DE4301789C2 - Elektrisch beheizbare Glasscheibe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrisch beheizbare Glasscheibe, insbesondere Autoglasscheibe, mit einer sich über ihre gesamte Fläche erstreckenden transparenten Leitschicht und zwei parallel oder annähernd parallel zueinander angeordneten streifenförmigen, jeweils innerhalb der Leitschicht endenden und mit einem Stromzuleitungskabel verbindbaren Elektroden.

Bei heizbaren Autoglasscheiben dieser Art besteht die transparente Leitschicht aus einer elektrisch leitenden Oxidschicht wie Zinnoxid oder Zinn-Indiumoxid oder aus einer metallischen Schicht, insbesondere aus Silber, die zwischen weiteren metallischen und/oder metalloxidischen Schutzschichten eingebettet ist. Die streifenförmigen Elektroden bestehen in der Regel aus einer eingebrannten emailartigen Leitsilberzusammensetzung.

Heizscheiben der gattungsgemäßen Art, bei denen die Elektroden innerhalb der Leitschicht enden, sind aus der DE 36 44 297 A1 bekannt. Bei einer solchen Anordnung der Elektroden entstehen zwangsläufig hohe Stromdichten innerhalb der Leitschicht in den die Enden der Elektroden umgebenden Bereichen der Leitschicht. Das führt zu lokalen Überhitzungen der Leitschicht an diesen Stellen (sogenannte "hot spots") und kann zu einer Beeinträchtigung oder gar zur Zerstörung der Leitschicht führen.

Zur Vermeidung solcher physikalisch bedingter lokaler Überhitzungen der Leitschicht ist es aus der genannten DE 36 44 297 A1 bekannt, in der leitfähigen Schicht Unterbrechungen in Form von Schlitzen oder Spalten vorzusehen, durch die die Strompfade zwischen den Elektroden in der gewünschten Weise begrenzt werden. Die hierfür erforderlichen Unterbrechungen der Schicht bedingen aber einerseits einen zusätzlichen Arbeitsschritt und sind andererseits als solche sichtbar.

Bei Autoglasscheiben mit trapezförmiger Heizfläche wird zur Vermeidung der genannten "hot spots" in der Umgebung der Elektrodenenden in der US-PS 4,543,466 vorgeschlagen, daß die entlang der kürzeren der beiden parallelen Seiten der Trapezform verlaufende Elektrode über die gesamte Länge der Heizschicht anzuordnen, und die entlang der gegenüberliegenden längeren Seite angeordnete Elektrode um ein bestimmtes Maß länger als die andere Elektrode und symmetrisch zu dieser auszubilden.

Auch die US-PS 5,128,513 beschreibt eine trapezförmige heizbare Autoglasscheibe und befaßt sich mit der Vermeidung von "hot spots", die bei Heizscheiben mit zwei verschieden langen Elektroden in den Endbereichen der kürzeren Elektrode auftreten. Zur Lösung des Problems wird in dieser Patentschrift vorgeschlagen, in den Endbereichen der entlang der oberen Scheibenkante angeordneten kürzeren Elektrode Ausnehmungen vorzusehen, so daß die Begrenzungskante zwischen der Elektrode und der Leitschicht der Elektrode am Ende nach oben abbiegt und dadurch der Abstand zur gegenüberliegenden Elektrode hier größer und die Stromliniendichte an dieser Stelle infolgedessen geringer wird.

Aus der EP 0520353 A1 ist eine elektrisch beheizbare Sichtscheibe bekannt, bei der der flächenförmige Heizleiter aus einem feinmaschigen Metallgewebe besteht und die Stromeinspeisung in die mit dem Metallgewebe kontaktierten Elektroden diagonal erfolgt. Hinweise auf Vorteile einer solchen diagonalen Einspeisung bei transparenten Dünnschichten gehen aus dieser Druckschrift nicht hervor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine auf ihrer gesamten Fläche mit einer Leitschicht versehene Glasscheibe, die in einem Teilbereich der Leitschicht durch Kontaktierung mit streifenförmigen innerhalb der Leitschicht endenden Elektroden beheizbar ist, so auszugestalten, daß lokale schädliche Überhitzungen der Leitschicht an den Elektrodenenden vermieden werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Heizscheibe mit folgenden Merkmalen gelöst:

• a) die Elektroden sind in Richtung ihrer Längsausdehnung seitlich gegeneinander versetzt angeordnet;
• b) die Einspeisung des Heizstroms in die eine Elektrode und seine Auskopplung aus der anderen Elektrode erfolgen diagonal, nämlich jeweils am Ende des über die Projektion der gegenüberliegenden Elektrode hinausragenden Abschnitts;
• c) die Elektroden weisen in ihrer Längsrichtung einen elektrischen Widerstand pro Längeneinheit von 0,5 bis 5 Ohm/m auf, und
• d) das Verhältnis des elektrischen Flächenwiderstandes der Elektroden zu dem der transparenten Leitschicht beträgt 0,005 bis 0,02.

Bei der erfindungsgemäßen Heizscheibe wird also die Verbindung der Stromanschlußkabel mit den Elektroden jeweils an demjenigen Ende der streifenförmigen Elektroden vorgenommen, das weiter in die Leitschicht hineinragt als das diesem Ende gegenüberliegende Ende der anderen Elektrode. Diese "diagonale" Energieeinspeisung bei gleichzeitiger seitlicher Versetzung der Elektroden hat zur Folge, daß die äußersten Strompfade zwischen den beiden einander zugeordneten Endpunkten der gegenüberliegenden Elektroden proportional zu dem Ausmaß der seitlichen Versetzung verlängert werden. Die Elektroden haben außerdem einen elektrischen Widerstand pro Längeneinheit, der zu einem gezielten Spannungsabfall innerhalb der Elektroden führt, so daß an dem der Ankopplungsstelle des Stromzuführungskabels entgegengesetzten Ende der Elektrode jeweils ein deutlich niedrigeres elektrisches Potential vorhanden ist. Dadurch erhöht sich der elektrische Widerstand zwischen den einander gegenüberliegenden Endpunkten der beiden Elektroden, und dementsprechend verringert sich der Stromfluß.

Für die angestrebte Wirkung ist es ferner erforderlich, daß der elektrische Flächenwiderstand der Elektroden in dem angegebenen Verhältnis zu dem elektrischen Flächenwiderstand der Heizfläche liegt, damit die gewünschte Verminderung der Stromdichte eintritt.

Das Ausmaß der seitlichen gegenseitigen Versetzung der Elektroden, das heißt die Länge des über die Projektion der gegenüberliegenden Elektrode überstehenden und in die Leitschicht hineinragenden Abschnitts der Elektrode, kann dabei in Abhängigkeit von den geometrischen Abmessungen des Heizfeldes und der Größe der beschichteten Glasscheibe in verhältnismäßig weiten Grenzen geändert werden.

Der erforderliche Widerstand pro Längeneinheit der Elektroden von 0,5 bis 5 Ohm/m liegt innerhalb des Bereichs, der bei üblichen streifenförmigen Elektroden aus einer Leitsilber- Einbrennfarbe erreicht wird. In der üblichen Ausführung weisen nämlich solche streifenförmigen Elektroden bei einer Dicke von 5 bis 50 µm einen Flächenwiderstand von 0,01 bis 0,2 Ohm pro Quadrateinheit, und bei einer Breite von 1 bis 2 cm einen elektrischen Widerstand in Längsrichtung von 0,1 bis 10 Ohm/m auf.

Der Flächenwiderstand der transparenten Leitschichten liegt bei heizbaren Autoglasscheiben im Bereich von 2 bis 10 Ohm pro Quadratfläche. Entsprechend dem Flächenwiderstand der verwendeten Leitschicht ist also die Dicke der Elektroden so zu wählen, daß das erfindungsgemäß notwendige Verhältnis des elektrischen Flächenwiderstandes der Elektroden zu dem der Leitschicht innerhalb der angegebenen Grenzen liegt.

Die günstigsten Werte für den seitlichen Überstand und für die Dimensionierung der Elektroden lassen sich im Einzelfall bei einem gegebenen Scheibenformat und bei gegebenen geometrischen Abmessungen für das Heizfeld anhand einiger Versuche leicht ermitteln.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Von den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine mit einer Leitschicht versehene Glasscheibe mit einem beheizten Teilbereich nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine mit einer Leitschicht versehene Glasscheibe mit einem beheizten Teilbereich gemäß der Erfindung, und

Fig. 3 eine erfindungsgemäß ausgebildete beschichtete Glasscheibe mit unregelmäßiger Geometrie.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine rechteckige Glasscheibe 1, deren Längenabmessung L mit 100 cm und deren Breitenabmessung H mit 50 cm angenommen wird. Die Glasscheibe 1 ist auf ihrer gesamten Fläche mit einer transparenten elektrisch leitenden Dünnschicht versehen. Diese transparente Leitschicht hat einen Flächenwiderstand von 3 bis 4 Ohm pro Quadrateinheit. In die transparente Leitschicht wird der Heizstrom über die Elektrode 3 eingekoppelt und über die Elektrode 4 ausgekoppelt. Da nur der mittlere Teilbereich der Glasscheibe beheizt werden soll, erstrecken sich die Elektroden 3, 4, die parallel zu den Längskanten der Glasscheibe einander gegenüber angeordnet sind, in ihrer Längsausdehnung nur über den mittleren Bereich der Glasscheibe 1. Im dargestellten Fall haben die Elektroden 3, 4 eine Länge 1 von 50 cm. Die Verbindung der schematisch dargestellten Stromzuleitungskabel 5, 6 mit den Elektroden erfolgt in symmetrischer Weise in der Mitte der Elektroden 3, 4, indem geeignete Stromanschlußelemente 7, 8, die hier ebenfalls schematisch dargestellt sind, mit den Elektroden verlötet sind. Die Elektroden 3, 4 bestehen aus einer silberhaltigen emailartigen Einbrennfarbe oder aus einem kalthärtenden Leitlack.

Im dem eigentlichen Heizfeld zwischen den beiden Elektroden 3, 4 ist die Stromverteilung in der Leitschicht verhältnismäßig homogen, was zu einer verhältnismäßig gleichmäßigen Beheizung dieses Feldes führt. In den den Enden der Elektroden unmittelbar benachbarten Bereichen A, B, C und D der Leitschicht jedoch herrscht jeweils eine verhältnismäßig hohe Strompfaddichte aufgrund der Tatsache, daß der Strom nicht nur auf dem kürzesten Weg im Feld zwischen den Elektroden fließt, sondern daß ein Teil des Stromes auch durch die außerhalb der Elektroden sich seitlich anschließenden Bereiche der Leitschicht fließt, wie das durch die Strompfadlinien dargestellt ist. Unter der Annahme, daß die Elektroden 3, 4 eine hohe Leitfähigkeit aufweisen, das heißt ihr Flächenwiderstand praktisch Null Ohm beträgt, ergibt die theoretische Berechnung, daß die spezifische Flächenleistung in den Bereichen A, B, C und D aufgrund der dort herrschenden stark erhöhten Stromdichte etwa achtmal so hoch ist wie im übrigen homogenen Heizfeld. Diese stark überhöhte Flächenleistung hat eine entsprechend starke Temperaturerhöhung zur Folge.

In Fig. 2 ist eine teilbeheizte Glasscheibe 10 dargestellt, die gemäß der Erfindung ausgebildet ist. Sie ist wiederum auf ihrer gesamten Oberfläche mit einer durchgehenden transparenten Leitschicht versehen, soll jedoch nur in ihrem Mittelfeld elektrisch beheizt werden.

Die Abmessungen L und H der Glasscheibe 10 sind die gleichen wie bei der Glasscheibe 1. Die Elektroden 13 und 14 haben ebenfalls eine Länge 1 von jeweils 50 cm, doch sind sie seitlich zueinander versetzt angeordnet, wobei das Maß V dieser seitlichen Versetzung etwa 12 cm beträgt.

Die Elektroden 13 und 14 bestehen wiederum aus einer silberhaltigen Einbrennfarbe. In diesem Fall wird eine Einbrennfarbe verwendet, die bei einer Schichtdicke von 20 Mikrometern einen Flächenwiderstand von 0,05 Ohm ergibt. Bei einer Breite der Elektroden 13, 14 von 2 cm und einem Flächen- bzw. Schichtwiderstand von 0,05 Ohm pro Quadrateinheit weisen die Elektroden in ihrer Längsrichtung einen elektrischen Widerstand von 2,5 Ohm/m auf. Dieser Widerstand der Elektroden führt zu einem deutlichen Spannungsabfall über die Länge der Elektroden.

Außerdem erfolgt in diesem Fall die Verbindung der Elektroden 13, 14 mit dem jeweiligen Stromzuführungskabel 15, 16 jeweils an dem über die andere Elektrode seitlich überstehenden Ende, indem an dem überstehenden Ende der Elektrode 13 ein Stromanschlußelement 17, und an dem überstehenden Ende der Elektrode 14 ein Stromanschlußelement 18 aufgelötet ist.

Bei dieser Heizscheibe 10 ergibt sich in den Eckbereichen A′, B′, C′ und D′ eine Flächenleistung, die nur halb so hoch ist wie bei der anhand der Fig. 1 beschriebenen Heizscheibe. Daraus resultiert zwar auch eine Temperaturerhöhung der Leitschicht in diesen Bereichen, doch bleibt die Temperaturerhöhung weit unterhalb der Werte, bei denen eine dauerhafte Schädigung der Heizschicht eintritt.

Mit gutem Erfolg läßt sich die Erfindung auch für Glasscheiben mit einer ungewöhnlichen und ungünstigen Geometrie anwenden. Ein Beispiel hierfür ist in Fig. 3 dargestellt. In diesem Fall handelt es sich um eine besondere Form einer Kraftfahrzeug-Seitenscheibe. Die Glasscheibe 20 ist auf ihrer ganzen Fläche einheitlich mit einer transparenten Metallschicht versehen, die IR- reflektierende Eigenschaften und daher eine Sonnenschutzfunktion hat. Zusätzlich soll die Glasscheibe 20 in einem Teilbereich 21 elektrisch beheizt werden. In diesem Fall werden in dem zu beheizenden Teilbereich 21 entlang der unteren Kante der Glasscheibe eine streifenförmige Elektrode 23, und entlang der oberen Kante der Glasscheibe eine streifenförmige Elektrode 24 aufgebracht. Die untere Elektrode 23 ist um den Abschnitt S über die Projektion der Elektrode 24 hinaus verlängert, und die Elektrode 24 ist ihrerseits um den Abschnitt T über die Projektion der Elektrode 23 hinaus verlängert. Die Elektroden 23, 24 bestehen aus einer silberhaltigen elektrisch leitenden Einbrennfarbe, deren Silbergehalt, Schichtdicke und Breite so gewählt sind, daß ihr Widerstand in Längsrichtung etwa 2 Ohm/m beträgt. Die Stromzuleitungskabel 25 bzw. 26 sind jeweils am Ende des verlängerten Abschnitts mit der Elektrode 23 bzw. 24 verbunden. Infolge dieser Anordnung ergibt sich längs der Elektroden 23 und 24 jeweils ein dem elektrischen Widerstand entsprechendes Potentialgefälle. Im Ergebnis wird so selbst bei einer derartigen ungewöhnlichen Scheibenform ein verhältnismäßig homogen beheiztes Feld ohne Stellen mit überhöhter Stromdichte erreicht.

Claims (2)

1. Elektrisch beheizbare Glasscheibe, insbesondere Autoglasscheibe, mit einer sich über ihre gesamte Fläche erstreckenden transparenten Leitschicht und zwei parallel oder annähernd parallel zueinander angeordneten streifenförmigen, jeweils innerhalb der Leitschicht endenden und mit einem Stromzuleitungskabel verbindbaren Elektroden, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) die Elektroden (13, 14; 23, 24;) sind in Richtung ihrer Längsausdehnung seitlich gegeneinander versetzt angeordnet;
• b) die Einspeisung des Heizstroms in die eine Elektrode (13; 23) und seine Auskopplung aus der anderen Elektrode (14; 24) erfolgen diagonal, nämlich jeweils am Ende des über die Projektion der gegenüberliegenden Elektrode hinausragenden Abschnitts;
• c) die Elektroden (13, 14; 23, 24) weisen in ihrer Längsrichtung einen elektrischen Widerstand pro Längeneinheit von 0,5 bis 5 Ohm/m auf, und
• d) das Verhältnis des elektrischen Flächenwiderstandes der Elektroden zu dem der transparenten Leitschicht beträgt 0,005 bis 0,02.

2. Elektrisch beheizbare Glasscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die streifenförmigen Elektroden (13, 14; 23, 24) aus einer elektrisch leitenden Einbrennfarbe oder einem elektrisch leitenden kalthärtenden Leitlack bestehen.