CN110204222B - 一种差异性弹性模量支撑柱阵列及真空玻璃 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差异性弹性模量支撑柱阵列及真空玻璃，差异性弹性模量支撑柱阵列中靠近真空玻璃封边的第一周圈支撑柱为低弹性模量支撑柱，靠近真空玻璃封边的第二周圈支撑柱为高弹性模量支撑柱；以此类推，向远离真空玻璃封边的方向，一个周圈的低弹性模量支撑柱、一个周圈的高弹性模量支撑柱交替布设，直至支撑柱全部排布完毕；基于差异性弹性模量支撑柱阵列和平板玻璃形成真空玻璃。本发明的差异性弹性模量支撑柱阵列可降低真空玻璃的最大应力和最大变形，从而降低玻璃破坏和支撑柱空位发生，在既有产品支撑柱原有阵列间距不变的情况，或新设计的支撑柱的阵列间距的条件下，这种差异性弹性模量支撑柱的排布方式的效果都是成立的。

Description

一种差异性弹性模量支撑柱阵列及真空玻璃

技术领域

本发明涉及真空玻璃技术领域，具体涉及一种差异性弹性模量支撑柱阵列及真空玻璃，适用于平板式真空玻璃的制造。

背景技术

真空玻璃的两片平板玻璃由阵列排布的支撑柱支撑，形成间隙；两片平板玻璃的四个周边用封边材料密封，形成封边；并从一片平板玻璃上预设的孔抽取真空后密封，则在两片平板玻璃间隙形成真空；上述过程和材料组合构成平板式真空玻璃(简称真空玻璃)。其中，封边既指将真空玻璃四周密封的工艺过程，也指封边材料及其所粘接的玻璃而形成的结构。真空阻止了三种基本热传递方式的导热传热和对流传热，其中的平板玻璃如采用低辐射玻璃将阻止热辐射传热，因此真空玻璃具有优良的绝热效果，广泛用于建筑门窗、幕墙保温和冰柜保冷等产品上。

在真空玻璃作为门窗、幕墙、冰柜等实际应用中，是将真空玻璃作为一块玻璃整体，与另一片平板玻璃组成中空玻璃。真空玻璃的封边与中空玻璃的间隔条一起隐藏在门窗、幕墙、冰柜门边框的型材内。

真空玻璃应具有良好的透视效果，因此支撑柱应尽可能地小，以免造成透视的不适感。通常真空玻璃支撑柱的直径在0.15mm左右，不经过仔细辨认很难觉察支撑柱的存在。支撑柱的高度一般也在0.15mm左右，因为细而高的支撑柱容易失稳，且真空阻热特性与真空厚度并无关系。相对于真空，支撑柱的导热性能很高，金属材质的导热系数通常在100W/m·K上下，非金属通常在1W/m·K左右。支撑柱可以看成两片平板玻璃之间的“桥墩”。支撑柱的阵列排布密度过大(即支撑柱阵列间距小)，大量的支撑柱将形成“热桥”，降低真空玻璃的绝热性能。排布密度过小(即支撑柱阵列间距大)，则产生以下两个不利作用。第一、支撑柱单位面积的承力增大，相应地，与支撑柱接触的玻璃的单位面积承力增加。这时可造成支撑柱刺破玻璃，形成玻璃损坏，严重的会炸裂。第二、两个支撑柱之间玻璃的跨距增加，由于真空间隙很小，玻璃受力会变形，加之玻璃本身有一定的不平整度，造成两片平板玻璃接触，即“玻璃贴合”现象，这样玻璃之间直接接触传热，丧失了真空绝热的效果。上述因素决定了支撑柱的排布密度有一个优化的范围。目前，优化的结果是支撑柱阵列间距为30mm～50mm，且采用同种材质材料，即具有相同弹性模量的材料作为支撑柱，支撑柱材质不具有弹性模量差异性。

抽真空后真空玻璃普遍受到1个大气压作用，同时还要受到平板玻璃自重的压力(通常为4mm或5mm玻璃)。在真空玻璃使用过程中，要承受风压作用、风压引起变形的应力作用、温差变形引起的应力作用、构造变形引起的应力作用等。这些作用需要支撑柱、平板玻璃等共同承担。在外界力的作用下，产生应力和变形，应力或变形过大则可导致材料破坏。

平板玻璃与支撑柱之间并无物理连接或化学连接，仅仅靠真空形成的内外压差压紧固定。当变形过大时(包括平板玻璃本身的不平整性)，一些支撑柱将不能充分压紧，支撑柱移动到其它位置，造成常见的支撑柱空位现象(即阵列位置无支撑柱)。空位造成其该处玻璃无支撑而变形过大，可形成玻璃贴合。空位同时造成空位周围的支撑柱受到更大应力。平板玻璃的面积很大，但它与支撑柱接触部位可以看成点接触，支撑柱承受过大应力意味着与之接触的玻璃承受更大应力。由于玻璃为脆性材料，此处的应力过大，将造成玻璃产生裂纹。这种裂纹在实际真空玻璃并不罕见，也是引起真空玻璃破坏的重要原因之一。理想的支撑效果是各支撑柱均匀受力，玻璃均匀变形，避免应力集中和过大的变形起伏。以上可见，在平板玻璃与支撑柱的关系中，平板玻璃的应力和变形是造成真空玻璃失效和破坏的主要因素。

真空玻璃失效和破坏主要由于局部应力过大或变形过大造成的，处理好真空玻璃应力和变形关系是真空玻璃业内公认的需要解决的难题。

发明内容

针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种差异性弹性模量支撑柱阵列及真空玻璃，旨在改善玻璃的受力均衡性和变形均衡性，以使真空玻璃材料及其结构协同作用，降低局部应力过大或变形过大，提高真空玻璃的安全性和可靠性。

本发明公开了一种差异性弹性模量支撑柱阵列，应用在真空玻璃的两片平板玻璃之间，靠近真空玻璃封边的第一周圈支撑柱为低弹性模量支撑柱，靠近真空玻璃封边的第二周圈支撑柱为高弹性模量支撑柱；

以此类推，向远离真空玻璃封边的方向，一个周圈的低弹性模量支撑柱、一个周圈的高弹性模量支撑柱交替布设，直至支撑柱全部排布完毕。

作为本发明的进一步改进，所述低弹性模量支撑柱的弹性模量与高弹性模量支撑柱的弹性模量之比为(0.15～0.5)：1。

作为本发明的进一步改进，所述低弹性模量支撑柱和高弹性模量支撑柱的高度一致，相邻两周圈支撑柱的间距一致。

本发明还公开了一种真空玻璃，包括：两片平板玻璃和上述的差异性弹性模量支撑柱阵列；

所述差异性弹性模量支撑柱阵列置于两片平板玻璃之间，两片平板玻璃的四个周边用封边材料密封，形成封边。

作为本发明的进一步改进，还包括辅助边；

在靠近封边的位置处设置一道所述辅助边，所述辅助边位于所述封边的内侧。

作为本发明的进一步改进，所述辅助边的弹性模量为封边材料的弹性模量的1～1.3倍。

作为本发明的进一步改进，所述辅助边与封边平行设置，所述辅助边距平行封边的距离为1～2mm。

作为本发明的进一步改进，所述辅助边的高度与封边的高度相同，所述辅助边的宽度为0.1～0.5mm，所述辅助边的两端距两个垂直封边内边缘的距离为3mm～15mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的差异性弹性模量支撑柱阵列可降低真空玻璃的最大应力和最大变形，从而降低玻璃破坏和支撑柱空位发生，在既有产品支撑柱原有阵列间距不变的情况，或新设计的支撑柱的阵列间距的条件下，这种差异性弹性模量支撑柱的排布方式的效果都是成立的。

本发明通过在真空玻璃中设置辅助边，可降低封边的最大应力和最大变形，特别是降低封边的拉应力，从而降低封边破坏的产生。

附图说明

图1为本发明一种实施例公开的差异性弹性模量支撑柱阵列的结构示意图；

图2为本发明一种实施例公开的真空玻璃的结构示意图；

图3为本发明一种实施例公开的带辅助边的真空玻璃的结构示意图；

图4为本发明一种实施例公开的单一弹性模量支撑柱和差异性弹性模量支撑柱的对比位移云图；

图5为本发明一种实施例公开的设置辅助边前后封边位移比较图。

图中：

1、低弹性模量支撑柱；2、高弹性模量支撑柱；3、封边；4、辅助边。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

真空玻璃失效和破坏主要由于局部应力过大或变形过大造成的，处理好真空玻璃应力和变形关系是真空玻璃业内公认的需要解决的难题。本发明旨在改善玻璃的受力均衡性和变形均衡性，以使真空玻璃材料及其结构协同作用，降低局部应力过大或变形过大，提高真空玻璃的安全性和可靠性。改善的效果主要通过降低最大应力和最大变形两个方面评价。然而，真空玻璃的应力与变形又极为复杂，通过实体试验方法很难找到真空玻璃的这些关系。本发明利用模拟计算和实验相结合的方法，在大量的研究基础上获得的结果和结论。

为此，如图1、2所示，本发明提供一种差异性弹性模量支撑柱阵列，应用在真空玻璃的两片平板玻璃之间，包括：差异性弹性模量周圈排布支撑柱；

靠近真空玻璃封边3的第一周圈支撑柱为低弹性模量支撑柱1，靠近真空玻璃封边3的第二周圈支撑柱为高弹性模量支撑柱2，第二周圈支撑柱为第一周圈支撑柱的最近内周圈；以此类推，向远离真空玻璃封边的方向，一个周圈的低弹性模量支撑柱、一个周圈的高弹性模量支撑柱交替布设，直至支撑柱全部排布完毕，从而构成差异性弹性模量支撑柱阵列。

如图2所示，本发明提供一种真空玻璃，包括：两片平板玻璃和差异性弹性模量支撑柱阵列；

差异性弹性模量支撑柱阵列置于两片平板玻璃之间，两片平板玻璃的四个周边用封边材料密封，形成封边3。

本发明差异性弹性模量支撑柱阵列的设计原理为：

弹性模量是材料变形时应力与应变之比，反映材料变形的难易程度，是材料的基本性能。弹性模量越大则材料变形能力低，表现为刚性大；弹性模量越小则材料变形性增加，表现为柔性大。因此，业内知晓如何根据弹性模量选择支撑柱的具体材料。基于弹性模量基本概念，本发明第二种表达方式是，采用相同弹性模量材料，靠近封边第一周圈的支撑柱采用较薄的支撑柱；靠近封接边的第二周圈的支撑柱采用较厚的支撑柱，以此类推，向远离封接边方向，一个周圈较薄的支撑柱、一个周圈较厚的支撑柱交替进行，直至支撑柱全部排布完毕。由于在真空玻璃制作过程中，厚薄不同支撑柱(即，差异性厚度支撑柱)不易压紧而产生位移，形成支撑柱空位，实用性较差。本发明第三种表达方式是，采用相同弹性模量材料，靠近封边第一周圈的支撑柱采用较细的支撑柱；靠近封接边的第二周圈的支撑柱采用较粗的支撑柱，以此类推，向远离封接边方向，一个周圈较细的支撑柱、一个周圈较粗的支撑柱交替进行，直至支撑柱全部排布完毕。截面积不同支撑柱(即，差异性截面积支撑柱)，很容易失稳，实用性也较差。

差异性弹性模量支撑柱布置与差异性厚度支撑柱布置、差异性截面积支撑柱布置在原理上是一致的。差异性弹性模量布置具有很强的实用性，故本发明采用了该布置方式表达。为了便于实施，本发明的高弹性模量支撑柱为同一弹性模量的材料，低弹性模量支撑柱为同一弹性模量的材料。

本发明的差异性弹性模量支撑柱阵列的优点为：降低真空玻璃的最大应力和最大变形，从而降低玻璃破坏和支撑柱空位发生。在既有产品支撑柱原有阵列间距不变的情况，或新设计的支撑柱的阵列间距的条件下，这种差异性弹性模量支撑柱的排布方式的效果都是成立的，故本发明不对支撑柱的阵列排布间距进行限制性说明。

进一步，本发明的低弹性模量支撑柱的弹性模量与高弹性模量支撑柱的弹性模量之比为(0.15～0.5)：1，优选为(0.2～0.5)：1；本发明的低弹性模量支撑柱和高弹性模量支撑柱高度一致，相邻两周圈支撑柱的间距一致，不同周圈的低弹性模量支撑柱或高弹性模量支撑柱的弹性模量一致。

低弹性模量支撑柱与高弹性模量支撑柱的弹性模量之比的设计原理为：

业内知晓支撑柱材料的选择的原则，如具有足够的强度、尽可能低的导热系数等。基于差异性弹性模量支撑柱布局，当支撑柱材料的低弹性模量与高弹性模量之比为(0.15～0.5)：1时，可以获得明显降低平板玻璃最大应力和最大变形的效果。差异性弹性模量支撑柱布局的效果与支撑柱阵列间距有直接和重要关系，实施例中说明了特定支撑柱阵列间距这种实施效果，本发明实施时可根据其它具体支撑柱阵列间距，对支撑柱的弹性模量比进行优化。同时，差异性弹性模量支撑柱具有相同高度，这样在真空玻璃制备过程中，支撑柱不易产生位移而形成空位，而在服役过程中可以依靠支撑柱弹性模量的差异性，自行调节应力和形变，实现均衡性受力和形变。

除支撑柱阵列设计容易造成玻璃破坏和支撑柱发生空位之外，在现有真空玻璃中，夹在两片平板玻璃之间的封边材料高度(封边高度)与支撑柱的高度应尽量相同。封边宽度不宜过大，一方面封边的导热系数大，形成传热“热桥”；另一方面，封边宽度过大会减少透光面积。目前采用的封边宽度一般在6mm～8mm之间，实践证明该宽度可以保证密封不透气，即保证器件的真空度，或气密性。抽真空后真空玻璃普遍受到1个大气压作用，同时还要受到平板玻璃自重的压力(通常为4mm或5mm玻璃)。在真空玻璃使用过程中，要承受风压作用、风压引起变形的应力作用、温差变形引起的应力作用、构造变形引起的应力作用等。这些作用还需要封边材料、封边结构共同承担。在外界力的作用下，产生应力和变形，应力或变形过大则可导致材料破坏。从构造和受力上，真空玻璃可以看成两种材料组合关系，一是上述平板玻璃与支撑柱的关系，二是平板玻璃与封边材料的关系，即封边。平板玻璃与封边材料的关系为：两片平板玻璃通过封边材料连接，形成封边。封边是真空玻璃组件中真正物理或化学连接的部分，使得真空玻璃成为一个整体。封边强度是封接性能的基本性能。过大的应力或变形，均可造成的封边的破坏，包括平板玻璃的断裂、封边材料与玻璃之间的开裂、封边材料与玻璃的共同开裂。封边破坏可造成真空失效，严重的造成制品的破坏。在平板玻璃与封边材料的关系中，封边作为一个整体应力和变形不应过大。

为解决上述问题，如图3所示，本发明在图2所示的真空玻璃中增加辅助边4，即在靠近封边3的位置处设置一道辅助边4，辅助边4位于封边3的内侧。本发明的辅助边是相对封边而言的，其优点为：降低封边的最大应力和最大变形，特别是降低封边的拉应力，从而降低封边破坏的产生。

进一步，本发明的辅助边的弹性模量为封边的弹性模量的1～1.3倍。

辅助边的弹性模量的设计原理为：

本发明发现，辅助边材料的弹性模量与封边材料弹性模量必须协调，才能有效发挥辅助边的作用。优化的结果是，辅助边材料的弹性模量为封边材料弹性模量的1～1.3倍。封边材料的弹性模量可以通过测试获得，GB/T 34338《真空玻璃用熔封玻璃力学性能试验方法》给出了封边材料弹性模量测试方法。然后，业内技术人员根据辅助边材料的弹性模量为封边材料弹性模量的1～1.3倍关系，选择辅助边的具体材料。作为推荐，建议使用金属材料，因为金属材料尺寸更易于控制，便于安装和制作。在相关材料手册中，可方便查到材料的弹性模量。

进一步，本发明的辅助边与封边平行设置，辅助边距平行封边的距离为1～2mm；辅助边的高度与封边的高度相同，辅助边的宽度为0.1～0.5mm，辅助边的两端距两个垂直封边内边缘的距离为3mm～15mm。

辅助边布置位置的设计原理为：

辅助边距离封边的距离考虑两个因素，其一，能够达到其降低应力和变形的效果。其二，封边及辅助边不宜过宽，以免增加传热性能，优化的结果是，辅助边距离封边的距离1～2mm。辅助边的高度与封边材料的高度相同，辅助边过高既要承担过大的应力，同时影响真空玻璃的制备。优化的辅助边宽度为0.15～0.5mm，过宽的辅助边将增加传热。辅助边的长度为距离相对两个封边内边缘3mm～15mm间距的长度。效果上，真空玻璃四周的四条辅助边可以是连续的线，如金属丝；也可以是间断的线，如若干间断的金属丝组成；还可以是点组成的线，如类似支撑柱的金属点组成。

实施例1

本发明提供一种真空玻璃的差异性弹性模量支撑柱阵列，低弹性模量支撑柱的材料为YH75铝合金，其弹性模量为75GPa，高弹性模量支撑柱的材料为301不锈钢材料，其弹性模量为210GPa。支撑柱材料的低弹性模量与高弹性模量之比为0.34，支撑柱阵列间距为30mm。铝合金和不锈钢支撑柱的高度相同，且与封边材料相同，为0.2mm。靠近封边的第一周圈支撑柱采用铝合金，靠近封接边的第二周圈的支撑柱采用不锈钢材料，以此类推，向远离封接边方向，一个周圈玻璃支撑柱、一个周圈不锈钢支撑柱交替进行，直至支撑柱全部排布完毕。

采用单一不锈钢支撑柱，平板玻璃的最大位移发生第一周圈支撑柱和第二周圈支撑柱之间，如图4a位移分布云图所示。采用铝合金支撑柱和不锈钢支撑柱交替使用后，最大位移降低21.7％，如图4b位移分布云图所示。最大应力发生在第二周圈支撑柱处，采用铝合金支撑柱和不锈钢支撑柱交替使用后，最大应力可降低14.2％。

本发明提供一种真空玻璃，在靠近封边位置设置一道辅助边。封边宽度为6mm，封边材料为玻璃熔封焊料，其弹性模量为75GPa，高度为0.2mm，辅助边材料为YH75铝合金，其弹性模量为75GPa。二者弹性模量比为1:1。辅助边距离封边的距离1mm，高度与封边材料的高度相同，其宽度为1mm，其长度为距离相对两个封边内边缘4mm间距的长度。

如图5所示设置辅助边前后封边位移比较。无辅助边时，封边靠近支撑柱单元(图5a中曲线1)最大变形约为2.5nm，受压应力；靠近支撑柱单元(图5a中曲线2)，变形很小；靠近支撑柱单元(图5a中曲线3)，最大变形约为1.0nm，受拉应力。设置辅助边后，封边的最大最大变形约0.35nm(图5b中曲线3)，受拉应力。设置辅助边前后的产生拉应力的最大变形减低65.0％。最大拉应力发生在封边处最外侧(远离支撑柱一侧)，设置辅助边后，最大拉应力的减小60.0％。

实施例2

本发明提供一种真空玻璃的差异性弹性模量支撑柱阵列，低弹性模量支撑柱的材料为C97铜合金，弹性模量为95GPa；高弹性模量支撑柱的材料为301不锈钢，弹性模量为210GPa，支撑柱阵列间距为40mm。靠近封边的第一周圈支撑柱采用铜合金，靠近封接边的第二周圈的支撑柱采用不锈钢材料，以此类推，向远离封接边方向，一个周圈铜合金支撑柱、一个周圈不锈钢支撑柱交替进行，直至支撑柱全部排布完毕。支撑柱材料的低弹性模量与高弹性模量之比为0.45,铜合金支撑柱和不锈钢支撑柱的高度相同，为0.2mm。

平板玻璃的最大位移发生在角部位置的四个支撑柱之间，最大位移可降低11.5％。平板玻璃的其他部分，每四个支撑柱之间的平板玻璃位移可减小23.0％。

本发明提供一种真空玻璃，在靠近封边位置设置一道辅助边。封边宽度为2mm，封边材料为玻璃熔封焊料，其弹性模量为75GPa，高度为0.2mm。辅助边材料为YH75铝合金，其弹性模量为75GPa。辅助边距离封边的距离1mm，高度与封边材料的高度相同，其宽度为2mm，其长度为距离相对两个封边内边缘7mm间距的长度。

设置辅助边后，封边处的最大位移减小25％，封边处的最大拉应力减小25％。

实施例3

本发明提供一种真空玻璃的差异性弹性模量支撑柱阵列，低弹性模量支撑柱的材料为QMn1.5(Cu-1.5Mn)锰青铜合金，其弹性模量为105GPa，高弹性模量支撑柱的材料为301不锈钢材料，其弹性模量为210GPa，支撑柱阵列间距为50mm。靠近封边的第一周圈支撑柱采用锰青铜合金，靠近封接边的第二周圈的支撑柱采用不锈钢材料，以此类推，向远离封接边方向，一个周圈玻璃支撑柱、一个周圈不锈钢支撑柱交替进行，直至支撑柱全部排布完毕。支撑柱材料的低弹性模量与高弹性模量之比为0.5,铝合金支撑柱和不锈钢支撑柱的高度相同，为0.2mm。

平板玻璃的最大位移发生在角部位置的四个支撑柱之间，最大位移可降低10.19％，平板玻璃的其他部分，每四个支撑柱之间的平板玻璃位移可减小27％。

本发明提供一种真空玻璃，在靠近封边位置设置一道辅助边。封边宽度为10mm，封边材料为玻璃熔封，弹性模量为75GPa，高度为0.2mm，辅助边材料为YH75铝合金。辅助边距离封边的距离1mm，高度与封边材料的高度相同，其宽度为0.5mm，其长度为距离相对两个封边内边缘10mm间距的长度。

设置辅助边后，封边处的最大位移减小18.2％，封边处的最大拉应力减小15.4％。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种真空玻璃，其特征在于，包括：两片平板玻璃和差异性弹性模量支撑柱阵列；

所述差异性弹性模量支撑柱阵列置于两片平板玻璃之间，两片平板玻璃的四个周边用封边材料密封，形成封边；

所述差异性弹性模量支撑柱阵列包括：靠近真空玻璃封边的第一周圈支撑柱为低弹性模量支撑柱，靠近真空玻璃封边的第二周圈支撑柱为高弹性模量支撑柱，所述低弹性模量支撑柱和高弹性模量支撑柱的高度一致；以此类推，向远离真空玻璃封边的方向，一个周圈的低弹性模量支撑柱、一个周圈的高弹性模量支撑柱交替布设，直至支撑柱全部排布完毕。

2.如权利要求1所述的真空玻璃，其特征在于，所述低弹性模量支撑柱的弹性模量与高弹性模量支撑柱的弹性模量之比为(0.15～0.5)：1。

3.如权利要求1所述的真空玻璃，其特征在于，相邻两周圈支撑柱的间距一致。

4.如权利要求1所述的真空玻璃，其特征在于，还包括辅助边；

在靠近封边的位置处设置一道所述辅助边，所述辅助边位于所述封边的内侧。

5.如权利要求4所述的真空玻璃，其特征在于，所述辅助边的弹性模量为封边材料的弹性模量的1～1.3倍。

6.如权利要求4所述的真空玻璃，其特征在于，所述辅助边与封边平行设置，所述辅助边距平行封边的距离为1～2mm。

7.如权利要求6所述的真空玻璃，其特征在于，所述辅助边的高度与封边的高度相同，所述辅助边的宽度为0.1～0.5mm，所述辅助边的两端距两个垂直封边内边缘的距离为3mm～15mm。

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