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Verfahren zum Beschichten von Glasscheiben mit einem optisch transparenten
Flächenheizleiter Glasscheiben, die als Fenster pder Türen von Wohn- und Geschäftshäuserm
oder Hallen (Bahnhofs-, Post-, Bank-oder Fabrikhallen etc.), als Dachfenster oder
Dachabdeckung z.B. von Treibhäusern oder aber als Fenster in Verkehrsmitteln (Bahn,
Schiff, Flugzeug oder Automobil) verwendet werden, weisen in der kalten Jahreszeit
zwei große Nachteile auf: 1. Die Glasscheiben sind auf Grund ihrer schlechten Wärmeisolation
das "Wärmeleck, durch das ständig Wärmeenergie verloren geht und sind deshalb kalt
im Vergleich zu ihrer Umgebung.
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2. Die Scheiben werden undurchsichtig, sobald sich in der Kälte Kondenswasser
darauf abscheidet und womöglich noch gefriert, oder wenn es darauf schneid und der
Schnee nicht abtauen kann.
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Der Wärmeverlust gemäß 1.) wird zwar durch Verwendung von Doppelfenstern
verringert; trotzdem ist die Oberflächentemperatur der raumseitigen Fensterscheibe
im Winter bedeutend niedriger als die der meist gut wärmeisolierten Zimmerwand.
Ausgangspunkte für die Kaltluftkonvektion sind daher die - besonders bei moderner
Bauweise - großen Fensterflächen.
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Selbst die Heizungsradiatoren unter den Fenstern oder vor den Glaswänden
können es kaum verhindern, daß die Räume fußkalt werden. Die Temperaturanzeige der
Behaglichkeitstemperatur in Gesichtshöhe ist dann nur eine Selbsttäuschung.
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Vor Glastüren oder Glasschiebetüren können nicht einmal Heizkörper
angebracht werden, um diesem Übel zu begegnen.
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Treibhaer, die viel Sonnenlicht für das wachstum der ungen Pflanzen
benötigen, haben wegen der großflächigen Glasdächer eine sehr schlechte Wärmeisolation.
Man begegnet der Auskühlung neben der Verwendung einer Doppelverglasung durch entsprechende
Ueberhitzung der Dampfheizung.
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Könnte die Kaltluftkonvektion an den Glas dächern verringert werden,
ließe sich bei Vermeidung größerer Temperaturgradienten zwischen Kühl- und Heizfläche
eine fü die Pflanzen gesündere, gleichmäßigere Temperatur im Gewächshaus einstellen.
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Die Sichtbehinderung,als Folge des Beschlagens bzw. der Vereisung
von Scheiben (Nachteil 2.) in öffentlichen Verkehrsmitteln, sowie in Kraftfahrzeugen;,
bedeutet jeden Winter erneut eine ernste Gefährdung der Verkehrssicherheit.
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Warmluftgebläse unter der Windschutzscheibe halten diese während der
Fahrt klar. Da jedoch meist der Motor des Fahrzeuges die Luft erwärmt, verschwindet
die-Sichtbehinderung beim Kaltstart erst dann, wenn der Motor warm geworden ist,
was einige Zeit dauert. Diese Minuten bedeuten die größte Gefährdung. Die Heckscheibe
wird meist nicht durchWarmluftgebläse erwärmt.
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Alle oben erwähnten Mängel lassen sich in einfacher Weise beheben,
wenn man die in Betracht kommenden Glasscheiben selbst als elektrische Flächenheizelemente
ausbildet, wobei schon eine gering Heizlèistung pro Blächeneinheit ausreicht, (z.B.
genügt zum Abtauen eine Blächenleistung
500 W/m2 was eine Temperaturerhöhung zwischen
und 250C bewirkt).
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Es sind speziell zur Heckscheibenenteisung für Automobile elektrische
Heizungen in Form von aufgemalten und eingebrannten leitenden keramischen Farben
wie z.B. Leitsilber oder Ferrite in dünnen, parallelen Streifen oder dünnsten Heizdrähten,
die in die Scheibe eingeschmolzen sind,bekannt.
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Diese haben aber mindestens zwei Nachteile: 1. Der eingeschmolzene
Heizdraht oder aufgemalte und eingebrannte Streifen einer leitenden keramischen
Farbe
sind undurchsichtig und wirken in ihrer regelmäßigen Anordnung
störend.
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2.Die Heizdrähte oder Heizleiterstreifen sind keine Flächenheizleiter
bzw. können nicht flachenhaft aufgetragen werden, weil.die Scheibe sonst undurchsichtig
würde. Deshalb tritt die Erwärmung nach Anlegen einer elektrischen Spannung primär
in den Heizdrähten oder - Streifen auf. Die Scheibe,auf die es aber ankommt, erwärmt
sich erst sekundär durch Wärmeleitung des Glases oder Konvektion. Man kann bei strengem
Frost daher oft genug beobachten, daß nur ca. 10» der Heckscheibe, nämlich in unmittelbarer
Nähe der Heizleiterstreifen aufgetaut sind, während ca. 90g0 vereist bleiben.
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Die Herstellung echter Flächenheizleiter aus optisch transparentem
Glas bereitet in verschiedener Hinsicht Schwierigkeiten; Bei der Verwendung leitender
Schichten mit Elektronenleitung, wie sie Metalle und Kohlenstoff besitzen, tritt
schon nach Aufbringen dünnster Schichten ausreichender elektrischer Leitfähigkeit
starke Lichtabsorption ein, die die Verwendung des Glases als Fenster einschränkt.
Auch lassen sich definiert dünnste Metallschichten nur im Hochvakuum mit der nötigen
Genauigkeit und Haftfestigkeit aufdampfen, was die Anschaffung aufwendiger Bedampfungsanlagen
voraussetzt und in der Produktion nur den diskontinuierlichen Chargenbetrieb zuläßt.
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Das Aufdampfen von Halbleitern ist ebenso aufwendig und erfolgt diskontinuierlich.
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Die Verwendung von Ionenleitern, die nur wenig Licht in relativ dicker
Schicht absorbieren, setzt die Anwendung von Wechselstrom voraus. Zwar sind in ElektrolRtlösung
gequollene Leitfolien bekannt und auch Doppelscheiben in Art einer Küvette, zwischen
die der Elektrolyt eingefüllt wird, doch bei dieser srt durchsichtiger Flächenheizelemente
bereitet 4;35 Ver(ampfeh des Lösungsmittels und die damit verbundene Kor.iycntr'i?ion3nderung
des Elektrolyten oder gar das Auslaufen gesselben größte Schwierigkeiten.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin 1. ein einfaches Verfahren
zu entwickeln, mit dem großflächige Glasscheiben mit einem optisch transparenten,
fest haftenden und gegen Wasser und möglichst viele chemische Agenzien resistenten
Flächenheizleiter bei Atmosphärendruck beschichtet werden können; 2. das Verfahren
so zu gestalten, daß nicht nur plane, sondern auch gebogene oder gewölbte Gläser
mit einem optisch transparenten Flächenheizleiter bei Atmosphärendruck beschichtet
werden können.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Beschichtung von Glasscheiben
mit einem optisch transparenten Flächenheizleiter über die Gasphase, etwa bei Atmosphärendruck,
indem die Reaktionskomponenten mit Hilfe eines Transport-Gasstromes auf die noch
erhitzte Glasoberfläche auf gedampft und dort zur Reaktion gebracht werden. Das
Aufdampfen-der Reaktionskomponenten kann gleichzeitig oder nacheinander erfolgen.
Die Temperatur des Glases soll mindestens 300 und möglichst nicht über 600 OC betragen.
Als besonders günstig haben sich Temperaturen um 400 bis 4500C erwiesen.
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Bei der Reaktion wird eine Schicht aus einem oder mehreren Metall-Oxyden
auf der Glasplatte abgeschieden und verbindet sich fest mit ihr. Die notwendige
elektrische Leitfähigkeit erreicht man dadurch, daß die gebildete Metall-Oxyd-Schicht
mit dem Dampf der Verbindung eines Doping-Elements dotiert wird.
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Die praktische Durchführung des Verfahrens sei an Hand der beiliegenden
Abbildungen erläutert, von denen Abb. 1 einen Längsschnitt der Anlage, Abb. 2 ein
Schrägbild darstellen. Beide Abbildungen sind etwas schematisch gehalten.
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Bei dem Verfahren werden plane Glasscheiben, die noch heiß (ca. 400
bis 5000C4 aus der Produktion kommen,
auf eine vorgewärmte, feuerfeste
;-airderanlage (evtl. mit Asbestwolle-Auflage) zum Zwecke der einseitigen, leitenden
Beschichtung so aufgelegt, daß die Auflageseite, die nicht elektrisch leiten soll,
völlig bedeckt ist. Mittels dieser Förderanlage werden die Scheiben durch einen
elektrisch vorgeheizten Tunnel 1 gezogen und auf die Beschichtungstemperatur, die
je nach den "Fahrbedingungen" der Anlage variiert und bei etwa 400 bis 45000 liegt,
vorgewårmt.
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Nach Durchlaufen der Vorwärmzone gelangen die auf die Reaktionstemperatur
gebrachten Scheiben in den Bedampfungsraum 2. Dieser Raum enthält drei hintereinander
angeordnete Düsen. Aus Düse 3 wird in schwachem Strom ein Wasserdampf-Luft-Gemisch,
aus Düse 4 ein Zinntetrachlorid (SnCl4)-Luft-Gemisch auf die heiße Glasoberfläche
geblasen. Die Düsen werden zweckmäßig als Breitschlitzdüsen ausgebildet. Der Druck
des Transportmittels (im allgemeinen Luft) wird so niedrig gehalten, daß die Reaktionskomponenten
fast nur auf das Glas gehaucht werden. Die Breitschlitzdüse für das SnC14-Luft-Gemisch
kann auch in die Düse für das Wasserdampf-Luft-Gemisch eingearbeitet sein.
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Die außer ordentlich dünne Zinndioxydschicht, die sich gemäß der Reaktionsgleichung
Sn C14 + 2 H2 O = SnO2 + 4 In4=1 auf der heißen Glasoberfläche abscheidet, wird
sofort nach der Beschichtung mit Antimontrichlorid (SbC1.3) dotiert, damit sie die
nötige elektrische Leitfähigkeit bekommt. Deshalb durchläuft die heiße Scheibe nach
der SnO2-Beschichtung eine Dotierungszone, in der aus einer weiteren Breitschlitzdüse
(5) ein SbCl3 - Luft Gemisch auf die beschichtete Glasfläche gehaucht wird. Der
SbC13-Luftstrom wird dabei zweckmäßigerweise so bemessen, daß ein Gehalt von ca.
4 % Sb203 in der leitenden SnO2-Schicht erreicht wird.
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Die Leitfähigkeit der Scheiben kann während der Beschichtung und Dotierung
z.B. durch Kontaktbürsten bei 4000C eines nicht korrodierenden Metalles (-6) fortlaufend
gemessen und durch eine eventuelle Nachsteuerung der Beschichtungsanlage auch konstant
gehalten werden.
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Um zu verhindern, daß Salzsäurenebel, die sich bei der Beschichtung
bilden, in den Arbeitsraum gelangen, empfiehlt es sich, in dem Bedampfungsraum (2)
einen schwachen Unterdruck einzustellen,
während die Dämpfe von
H2 O + Luft, SnC14 + Luft und Sec13 + Luft unter leichtem Überdruck konstant durch
die Breitschlitzdüsen geleitet werden.
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Die konstante und reproduzierbare Einstellung der Mischungen H2 O
+ Luft, SnG14 + Luft und SbC13 + Luft erfolgt über die temperaturabhängigen Partialdrucke
von H20, SnC14 und SbC13.
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Ein einer Preßluftflasche entnommener, gefilterter Luftstrom wird
in konstantem Strom (Kontrolle mit Strömungsmesser) durch konstant temperierte H2
O, SnCl und SbC13-Sättigungsgefäße separat geführt und das jeweilige Dampf-Luft-Gemisch
in die vorgesehene Breitschlitzdüse geleitet. Ein geringer Eisentrichloridzusatz
zum SnC14 (4 3 96) bewirkt, daß die optisch transparente Leitschicht nahezu farblos
wird.
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Die einseitige Beschichtung gewölbter oder gebogener Formscheiben
mit dem optisch transparenten Flächenheizleiter wird bei kleiner Serie mittels eines
einfachen Handbeschichtungsgerätes in einer Spritzkabine (mit Exhaustor) vorgenommen.
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Zuvor werden die Scheiben in einem Ofen z.B. auf 400 - 450°C erhitzt
und mit einer Fördereinrichtung vom Ofen in die Spritzkabine befördert.
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Mit der Handbeschichtungsamlage, die die wesentlichsten Funktionselemente
der oben beschriebenen Anlage in handlicher Form enthält, wird die Beschichtung
und Dotierung von Hand vorgenommen. Dazu werden die Düsen in konstantem Abstand
langsam und gleichmäßig über die Glasfläche geführt.
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Auch hier kann der quadratische Flächenwiderstand während, bzw.
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nach der Beschichtung mittels zweier, einander gegenüberliegend angebrachter
Metallbürsten und einer Widerstandsmeßbrücke gemessen werden.
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Eine andere Version der Widerstands einstellung ist die, das Formteil
(z.B. Kfz.-Heckscheibe) am oberen und unteren Scheibenrand auf der Innenseite mit
einer feuerfesten, leitenden Farbe vorher zu kontaktieren,diese diese-Elektroden
an eine Widerstandsmeßbrücke anzuschließen und bis zum Erreichen des vorausberechneten
Gesamtwiderstandes leitend mit dem optisch transparenten Flächenheizleiter zu beschichten.
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Aus ebenen oder gebogenen, bzw. gewölbten Glasscheiben, die nach
einem der oben beschriebenen Verfahren mit einem optisch transparenten Plächenheizleiter
beschichtet wurden, lassen sich alasscheibenheizungen auf folgende Weise herstellen:
A. Fensterheizung mit ebenen Scheiben.
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Die einseitig leitend beschichtete Glasscheibe von definie-rtem quadratischen
Flächenwiderstand wird an zwei einander gegenüber liegenden Seiten auf der Leiterschicht
mit 1/2 bis 1 cm breiten Kontaktstreifen möglichst guter Leitfähigkeit versehen
(z.B. Leitsilber oder keramische, leitende Einbrennfarben der Fa. Degussa/Frankfurt).
Die Verbindung zwischen diesen Elektroden und den Stromzuführungskabeln wird durch
Verlöten oder mittels eines gut leitenden, härtenden Kittes hergestellt (Leitsilberpaste
Fa. Degussa/Ffm), nachdem die Scheibe z.B.
einer Verbundfensters mit der Leiterschichtseite zum Zwischenraum der beiden Scheiben
eingesetzt vourde. Da die Scheibe nur einseitig leitet, besteht wegen des hohen
Isolationswertes von slas keine Gefahr bei Berührung der Heizscheibe von der Raumseite.
Da nun eine Fensterheizung nur dann einen Sinn hat, wenn die Fenster geschlossen
sind, empfiehlt es sich - auch aus Sicherheitsgründen - , geeignete Steckverbindungen
an den Fenstern selbst und den Fensterrahmen (dort versenkt) anzubringen d -), die
erst bei geschlossenem Fenster den elektrischen Kontakt herstellen.
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Eine ahnliche Konstruktion ist für fest miteinander verbundene Doppelfenster
(z.B. Thermopane - Scheiben') anwendbar. Auch hier heizt die raumseitige Scheibe,
wobei sich wiederum die leitende Schicht auf der Seite des Innenraumes zwischen
den beiden Scheiben befindet.
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B. Fensterheizung mit gebogenen oder gewölbten Scheiben.
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Die-Herstellung einer Fensterheizung mit gebogenen oder gewölbten
Scheiben gleicht der unter A. beschriebenen Methode.
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Bei der Kontaktierung ist hier jedoch zu beachten, daß die Formscheiben
häufig von der Rechteckform abweichen, die Elektroden aber gleichen oder nahezu
gleichen-Abstand voneinander haben müssen, weil sich sonst die Scheiben zu ungleichmäßig
erwärmen (z.B. bewirkt die Reduzierung des Kontaktbstandes auf bie Hälfte die vierfache
Heizleistung pro Fläche) Bei Kfz-Scheibenheizungen treten wgen der geringen Spannungen
von 12 und 24 Volt keine Isolationsprobleme auf. Bei Heckscheiben wird die Innenseite
leitend beschichtet, bei Windschutz - Verbundscheten die eine oder auch beide Fensterflächen,
die miteinander verklebt werden, bei einfachen WindschutzscLeiben wiederum die Innenseite.
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Die Erwärmung einer leitend beschichteten Glasscheibe hängt ab von
der entwickelten Leistung pro Fläche, z.B.
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Watt/m2. Die Heizleistung errechnet sich nach der Gleichung U2 R wobei
L die Leistung in Watt, U die Spannung in Volt und R den Widerstand in Ohm bedeutet.
Der Widerstand R ergibt sich aus dem quadratischen Flächenwiderstand des Heizleiters
und dem Abstand cter Kontakte.
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Beispiel 1.
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Eine leitend beschichtete Glasscheibe, 90 x 120 cm, mit einem quadratischen
Flachenwiderstand von 350 Ohm, im Abstand von 88 cm kontaktiert und an 220 V angeschlossen,
erwärmt sich bei einer Flächenleistung von 180 W/m2 auf 2800 bei einer Umgebungstemperatur
von 1900. Die Heizleistung der Scheibe beträgt 190 W.
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Beispiel 2.
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Eine leitena beschichtete Automobil - Heckscheibe, 80 x 32 cm, ist
im Abstand von 30 cm längs der langen Recheckseite kontaktiert. Bei einer Betriebsspannung
von 24 V und einem quadratischen Flächenwiderstand von 42,7 Ohm werden 150 W/m2
bzw. 36 W auf der Heckscheibe erzeugt, was eine Temperaturzunahme von 80C bei einer
Umgebungstemperatur von 19°C bewirkt.
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Beispiel 3.
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Um die Temperaturzunahme in Abhängigkeit von der angewandten Heizleistung/Flache
festzustellen, wurde eine leitend beschichtete und kontaktierte Scheibe mittels
eines Spannungsreglers auf definierte Leistungsstufen pro m2 eingestellt und die
Temperatur nach einer Heizperiode von 30 min abgelesen. Die Umgebungstemperatur
betrug 1900.
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Watt/m2 Temperatur(00) Temp.-Differenz(°C) 0 19 50 22 3 100 24,5
2,5 150 27 2,5 200 29,5 2,5 250 32 2,5 300 34 2 350 36,5 2,5 400 39 2,5 450 41,5
2,5 500 43,5 2