CN1257640A - 用于加热绝缘玻璃组件的凝结控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种玻璃加热系统(26)包括一个低热辐射系数涂覆玻璃板(34)和安装在玻璃(34)表面上、用于以光学方法检测玻璃(36)上的凝结的一个光学传感器(28)。低热辐射系数玻璃(36)生产成本较低,并具有优异的热性能。这种低热辐射系数玻璃(36)具有适用于冷冻箱和冰箱的绝缘玻璃门的改善的热性能。光学传感器(28)设置在绝缘玻璃组件(26)的玻璃板(34、36)之间,用于检测在外表面上形成湿气。当检测到湿气存在时,控制器(30)向玻璃(36)的未露出表面上的导电涂层传输功率,以加热玻璃和消除凝结。在双层绝缘玻璃门(34、36)中,控制电路(30)可以方便地安装在门(32)的框架中。

Description

用于加热绝缘玻璃组件的凝结控制系统
                       发明背景
发明领域
本发明涉及用于加热绝缘玻璃组件的凝结控制系统，更具体地说，本发明涉及具有与电源相连的电阻性涂层的一种低热辐射系数玻璃板。在两块玻璃板之间设置有一个光学湿度传感器以检测由于凝结引起的玻璃外表面上的湿气。在用于商用冷冻箱和冰箱门的绝缘玻璃组件中时，传感器控制对于玻璃的选择性加热以防止在冰箱门上形成凝结水雾。
相关技术概要
商用冷冻箱和冰箱的玻璃门中所使用的绝缘玻璃组件是双层或三层的。这种绝缘玻璃组件通常在其中一个玻璃表面上带有一层导电涂层以用电加热玻璃。加热玻璃使得玻璃门不会发生结霜和凝结，从而顾客能够看清冷冻箱或冰箱中的商品。清晰的玻璃门促进了销售，并且使得所销售商品和冷冻设备不会受到结霜和凝结的损坏。
因为玻璃门的表面温度由于内部冷冻而低于环境温度，所以当玻璃的温度下降到低于商店里空气的结露点温度时，在玻璃外表面上会凝结水雾。加热玻璃的目的是使玻璃的温度保持在温暖的环境空气的结露点温度之上。通过将玻璃加热到结露点温度之上，防止在冰箱门的玻璃上形成不希望有的凝结和结霜。
在由双层绝缘玻璃组件构成的冰箱门中，在玻璃板的一个或两个未露出表面上覆盖有一层导电材料。该导电涂层借助于安装在玻璃相对边沿上的两根导电条与一个交流电源相连。当电流通过涂层时，玻璃表面被加热，从而形成不会发生凝结的表面。
绝缘玻璃组件中的涂层一般施加在最外侧的玻璃板的未露出表面上。最外侧的玻璃板即使暴露在环境空气中，也能够避免发生结霜和凝结。在潮湿环境下，当门打开时，最内层的玻璃也暴露在周围空气中，于是在最内层玻璃门的暴露表面上可能发生凝结现象。因此，也可以在最内层玻璃板的未露出表面上施加涂层以加热最内层玻璃板。
电流可以通过涂层连续地传输到玻璃上。为了使由于热量传递到冷冻箱或冰箱箱体内造成的运营成本的增加最小化，通常冷冻箱门由三层组件构成，冰箱制冷装置的门由双层组件构成。这种组件一般在低热耗散状态下工作。
对于冷冻箱或冰箱门耗散功率的控制是一个重要的问题。如果这个功率太低，就会在玻璃上形成凝结和结霜。如果功率耗散太高，就会额外增加成本。加热门所需的附加能量是额定成本，但是在冷却系统使冷冻箱或冰箱维持在所需温度方面的运行成本可能是较大的。一般来说，目的是使玻璃门组件在低功耗密度下避免产生结霜或凝结。
加热玻璃也可以使用在其它防止凝结的应用中，例如用于自动售货机、浴室镜、或天窗。这种组件还可以包括用于当检测到凝结时选择性地向玻璃涂层表面传输电流的一个控制系统。
适合加热用途的玻璃板在一个表面上具有一层透明导电涂层。典型的透明导电涂层包括氧化锡、氧化铟、和氧化锌。玻璃板上的涂层具有电阻，通常以“欧姆/每平方面积”为单位来量度，这个单位是一个平方面积玻璃的电阻值。
以每平方面积欧姆值为单位的表面电阻是本领域中众所周知的一个术语，并且按照这个含义使用。对于具有已知表面电阻的一个正方形涂覆玻璃来说，该正方形涂覆玻璃的相对两个侧边之间的电阻值对于任何大小的正方形来说都是常数。利用一个4点探针式欧姆表或其它类似测量装置可以测量该电阻值。
在上述应用中所使用的涂覆玻璃通常是矩形的。矩形涂覆玻璃的相对两个侧边之间的电阻根据玻璃的尺寸而变化。但是，一旦已知特定类型涂覆玻璃板以“欧姆/每平方面积”为单位的表面电阻值，则可以按照下式根据矩形玻璃板的实际尺寸计算出任何矩形玻璃板的两个相对侧边之间的电阻值：
            RG＝(d/w)RS其中RG为在安装导电条的相对侧边之间测得的该矩形涂覆玻璃的电阻，d是带有导电条的两个侧边之间的距离，w是安装导电条的两个侧边的长度，Rs是一个正方形涂覆玻璃以欧姆/每平方面积为单位的表面电阻。比值d/w常常称为高宽比。
假定涂层具有均匀厚度，则在涂覆玻璃上的电阻也是均匀的。还可以通过改变玻璃上涂层厚度来改变涂覆玻璃的电阻值。对于直接与电源相连的涂覆玻璃来说，可以通过改变涂覆玻璃的电阻值来控制功率耗散。
冷冻箱门的常规大小为6英尺乘2英尺。对于具有每平方面积100欧姆电阻值的覆层的这样一个冷冻箱门来说，在2英尺的侧边之间测得的冷冻箱门的电阻值为300欧姆，而在6英尺的侧边之间测得的电阻值为33.33欧姆。
如果对冷冻箱玻璃门上的涂层连续地施加电流，则对于处在潮湿环境中的冷冻箱门来说，通常优选的功耗密度在每平方英尺4-10瓦特范围内。在湿度较小的应用中功耗密度降低，通常优选范围为每平方英尺1至10瓦特。每平方英尺10瓦特以上的功耗密度通常不会在涂覆玻璃上产生过度的热应力，但是会导致整个冷却系统的低效率运行。对于具有每平方英尺6瓦特的加热门所需功耗的一个2×6英尺的冷冻箱门来说，门的总功耗为72瓦特。门的功耗可以通过设定用于加热门的系统中的电压、电流和/或电阻来控制(功率＝VI＝V2/R＝I2RG)。
对于带有直接与115伏特电源连接、功率密度为每平方英尺6瓦特、功耗为72瓦特的一个2×6的门来说，玻璃门上涂层的电阻值应为183.7欧姆。以欧姆/每平方英尺为单位实现所需电阻的涂层取决于导电条位于哪一侧。如果导电条沿短边设置，则所需的每平方面积的欧姆值应为61.2。如果导电条沿门的长边设置，则涂层每平方面积的欧姆值应为551。所需的涂层根据门的大小和导电条的位置而变化。
在生产与电源直接连接的冷冻箱和冰箱门的过程中，一般不可能对所生产的门玻璃规定单一的涂层。玻璃门大小、功耗要求、线电压和安装配置方面的差别需要多种具有不同的每平方面积的欧姆电阻值的不同涂层。因为所需要的门具有不同的表面电阻，大多数门玻璃在离线定制生产过程中进行涂覆以使之满足电阻要求。
在生产过程中，通常在一个二次加热炉中采用热解喷涂批量工艺在玻璃上施加氧化锡导电涂层。选择表面电阻以提供适合门大小和线电压的功耗。热解喷涂非常适合形成直接与电源线路连接的相对较高表面电阻。但是，这种工艺存在许多问题。在离线过程中用氧化锡涂覆玻璃的成本很高、均匀性较差、干扰色彩降低了涂覆玻璃的美观程度，而且会过度喷溅到相对的表面上。
另一方面，在大规模在线生产工艺中用氧化锡涂覆的玻璃是一种低成本和易于使用的产品，这种玻璃具有提高的透明度、均匀度和热传输特性。采用大规模低热辐射系数玻璃生产线的玻璃生产商常常使用大气化学蒸气沉积(ACVD)涂覆方法生产建筑用窗玻璃。这种玻璃具有低半球辐射性，这提高了玻璃的绝缘特性。低热辐射系数玻璃(也称为低E玻璃)也可以通过离线批量喷涂和离线真空涂覆方法制造。在在线工艺中生产的热解低热辐射系数玻璃通常包括一层或两层彩色抑制层以抑制所喷涂的氧化锡呈现不希望有的颜色。在在线热解生产工艺中，是在生产玻璃过程中进行涂覆的。涂覆设备位于浮法玻璃工序中的锡池中，在那里玻璃成型，利用玻璃的余热以便于涂覆工艺中的化学反应发生。
在多层绝缘玻璃组件例如冷冻箱门中，必须加热绝缘玻璃组件中的玻璃以消除凝结，但是还要具有良好的绝缘特性以使传递到冷冻箱体内的热量最小。目的是在具有低半球状热辐射系数和高绝缘值(R值)的玻璃上形成一层涂层。未加涂层的玻璃具有0.84的半球热辐射系数，为了使传递到冷冻箱体内的热量最小，冷冻箱门通常必须是三层组件。根据厚度的不同，在离线工艺下涂覆的玻璃一般具有0.4至0.8的半球热辐射系数，而低热辐射系数涂覆玻璃可以达到0.05至0.45范围的改善热辐射系数。
热辐射系数是对于吸收和反射给定波长光的一种量度。它通常用公式：热辐射系数＝1-涂层反射率来表示。术语热辐射系数用于指按照ASTM标准在红外波段内测量的热辐射值。热辐射系数是采用辐射测量方法测定的，并表示为半球热辐射系数和标准热辐射系数。
用未涂覆玻璃构成的三层绝缘玻璃门具有2.94的绝缘值R。使用半球热辐射系数约为0.45的涂覆玻璃的三层玻璃门具有改善的R值3.70。使用热辐射系数为0.15的低热辐射系数玻璃改善了热性能，从而能够为冷冻箱门提供较低成本的双层组件。这种双层组件(热辐射系数为0.15，0.5英寸空气间隔)的R值为3.33。在各层玻璃之间加入氩气可以将R值提高到4.0。
使用这种在大规模生产线上生产的单一类型低热辐射系数玻璃会给冷冻箱和冰箱门制造商带来明显的益处。用于加热玻璃门中的涂覆玻璃的成本会显著下降，并且玻璃的热性能得到改善。使用大规模生产的具有标准涂层的低热辐射系数玻璃是节省成本的关键。
但是，在将低热辐射系数玻璃用于加热玻璃的用途时存在一个突出的问题。低热辐射系数玻璃具有低电阻，从而玻璃与电源的连续直接连接将产生过大的功率密度。此外，电阻匹配要求妨碍了这种应用。
依赖于温度和/或湿度检测的控制系统还不能提供可接受的结果。这种传感器不直接检测玻璃板表面上的凝结，而仅仅提供形成凝结的大约时间。这种系统不具有控制在绝缘玻璃应用中传输到涂覆玻璃板的功率所需的灵敏度或精度。为了在绝缘玻璃门组件中使用低热辐射系数玻璃，需要一种具有可接受的性能的低成本控制系统。
申请人已经开发出具有一种可连续工作的电容耦合加热系统的一种绝缘玻璃组件。在电源与玻璃涂层之间连接有一个电容器，以提供连续工作所需的电流减损和功率消耗。通过改变控制电路中的电容值可以在各种玻璃门尺寸和电源条件下使用单一类型的低热辐射系数玻璃。在共同未决的美国专利申请No.08/779470中公开了这种涂覆玻璃和控制系统的详细内容，该申请的公开内容以引用方式结合在本申请中。
本发明涉及一种控制系统，该系统利用一个光学传感器直接检测凝结，取代了间接的温度和相对湿度检测方法。这种光学传感器改善了对于玻璃表面凝结的检测以便于间歇地向涂覆玻璃传输电力。
在现有技术中已经开发出加热玻璃用途和绝缘玻璃组件的各种控制系统。如在授予Stromquist等人的美国专利US4248015中所示，已经采用变压器来降低线电压。变压器不是一种可以接受的解决方案，因为它们体积庞大而且昂贵。还可以使用外接镇流电阻器(也参见上述’015专利)，但是它们太大而且产生多余的热量。
变压器还用于克服在使用具有与一个电源直接相连的固定电阻的涂覆玻璃时频繁产生的一个问题。如果在安装时的湿度大于在设计系统时预计的湿度，或许由于季节变化的原因，则门的功率密度可能不足以保持不产生凝结。因为功率密度是由玻璃的固定表面电阻限定的，所以为了校正凝结问题，必须安装昂贵的升压变压器以提高电压。
已经开发出利用三端双向可控硅开关电路改变施加在加热玻璃板上的电压的控制系统，在授予Hochheiser的美国专利US-4260876中给出了这样一个实例。Hochherser检测玻璃表面温度与环境空气的结露点温度之间的差值，并使用一个复合固态开关控制电流。但是，复合三端双向可控硅相位控制电路可能在电力线上产生具有高峰值电流和高次谐波分量的负载。此外，三端双向可控硅电路会产生大量的电磁干扰(EMI)。在例如授予Callahan等人的美国专利US-5319301中已经教导了可减少谐波失真和电磁干扰的三端双向可控硅电路。但是，这种电路复杂、昂贵，并且在减小峰值电流方面的效果有限。
Reiser等人(US-5347106)公开了用于加热一个镜面以防止形成凝结的一种控制系统。为了控制导电路径的长度，涂层划分成包含一条或多条划痕线的多个独立的导电单元。Heaney在美国专利US-4127765中教导可以将几个门串联连接。
Heaney还公开了使用传感器检测环境温度、结露点温度、和相对湿度以控制传输给涂覆玻璃的功率。在一个早期专利中(US-3859502)，Heaney公开了一种相对湿度传感器，和用于根据相对湿度值控制传输给玻璃的功率的一个控制器。湿度是根据电阻元件或电极的可变阻抗测量的。在美国专利US-4277672、4350978、4827729中也公开了用于检测相对湿度和/或温度的多种传感器。在需要将玻璃保持在规定温度的情况下，仅有温度传感器无法提供精确的控制，因为结露点同时取决于温度和湿度。具有温度和湿度传感器的系统还不能提供有效地控制带有加热玻璃的绝缘玻璃组件所需的响应时间精度。
在汽车工业中已经开发出检测挡风玻璃上湿度以控制挡风玻璃刮水器自动操作的技术。刮水器控制系统应用了多种不同的技术以检测车辆遇到的各种湿度条件，包括导电传感器(检测可变阻抗)、电容传感器、压电传感器、和光学传感器。光学传感器根据由于在挡风玻璃的外表面上存在水汽而使光束从其正常路径散射或偏转的原理工作。应用光学传感器的系统具有很大的优点，检测结果(即，光路的扰动)直接与所观察的现象相关(光路的扰动影响到视线，在这种情况下就是人们在冷冻箱门上看到的水汽凝结)。因此，光学系统与其它传感器技术相比所具有的优点在于它们与由挡风玻璃上的刮水器或由在绝缘玻璃门组件中加热玻璃所解决的问题密切相关。
McCumber等人(美国专利US-4620141)公开了用于响应在挡风玻璃外表面上存在水滴的检测结果起动刮水器片摇杆的一种自动控制电路。如由McCumber等人和Teder(美国专利US-5059877和5239244)所公开的用于控制挡风玻璃刮水器的雨水传感器装置包括安装在挡风玻璃内表面上的一个盒形外壳。在挡风玻璃表面上存在湿度改变了光线在空气-玻璃分界面上的反射，将反射光的这种变化利用电路进行处理，并利用该信号起动挡风玻璃刮水器。
在本发明中，光学传感器可以改善检测和控制效果以消除凝结，和便于使用低热辐射系数玻璃。从光学的立场来看，光学湿度传感器的传感器外壳应当固定安装在玻璃上，并且与玻璃光学耦合，从而有效地消除光发射器-检测器与玻璃表面之间的分界面。在光学湿度传感器中，从一个发射器中发出的光由一个光导装置以相对于玻璃大约45度角导入玻璃。然后，该光线被玻璃外表面以大约45度角反射，并由一个光导装置导入一个检测器中。玻璃表面上的水或其它凝结物会影响到发射器与检测器之间光路的总透射系数。
当光线入射到玻璃中的角度大于50度时，常常会产生信号损失。当入射角度小于50度时，灵敏度会降低，传感器不能准确地检测到玻璃上的湿度。因此，光线从发射器进入玻璃的入射角必须在大约45度。
在Noack(US-4355271)、Bendicks(US-5323637)、Larson(4859867)和Stanton(US-5414257)的专利中公开了一些实现发射器光轴与挡风玻璃之间45度角的光学传感器安装结构的实例。本申请的申请人之一，Teder，的一项共同未决申请(US No.08/653546，以引用方式结合在本申请中)更加详细地讨论了一种光学传感器的构造。
除了将光学湿度传感器安装在玻璃上，已经开发出用于挡风玻璃刮水器的多种控制电路，以处理来自光学湿度传感器的信号和产生一个控制信号。Teder(US-5059877)提出了用于挡风玻璃刮水器系统的一个控制电路，该电路根据降水量驱动刮水器片以一定速率动作，但是它也存在由于环境光亮度偏差引起的噪声问题。
许多汽车玻璃装置使用价格低廉的导电传感器代替光学传感器。导电传感器形成在玻璃板上以测量玻璃表面上的湿度，并且基于在表面上两个电极之间的湿度会改变两个电极之间阻抗的原理工作。美国专利US-3902040、4032745、和4127763中记载了用于汽车玻璃工业中加热器的电子系统。美国专利US-39683342记载了具有附着在玻璃板表面上的一对电极的一种涂覆汽车玻璃。通过涂覆玻璃的电流响应由于凝结引起的电极电阻的变化而通断。这些电极安装在玻璃板的外表面上，因而常常被侵蚀或使用性能退化，这对控制系统的精度会产生不利的影响。
总之，在传感器和功率转换电路方面存在的成本、复杂性、和其它问题使得制造商无法实现在用于冷冻箱门的加热绝缘玻璃和其它应用中使用标准低热辐射系数玻璃所带来的成本方面的益处。光学传感器提供了进行湿度检测的一种精确系统，但是这种光学传感器还没有与绝缘玻璃组件中的低热辐射系数玻璃涂层结合使用。
                       发明概要
根据本发明，提供了用于绝缘玻璃组件上的一种玻璃加热系统，该系统包括一块低热辐射系数涂覆玻璃板、安装在所说涂覆玻璃板上的至少一个湿度传感器、和与所说湿度传感器相连用于控制传输到所说涂覆玻璃的功率的一个控制系统。所说低热辐射系数玻璃是可以低成本生产的，并且具有优异的热性能。但是，这种低热辐射系数玻璃具有较小的表面电阻，因而将这种涂覆玻璃直接与一个标准的115伏特电源相连对于大多数绝缘玻璃应用，例如冷冻箱门，来说会产生过多的热量。所说传感器检测玻璃表面上的凝结，以有选择地向涂覆玻璃提供消除凝结的功率。
所说控制电路包括根据来自传感器的信号接通和断开与玻璃涂覆表面相连的电源的一个开关。在一个玻璃板上可以使用多个传感器。可以在控制电路中加入一个微处理器，以提供定时电路和可变功率控制。当微处理器中的传感器检测到凝结时，可以在涂覆玻璃上产生大量值的电流以提供功率浪涌立即清洁玻璃窗。然后电功率下降到一个较低量值，在规定的时间内使玻璃维持在一个提高的温度，当最内层玻璃板和最外层玻璃板上都形成有导电涂层时，传感器可以设置在两个玻璃板上。
所说湿度传感器直接安装在玻璃板上。优选的传感器是一种光学湿度传感器，它可以安装在绝缘玻璃组件的两层玻璃板之间。所说传感器检测在玻璃的外表面上是否存在凝结，并产生用于控制向涂覆玻璃传输功率的一个信号。
仅仅当传感器在玻璃表面上检测到凝结时，才向玻璃板的涂覆表面传输功率。因为是在检测到凝结时有选择地向玻璃板通电的，所以可以使用具有低电阻的低热辐射系数玻璃。通过使用所说传感器和有选择供电的控制方法避免了由于向低热辐射系数玻璃连续供电所产生的过剩功率的问题。
所说低热辐射系数玻璃具有改善的热性能，其提高了带有加热玻璃系统的冷冻箱或冰箱绝缘玻璃组件的效率。改善的热性能使得在绝缘玻璃组件的许多应用中可以使用双层门代替三层门。
在冷冻箱的两层绝缘玻璃组件中，最内层的玻璃板具有朝向冷冻箱体内的一个露出表面，和一个未露出表面。最外层的玻璃板具有朝向周围环境的一个露出表面和与另一未露出表面相对的一个未露出表面。在最外层玻璃板的未露出表面上施加涂层。也可以在最内层玻璃板的未露出表面上施加涂层，以防止当打开门时在最内层玻璃板上形成凝结。
控制电路的电路板可以安装在传感器机壳内或者可以安装在绝缘玻璃组件框架内。两层玻璃板之间的间隔为四分之三或一英寸，这个间隔足以在玻璃板之间安装光学传感器。将传感器安装在两层玻璃板之间的封闭空间内提供了一个清洁的环境，并且可以防止传感器损坏。
本发明的一个目的是在绝缘玻璃组件中使用低热辐射系数玻璃。这种玻璃具有适合于绝缘玻璃用途的低电阻和良好的热性能。这种低热辐射系数玻璃可以在生产线上以相对较低的成本生产。
本发明的另一个目的是开发用于为加热玻璃提供所需功耗的一种低成本控制电路。玻璃涂覆表面与一个电源的直接连接会产生过多的功耗。所提供的控制系统包括安装在玻璃板涂层上用于以光学方法检测凝结的光学传感器。在检测到凝结之前，电源可以关断。当检测到凝结时，接通电源，对玻璃进行加热。
本发明的再一个目的是为涂覆表面提供两级功率或可变功率。当传感器检测到湿度并且电源接通时，可以在短时间内提供大量值的功率以立即清洁玻璃窗。可以维持低量值的功率一定时间以保持玻璃清洁。
本发明的又一个目的是将所说传感器安装在绝缘玻璃组件的两层玻璃板之间的间隔内。所说传感器可以很方便地固定在两层玻璃板之间。与将传感器安装在外部以测量温度和相对湿度不同，这种传感器保护在封闭空间中。
低热辐射系数玻璃和包含安装在封闭空间中的光学传感器的控制电路的结合提供了用于绝缘玻璃组件，例如冷冻箱和冰箱门以及其它加热玻璃应用中的一种低成本和高效率加热玻璃组件。
                       附图简介
本领域技术人员从以下结合附图对于优选实施例的详细描述可以更加清楚地了解本发明的上述优点以及其它优点，在所说附图中：
图1为包含本发明的光学湿度传感器的、用于绝缘玻璃组件的加热玻璃系统的电路的示意框图；
图2为具有一个框架和两层玻璃板的一个绝缘玻璃组件的透视图；
图3为绝缘玻璃组件的剖视图，该图表示一个光学传感器和两个玻璃板上的导电涂层；
图4为安装在绝缘玻璃组件的玻璃板上的一个光学传感器的剖视图；
图5为所说加热玻璃系统的光学传感器控制电路的示意性方框图；
图6为所说光学传感器和控制电路的电路示意图；
图7为表示所说光学传感器工作状态的一组波形；和
图8为具有一个微处理器的绝缘玻璃组件的控制电路的示意框图。
                       优选实施例描述
现在参见图1，该图以示意方式表示了本发明的加热玻璃系统10。玻璃板12上涂覆有透明、导电材料14的显微量级的薄涂层。所说涂层材料14可以是氧化锡、氧化铟锡、氧化锌、或其它类似涂层材料。所说涂层可以在生产线上利用热解工艺，例如大气化学蒸气沉积，或其它工艺制成。玻璃12还可以包含以类似方式施加的彩色抑制层(未示出)。
涂层14使玻璃12的热辐射系数从大约0.84降低到小于0.50。对于热解低热辐射系数玻璃来说，半球热辐射系数的优选范围是0.15至0.43。可以采用其它工艺生产具有低至0.01的半球热辐射系数的低热辐射系数玻璃。低热辐射系数玻璃的这种导电涂层的表面电阻一般小于每平方面积20欧姆。这种低热辐射系数玻璃可以在大规模生产线上以低成本生产，并且具有改善的热性能。
但是，低表面电阻使得无法将这种低热辐射系数玻璃与电源16连续地直接连接。电源16是单相电源，在美国其额定值为60赫兹和115伏特。在表面电阻为每平方面积11欧姆的情况下，将最大电阻为33欧姆的一个2×6英尺的门与电源直接连接会产生400瓦特的功率或每平方英尺33.3瓦特的功耗。这种功耗对于冷冻箱和冰箱门来说太高。
电力从电源16通过导线18传输到导电条20。导电条20固定在涂层14上，以确保导电条20与涂层14之间的电接触。导电条20，也常常被称为条形电极，可取的是沿玻璃12的相对边沿设置，从而电流流过导电条20之间的涂层14，以热能的形式提供所需的功耗。
为了减少玻璃12上涂层14的功耗，使用一个控制器24有选择地开关电源以防止在玻璃12的表面上形成凝结。在玻璃板上设置有一个传感器22，用以检测玻璃12上凝结的形成。优选的传感器22是一种光学传感器，这种传感器利用光发射器和检测器直接检测玻璃12表面上的凝结。所说光学传感器22与一个控制器24相连，它包括使电源16与涂层表面14接通和断开的开关功能。当所说光学传感器22检测到凝结时，接通电源。当没有检测到凝结时，控制器24断开电源，从而仅仅当在玻璃12上检测到凝结时才向涂层14传输功率。
图2-4表示利用绝缘玻璃组件26构成的一种典型的冷冻箱门，其具有包括与一个控制器30相连的一个光学传感器28的一个加热玻璃系统。所说绝缘玻璃组件26包括一个框架32和两层玻璃板。朝向冷冻箱体内的最内层玻璃板34可以是不加涂层的(图4)或者是加涂层38的(图3)。如果冷冻箱设备存在当门打开时在门的内表面上形成凝结的问题，则所说绝缘玻璃门组件通常在最内层玻璃34上包含涂层38。朝向商店中使用者的最外层玻璃36具有如上所述的一个导电涂层38。所说导电涂层38可取的是一个低热辐射系数涂层，这种涂层可以在生产线上低成本地形成。所说涂层38施加在各个玻璃板34、36的未露出表面42、44上。涂覆未露出表面减少了使用绝缘玻璃组件26时造成的任何性能下降或损坏。
玻璃板34、36按照已知的绝缘玻璃门安装方法安装在框架32中。所说框架32由挤压成型的铝材或其它类似框架材料制成。玻璃板34、36由隔离环40保持分开，并加以密封以构成绝缘玻璃组件26。两层玻璃板之间的空间52可以填充氩气或其它透明气体以增加组件的绝缘值。
一根接地电源线46用于将电力传输到绝缘玻璃组件30中。电源线46中的两根绝缘导线48与位于玻璃36相对两端的导电条50相连。导电条50附着在涂层38上，以确保导电条50于涂层38之间的电接触。电源线46在框架32的一端以已知方式与绝缘玻璃组件30相连。在框架32的相对两端与导电条50电连接的导线48固定在框架32中，并沿着玻璃板34、36的边缘延伸。
在图4中，更加详细地表示了安装在玻璃板34、36之间间隔52中的一种典型的光学传感器54。所说光学传感器54安装在最外层玻璃36的未露出表面44上。传感器外壳56必须固定安装在玻璃36的内表面44上，并且与玻璃36光学耦合，从而从光学上有效地消除由一光学视点看的光发射器-检测器与玻璃表面之间的分界面。传感器外壳56利用粘胶层58固定在表面44的涂层38上。双面粘胶层58由硅酮树脂或其它类似的柔性塑料制成。
所说光学传感器54包括安装在电路板68上的一个带有透镜62的发射器60和一个带有透镜66的检测器64。在工作时，光束70从发射器60射出，并以45度角穿过玻璃36。光束70全部从玻璃36的外表面74向内反射，从而检测器64探测到反射的光束72。如果在外表面72上存在任何凝结物74或任何种类的湿气，一部分光束70就会逃逸，反射光束72的强度降低。输入到发射器60和从检测器64输出的信号都通过导线78传输。
将传感器28安装在绝缘玻璃组件26中的玻璃板34、36之间的可以防止传感器28受到环境中不利因素的影响。光学传感器28非常适合于检测玻璃板34、36露出表面上的凝结，即使将传感器28设置在绝缘玻璃组件26的封闭区域52中，因为对于光学测量来说并不需要暴露在湿气或周围环境中。
图5-6中表示了控制器24的控制电路。电源线46和导线48向控制器30的电源80供电。在这种应用中不需要隔离变压器。电力经由一个整流器D3和一个压降电阻器R18传输到一个能量储存电容器C6。齐纳二极管D4用于防止电容器上的电压超过24伏特。在预调节电压中存在严重的电源波动，但是这不会对电路产生不利的影响。三端调节器S1还调节电压以提供一个正确的12V电源(Vcc)。电阻器R11和R12提供一个基准电压(Vref)，标称值为2.2伏特。
振荡器82(U1、R1、R2、C1、C2)由Vcc供电，并在振荡器82的输出端产生一系列脉冲。发射器60是一个红外发射器，它经由一个限流电阻器R3与所说振荡器82的输出端相连，所说限流电阻器产生一系列电流脉冲通过发射器60。发射器60中的电流使得发射器60发射相应的脉冲式红外光束70。工作周期可以由一个50微秒的接通时间脉冲和一个10毫秒的断开时间构成。这样获得0.5％的平均占空比和100赫兹的载波频率。振荡器82包括四重模拟开关的一部分U2A、一个电阻器R4、和一个电容器C3以提供一个延迟选通信号。
利用透镜62可以减少光束70的发散，所说透镜用于使光束准直。发射器设置在入射轴相对于玻璃36成45度角位置。光束70的平行光线经过粘胶层58进入玻璃中。光束70在玻璃36的外表面74上全部向内反射。入射到玻璃36中的光束70的光线作为反射光束72反射回来。反射光束72由与检测器64相关联的透镜66会聚。反射光束72的光线照射到检测器64的光电二极管上。所说检测器64也以45度角设置，并且包括一个日光滤光片，该滤光片将除红外光以外的所有光线阻挡在发射器60之外。其它光路结构在本领域是已知的，并且也适合于本发明的绝缘玻璃组件26。使用光学传感器能够精确地检测玻璃表面上的湿度。这种传感器还可以安装在玻璃的未露出表面上，并保护在两个玻璃板之间的间隔中。
检测器64响应照射到检测器64的光电二极管上的脉冲式反射光束72产生一个脉冲式电流波形。检测器64包括一个光电二极管、光电晶体管、或其它用于产生信号的光学器件。在玻璃36的外表面74上存在凝结或其它湿气导致反射光束72强度减小，而这又导致较低的输出信号。检测器64与一个运算放大器84(U3A)的反相端相连。运算放大器84是一个互阻抗放大器，用于放大检测器64输出的电流，并将该电流信号转换为电压信号。放大器84的输出端与一个电容器C5和一个电阻器R7交流耦合，以防止由环境光引起的较大的直流波动通过电路。放大器84的基准电压为Vref。
一个同步解调器86与放大器84相连，并通过在由振荡器82输出的选通信号形成的采样间隔期间对放大器84的输出进行采样而将放大器84的输出信号转换成一个直流信号。选通信号的略微延迟防止了检测器电流上升时间对于信号的任何影响。所说采样信号借助于电阻器R对采样电容器C4充电。电容器C4和电阻器R具有相对较长的时间常数，电容器C4充电到预备状态可能需要几个脉冲。采用光学传感器检测玻璃上湿气的其它信号处理电路在本领域中是已知的。本发明的处理电路是实现可接受的控制的一种相对便宜的电路。
同步解调器86的输出端与一个第二运算放大器88(U3B)的反相输入端相连。放大器88用作一个比较器。这个比较器部分可以是一个双重运算放大器，例如LM358的一半，互阻抗放大器利用另一半。所说比较器的非反相输入端与由电阻器R15和电阻器14构成的一个基准电位相连，而由电阻器R13形成一定的滞后。在没有湿气的情况下，解调电平(5伏特)大于基准电平(3.8伏特)，比较放大器88的输出电平较低(小于1伏特)。当有湿气存在时，解调电平下降到低于比较器电平，使得比较放大器88的输出明显增大(大于11伏特)。
比较放大器88的输出与三端双向可控硅光隔离器90的输入部分相连。当放大器88的输出电压为高电平时所说三端双向可控硅光隔离器90导通。所说三端双向可控硅光隔离器90与一个电源三端双向可控硅开关92相连，当所说三端双向可控硅光隔离器90导通时，所说电源三端双向可控硅开关92接通。也可以用包含零交叉检测电路的一个光隔离器电路代替所说三端双向可控硅开关90。可以使用各种开关结构，以不仅向涂层38提供完全功率以加热玻璃36，而且能够减少长时间工作的功耗。
当没有湿气存在时，所说光隔离器三端双向可控硅开关90和电源三端双向可控硅开关92保持断开状态，没有电流流过涂层38。当电源三端双向可控硅开关92接通时，电力传输到导电条50并通过玻璃36上的涂层38。玻璃36被加热，将凝结76从玻璃36的表面74上除去。当凝结76被清除时，电源三端双向可控硅开关92断开，直到再次检测到湿气。比较电路的滞后确保了电源三端双向可控硅开关92完全断开。
图7表示控制器30的上述实施例的工作波形。发射器电流100和选通信号102按照预定的间隔循环工作。检测器电流表示没有凝结存在104和有凝结存在106两种情况下检测器的输出波形。图中还表示了在没有检测到凝结和检测到凝结两种情况下的解调输出108和电子开关状态110的相应波形。
控制器30的各个部件可以安装在传感器54的电路板68上。或者，可以将各个部件安装在固定于框架32的电路板94上。从电源线46引出的导线48向电源60供电。一根短导线96从电路板94延伸到导电条50的末端。电路板94可以安装在绝缘玻璃组件26的任意一端。此外，发射器60和检测器64可以安装在电路板94上，并且可以使用光导管(导光器)将光束导入和导出封闭区域。光导管设置成所需的角度以将光束从发射器60传输到玻璃中，和传送回检测器64。光导管是透明的，比封闭外壳56对于视线的妨碍小。
为了实现所需的热绝缘性能，可以在玻璃板34、36之间的空间中使用氩气或其它气体。隔离环40中和周围的间隙98用密封剂填充以恰当地密封绝缘玻璃组件内的内部空间52。如果使用光导管，可以有效地密封光导管隔离环40中的开口。
在控制器30中可以使用多种不同的控制电路。对于电路的主要要求是处理检测器64的输出以控制向玻璃36上涂层38供电的通断。可以增加定时电路以使所说三端双向可控硅开关92在检测到凝结之后工作规定长度的时间。可以使用不同的比较器电路产生起动开关的信号。从美国专利US-4620141、5059877、5239244、以及5262640可以获知有关处理输入和输出光学传感器的发射器和检测器的信号以及控制电路的工作的其它实例和细节。在使本申请的描述和说明完整所需的任何此类细节方面，可以将这些专利以引用方式结合在本申请中。
在图8中，控制器30包括一个微处理器112以提供各种控制功能。微处理器112具有振荡器和阈值比较电路的功能。所说绝缘玻璃组件26上设置有多个传感器28，各种信号的处理由微处理器112有效地完成。微处理器112还检测静止电平、设定适合的阈值电平、和提供定时和计数电路。可以使用各种控制算法控制开关操作和形成更具体的工作周期。例如，在短时间内的重复通断周期可能是不需要的。微处理器112记录在一定时间长度内电源接通的次数。如果电源接通过于频繁(例如一分钟三次)，则微处理器检测到这样的事件，并向涂层38供电一个延续时间(10分钟)。
可以结合到微处理器112中的另一个控制特征是控制开关装置使其处于全功率状态和部分功率状态。当检测到凝结时，微处理器首先向涂层38提供全功率以尽可能快地清除凝结。在施加全功率一段时间之后，微处理器112控制所说开关继续施加部分功率一段时间。
绝缘玻璃组件26可以在玻璃36的未露出表面44上安装多个传感器28。微处理器112包含一个比较器电路以处理多个信号。由于凝结可能不是均匀地形成在整个外表面74上，所以多个传感器28一般可以保证电源的立即接通以清除凝结。当其中一个传感器28检测到凝结76时，电源开关92可能接通以使电流通过所说涂层38。
凝结76首先形成在最外层玻璃36的露出表面74上，因此，需要加热绝缘玻璃组件26中的最外层玻璃36。但是，在最内层玻璃34的露出表面114上也可能形成凝结116，例如将门打开一段时间之后。所以玻璃34的未露出表面42上也可以具有用于加热玻璃34的导电涂层38。当两个玻璃板34、36都具有导电涂层38时，可以通过一个开关92施加功率以同时加热玻璃板34、36。由于凝结更多地形成在最外层玻璃36的露出表面74上，所以可取的是每一玻璃板34、36使用一个单独的开关92。图3表示在玻璃板34、36之间设置了两个传感器28。图8表示用于处理多个传感器28的微处理器112和用于独立地控制向玻璃板34、36上的导电涂层38供电的两个开关92。
本发明的绝缘玻璃组件26的优点之一是提高了绝缘值。涂覆玻璃36的半球热辐射系数越低，绝缘玻璃组件30的绝缘值(R值)越好。优选的半球热辐射系数低于0.50。热解低热辐射系数玻璃适合在生产线上生产，它可以实现0.10至0.20范围的半球热辐射系数。因为热解低热辐射系数玻璃的生产成本低，所以这种玻璃是优选的。其它种类的低热辐射系数玻璃，例如溅射镀覆的多层玻璃，可以用于实现低于0.10的半球热辐射系数。在本发明的绝缘玻璃组件30中可以使用任何低热辐射系数玻璃。因为具有低热辐射系数和绝缘性能的改善，双层绝缘玻璃组件26能够达到可与不使用低热辐射系数玻璃的三层门相比较的绝缘值。使用低热辐射系数玻璃的双层门可以达到4.0的R值。提高的R值可以使最外层玻璃的温度比未加涂层的三层组件高5度，这进一步减少了向玻璃传输热量的需要。本发明的双层门与冷冻箱门应用中的三层门相比显著地降低了成本和重量。
当低热辐射系数玻璃直接与电源相连时，表面电阻低到无法接受的程度。这个低电阻导致涂覆表面38中的电流量值和热能耗对于连续地与电源直接相连的冷冻箱或冰箱门应用来说过大。通过在该系统中加入传感器28和一个控制器30，可以仅仅当在玻璃34、36上形成凝结时有选择地加热低热辐射系数玻璃34、36。因为功率不是连续地施加到玻璃34、36上的，所以对于用作冷冻箱或冰箱门的绝缘玻璃组件26来说，总功耗是可以接受的。
本发明的加热玻璃系统10和绝缘玻璃组件26允许使用低热辐射系数玻璃，包括热解低热辐射系数玻璃。使用这种玻璃具有许多优点，包括成本低、热性能提高、涂层均匀性提高、和良好的产品外观。使用光学传感器检测玻璃表面上凝结的光学状态提供了控制玻璃加热以消除凝结的一种精确装置。在绝缘玻璃组件中，传感器通常安装在玻璃板之间的间隔内。从节省空间的角度来说，这种安装结构是可取的，并且能够很好地保护传感器不受环境因素如湿气和灰尘的不利影响。控制电路，包括微处理器可以方便地安装在绝缘玻璃组件框架中的电路板上。
由于本发明不需要与电源直接连接以连续地加热玻璃，所以对于每一种不同结构的门来说，无需改变涂层的电阻。同一种涂覆玻璃可以用于由绝缘玻璃组件制造商生产的所有结构的门。直接检测玻璃上的凝结和仅仅当检测到凝结时工作的性能使得门能够在干燥、正常和潮湿状态下工作。

Claims (22)

1、用于加热玻璃板表面的一种加热玻璃系统，所说加热玻璃系统包括：
具有通常为矩形形状结构的一个玻璃板；
施加在所说玻璃板的一个表面上的一层透明、导电涂层，所说涂层具有小于0.50的半球热辐射系数；
沿所说玻璃板的相对边缘安装并且与所说导电涂层电连接的一对导电条，所说导电条分别包括用于将所说导电条与一个电源相连以构成通过所说涂层的一个电路的一个连接器；
安装在所说玻璃板上、用于响应形成在所说玻璃板的湿气产生一个控制信号的至少一个传感器；和
与所说导电条和所说传感器相连、用于响应所说传感器输出的控制信号有选择地向所说导电涂层传输电流的一个控制电路。
2、如权利要求1所述的加热玻璃系统，其特征在于所说导电涂层为氧化锡。
3、如权利要求1所述的加热玻璃系统，其特征在于所说导电涂层为氧化铟锡。
4、如权利要求1所述的加热玻璃系统，其特征在于所说导电涂层为氧化锌。
5、如权利要求1所述的加热玻璃系统，其特征在于所说导电涂层具有从0.15到0.43范围的半球热辐射系数。
6、如权利要求5所述的加热玻璃系统，其特征在于所说导电涂层为热解低热辐射系数涂层。
7、如权利要求1所述的加热玻璃系统，其特征在于所说传感器是与所说玻璃板光学耦合的一个光学传感器。
8、一种绝缘玻璃组件，它包括：
一个第一玻璃板和一个第二玻璃板，每个玻璃板包括一个未露出表面和一个外表面；
施加在所说第一玻璃板的未露出表面上的一层导电涂层；
固定在所说第一和第二玻璃板周边用于使所说玻璃板保持平行、彼此分开关系的一个框架，所说玻璃板的未露出表面彼此相对，并且在其之间形成一定间隔；
沿相对边缘安装在所说第一玻璃板的未露出表面上并与所说导电涂层电连接的一对导电条，所说导电条分别包含用于将所说导电条与一个电源连接以构成通过所说导电涂层的一个电路的一个连接器；
安装在所说第一玻璃板上、用于响应形成在所说第一玻璃板外表面上的湿气产生一个控制信号的至少一个传感器；和
与所说导电条和所说光学传感器相连、用于响应所说光学传感器输出的控制信号有选择地向所说导电涂层传输电流的一个控制电路。
9、如权利要求8所述的绝缘玻璃组件，其特征在于所说传感器是安装在所说第一玻璃板未露出表面上，并位于所说第一和第二玻璃板之间间隔内的一个光学传感器。
10、如权利要求8所述的绝缘玻璃组件，它包括施加在所说第二玻璃板未露出表面上的一层导电涂层，沿相对边缘安装在所说第二玻璃板未露出表面上并与所说导电涂层电连接的一对导电条，所说导电条分别包括用于将所说导电条与一个电源相连以构成通过所说涂层的一个电路的一个连接器，至少一个光学传感器，所说光学传感器安装在所说第二玻璃板的未露出表面上，并位于所说第一和第二玻璃板之间的间隔中，用于响应在所说第二玻璃板的外表面上形成的湿气产生一个控制信号，以及一个控制电路，所说控制电路与所说第二玻璃板上的所说导电条和所说光学传感器电连接，用于响应所说光学传感器输出的控制信号向所说第二玻璃板上的导电涂层有选择地传输电流。
11、一种绝缘玻璃组件，它包括：
一个第一玻璃板和一个第二玻璃板，每个玻璃板包含一个未露出表面和一个外表面；
施加所说第一玻璃板未露出表面上的一层导电涂层，所说导电涂层具有小于0.50的半球热辐射系数；
固定在所说第一和第二玻璃板周边用于使所说玻璃板保持平行、彼此分开关系的一个框架，所说玻璃板的未露出表面彼此相对，并且在其之间形成一定间隔；
沿相对边缘安装在所说第一玻璃板的未露出表面上并与所说导电涂层电连接的一对导电条，所说导电条分别包含用于将所说导电条与一个电源连接以构成通过所说导电涂层的一个电路的一个连接器；
至少一个光学传感器，所说光学传感器安装在所说第一玻璃板的未露出表面上并位于所说第一和第二玻璃板之间的间隔中，用于响应在所说第一玻璃板的外表面上形成的湿气产生一个控制信号，以及
一个控制电路，所说控制电路与所说所说导电条和所说光学传感器电连接，用于响应所说光学传感器输出的控制信号向所说导电涂层有选择地传输电流。
12、如权利要求11所述的绝缘玻璃组件，其特征在于所说控制电路包括一个微处理器。
13、如权利要求11所述的绝缘玻璃组件，其特征在于它包括安装在所说第一玻璃板的未露出表面上，并位于所说第一和第二玻璃板之间的间隔中的多个光学传感器。
14、如权利要求11所述的绝缘玻璃组件，其特征在于所说导电涂层具有从0.15至0.43范围的半球热辐射系数。
15、如权利要求14所述的绝缘玻璃组件，其特征在于所说导电涂层是一种热解低热辐射系数涂层。
16、如权利要求11所述的绝缘玻璃组件，其特征在于它包括施加在所说第二玻璃板未露出表面上的一层导电涂层，所说导电涂层具有小于0.50的半球热辐射系数，所说组件还包括沿相对边缘安装在所说第二玻璃板未露出表面上并与所说导电涂层电连接的一对导电条，所说导电条分别包括用于将所说导电条与一个电源相连以构成通过所说涂层的一个电路的一个连接器，至少一个光学传感器，所说光学传感器安装在所说第二玻璃板的未露出表面上，并位于所说第一和第二玻璃板之间的间隔中，用于响应在所说第二玻璃板的外表面上形成的湿气产生一个控制信号，以及一个控制电路，所说控制电路与所说第二玻璃板上的所说导电条和所说光学传感器电连接，用于响应所说光学传感器输出的控制信号向所说第二玻璃板上的导电涂层有选择地传输电流。
17、如权利要求11所述的绝缘玻璃组件，其特征在于所说控制电路安装在一个电路板上，而该电路板设置在所说框架中。
18、如权利要求17所述的绝缘玻璃组件，其特征在于所说传感器包括安装在所说电路板上并带有朝向所说玻璃板未露出表面延伸的一个玻璃管的一个发射器，和安装在所说电路板上并带有朝向所说玻璃板未露出表面延伸的一个玻璃管的一个检测器。
19、如权利要求11所述的绝缘玻璃组件，其特征在于所说控制电路响应指示在所说第一玻璃板的外表面上已经形成湿气的一个控制信号在一定时间长度内传输功率。
20、如权利要求11所述的绝缘玻璃组件，其特征在于所说控制电路响应指示在所说第一玻璃板的外表面上已经形成湿气的一个控制信号，在第一时间长度内传输全功率，而在第二时间长度内传输减小的功率。
21、适于可拆卸地安装在冰箱箱体上的一种冰箱门，所说门包括：
适于与冰箱的周围环境相邻设置的一个第一玻璃板和适于与冰箱内侧相邻设置的一个第二玻璃板，每个玻璃板包含一个未露出表面和一个外表面；
施加所说第一玻璃板未露出表面上的一层导电涂层，所说导电涂层具有小于0.50的半球热辐射系数；
固定在所说第一和第二玻璃板周边用于使所说玻璃板保持平行、彼此分开关系的一个框架，所说玻璃板的未露出表面彼此相对，并且在其之间形成一定间隔；
沿相对边缘安装在所说第一玻璃板的未露出表面上并与所说导电涂层电连接的一对导电条，所说导电条分别包含用于将所说导电条与一个电源连接以构成通过所说导电涂层的一个电路的一个连接器；
至少一个光学传感器，所说光学传感器安装在所说第一玻璃板的未露出表面上，并位于所说第一和第二玻璃板之间的间隔中，用于响应在所说第一玻璃板的外表面上形成的湿气产生一个控制信号，以及
一个控制电路，所说控制电路与所说所说导电条和所说光学传感器电连接，用于响应所说光学传感器输出的控制信号向所说导电涂层有选择地传输电流。
22、如权利要求20所述的冰箱门，其特征在于所说导电涂层具有在0.15至0.43范围内的半球热辐射系数。
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