依赖温度调节通过透光区域的能量流通的装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于调节通过透光区域的能量流通的装置1，其包括第一偏振层3a、第二偏振层3b和切换层2，所述切换层2设置在两个偏振层之间并且随着温度变化来改变偏振光的偏振性能，其中两个偏振层的特征在于合适选择其在透射方向上70％-100％的透射率和其20％-85％的偏振度。此外，本发明涉及制造根据本发明的装置的方法和所述装置用于随温度变化影响进入内部空间的光透射和/或能量流通的用途。
【专利说明】依赖温度调节通过透光区域的能量流通的装置
[0001]本发明涉及一种用于调节通过透光区域的能量流通的装置，其包括第一偏振层、第二偏振层和切换层，所述切换层设置在两个偏振层之间并且随着温度变化来改变偏振光的偏振性能，其中两个偏振层的特征在于合适选择其在透射方向上的透射率和其偏振度。此外，本发明涉及用于制造根据本发明的装置的方法和所述装置用于随温度变化影响光透射率和/或进入内部空间的能量流通的用途。
[0002]随着能量成本的上升，建筑物的能量效率的重要性正在增加。窗和玻璃壁面是建筑物的关键部分，通过其在低外部温度下发生大部分建筑物的热能损失或通过其在强烈日照的情况下发生大部分能量进入到建筑物内。
[0003]因此，对于控制通过窗或玻璃区域的光透射及由此能量的流动的装置存在需求。特别地，对于能够将通过玻璃区域的能量流动与在各个时间点盛行的条件(热、冷、高日照、低日照)匹配的装置存在需求。
[0004]在本发明的范围内，术语光是指在UV-A、VIS和NIR区域中的电磁辐射。特别地，其是指不被通常在窗中使用的材料(例如玻璃)吸收或仅以可忽略不计的程度吸收的辐射。根据通常在辐射物理学领域使用的定义，UV-A光是指具有320-380nm波长的辐射，VIS光是指具有380-780nm波长的辐射，和NIR光是指具有780_3000nm波长的辐射。因此，在本发明的范围内，术语光是指具有320-3000nm波长的辐射。
[0005]在寒冷的季节中，希望最大程度的光和由此传输的能量通过玻璃区域进入到建筑物中。这使得能够节约加热和照明成本。
[0006]另一方面，在温暖季节，希望通过玻璃区域进入建筑物内的能量尽可能小。这使得能够达成更加舒适的室内气候或节约空调成本。此外，在这些情况下可能希望减少入射光强，例如以降低由于直接日照造成的眩光。
[0007]因此，对于调节以光的形式例如通过窗或其他玻璃区域进入到内部空间的能量的切换元件存在需求。特别地，对于如上所述的自动将光透射的调节与盛行的条件相匹配的切换原件(智能窗)存在需求。此外，对于能量有效地操作，可以以最低可能的技术复杂度安装，技术上可靠并且满足美学需求的切换元件存在需求。进一步的方面是切换元件的容易加工性，在操作中的稳固性和对现有建筑物的玻璃区域进行改装的可能性。
[0008]US2009/0015902和US2009/0167971公开了在两个高效率偏振器之间的层中包含液晶介质的温度反应性装置。通过在不必施加电压的情况下液晶介质由向列态向各项同性态的相变来实现在具有相对高光透射率的状态和具有相对低光透射率的状态之间的切换。
[0009]然而，这种类型的装置具有缺点，它们在具有较高透射率的状态中的光透射率理论上为最多50%，实际上为最多30-40%。此外，在较低光透射率的状态中的透射率实际上等于0，即装置完全变暗。
[0010]然而，为了该装置在实际中使用，例如在建筑物或在交通工具中，希望它们在具有较高透射率的状态下(=开启状态)具有50-70%的透射率。否则，在装置的开启状态下将产生窗显著变暗的印象。
[0011]此外，实际上希望装置在具有较低透射率的状态中(=闭合状态)不完全是暗的，而是具有残余透射率。在窗的情况中，7%的最小透射率在主观上被认为仍然是舒适的。
[0012]US2011/0102878公开了可以使用具有增加透射率的相对薄的偏振器代替根据US2009/0015902和US2009/0167971的装置中高效率的偏振器。根据所述申请的公开内容，它具有在装置的开启状态下透射率增加的效果。然而，装置的切换范围，即在开启状态和闭合状态之间的光透射率的差由于该类型的实施方案而变得更小。
[0013]在用于调节能量流通的装置的情况中，希望能够按需要预先测定在亮状态下的透射率和该装置的切换范围二者。例如，对于某些应用而言，装置具有非常大的切换范围可能是有利的。对于其它应用而言，将较大的切换范围与较高的光透射率相结合可能是有利的。
[0014]根据本发明已经发现可以通过合适选择偏振器的参数P (偏振度)和Tl (在透射方向上的透射率)来实现。
[0015]因此，本发明涉及用于调节通过透光区域的能量流通的装置，其中所述装置包括以下层:
[0016]-第一偏振层，
[0017]-第二偏振层，和
[0018]-设置在两个偏振层之间的切换层，所述切换层随着温度变化来改变偏振光的偏振性能，
[0019]其中两个偏振层相同或不同地具有在550nm波长下测定的20_85%范围的偏振度P和70-100%范围的在透射方向上的透射率Tl。
[0020]使用具有所述偏振度P和所述在透射方向上的透射率Tl 二者的偏振器提供了具有令人满意的至少7.5%的暗透射率的装置。此外，存在令人满意的至少30%，优选至少40%的亮透射率。此外，存在至少5%，优选至少7.5%的切换范围。
[0021]此外，从所属范围合适选择两个参数P和Tl使得能够制造其中亮透射率值和切换范围可以彼此独立地设置的装置。
[0022]如在包括偏振层的装置领域中的技术人员通常已知的，参数P和Tl定义如下:
[0023]P可由Tl和T2的值通过以下等式获得。
[0024]P = (T1-T2)/(T1+T2)
[0025]Tl表示在550nm的波长下在透射方向上的偏振器的透射率。透射方向是指其中通过偏振器发生最高透射的入射偏振光的取向。T2表不在550nm波长下在阻挡方向上偏振器的透射率。阻挡方向是指其中通过偏振器发生最低透射的入射偏振光的取向。
[0026]如上所示的装置的亮透射率是指在具有较高光透射率的切换状态下发生的通过装置的透射率。相应地，装置的暗透射率是指在具有相对低光透射率的切换状态下发生的通过装置的透射率。再次针对550nm的波长定义透射率。
[0027]最后，装置的切换范围是指亮透射率和暗透射率的值之间的差。
[0028]注意，在本申请中，除非另有明确指示，基本上对于550nm的波长来测定光学值Tl、T2、P和亮透射率、暗透射率和切换范围。
[0029]在本发明的范围内，术语能量是指在UV_A、VIS和NIR区域中电磁辐射(光能)的能量。特别地，其是指不被通常在窗中使用的材料(例如玻璃)吸收或仅以可忽略不计的程度吸收的光能。
[0030]根据本发明，装置的两个切换状态是具有通过装置较高的光透射率的切换状态(亮状态)和通过装置具有较低的光透射率的切换状态(暗状态)。
[0031]归因于通常已知的物理定律，通过装置的高光透射率导致已由装置施加到透光区域的高能量进入至内部空间。通过装置的低光透射率相应地导致低能量进入到内部空间。因此，该装置通过切换其光透射率来调节能量进入到内部空间。
[0032]装置随着温度变化来由具有较高光透射率的切换状态切换至具有较低光透射率的切换状态。装置的切换状态因此与装置的不同温度范围相关。装置的切换优选在0-80°C的温度范围内逐渐发生，优选10-70°C，和非常特别优选20-60°C。
[0033]根据本发明一个优选的实施方案，具有较高光透射率的切换状态在装置可见的相对较低温度下存在，和具有较低光透射率的切换状态在装置可见的相对高的温度下存在。相应地，装置的亮状态优选在低于o°c的温度发生，特别优选低于10°c和非常特别优选低于20°C。装置的暗状态优选在高于80°C的温度下发生，特别优选高于70°c和非常特别优选高于60°C。
[0034]该装置发挥功能是基于入射光通过第一偏振层偏振的事实。这意味着，主要地允许具有某种偏振性能的光通过。切换层设置在第一偏振层之下。在第一状态下，这不影响光通过其的偏振性能。光随后照射设置在切换层之下的第二偏振层。对应于偏振层相对彼此的透射方向的设置，某一比例的光现在也可通过第二偏振层。在两个切换状态的另一个中，影响偏振的切换层改变通过其的光的偏振性能。由此，更大或更小比例的偏振光现在可以通过第二偏振器，这取决于已经通过切换层改变光的偏振性能的方式。在每种情况下，因在其第二状态下的切换层对光的偏振性能的改变导致与其中不影响光的偏振性能的切换层的第一状态相比装置光透射率的改变。
[0035]根据本发明一个优选的实施方案，所述两个偏振层是线性偏振器，其优选的偏振方向相对彼此以60-120°的角旋转，优选75-105°和特别优选80-100°。在两个状态之一中，切换层不旋转光的偏振平面或仅轻微地旋转光的偏振平面。在两个状态的另一个中，其以一个角度旋转光的偏振平面，所述角度对应于其中偏振器的偏振优选方向相对彼此旋转的角度，仅自此角度偏离一点儿，例如1-10°。在这种设置中，如果切换层处于其中其旋转光的偏振平面的状态中时，通过第一偏振器的光还通过第二偏振器。切换层的活性状态还对应于装置的亮状态。相反地，如果切换层处于其非活性状态，即其中其不旋转光的偏振平面的状态，照射第二偏振器的光不可以通过它，因为两个偏振器的优选偏振方向相对彼此旋转。因此，切换层的非活性态对应于该实施方案中装置的暗状态。
[0036]切换层的活性状态与切换层的光学各向异性态(优选结晶状态)相关，而切换层的非活性状态与切换层的基本上各向同性状态相关。
[0037]光学各向异性态的切换层优选将线性偏振光的偏振平面旋转10°或更大的角度，而在各向同性态下其不旋转线性偏振光的偏振平面或仅在可忽略程度上旋转线性偏振光的偏振平面。其特别优选将线性偏振光的偏振平面旋转大于40°的角度，非常特别优选旋转大于70°的角度。最优选旋转70-110°的角度,甚至更好的是80-100°的角度。然而，比所示优选旋转角度大180°的旋转角度(Vielfache)亦是可能的。
[0038]根据本发明，两个切换状态之间的切换操作并不是在某温度下突然发生，而是在处于温度范围内的过渡区域中逐渐发生。该过渡区域的温度范围优选具有5-100°C的宽度，即例如在15-110°C之间发生。该温度范围特别优选具有10-50°C的宽度。在过渡区域的温度范围内，装置的透射率通过自装置的亮透射率的值至装置的暗透射率的值的中间透射率值逐渐改变。
[0039]所述装置优选仅在温度控制下切换。因此，其优选不含用于切换操作的电触发的装置。其特别优选不含电线、电缆、电连接或电路。此外，优选不从外部电触发或被供应电流，即表示本身自动控制的系统。
[0040]能量的流通优选通过透光区域进入内部空间发生。内部空间优选为建筑物(例如住宅建筑物、办公室建筑物或用于商业目的的建筑物)的内部空间。或者，内部空间也可以是交通工具例如汽车的内部空间，或运输容器例如货运容器的内部空间。该装置可以根据本发明用于任何所要的内部空间，只要这些内部空间与环境仅具有有限的空气交换并且具有透光限制区域，通过其能量可由外部以光能的形式进入。本发明特别与通过透光区域(例如通过窗区域)经受强烈日照的内部空间相关。
[0041]透光区域例如窗或天花板优选具有大于0.5m2，特别优选大于lm2，非常特别优选大于3m2的尺寸。这是由于以下事实，如果这些区域受到太阳辐射，则可通过其发生进入内部空间的高能量摄取。此外，优选将透光区域因它们的空间取向和/或建筑物的地理和气候位置而暴露于高日照。
[0042]该装置优选以覆盖区域的方式设置在在透光区域上，使得通过该区域的光透射可以尽可能地充分调节。在可能的实施方案中，覆盖通过单一的装置进行。在替代的实施方案中，然而，覆盖也可以通过多个装置进行，该多个装置或直接彼此邻近或以留有间隔的方式设置。
[0043]在一个优选的实施方案中，透光区域是玻璃片或树脂玻璃片(Plexiglas pane)。在窗玻璃片的情况下，多片绝缘玻璃是优选的。根据优选的实施方案，根据本发明的装置直接应用于此玻璃片。
[0044]该类型的应用可以通过改装现有设置或通过完全重新安装而进行。
[0045]根据一个优选的实施方案，所述装置被设置于多片绝缘玻璃的内部或设置于在该类型玻璃的外部。通常优选在面向内部空间的片侧上使用或在多片绝缘玻璃的情况下在两个玻璃片之间的间隙中使用。然而，还可以设想其它设置并且在某些情况下是优选的。本领域技术人员将能够关于装置的耐久度、光学和美学观点、关于清洁片的实用观点和关于装置对于温度改变的反应性来相互权衡某些配置的优点和缺点并且对于本发明选择最佳的实施方案。
[0046]根据优选的实施方案，所述装置的特征在于其具有至少0.05m2，优选0.1m2至20m2和特别优选0.2m2至5m2的面积范围。
[0047]根据本发明优选的是，装置的偏振层相同或不同地具有30-85%范围内的偏振度P和75-100%范围的在透射方向上的透射率Tl，其中这些值在550nm的波长下测定。对于偏振层35-80%范围的偏振度P和75-100%范围的透射率Tl是特别优选的。
[0048]在根据本发明的P和Tl的范围内，已经发现P和Tl值范围的某些组合，对于这些组合而言，装置特性参数亮透射率和切换范围的某些性质出现。这里暗透射率保持在最小值7%以上。
[0049]如果相同或不同地由45-85%的范围选择偏振器的P并且由75-100%的范围选择Tl，则获得了具有尽可能高的切换范围的装置。优选地，P由55-85%的范围选择和Tl由80-100%的范围选择。非常优选地，P由65-85%的范围选择和Tl由85-100%的范围选择。
[0050]这里观察到以上针对亮透射率和暗透射率给出的最小值。
[0051]如果相同或不同地由30-85%的范围选择偏振器的P并且由80-100%的范围选择Tl，则获得了具有适度高的亮透射率与适度高的切换范围组合的装置。优选地，P由40-75%的范围选择和Tl由90-100%的范围选择。这里观察到以上针对暗透射率给出的最小值。
[0052]如果相同或不同地由25-60%的范围选择偏振器的P并且由90-100%的范围选择Tl，则获得了具有尽可能高的亮透射率的装置。优选地，P由30-40%的范围选择和Tl由95-100%的范围选择。这里观察到以上针对暗透射率和切换范围给出的最小值。
[0053]偏振层的P和Tl值可以彼此独立地设置。用于该目的的方法对于本领域技术人员是已知的。为此，选择例如改变偏振层的层厚度，改变偏振层的取向度以及改变偏振层中光吸收物质的浓度。
[0054]在碘-聚乙烯醇偏振器的情况下，参数P和Tl可以(例如通过改变聚合物的拉伸度或通过改变加入的碘的量)来彼此独立地变化。
[0055]在包含液晶介质和二色性染料的偏振器的情况下，参数P和Tl可以(例如通过改变液晶介质和改变二色性染料的浓度)来彼此独立地变化。在以下章节中给出了关于此方面的明确的实施例。
[0056]在许多情况下，有必要生产具有以上所指出的生产参数变化的较大量的不同的偏振器并且测量它们的值P和Tl。可由此认识到生产参数(例如拉伸度和染料的浓度)与值对Tl和P之间的经验相关关系，以此为基础，本领域技术人员具体能够生产具有任何所需值Tl和P的偏振器。
[0057]因此，本发明还涉及一种用于制造调节能量通过透光区域流通的装置的方法，其中所述装置包括以下层:
[0058]-第一偏振层，
[0059]-第二偏振层，
[0060]-切换层，所述切换层设置在两个偏振层之间，其随着温度变化来改变偏振光的偏振性能，
[0061 ] 其特征在于所述偏振层的两个参数:偏振度P和在透射方向上的透射率Tl通过变化选自以下的一个或多个制造参数彼此独立地来选择:层厚度、偏振层的取向度、加入物质的浓度、加入物质的取向度、加入物质的吸收性质、加入物质的结构、加入物质的二向色性和加入物质的聚集性质。
[0062]加入物质的结构是指其分子结构，特别是其长宽比。物质的长宽比越大，通常取向度就越大。
[0063]加入物质的聚集性质特别是指由该物质的单个分子或单个原子形成链的能力。
[0064]在该方法中，偏振度P优选选自20-85%的范围和在透射方向上的透射率优选选自70-100%的范围。特别优选地，P选自30-85%的范围和Tl选自75-100%的范围。
[0065]对于根据本发明的装置给出的偏振层和切换层的优选的实施方案同样优选用于本方法。
[0066]本发明的又一目的在于，根据本发明的装置用于随着温度变化影响通过透光区域的能量流通的用途。优选随着温度变化影响能量通过透光区域进入到内部空间的用途。
[0067]在根据本发明的用途中通过改变其在具有较高光透射率的切换状态(亮状态)和具有较低光透射率的切换状态(暗状态)之间的光透射率的装置来影响能量的流通。切换过程在这里是温度控制的并且在以上给出的切换过程的优选范围中进行。
[0068]根据本发明的用途在不施加电压下进行。该用途因此不需要能量，特别是不需要电能。
[0069]根据本发明，所述装置具有两个或更多个偏振层，其之一设置在切换层的一侧上和另一个设置在切换层的相反侧上。这里切换层和两个偏振层优选平行于彼此设置。所述偏振层具有如本发明以上给出的参数P和Tl的值并且优选具有以上给出的优选的参数P和Tl的值。
[0070]偏振层可以是线性偏振器或圆形偏振器。精确地，装置中优选存在两个偏振层。在这种情况下，此外优选的是，偏振层均为线性偏振器或均为圆形偏振器。
[0071]特别优选地，两个偏振层各自相同或不同地为吸收或反射线性偏振器。非常特别优选地，两个偏振层是吸收线性偏振器。
[0072]在本申请的意义上的反射偏振器反射具有一个偏振方向的光或一类型的圆形偏振光，同时对于具有另一偏振方向的光或另一类型的圆形偏振光是可透过的。相应地，吸收偏振器吸收具有一个偏振方向的光或一类型的圆形偏振光，同时对于具有另一偏振方向的光或另一类型的圆形偏振光可透过的。
[0073]如果在装置中存在两个线性偏振器，则根据本发明优选的是，两个偏振器的偏振平面相对彼此旋转70°至110°，特别优选80°至100°和非常特别优选85°至95°的角度。
[0074]根据本发明的一个优选的实施方案，偏振层的之一或二者由包含液晶介质和一种或多种二色性染料的层形成。这里所述液晶介质优选包括两种或更多种，特别优选5种或更多种，非常特别优选7种或更多种不同液晶化合物。
[0075]在本申请的范围内，术语液晶化合物是指在某些条件下显示出液晶性能的化合物，并且特别是在某些条件下形成向列型液晶相的化合物。
[0076]可以从本领域技术人员已知的液晶化合物中选择液晶化合物。优选具有有限尺寸和分子量(小分子)的液晶化合物。特别优选具有不超过IOOODa的分子量，非常特别优选不超过800Da和最优选不超过600Da的液晶化合物。
[0077]用于偏振层的合适的液晶介质是这样的具有高温稳定性并且为光稳定的介质。它们优选具有大于50°C，特别优选大于70°C和非常特别优选大于90°C的清亮点。
[0078]根据本发明一个优选的实施方案，所述液晶介质包含一种或多种聚合物。根据一个优选的实施方案，所述聚合物为聚合物网络中(聚合物网络体系)连续相的形式。聚合物网络优选被液晶介质渗透和/或溶解于液晶介质中，使得呈现光学均匀的外观。这优选通过添加到液晶介质的单-或二丙烯酸酯单体的聚合形成。所述液晶介质优选以具有大于60 %，特别优选70-95 %比例的聚合物存在于混合物中。这样的体系详细描述在例如EP452460、EP313053 和 EP359146 中。
[0079]在Liquid Crystals, Applications and Uses, 1992, World ScientificPublishing, Editor B.Bahadur,第73-81页中公开的化合物可以作为二色性染料使用。优选为蒽醌、萘醌、苯醌、茈和四嗪染料以及包含一个或多个偶氮基团或一个或多个希夫碱的化合物。
[0080]所述二色性染料优选选自以下的化合物:
[0081]
【权利要求】
1.用于调节通过透光区域的能量流通的装置，其中所述装置包括以下层: -第一偏振层， -第二偏振层，和 -设置在两个偏振层之间的切换层，所述切换层随着温度变化来改变偏振光的偏振性倉泛， 其中两个偏振层相同或不同地具有在550nm波长下测定的20-85%范围的偏振度P和70-100%范围的在透射方向上的透射率Tl。
2.根据权利要求1的装置，其特征在于，能量流通在内部空间进行，所述内部空间优选选自建筑物、交通工具或运输容器的内部空间。
3.根据权利要求1或2的装置，其特征在于，所述装置随着温度变化而由具有较高的光透射率的切换状态切换至具有较低光透射率的切换状态。
4.根据权利要求1-3的一项或多项的装置，其特征在于，由具有较高光透射率的切换状态至具有较低光透射率的切换状态的切换在0-80°C的温度范围中逐渐发生。
5.根据权利要求1-4的一项或多项的装置，其特征在于，两个偏振层相同或不同地具有在550nm波长下测定的30-85%范围的偏振度P和75-100%范围的在透射方向上的透射率Tl。
6.根据权利要求1-5的一项或多项的装置，其特征在于，两个偏振层为线性偏振器，其偏振平面相对彼此以70-110°的角度旋转。
7.根据权利要求1-6的一项或多项的装置，其特征在于，所述偏振层之一或二者由包含液晶介质和一种或多种二色性染料的层形成。
8.根据权利要求1-7的一项或多项的装置，其特征在于，所述偏振层之一或二者由包含取向聚合物的层形成。
9.根据权利要求1-8的一项或多项的装置，其特征在于，所述切换层包含液晶介质，所述液晶介质在随着温度增加的切换过程中由向列态向各向同性态转变。
10.根据权利要求1-9的一项或多项的装置，其特征在于，在光学各向异性状态下的切换层将线性偏振光的偏振平面旋转10。或更大的角度，并且在各项同性状态下的切换层不旋转线性偏振光的偏振平面或仅以可忽略不计的程度旋转线性偏振光的偏振平面。
11.根据权利要求1-10的一项或多项的装置，其特征在于，所述装置还包括基层，所述基层由玻璃、聚合物或ITO形成。
12.制造用于调节通过透光区域的能量流通的装置的方法，其中所述装置包括以下层: -第一偏振层， -第二偏振层， -设置在两个偏振层之间的切换层，所述切换层随着温度变化来改变偏振光的偏振性倉泛， 其特征在于，所述偏振层的两个参数:偏振度P和在透射方向上的透射率Tl通过变化选自以下的一个或多个制造参数彼此独立地来选择:层厚度、偏振层的取向度、加入物质的浓度、加入物质的取向度、加入物质的吸收性质、加入物质的结构、加入物质的二向色性和加入物质的聚集性质。
13.根据权利要求12的方法，其特征在于偏振度P选自20-85%的范围和在透射方向上的透射率选自70-100%的范围。
14.根据权利要求1-11的一项或多项的装置用于随着温度变化影响通过透光区域的能量流通的用途。
15.根据权利要求14的用途，其特征在于，所述装置在不施加电压下由具有较高光透射率的状态切换至具有较低光透射率的状态。
【文档编号】G02F1/13GK104011584SQ201280064583
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2012年11月29日 优先权日:2011年12月27日
【发明者】M·容格, A·拜尔 申请人:默克专利股份有限公司