的聚焦平面PF。在一示例性实施例中，聚焦光学系统120沿光轴A1从激光器110开始依此设有：散焦透镜124和第一聚焦透镜130的组合(这种组合形成光束扩展器)以及第二聚焦透镜132。在一示例性实施例中，散焦透镜124具有焦距fD＝-5cm，第一聚焦透镜130具有焦距fC1＝20cm，而第二聚焦透镜132具有焦距fC2＝3cm和数值孔径NAC2＝0.3。在一示例性实施例中，散焦透镜124以及第一和第二聚焦透镜130、132由熔融石英制成并包括防反射(AR)涂层。聚焦光学系统120的替代示例性实施例包括配置成从激光束112产生聚焦的激光束112F的镜或者镜和透镜元件的组合。
装置100还包括控制器150，例如激光控制器、微控制器、计算机、微型计算机等，它们电连接于激光器110并适于控制激光器的操作。在一示例性实施例中，快门160设置在激光束112的路径中并电连接于控制器150以能够使用快门控制信号SS选择性地阻断激光束以使激光束“导通”和“截止”，而不是通过激光器控制信号SL将激光器110“导通”和“截止”。
在发起装置100的操作之前，具有带前表面22和后表面24的本体部分23的玻璃板20相对于装置而设置。具体地说，玻璃板20沿光轴A1设置以使前、后玻璃板表面22、24基本垂直于光轴，由此后玻璃板表面24沿朝向激光器110的方向(即沿+Z方向)略微轴偏离于聚焦平面PF达距离DF。在一示例性实施例中，玻璃板20具有范围在1mm≤TG≤6mm的厚度TG。另外在一示例性实施例中，0.5mm≤DF≤2mm。在这种配置中，玻璃凸起间隔件拟形成在与图2的后玻璃板20B的表面24B对应的玻璃板表面24内。
随后藉由来自控制器150的控制信号SL启动激光器110以产生激光束112。如果使用快门160，则在启动激光器110后，启用快门并藉由来自控制器150的快门控制信号SS使其处于“导通”位置，由此快门使激光束112通过。激光束112随后由聚焦光学系统120接收，并且其中的散焦透镜124使激光束发散以形成散焦的激光束112D。随后由第一聚焦透镜130接收散焦激光束112D，该第一聚焦透镜130被设置为从散焦激光束形成扩展准直激光束112C。然后由第二聚焦透镜132接收准直激光束112C，第二聚焦透镜132形成聚焦的激光束112F。聚焦的激光束112F通过玻璃板20并沿光轴A1在焦点FP上形成聚焦点S，所述焦点FP如前所述与玻璃板后表面24相距距离DF并因此位于本体部分24外侧。这里要注意，由于聚焦的激光束112F在通过玻璃板时汇聚，则玻璃板20略微影响了光学系统20的焦点FP的位置。然而，玻璃板20的厚度TG通常足够薄，因此这种聚焦偏移效果可忽略。
由于前面提到的玻璃板中的光致吸收，一部分聚焦激光束112F在其通过玻璃板20时被吸收。这用来局部地加热玻璃板20。光致吸收量相对低，例如在大约3％至大约4％。当聚焦的光束112F在玻璃板20中被局部吸收时，在本体部分23中形成有限的膨胀区，其中快速温度变化导致玻璃的膨胀。由于膨胀区受膨胀区周围的玻璃的未加热(并因此未膨胀)区的约束，膨胀区内的玻璃被迫使通过向上变形而缓解内部应力，由此形成玻璃凸起间隔件50。如图6的插图所示，玻璃凸起间隔件50具有与最高光束强度的位置相对应的峰51。在一示例性实施例中，玻璃凸起间隔件50通过玻璃加热区的快速冷却而固定。在一示例性实施例中，这种固定是通过终止暴露于聚焦激光束112F(即受其照射)来实现的。
如果聚焦光束112F具有圆形对称的横截面强度分布，例如高斯分布，则局部加热和伴生的玻璃膨胀发生在玻璃板本体23的圆形区域上，并且所得到的玻璃凸起间隔件50是基本圆形对称的。
在一示例性实施例中，使用上述方法将多个玻璃凸起间隔件50形成在玻璃板20中，并随后使用玻璃板来形成VIG窗10。在一示例性实施例中，装置100包括X-Y-Z移动台170，其电连接于控制器150并被配置成沿X、Y和Z方向相对于聚焦激光束112F移动玻璃板20，如大箭头172所指示的那样。这允许通过藉由来自控制器150的移动台控制信号ST选择性地平移移动台170并照射玻璃板20中的不同位置而形成多个玻璃凸起间隔件50。
在一示例性实施例中，玻璃凸起间隔件50被形成为例如图1所示的规则阵列。在一示例性实施例中，相邻玻璃凸起间隔件50之间的间隔在大约2英寸(即大约5.08cm)和6英寸(即大约15.24cm)之间。另外在一示例性实施例中，使用对玻璃凸起间隔件50的生长进行跟踪的反馈设备或系统来控制玻璃凸起间隔件形成，以使玻璃凸起间隔件可被形成为具有在一组玻璃凸起间隔件上基本均一的选择高度H。
在一示例性实施例中，通过测量透过玻璃板20的聚焦激光束112F的透射率T来跟踪玻璃凸起间隔件形成。在一示例性实施例中，这是通过沿轴线A1在玻璃板20的输出侧设置光电检测器180并将光电检测器电连接于控制器150来实现的。这证实聚焦激光束112F的透射率T在形成玻璃凸起50时快速减小。因此，这种透射率快速下降是通过响应于检测聚焦激光束112F中的透射光在由光电检测器180产生的电检测器信号SD中出现改变来检测的。(例如使用如前所述的控制信号SL或SS藉由控制器150的操作)终止用聚焦激光束112F照射(暴露于聚焦激光束112F)停止了局部加热并固定了玻璃凸起间隔件50。在一示例性实施例中，测得的透射率T被用来控制照射剂量。
在一示例性实施例中，光电检测器180设置在玻璃板20的输入侧附近并在照射过程中检测来自玻璃板本体23的荧光。然后使用检测到的荧光的阈值变化来终止暴露或调整照射剂量。
在另一示例性实施例中，可使用反馈子系统通过控制照射来控制每个玻璃凸起间隔件的凸起高度。例如，反馈子系统可实现为通过如下方式来控制照射：监视透过第一玻璃板的聚焦激光束的发射强度、每个相应玻璃凸起间隔件的温度、从每个相应玻璃凸起间隔件射出的荧光强度以及各相应玻璃凸起间隔件的凸起高度中的一个或多个，并且当测得被监视变量的预定值时终止照射。
在另一示例性实施例中，聚焦光学系统120被适配用于扫描，以使聚焦的激光束122F可选择地指向玻璃板20中将形成玻璃凸起间隔件50的多个位置。
凸起高度H取决于若干因素，这些因素包括激光功率P、重复频率R、聚焦条件以及构成玻璃板20的玻璃材料。图8是绘出聚焦激光束112F中的激光功率(W)、聚焦平面PF和后玻璃板表面24之间的距离DF以及由具有厚度TG＝3mm的钠钙玻璃制成的玻璃板的凸起高度H的柱状图。图8的柱状图基于实验数据并提供针对特定类型的玻璃板20使用装置100形成玻璃凸起间隔件50的工作参数的示例性范围。所使用的暴露(照射)时间在2秒-2.5秒的范围内并观察到这种变化不显著影响凸起高度H。UV激光器的最佳重复频率发现为R＝150kHz。凸起高度H的范围从对于大约0.6mm的DF和大约9W的激光功率P的大约75μm至对于大约1.1mm的DF和大约13W的激光功率的大约170μm。
注意，如果凸起高度H太小，则可能导致施加于内部区40的真空量的减小，这导致由于相邻玻璃板20之间的过小间隙的降低的隔离特性。其导致的较小内部区域体积也转变为降低的绝缘特性。另外，小凸起高度H可能导致由于紧邻设置的玻璃表面之间的光干涉造成的“牛顿环”的出现。估计凸起高度H≥100μm足以克服多数VIG窗10的这两个潜在问题。
图9是形成在具有厚度TG＝3mm的钠钙玻璃板内的玻璃凸起间隔件50的三维图像。图10是图9的玻璃凸起间隔件50的线扫描。线扫描揭示了玻璃凸起间隔件50具有基本半球形状，大约75μm的凸起高度H和大约250μm的基部直径DB。
图11是与图9所示相似的玻璃凸起间隔件50的三维图像，除了以玻璃板为形态的生长限制表面邻近于玻璃板表面24并随后玻璃板按照前述那样被照射。所得到的玻璃凸起间隔件50生长至某一凸起高度H并且该生长受该相邻玻璃板的限制。结果是玻璃凸起间隔件50具有直径为DT的基本平坦顶部51。如此，可一定程度地控制玻璃凸起50的尺寸、高度和形状，尤其是能控制基本平坦顶部51的直径DT(并由此控制其表面积)。在一示例性实施例中，基本平坦顶部51基本呈圆形，因此其表面积SA很好地近似于关系式SA＝π[DT/2]2。由一组n个玻璃凸起间隔件50给出的总接触面积SAT近似为SAT＝πn[DT/2]2。
可通过使用更复杂的生长限制结构或通过改变聚焦激光束112F的横截面形状来更准确地控制玻璃凸起间隔件50的尺寸、形状和高度。控制凸起高度H的优势在于，这缓解了凸起高度由于玻璃不均一性和次要激光不稳定性的变化。如果未经检查，这两个因素可能导致高达+/-5μm的玻璃凸起间隔件50的凸起至凸起高度变化。基本平坦顶部玻璃凸起间隔件50的另一优势是降低了(包括最小化)尖部51和玻璃20F之间的接触点处的机械应力。
装置100允许玻璃凸起间隔件50具有半球形状主要因为造成凸起形成的玻璃膨胀受熔融玻璃的表面张力的控制。通过使用具有圆形对称横截面的聚焦激光束112F来利用这种效果。玻璃凸起间隔件50的圆形外形是有利的，因为它提供玻璃凸起间隔件和相邻玻璃板之间的最小总接触面积SAT，由此减小两块玻璃板之间的热导率。由于隔热性随着总接触面积SAT增加而减小，因此减小(且优选地最小化)VIG窗10中的这一热传递机制是重要的。另一方面，每个玻璃凸起间隔件50的非常小的接触面积SA可导致局部应力集中并能潜在地损坏邻近的玻璃板20和/或玻璃凸起间隔件50。如前面结合图11所述那样，玻璃凸起间隔件50可具有尺寸(即直径DT并进而是接触面积SA)可受控制的基本平坦顶部51。
在VIG窗10的示例性实施例中，选择总接触面积SAT以增加并优选地优化隔热性。估计针对具有范围从大约300μm至大约700μm的基部直径DB的玻璃凸起间隔件50，基本平坦顶部51优选地具有“顶部”直径DT≤100μm，更优选地DT≤75μm，特别优选地DT≤50μm。
为了评价VIG窗10中的激光生长玻璃凸起间隔件50相对传统VIG窗中所用的分立间隔件的可见度，在相对于与VIG窗成法线的表面以不同倾角拍摄若干照片。尽管当以上光入射角(glazing incident angle)观察时玻璃凸起间隔件50是可见的，然而它们在更为寻常的近入射观察角上变得几乎不可见。然后将VIG窗10的照片与在实质相同条件下针对具有分立陶瓷间隔件的市售窗板所拍摄的照片作比较。分立陶瓷间隔件更容易被看到，尤其是在寻常的、近入射观察角上。
如图4A所示，在一示例性实施例中，玻璃凸起间隔件50形成在中间玻璃板20M的两侧22M、24M以形成图示的三层板VIG窗10。在一示例性实施例中，相比形成单边缘凸起通过改变照射条件来形成双边缘玻璃凸起间隔件50。作为示例，在一种方法中，玻璃凸起间隔件50形成在玻璃板20M的一个边缘22M，并随后将玻璃板翻转并在另一个边缘24M上形成更多的玻璃凸起。在一个实施例中，可能需要将形成在中间玻璃板20M各个边缘上的两组玻璃凸起间隔件50略为错开以避免照射到之前形成的玻璃凸起间隔件。这种错开量例如等于基部直径DB或高达基部直径DB的大约两倍，常见为200μm至700μm的数量级并因此相比于常见VIG窗10的尺寸来说相当小。
可以预期到对VIG窗10采用一体形成的玻璃凸起间隔件50会比将分立(即非一体)的间隔件设置和固定于玻璃板更节约成本。这主要是因为本发明省去了将分立间隔件布置在精确位置并在组装VIG窗时将它们保持在位的设备和工艺的需要。由于玻璃凸起50的尖部51和相邻玻璃板20之间的更小的和可控的接触面积SA，因此经由热传导通过VIG窗10的热传递相对于使用分立间隔件而减小(并优选地减至最小)。在制造三层板VIG窗的情形下成本优势变得更为明显，在在制造三层板VIG窗的情形中分立间隔件的处理和布置变得相当困难。
VIG窗10的示例性实施例采用具有不同材料成份的玻璃板20。例如，一块玻璃板20(例如图2中后玻璃板20B)由第一玻璃类型形成而另一块玻璃板(例如前玻璃板20F)由第二玻璃类型形成。例如，第一玻璃类型是钠钙窗玻璃而第二玻璃类型是硅酸铝钠玻璃(例如1317，2317及其它)，反之亦然。
此外，在VIG窗10的示例性实施例中，一块玻璃板20较厚(例如3mm-6mm)以提供结构强度，而另一玻璃板具有较高的膨胀能力并较薄(例如1mm-2mm)以使VIG窗10的总厚度和重量减至最小。
在硅酸铝钠玻璃1317(“1317玻璃”)中进行的玻璃凸起形成实验揭示了高程度的膨胀能力，其中155μm的凸起高度H形成在厚度TG＝1.3mm的采样中。这里要注意，钠钙窗玻璃和1317玻璃具有大约9ppm/C的相似的热膨胀系数(CTE)。
在具有非常低铁含量(并因此不具有绿色素)的“超白”窗玻璃板20中执行的实验中，具有大约212μm的凸起高度H的玻璃凸起间隔件50是使用上述方法形成的。因此，在一示例性实施例中，形成在低铁含量玻璃中的玻璃凸起间隔件50具有在75μm至225μm范围内的凸起高度H，更优选地在100μm至225μm范围内，特别优选地在150μm至225μm的范围内。
图12是在后表面24中具有红外反射涂层210的示例性玻璃板20的侧面示意图。这种玻璃板由于能进一步减少传热量而在VIG窗领域内是有用的。
图13是类似于图12的近观横截面图，但对于图12的IR反射玻璃板20示出形成于其上的玻璃凸起间隔件50。由于涂层210具有比玻璃板20低得多的熔点，因此涂层210从玻璃凸起间隔件50附近熔化掉，使玻璃凸起间隔件50没有涂层。涂层20的任何残留物可通过使用标准玻璃清洗技术清洗后表面24而轻易去除。
VIG窗形成
本发明的一个方面针对使用如前所述形成玻璃凸起间隔件50的方法形成VIG窗，例如VIG窗10。由此，再次参见图1和图2，形成VIG窗10的一种示例性方法包括：在由第一玻璃材料构成的第一(后)玻璃板20B中形成由来自第一本体部分23的第一玻璃材料构成的多个玻璃凸起间隔件50。该方法随后包括：使第二玻璃材料的第二(前)玻璃板20F与第一多个玻璃凸起间隔件50接触以使第一和第二玻璃板在相应表面24F、24B之间隔开第一距离DG，如图2所示。该方法随后包括用边缘封条30密封第一和第二边缘28F、28B的至少相应部分以在前玻璃板20F和后玻璃板20B之间定义内部区域40。内部区域40则被至少部分地抽真空以在其中形成低于一个大气压的真空压力。在一特定示例性实施例中，第一和第二玻璃材料是相同的。
形成三层板VIG窗10的方法类似于形成两层玻璃板VIG窗，并且现在参照图4A和图4B对其予以说明。参照图4A，在一示例性实施例中，三层板VIG窗10的形成涉及在位于前(第二)和后(第三)玻璃板20F、20B之间的中间(第一)玻璃板20M中形成两组玻璃凸起间隔件。中间玻璃板20M因此在相应表面22M、24M内具有第一和第二复数(组)个的玻璃凸起间隔件50。中间玻璃板20M还具有外缘28M并由第一玻璃材料制成。
该方法包括使前、后玻璃板20F、20B(分别由第二和第三玻璃材料制成)各自与第一和第二多个玻璃凸起间隔件50接触以使前中间和后玻璃板20F、20M在表面24F和22M之间隔开一距离DGA，并使中间、后玻璃板20M、20B在表面24M和24B之间隔开以距离DGB。该方法随后包括用一个或多个边缘封条30(一边缘封条30示出于图4A)密封三块玻璃板的前、中间和后边缘28F、28M和28B的至少相应部分。这用来在前和中间玻璃板20F、20M以及中间和后玻璃板20M、20B之间分别定义第一和第二内部区域40A、40B。内部区域40A、40B则被至少部分地抽真空以在其中形成低于一个大气压的真空压力。在一特定示例性实施例中，第一、第二和第三玻璃材料都是相同的。
在图4B所示的替代实施例中，不是在中间玻璃板20M中形成第二组玻璃凸起间隔件50，而是将玻璃凸起间隔件50形成在后玻璃板20B的内表面24B中。另外，如图4B所示，形成三层板VIG窗10的方法替代地包括使用一个边缘封条30来密封边缘28F、28M的至少相应部分以形成对第一内部区域40A的真空密封，并使用另一边缘封条来密封边缘28M、20B的至少相应部分以形成对第二内部区域40B的真空密封。
在前面的描述中，本领域内技术人员很清楚理解，可对本发明作出改型而不脱离这里披露的理念，这些改型被认为涵盖在所附权利要求书中，除非这些权利要求本身表述明确地宣称相反情形。

Claims (28)

1.一种真空隔离玻璃(VIG)窗，包括：
第一玻璃板，所述第一玻璃板具有由第一玻璃材料形成的第一本体并具有第一相对的表面和第一外缘；
第二玻璃板，所述第二玻璃板与所述第一玻璃板隔开并以第一距离基本平行于第一玻璃板设置并具有由第二玻璃材料形成的第二本体并具有第二相对的表面和第二外缘；
第一边缘封条，形成在各第一和第二外缘的至少相应部分周围，用以在第一和第二玻璃板之间定义第一密封的内部区，其中所述第一密封的内部区具有低于一个大气压的真空压力；以及
第一多个玻璃凸起间隔件，所述第一多个玻璃凸起间隔件与第一玻璃板在其中一个第一表面内一体地形成并由来自第一本体部分的第一玻璃材料构成，并接触第二玻璃板以保持所述隔开的第一距离。
2.如权利要求1所述的VIG窗，其特征在于，所述第一玻璃凸起间隔件包括与第二玻璃板的其中一个第二表面接触的相应基本平坦顶部。
3.如权利要求1所述的VIG窗，其特征在于，所述第一玻璃凸起间隔件具有由75μm≤H≤225μm定义的凸起高度H。
4.如权利要求3所述的VIG窗，其特征在于，所述凸起高度H由100μm≤H≤170μm定义。
5.如权利要求1所述的VIG窗，其特征在于，所述第一和第二玻璃材料是相同的。
6.如权利要求1所述的VIG窗，其特征在于，所述第一和第二玻璃板具有基本相同的相应厚度。
7.如权利要求1所述的VIG窗，其特征在于，还包括：
第三玻璃板，所述第三玻璃板与所述第一玻璃板隔开并在所述第二玻璃板的相反一侧并以第二距离基本平行于所述第一玻璃板而设置，所述第三玻璃板具有形成自第三玻璃材料的第三本体并具有第三相对的表面和第三外缘；
其中要么a)第一边缘封条进一步围住所述第三外缘的至少一部分以进一步在所述第一和第三玻璃板之间定义具有低于一个大气压的真空压力的第二密封内部区，要么b)第二边缘封条围住所述第一和第三外缘的至少相应部分以在所述第一和第三玻璃板之间进一步定义具有低于一个大气压的真空压力的第二密封内部区；以及
第二多个玻璃凸起间隔件，在与具有第一多个玻璃凸起间隔件的表面相反的表面内与所述第一玻璃板一体形成，所述第二多个玻璃凸起间隔件由来自第一本体部分的玻璃材料构成，并与所述第三玻璃板接触以保持所述间隔的第二距离。
8.如权利要求7所述的VIG窗，其特征在于，所述第一、第二和第三玻璃材料是相同的。
9.如权利要求1所述的VIG窗，其特征在于，还包括：
第三玻璃板，所述第三玻璃板与所述第一玻璃板隔开并在所述第二玻璃板的相反一侧并以第二距离基本平行于所述第一玻璃板而设置，所述第三玻璃板具有形成自第三玻璃材料的第三本体并具有第三相对的表面和第三外缘，具有第二多个玻璃凸起间隔件一体地形成在第三玻璃板中与所述第一玻璃板毗邻的第三表面内，所述第二多个玻璃凸起间隔件由来自第三本体的玻璃材料构成并与所述第一玻璃板接触以维持所述间隔的第二距离；以及
其中要么a)第一边缘封条进一步围住所述第三外缘的至少一部分以进一步在所述第一和第三玻璃板之间定义具有低于一个大气压的真空压力的第二密封内部区，或b)第二边缘封条围住所述第一和第三外缘的至少相应部分以在所述第一和第三玻璃板之间进一步定义具有低于一个大气压的真空压力的第二密封内部区。
10.如权利要求9所述的VIG窗，其特征在于，所述第一、第二和第三玻璃材料是相同的。
11.一种形成真空隔离玻璃(VIG)窗的方法，包括：
在具有带第一表面和第一边缘并由第一玻璃材料构成的第一本体部分的第一玻璃板中，在第一表面内一体地形成第一多个玻璃凸起间隔件，所述第一多个玻璃凸起间隔件由来自第一本体部分的第一玻璃材料构成；
使具有第二表面和第二边缘并由第二玻璃材料构成的第二玻璃板与第一多个玻璃凸起间隔件接触以使第一和第二玻璃板在第一表面和第二表面之间间隔第一距离；
密封第一和第二边缘以在第一和第二玻璃板之间定义一内部区域；以及
在所述内部区域内形成低于一个大气压的真空压力。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，一体地形成第一多个玻璃凸起间隔件还包括：
a)用聚焦激光束来照射第一玻璃板的一个位置，并终止照射以固定玻璃凸起间隔件；以及
b)对不同位置重复动作a)多次以形成第一多个玻璃凸起间隔件。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，反馈子系统被用来控制每个相应玻璃凸起间隔件的凸起高度。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述反馈子系统测量通过第一玻璃板的聚焦激光束的透射强度并当测得预定透射强度值时终止照射。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述反馈子系统测量每个相应玻璃凸起间隔件的温度并当测得预定温度值时终止照射。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述反馈子系统测量来自每个相应玻璃凸起间隔件发出的荧光强度并当测得预定荧光强度时终止照射。
17.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述反馈子系统测量每个相应玻璃凸起间隔件的凸起高度并当测得预定凸起高度时终止照射。
18.如权利要求12所述的方法，其特征在于，包括提供具有紫外线波长和中间红外波长中的一个的聚焦激光束。
19.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：
将生长限制表面定位在第一玻璃板表面附近并使所述玻璃凸起间隔件生长进入生长限制表面，由此为第一多个玻璃凸起间隔件提供基本平坦的顶部。
20.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：
为聚焦激光束提供光脉冲，所述光脉冲具有由20ns≤τP≤80ns定义的时间脉宽τP，以及由50kHz≤R≤200kHz定义的重复频率R。
21.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一和第二玻璃材料是相同的。
22.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：
形成所述玻璃凸起间隔件以使其具有由75μm≤H≤225μm定义的凸起高度H。
23.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一和第二玻璃材料中的至少一个包括钠钙玻璃。
24.一种通过工艺形成的真空隔离玻璃(VIG)窗制品，所述工艺包括：
提供第一玻璃板，所述第一玻璃板具有第一本体部分，所述第一本体部分有第一表面和第一边缘并由第一玻璃材料构成；
在所述第一玻璃板的第一表面内形成多个玻璃凸起间隔件，所述多个玻璃凸起间隔件由来自第一本体部分的第一玻璃材料构成；
使具有第二表面和第二边缘并由第二玻璃材料构成的第二玻璃板与所述玻璃凸起间隔件接触以使第一和第二玻璃板在第一和第二表面之间隔开第一距离；
密封第一和第二边缘以在第一和第二玻璃板之间定义一内部区域；以及
在所述内部区域内形成低于一个大气压的真空压力。
25.如权利要求24所述的VIG窗制品，其特征在于，所述工艺还包括：
a)用来自激光器的聚焦激光束来照射第一玻璃板的一个位置，其中所述聚焦激光束通过第一玻璃板并且其焦点落在第一本体部分外侧并靠近所述第一玻璃板第一表面；并终止照射以固定玻璃凸起间隔件；以及
b)对不同位置重复动作a)多次以形成多个玻璃凸起间隔件。
26.如权利要求25所述的VIG窗制品，其特征在于，所述工艺还包括：
将生长限制表面定位在第一玻璃板表面附近并使所述玻璃凸起间隔件生长进入生长限制表面，由此为多个玻璃凸起间隔件提供基本平坦的顶部。
27.如权利要求25所述的VIG窗制品，其特征在于，所述工艺还包括：
为聚焦激光束提供光脉冲，所述光脉冲具有由20ns≤τP≤80ns定义的时间脉宽τP，以及由100kHz≤R≤200kHz定义的重复频率R。
28.如权利要求25所述的VIG窗制品，其特征在于，所述工艺还包括：
从激光器产生紫外波长和中间红外波长光束中的一个。
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