CN105431606B - 用于可切换窗的故障安全机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学装置(1)，其具有有源矩阵(7)，有源矩阵包括聚合物分散液晶、宾主液晶、悬浮粒子和/或聚合物稳定胆甾相液晶，有源矩阵具有高透射模式和低透射模式，其中在高透射模式中，至少40％的入射光透射穿过光学装置，在低透射模式中，少于40％的入射光透射穿过光学装置，其中有源矩阵可在高透射模式和低透射模式之间切换，反之亦然，在施加连续电压的情况下有源矩阵处于高透射模式，而在没有电压的情况下，有源矩阵处于低透射模式，其中用于高透射模式的施加电压由电网(4)提供，其中光学装置还包含故障安全机构，故障安全机构能够在没有电网供电的情况下使有源矩阵从低透射模式切换至高透射模式。本发明还涉及用于光学装置的故障安全机构，其中故障安全机构包括至少一个电池(9)和控制器(8)。

Description

用于可切换窗的故障安全机构
技术领域
本发明涉及具有有源矩阵的光学装置，其中有源矩阵包括聚合物分散液晶、宾主液晶、悬浮粒子和/或聚合物稳定胆甾相液晶，有源矩阵具有高透射模式和低透射模式，其中在高透射模式中，至少40％的入射光透射穿过光学装置，而在低透射模式中，少于40％的入射光透射穿过光学装置，其中有源矩阵可在高透射模式和低透射模式之间切换，反之亦然。
背景技术
已知具有可切换窗的形式的这样的光学装置。
可切换窗或智能窗在现有技术中是公知的。一个类别的可切换窗是电控制的可切换窗。电控制的可切换窗需要电流或电压来改变其透射模式。本发明不涉及电致变色的可切换窗。
电致变色的可切换窗由多层叠层组成，其中使用电场可以使离子从一层移动到另一层。两层中的至少一层具有电致变色的性质，即通过还原或氧化改变其吸收性质。通过改变电压，可以控制还原状态或氧化状态，并且可以改变窗的透射率。
常规的电可切换窗不符合安全标准。例如，在文献DE102011015950中，公开了一种基于聚合物分散液晶技术的可切换窗，当未被供电时，该可切换窗退回到其散射(低透射)模式。遇到使电网中断因而使此窗的电力***中断的火灾时，由于透过窗的能见度低，逃出建筑物是困难的。这不是安全的状况。
基于并入了偏光器片的液晶和可选染色液晶的另一个可切换窗在DE3330305中给出。此***当不施加电压时处于其低透射模式，并且通过施加AC(交流)电压可以进入其高透射模式。而此***也不是故障安全的：如果电压故障，则该***退回其低透射模式。
在US2012318466中，公开了一种基于悬浮粒子技术的可切换窗，当未被供电时，该可切换窗退回其低透射模式。
为了构建安全的电可切换窗，可以设计本身即为故障安全的***。例如，DE3330305中的***可以通过改变装置中的材料以具有所谓的“垂直取向”(VA)液晶模式来被重新设计为故障安全***。对液晶而言，这需要不同的液晶材料和不同的取向膜。然而，改变材料将限制构建该装置的选择。这导致设计自由度降低并可能导致装置更昂贵。
发明内容
本发明的一个目的在于创造一种满足高安全性要求且设计自由度高的光学装置。
此目的通过以下装置来实现：一种光学装置，具有有源矩阵，其中所述有源矩阵包括聚合物分散液晶、宾主液晶、悬浮粒子和/或聚合物稳定胆甾相液晶，有源矩阵具有高透射模式和低透射模式，其中在高透射模式中，至少40％的入射光透射穿过光学装置，而在低透射模式中，少于40％的入射光透射穿过光学装置，其中有源矩阵可在高透射模式和低透射模式之间切换，反之亦然，在施加连续电压的情况下有源矩阵处于高透射模式，而在没有电压的情况下，有源矩阵处于低透射模式，其中所供给的用于高透射模式的施加电压由电网提供，其中所述光学装置还包含故障安全(fail-safe)机构，所述故障安全机构能够在没有电网供电的情况下使有源矩阵从低透射模式切换至高透射模式。
由于只有通过施加电压才能使光学装置处于高透射模式这一事实，设计这样的可切换光学装置的自由度更高。故障安全机构向光学装置供电，允许光学装置在电网供电故障的情况下转换成其高透射模式。这消除了使用本身具有该故障安全机构的材料或设计的需要并因而允许在需要故障安全模式的地方使用多得多的电可切换光学装置类型。
本发明中的术语“透射”意指特定波长的入射光(电磁辐射)(此处为390nm到790nm范围内的可见光谱中的光)的部分穿过有源矩阵并因而穿过光学装置。在高透射模式中至少40％、更优选为至少50％、而最优选为至少60％的入射光(此处同样为可见光谱中的光)穿过有源矩阵而少于60％的入射光被散射、反射或吸收。在低透射模式中，少于40％、更优选为少于30％、而最优选为少于10％的入射光(可见光谱)穿过有源矩阵(并因而穿过光学装置)而至少60％的入射光被散射、反射或吸收。
术语“有源矩阵具有高透射模式和低透射模式”意指能以发生高透射或低透射的方式改变有源矩阵。利用液晶，有源矩阵可以按照可以发生高透射且在一种取向下导致低透射的方式来取向。应理解，依据液晶的取向，可以具有多个透射级。高透射和低透射只是提及的(末端)点。
悬浮粒子窗意指悬浮在液体中并且层压在玻璃板或塑料板上或者层压在玻璃板或塑料板之间的纳米级的杆状粒子的薄膜压层。在不施加电压的情况下，粒子随机定向，因而阻挡并吸收光。在施加电压之后，粒子垂直于压层的平面地定向，因而允许光通过。
优选地，当电网和光学装置之间的连接被不合期望地中断而电网不向光学装置供电时，故障安全机构启动故障安全模式。
电网被定义为从主电源向需要电的装置传递电力的互连网路。所述电网优选为连接到光学装置且在除了故障安全模式(例如在紧急情况下)以外的所有情况下向光学装置供电的标准供电***。在本发明中，电池不是电网。
优选地，在施加直流(DC)电压(可选地可转换为交流(AC)电压)的情况下，故障安全机构能够使有源矩阵从低透射模式切换至高透射模式。优选地，功率逆变器(电)连接在故障安全机构和光学装置之间，将直流电压转换为交流电压。
如果当电网连接中断时光学装置处于高透射模式，则故障安全机构也可以优选通过由直流电压(可以可选地通过功率逆变器转换为交流电压)向光学装置供电来保持高透射模式。
优选地，在故障安全模式下，通过至少一个电池向光学装置供应电压。从安全性角度而言，电力故障期间高透射模式只需要持续有限的时间。此时间应该是至少10分钟。由于使用电池，供电至少10分钟是可行的，能够符合安全性要求。由于使用至少一个电池，故障安全模式变得独立于电网，因而如果电网被外部因素所破坏，故障安全模式不受影响。
优选地，故障安全机构包含控制器，该控制器用于在电网不供应电压的情况下启动故障安全模式。优选地，在故障安全模式下由至少一个能量储存装置经由控制器向光学装置施加电压。此至少一个能量储存装置优选为至少一个电池。此控制器检测电网，其中在电网和光学装置之间没有连接(电网不供给电压)的情况下，控制器启动故障安全模式。由于此故障安全机构，光学装置在没有电网供应电压的情况下也是透明的。在例如火灾的情况下，到电网的连接可能被破坏，控制器将记录此事实并启动故障安全模式。故障安全模式向光学装置施加电压(优选施加到控制并切换光学装置的控制器)，其中光学装置转换成高透射模式(与光学装置之前的模式无关)。因而，在没有来自电网的电压的情况下，故障安全机构确保光可以穿过光学装置(因而实现无障碍的视野)。如果光学装置例如是可切换窗，这样的故障安全机构将窗维持在高透射模式(与电网无关)。因而，人们可以在透过可切换窗照射进来的光的帮助下离开建筑物。
在优选的实施例中，至少1至20个、更优选2至5个电池用于故障安全模式。用于故障安全模式的电池的数量取决于电池的种类和光学装置本身。如果光学装置是可切换窗，则按照没有电网电压的情况下在窗切换到低透射模式之前使窗在高透射模式下保持至少30分钟的方式来选择所需的电池数量。此时间范围一般足够用于在发生紧急情况时逃出建筑物。
优选至少一个能量储存装置(优选至少一个电池)位于光学装置的框架中。优选至少一个电池具有热保护。在此优选实施例中，对于看到光学装置的人而言，至少一个电池是不可见的。另外，至少一个电池在光学装置的框架内可以容易地与热、水分和灰尘隔离。由此，至少一个电池的寿命增加，确保了至少一个电池在故障安全模式下工作。优选地，使用具有耐高温性的电池。为了进一步有助于电池的操作，电池的热保护优选地在至少10分钟的时间段内延迟电池加热到达其故障温度。用于至少一个电池的一种热保护是用于至少一个电池的盖，其中所述盖具有高耐热性质。至少一个电池优选地被所述盖完全覆盖。
此新的故障安全机构现在是有源***，这一点超过了现有技术。有源***导致使这样的装置的设计者可以制造当消耗电力时具有高透射模式的装置的技术。这可以导致设计者的可能性的拓展并且可以导致更多的可用产品。
优选地，至少一个电池是镍金属氢化物电池。由于至少一个镍金属氢化物电池的使用，光学装置在绝缘玻璃的领域中也是可用的。对绝缘玻璃的安全性测试要求玻璃在高至56摄氏度的条件下保持稳定。现有技术的锂离子电池和可充电电池仅可以分别在高至45摄氏度和高至55摄氏度的条件下工作。因此具有基于这些电池的故障安全机构的可切换窗将无法通过绝缘玻璃的安全性测试。具有基于新一代电池(即，镍金属氢化物电池)的故障安全机构的可切换窗能通过这一测试。
在优选实施例中，至少一个电池是圆柱形的或纽扣形状的。由于此特殊形状，至少一个电池不可见地集成在光学装置的框架中，并且所述框架不比不具有至少一个电池的框架大。
如果多于两个电池用于故障安全机构，则电池可以具有不同的形状或相同的形状。另外，多于一种电池(例如镍金属氢化物电池与镍镉电池的组合)可以用于故障安全机构。
优选地，光学装置包括用于向至少一个可充电电池(作为至少一个能量储存装置)供电的光伏元件。
在优选实施例中，光学装置是可切换窗。
电致变色(EC)类型的可切换玻璃窗具有玻璃的有色遮光可用的颜色范围有限以及切换可能要花费数分钟完成的缺点。应注意，US7535614说明了一种双稳态的电致变色(EC)单元。在此装置中，施加电压以减小透明度。之后，移除电压，保持低透明度。通过在输入电力切断时短接电致变色单元或者通过施加负(反向)电压，电致变色单元透亮且切换至高透明度。
US2007/0285759也公开了一种透射率可变的窗。此处，安装了迅速去色功能，其在电压降到预定值以下的情况下将装置短接到地，并引起电致变色窗透亮。在此文献中未公开故障安全机构。
例如在GB1186541以及在GB1356120中公开了通常称为电致变色窗的电光装置。这些电致变色窗在电路中断时保持其高透射模式。由于对可切换窗的这个要求，设计被局限。这意指窗应该按照在没有电力可用时窗退回到窗的高透射模式(出于安全性原因)的方式来设计。
因而，故障安全***使用电力来使可切换窗放电(使其“短路”)并使其进入透明状态。这样的***不能用作用于LCD(液晶显示)窗、SPD(悬浮粒子显示)窗或PDLC(聚合物分散液晶显示)窗的故障安全，因为短路使***进入低透射状态。
对于当前的(宾主)LCD窗、SPD窗或PDLC窗，需要的是使其透明的充电状态，而不是放电状态。更具体地，对窗施加电压，使窗连续充电和放电。
因此技术中所说明的LCD/SPD/PDLC窗上的控制***不会使***进入低透射状态，这是不期望的。
而对于本发明的装置(LC/PDLC/SPD)，需要的是安全状态要求供电多久就供电多久的电源。
优选地，可切换窗由具有两个透射性的导电层的一个或两个透明的玻璃或聚合物基板构成。一个透射性的导电层优选在一个基板的顶部上。由两个基板形成夹层(sandwich)，其中导电层在夹层内。在两个基板之间布置有源矩阵。有源矩阵根据供给到导电层的电力的改变而改变穿过有源矩阵的光的量。对于单基板窗的情况，有源矩阵在基板的顶部上。本发明所述的可切换窗是其中有源矩阵完全或部分由处于物质的液晶状态的材料构成的基于LC(液晶)的窗或者其中小粒子悬浮在溶剂中的悬浮粒子显示(SPD)(GB1385505)。存在不同类型的液晶显示(LCD)窗，它们全都具有不同的液晶矩阵。示例是聚合物分散液晶显示(PDLC)(KR20090109927)、宾主液晶显示(WO2009141295A1)和聚合物稳定胆甾相显示(US5940150)。
本发明还涉及用于上述光学装置的故障安全机构。优选地，光学装置的故障安全机构具有至少一个能量储存装置和控制器。能量储存装置优选为至少一个电池。
优选地，控制器能够在光学装置和电网之间的连接中断的情况下启动故障安全模式。在这种情况下，光学装置(优选经由控制器)由至少一个能量储存装置优选地供电。
优选地，在故障安全模式下，故障安全机构的至少一个能量储存装置能够向光学装置施加电压以在没有电网供电的情况下保持光学装置处于高透射模式或者使光学装置转变成高透射模式。电压优选为直流(DC)电压并且至少一个能量储存装置优选为至少一个电池。如果能量储存装置是电池，则在一个优选实施例中在电压被施加到光学装置之前，功率逆变器将直流电压转换为交流电压。如果光学装置是悬浮粒子装置或基于作为有源矩阵的液晶的装置，则此实施例是特别优选的。
在故障安全机构方面，所有有关至少一个电池的形式、至少一个电池的类型、光学装置的实施例(可切换窗和提及的用于可切换窗的液晶或其中光学装置是悬浮粒子装置的实施例)的优选实施例都是可行的。
通过参照下列附图1至5可以最好地理解本发明。附图是旨在说明优选实施例的示例而不应以任何方式解释为限制所附权利要求所述的本发明的范围。
附图说明
图1示意地示出了故障安全机构的示例。
图2示意地示出了根据现有技术处于低透射模式的光学装置。
图3示意地示出了根据现有技术处于高透射模式的光学装置。
图4示出了在故障安全模式下的具有故障安全机构的光学装置。
图5示出了故障安全模式关闭的具有故障安全机构的光学装置。
具体实施方式
在图1中示意地示出了结合光学装置1(例如可切换窗)的故障安全机构10和电网4。故障安全机构10至少包括控制器8和具有至少一个电池9的形式的至少一个能量储存装置。在优选实施例中多个电池9经由控制器8而与光学装置1连接。应用的电池9必须如镍金属氢化物电池(Varta V150HT)一样耐高温，这样它们在火灾时保持运作。电池9可以是纽扣形状的或圆柱形的并且集成在光学装置1的框架中。电池9连接至光学装置1的电气***。在电网4的供电停断期间(使可切换窗1转变成低透射模式3，图1中未示出)，光学装置1可以依靠电池9的电力。当为可切换窗1供能的电力中断时，电池9立刻启动。只要电池9启动，光学装置1就进入高透射模式2(图1中未示出)。此故障安全机构可以用于可切换窗1，例如PDLC窗、液晶宾主窗和悬浮粒子显示。
在图2中示出了具有可切换窗的形式的现有技术光学装置1的一般组成。可切换窗包括具有透射性的导电膜6(例如电极6)的两个玻璃或透明聚合物基板5。两个玻璃基板5之间的间隙用有源矩阵7(例如液晶7)填充。在现有技术的可切换窗中，当没有电力供给到可切换窗时，有源矩阵7随机定向。因此，在没有电网4的电力的情况下，可切换窗处于低透射模式3。在电网4和窗的连接被毁的意外(例如火灾)的情况下，窗进入低透射模式3，阻碍了人员逃出建筑物。因而这样的窗是不安全的并且不满足安全性要求。
在图3中，图2的光学装置(可切换窗)被示出为处于高透射模式2。此处电网4向可切换窗供电(供应电压)并因而有源矩阵7被布置为处于高透射模式2。
在图4中示出了具有本发明的故障安全机构10的具有根据图2或图3的可切换窗的形式的光学装置1。电网4和光学装置1之间的连接不合期望地断开(由于例如意外)并因而电网4无法向光学装置1供电。此时新颖的故障安全机构10开启故障安全模式。控制器8检测到光学装置1和电网4之间的不合期望的连接断开并且负责使光学装置1此时由至少一个能量储存装置9(电池)供电。由于此额外的供电***，光学装置1在电网4的供电中断之后立刻返回高透射模式2或者保持在高透射模式2。这意指一旦控制器8检测到存在来自电网4的电力停断，可切换窗1就将由电池9的能量供电。由于电池9的供电，可切换窗将进入透明/透射模式(高透射模式2)。在优选实施例中，在电压被施加到光学装置(优选经由控制器8)之前，功率逆变器11将电池9的电压(直流电压)转换为交流电压。给出的故障安全模式对从电网4到可切换窗发生供电故障的情况起作用。在可切换窗本身的内部故障的情况下，可切换窗可能无法进入透射模式2。但是这些故障安全模式是为紧急情况而设计的。大多数情况下，这样情况的故障在于电网4以及由电网4向可切换窗的供电的损失。基于电池9的故障安全机构10的另一个优势还在于只有故障安全机构10(控制器8，电池9)的布线必须在火灾的情况下与热隔离。如果必须将电网连接隔离，则这将昂贵得多。在具有故障安全机构10的可切换窗中，可切换窗到电网4的连接的布线是否在火灾期间被毁并不关键，因为电池9会接管供电。
图5示出了处于低透射模式3的作为光学装置1的一个示例的可切换窗，其中故障安全模式关闭。在作为光学装置1的聚合物分散液晶装置(PDLC)中，液晶7分散在液态聚合物矩阵中。在没有供给电压的情况下，液晶7在液滴中随机排列，在光穿过智能窗组件时导致光的散射(低透射模式3)。这导致半透明的“牛奶白”的外观。当电压施加到电极6时，形成在玻璃5上的两个透明电极6之间的电场使液晶7取向，允许光以极少的散射穿过液滴并导致透明状态(高透射模式2)。在电网4的电力停断期间，可切换窗将处于低透射模式3。故障安全机构10将立刻检测到此事件。在图5中具有故障安全机构的图4的光学装置1被示出为处于正常模式(这意指未启动故障安全模式)。此处电网4和光学装置1之间的连接断开不会启动故障安全模式。控制器8识别连接断开是符合期望的(以将光学装置1切换到低透射模式3)而没有发生紧急情况。如果用户要启动低透射模式3，那么优选地，信号被传递到控制器8。由于此信号，控制器8可以将电网4和光学装置1之间期望的不供电连接与电网4和光学装置1之间不期望的连接断开区别开。出于安全性原因，控制器8还可以包括一些传感器(例如用于热和烟的传感器)。即使光学装置1处于期望的低透射模式3，控制器8检测到意外(例如火灾)，将光学装置1切换到高透射模式2。
附图标记
1 光学装置
2 高透射模式
3 低透射模式
4 电网
5 玻璃或聚合物基板
6 透射性的导电膜/电极
7 有源矩阵/液晶
8 控制器
9 电池
10 故障安全机构
11 功率逆变器

Claims (8)

1.一种光学装置(1)，具有有源矩阵，其中所述有源矩阵(7)包括聚合物分散液晶、宾主液晶、悬浮粒子和/或聚合物稳定胆甾相液晶，所述有源矩阵(7)具有高透射模式(2)和低透射模式(3)，其中在所述高透射模式(2)中，至少40％的入射光透射穿过所述光学装置(1)，而在所述低透射模式(3)中，少于40％的入射光透射穿过所述光学装置(1)，其中所述有源矩阵(7)能在所述高透射模式(2)和所述低透射模式(3)之间切换，反之亦然，在施加连续电压的情况下所述有源矩阵(7)处于高透射模式(2)，而在没有电压的情况下，所述有源矩阵(7)处于低透射模式(3)，
其中所述光学装置(1)连接到电网(4)，
其中所述光学装置(1)还包含故障安全机构(10)，所述故障安全机构(10)包含控制器(8)和至少一个能量储存装置(9)，
其中在所述光学装置(1)处于正常模式中的情况下，由电网(4)提供用于所述高透射模式(2)的施加电压，
其中所述控制器(8)在光学装置(1)和电网(4)之间的连接被不合期望地中断或者发生紧急情况的情况下启动故障安全模式，
其中在所述故障安全模式中，由所述至少一个能量储存装置(9)代替电网(4)向所述有源矩阵(7)施加电压，以便使所述有源矩阵(7)保持在所述高透射模式(2)或者使所述有源矩阵(7)转变成所述高透射模式(2)。
2.根据权利要求1所述的光学装置(1)，其中在故障安全模式中所述故障安全机构(10)向所述有源矩阵(7)施加直流电压。
3.根据权利要求1所述的光学装置(1)，其中所述故障安全机构(10)还包含功率逆变器(11)，所述功率逆变器用于将能量储存装置(9)的电压转换为交流电压，所述交流电压被施加到所述有源矩阵(7)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学装置(1)，其中所述至少一个能量储存装置(9)为至少一个电池。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的光学装置(1)，其中所述光学装置(1)的框架包括所述至少一个能量储存装置(9)。
6.根据权利要求4所述的光学装置(1)，其中所述至少一个电池是镍金属氢化物电池。
7.根据权利要求4所述的光学装置(1)，其中所述至少一个电池是圆柱形的或纽扣形状的。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的光学装置(1)，其中所述光学装置(1)是可切换窗。
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