CN104808337A - 节能调光玻璃 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种节能调光玻璃，包括各向同性的透明叶片，在所述叶片上设置有若干取向排列的各向异性的调光粒子，所述调光粒子为透明的液晶分子或纳米粒子。本发明能够实现节能、调光双重效果，不受温度、环境影响，可以利用电动、磁控或机械的方法调节，实现调光的同时，减少能源消耗。

Description

节能调光玻璃

技术领域

本发明涉及一种节能调光玻璃。

背景技术

随科技的进步和人们保护环境的意识的加深，我们对现代建筑的要求也提出更高的节能要求。就建筑物本身的节能，通常可以由外墙、屋顶来实现部分控制。因为外墙和屋顶的厚度和透光率没有限制，实现节能相对容易。因为窗户有高透光率和视觉美化的要求，成为现代建筑物节能指标的一个难题。在过去100年间，窗户的节能设计和技术有长足的发展。如在寒冷的地方，采用中空玻璃，甚至是多层的中空玻璃等。这种设计当然是以部分牺牲窗户的透光率和增大窗户成本来实现的。随窗户的发展，人们也开始重视窗户调光功能，如采用液晶实现电调光的智能玻璃已经在建筑或装修市场出现。然而这种玻璃包括它的竞争对手SPD玻璃都因为处于调光状态需要持续的能耗使其节能效果降低。所有的调光玻璃，如液晶、SPD或电化学调光因为使用两层透明电极材料，使它们的制造工艺复杂，制造成本大大增加，其成本阻止它们在建筑节能市场上的使用。

在授权公告号为CN101725316B的中国发明申请专利中，公开了一种调光玻璃及其制作方法，该专利通过采用依次层叠的玻璃、第一粘合层、第一导电层、聚合物分散液晶层、第二导电层、第二粘合层和硬质膜层的方式，使聚合物分散液晶层加装在玻璃和硬质膜层之间，通过持续通电的方式影响液晶层液晶分子排布方式实现调节，由于使用过程中需要持续通电才能实现调节，使得非常浪费电能。

在公告号为CN103278959A的中国发明专利申请中，公开了一种应变液晶多功能调光玻璃及其制造方法，通过将两片浮法超平透明导电厚玻璃夹层聚合物分散液晶薄膜并带不锈钢边框的电源导线构成。通过持续施加电压的方式，使玻璃变成透明或不透明的状态，由于该专利中采用的方法需要持续对玻璃进行过通电才能实现玻璃持续呈现透明或非透明状态，因而会使得其运行过程中持续耗电，能源消耗大。

在授权公告号为CN101694555B的中国发明专利申请中，公开了一种聚合物分散液晶剪切效应调光玻璃及其制备方法和应用，该专利中采用的方案是采取两张平板玻璃，之间夹一层聚合物分散液晶剪切效应膜构成，所述聚合物分散液晶剪切效应膜主要是由质量比为预聚物：向列相液晶材料=1：1~3的比例混合组成，所述预聚物是由20%的烷氧基壬苯基丙烯酸酯、70%的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、5%的链转移剂和5%的光引发剂组成，所述平板玻璃为等离子显示器或液晶显示器用透明导电玻璃的未镀透明导电层的原料超平厚玻璃，其厚度为3~8mm。该发明专利中通过采用光引发剂紫外光区(250～420nm)或可见光区(400～800nm)吸收一定波长的能量，产生自由基、阳离子等，从而引发单体聚合交联固化。虽然该过程无需提供电源，但是由于通过聚合物分散液晶的剪切效应实现调光，在开启和关断时操作收到温度影响，在低温状态下闭合耗能大，并且不稳定。

申请人研究发现，现有的可调光玻璃每平米的功耗在5W-10W以上。如果建筑物安装这样的智能窗户，需要大量的布线，设计复杂，维护成本也扩大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现节能、调光双重效果的玻璃，不受温度、环境影响，通过采用电动、磁控或机械的方法瞬间调节玻璃的角度即可，无需持续供电，实现调光的同时，减少能源消耗。

本发明通过以下技术方案实现：

一种节能调光玻璃，包括各向同性的透明叶片，在所述叶片上设置有若干取向排列的各向异性的调光粒子，所述调光粒子为透明的液晶分子或纳米粒子。

本发明可作为百叶窗使用，也可以作为建筑玻璃使用，仅需通过调整叶片的角度，使光线通过叶片时与叶片呈一定角度，利用调光粒子对光线的反射作用，将部分或全部光线反射出去，实现投射到室内光线的调节。由于采用叶片作为载体，将调光粒子设置在叶片上，仅需在需要调整时调整叶片的角度，使其固定即可，无需对调光粒子进行持续通电，进而能够实现节能效果的同时，实现调光。由于采用取向排列的各向异性的调光粒子，利用取向排列下各向异性的调光粒子在不同角度下对光线的折射不同而实现调节，无需持续通电，使其相比现有调光玻璃更加节能；叶片的调整也可以通过机械等多种方式实现，因而能够减少现有调光玻璃需要大量布线、结构复杂的缺陷。

进一步地，为更好地实现本发明，还包括内外两层相互平行的玻璃板，所述叶片位于内外两层玻璃板之间。

通过设置内外两层的玻璃板，可以将叶片设置在两层玻璃板之间，将其整体作为建筑用玻璃安装，在需要时，采用机械、电控或磁控的方式，调整叶片相对玻璃板的角度即可实现调光。本发明能够更加方便整体的安装。

进一步地，为更好地实现本发明，所述调光粒子为棒状液晶分子，其长轴垂直或平行于玻璃板表面。

进一步地，为更好地实现本发明，所述棒状液晶分子的常光折射系数为1.3～1.5，其非常光折射系数为1.5～1.9。

进一步地，为更好地实现本发明，所述调光粒子为棒状或片状的纳米粒子，其高折射系数轴垂直或平行于玻璃板的表面。

进一步地，为更好地实现本发明，所述纳米粒子的常光折射系数为1.4～1.6，其非常光折射系数为1.5～3.0。

进一步地，为更好地实现本发明，所述叶片为透明基底，所述透明基底的折射系数为1.4～1.6。

进一步地，为更好地实现本发明，所述透明基底为上下两层，所述调光粒子位于上下两层透明基底之间。

进一步地，为更好地实现本发明，所述叶片为填充层，所述调光粒子取向排列在填充层内，所述填充层的折射系数为1.4～1.6。

进一步地，为更好地实现本发明，在所述填充层下方设置有透明基底，所述透明基底的折射系数为1.4～1.6。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

（1）本发明仅需在需要调节的瞬间调节叶片相对入射光线的角度，无需持续供电，能够避免现有的可调光玻璃以及传统电调光液晶膜或SPD膜调光需要持续耗电的缺点，降低玻璃能耗；

（2）本发明能够实现利用高折射系数取向液晶或棒状纳米颗粒叶片利用对直射阳光的全反射实现节能调光；

（3）本发明避免传统调光玻璃的使用透明导电材料和电极，大大节省原料等稀有自然资源和降低加工成本。

附图说明

图1为本发明实施例1透明基底状态下叶片结构示意图；

图2为本发明实施例1填充材料层状态下叶片结构示意图；

图3为本发明实施例1透明基底与填充材料组合状态下叶片结构示意图；

图4为本发明实施例1调光粒子与玻璃板相垂直状态下叶片结构示意图；

图5为本发明实施例2透光状态原理图；

图6为本发明实施例2漫反射调光原理图；

图7为本发明实施例2全反射调光原理图。

其中：101—透明基底；102—填充层；103—调光粒子；104—玻璃板。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步详细介绍，但本发明的实施方式不限于此。

当光线从折射系数小的物质到达光折射系数大的物质界面时，会发生反射。如果在一种均匀的透明材料中，如本发明所说的填充物中，规则或不规则地分布着高度光学各向异性的材料，通常是棒状结构的粒子，如纳米线、纳米棒或液晶分子。光沿着与这些各项异性的粒子或分子垂直传播时具有大的非常光折射系数ne（在1.5-3.0之间），在长度平行方向传播具有小的常光折射系数no（在1.3-1.5之间）。当采用液晶分子包裹体时，包裹体内的分子取向可以通过外加电场控制。没有外加电场时，液晶分子平面内杂乱分布，导致每个包裹体的平均光折射系数大于填充物的光折射系数。当光线穿过填充物和包裹体时会经历数次的漫反射。因包裹体的无序分布，填充物和包裹体结构呈现玻璃的磨砂状态。当电场足够大，导致液晶分子长轴和光线入射方向平行时，包裹体和液晶分子的平均常光折射系数no和填充物匹配（或相近），结构呈现透明透光状态。这就是PDLC调光电调光膜或调光玻璃或智能玻璃的工作原理。利用电场取向调节膜或玻璃的光透过状态也是SPD基智能玻璃的调光原理。这两种智能玻璃或调光膜的缺点是能耗。只要需要改变其光透过率，这两种材料需要持续的外加电场。它们每平米的功耗在5W-10W以上。如果建筑物安装这样的智能窗户，需要大量的布线，设计复杂，维护成本也扩大。

由于现有的调光玻璃均存在耗电量大的问题，本发明公开了一种节能调光玻璃用于改善上述问题，本发明所述调光玻璃包括各向同性的透明叶片，在所述叶片上设置有若干取向排列的各向异性的调光粒子103，所述调光粒子103为透明的液晶分子或纳米粒子。

可以将本发明用作百叶窗使用，可以采用机械、电动、磁控等方式实现调节叶片的角度，使透过百叶窗的光线与叶片之间的角度发生变化，从而影响百叶窗的透光率。采用取向排列方式实现调节调光粒子103的排布，是通过对调光粒子103施加一定的电压，使其呈一定方向下平行排列。

本发明中，采用各向同性的透明叶片作为调光粒子103的载体，利用各向同性的透明载体的物理、化学性质不会由于方向的变化而改变的特性，使得光在透过叶片时不会由于叶片角度的相对变化而与调光粒子103之间产生相互干涉，因而不会影响调整叶片时调光粒子103对光线的折射或反射；由于采用各向异性的调光粒子103，其沿着不同方向原子排列周期不同，使得其在不同角度下光线通过时呈现的物理和化学特性不同，进而可以通过调节调光粒子103的角度，实现对光线的调节。由于采用叶片作为载体，将调光粒子103均匀排列的叶片上时，转动叶片，即可实现对调光粒子103相对光线入射角度的调节。

本发明中，由于调光粒子103采用取向排列，并通过各向同性的叶片作为载体，使得在转动叶片时，排布在叶片上的调光粒子103随着叶片的转动而改变相对入射光线的方向，利用调光粒子103各向异性的特点，使通过调光粒子103的光线经过全部或部分反射或折射，进而使通过整个玻璃的光线得到调整。

本发明中，可以将整个结构经过剪切制作成为百叶窗，也可以通过添加透明结构使其成为可以调整透光率的整体可调节玻璃结构，本发明中，可以设置内外两层相互平行的玻璃板104，将所述叶片设置在内外两层玻璃板104之间。通过将转动叶片的结构设置在内外两层玻璃板104之间或两侧，将玻璃板104固定在建筑结构上，仅使叶片相对玻璃板104转动，即可实现对穿过整体玻璃的光线强度的调节。

由于将调光粒子103设计为取向排列，并以叶片为载体，将叶片固定在一定角度下，本发明的调光效果即可长时间保持，仅需在需要调节的瞬间通过机械（如手动）、磁驱动或电驱动方式对叶片相对角度进行调节，因而整个操作过程中，无需对本发明结构进行持续供电。申请人通过研究发现，相比现有的调光玻璃，如果每平方米窗户每天调节两次，其调节能耗不超过0.01Wh，远低于传统同面积液晶调光膜的能耗（50 Wh，假设一天工作8小时）。

本发明可以采用手动旋钮进行机械调节，也可以采用电动如电动旋钮、蓝牙、WIFI控制调节，也可以采用永磁铁带动叶片转动实现调节，其结构简单，操作方便，且能耗低。

实施例1：

如图1-4所示，本实施例中，所述调光粒子103可以采用但不限于以下两种结构：

第一：采用棒状液晶分子，由于棒状液晶分子的常光折射系数no和非常光折射系数ne不同，使得其取向排列时，不同角度情况下，通过光线强度就不同，进而能够利用其反射及折射现象调节通过玻璃的光线强度。本实施例中，优选的，所选用的棒状液晶分子的常光折射系数为1.3～1.5，其非常光折射系数为1.5～1.9；本实施例中，棒状液晶分子的长轴垂直或平行于玻璃板104表面，能够使得棒状液晶分子的排布更加规律，方便调节叶片角度；

第二：采用棒状或片状的纳米粒子，利用纳米粒子具有光学非线性、光吸收、光反射等特性，实现对光线的反射和吸收，调节透过玻璃的光线强度。

本实施例中，可以采用无机或有机材料制成透明基底101作为叶片，采用无机材料时，可以选择硅氧化合物玻璃，采用有机物时，可以选择PVC, EVA, PMMA等。为了使透明基底101与调光粒子103相配合，其折射系数为1.4～1.6；也可以采用上下两层透明基底101材料，将调光粒子103设置在两层透明基底101之间；

同时，本实施例中，也可以采用有机、无机、或有机无机相配合的混合物作为填充层102填充在调光粒子103之间形成叶片。为了与调光粒子103的光学特性感相匹配，本实施例中，优选为折射系数在1.4~1.6之间的透明的各向同性材料作为填充层102。

本实施例中，也可以采用透明基底101上设置调光粒子103，并设置填充层102的方式，使填充层102与透明基底101共同构成叶片结构，其折射系数也应当与调光粒子103相匹配。

实施例2：

如图5-7所示，本实施例在实施例1的基础上，选择透明基底101与填充层102共同构成的叶片结构，调光粒子103的长轴在透光状态下与玻璃板104相垂直。

在透光状态时，如图5所示，光束垂直穿过透明玻璃板104，由于调光粒子103呈取向排列，并且调光粒子103的长轴与玻璃板104垂直，光线完全从一侧玻璃板104穿透到另一侧玻璃板104，不会影响光线穿透玻璃，处于全透明状态；

在将叶片调整为相对两个玻璃板104的水平连线呈角度α时，如图6所示，入射光束在穿过一侧玻璃板104之后，部分入射光束经过填充层102或调光粒子103的反射和折射，光的传播方向发生改变，从而向其他方向传播，部分光线经过多次反射或折射之后通过位于另一侧的玻璃板104，从而从玻璃的一侧传播到另一侧，由于部分光线经过漫反射之后被反射到玻璃外侧，进而使得通过整个玻璃的光线强度减少，从而实现通过玻璃的光的强度的调节；

在调整叶片角度过程中，可以通过设定角度，实现对光线的全反射，如图7所示。在将叶片的角度调整为与两玻璃板104的水平连线呈α1角时，入射光束经过叶片发生全反射，使得光线不能通过玻璃达到室内。

因为取向分子对光线的折射系数或取向粒子的常光折射系数no 和填充层102对光的折射系数匹配，入射光线在分子/粒子和填充层102界面不经受反射，这个结构呈现透光状态。当这一结构被转动一个角度α后，对入射光线来说，填充层的光折射系数还是no，但是倾斜的液晶分子或棒状粒子的折射系数在no和ne之间。即入射光束在填充层102和取向分子/粒子界面发生反射，经多次光反射后，部分光束经向前反射透过玻璃，部分光束经背反射路径反射。这样就达成这个玻璃的调光状态，即实现漫反射调光。倾角α越大，光透过率越低，角度进一步增大到全反射角度α1后，没有光线能通过叶片，能完全遮光。和传统的智能玻璃PDLC和SPD相比，本发明的调光玻璃的取向由叶片的倾角决定，在任何慢反射调光状态都不需要能源。对1平方米的玻璃，其叶片旋转的能耗在0.01Wh以下。比每天工作5小时的PDLC和SPD智能玻璃的能耗小3个数量级以上。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种节能调光玻璃，其特征在于：包括各向同性的透明叶片，在所述叶片上设置有若干取向排列的各向异性的调光粒子，所述调光粒子为透明的液晶分子或纳米粒子。

2.根据权利要求1所述的节能调光玻璃，其特征在于：还包括内外两层相互平行的玻璃板，所述叶片位于内外两层玻璃板之间。

3.根据权利要求2所述的节能调光玻璃，其特征在于：所述调光粒子为棒状液晶分子，其长轴垂直或平行于玻璃板表面。

4.根据权利要求3所述的节能调光玻璃，其特征在于：所述棒状液晶分子的常光折射系数为1.3～1.5，其非常光折射系数为1.5～1.9。

5.根据权利要求2所述的节能调光玻璃，其特征在于：所述调光粒子为棒状或片状的纳米粒子，其高折射系数轴垂直或平行于玻璃板的表面。

6.根据权利要求5所述的节能调光玻璃，其特征在于：所述纳米粒子的常光折射系数为1.4～1.6，其非常光折射系数为1.5～3.0。

7.根据权利要求1-6任一项所述的节能调光玻璃，其特征在于：所述叶片为透明基底，所述透明基底的折射系数为1.4～1.6。

8.根据权利要求7所述的节能调光玻璃，其特征在于：所述透明基底为上下两层，所述调光粒子位于上下两层透明基底之间。

9.根据权利要求1-6任一项所述的节能调光玻璃，其特征在于：所述叶片为填充层，所述调光粒子取向排列在填充层内，所述填充层的折射系数为1.4～1.6。

10.根据权利要求9所述的节能调光玻璃，其特征在于：在所述填充层下方设置有透明基底，所述透明基底的折射系数为1.4～1.6。