کاربرد لایه های نازک در شیشه های Low-e( کم گسیل)

یکی از روش های جلوگیری از اتلاف انرژی استفاده از شیشه های کم گسیل یا شیشه Low-e می باشد. در نتیجه زمانی که شیشه گرم می شود، به جای اینکه گرمای خود را گسیل دهد، آن را بازتابش می کند. تحقیقات انجام شده نشان می دهد که لایه ی ITO که نیم رسانای نوع n است، در طول موج های بزرگتر از 1500nm حالت شبه فلزی پیدا کرده و می­تواند امواج IR را بازتابش کند.

به طور کلی 3 روش برای انتقال حرارت از یک نقطه به نقطه  دیگر وجود دارد:

1-  هدایت یا رسانایی:

در این روش گرما توسط لرزش اتم ها به نقطه دیگر منتقل می شود. از این لحاظ مولکول های شیشه، حرارت را به آسانی از خود عبور می دهند. بنابراین با استفاده از شیشه دوجداره و ایجاد یک فاصله هوایی بین دو ورق شیشه، می توان تا حد زیادی از انتقال حرارت به این روش نسبت به شیشه تک جداره جلوگیری کرد.( هوا یا گازهایی نظیر آرگون، کریپتون و زنون به میزان زیادی مانع انتقال حرارت می شوند. گازهای ذکر شده نسبت به هوا نارساناتر می باشند.)

2-  جابجایی:

در این روش گرما با جابجایی مستقیم مولکول های گرم صورت می گیرد. به شرط نداشتن منفذ عبور هوا در پنجره، شیشه از عبور حرارت به این روش جلوگیری می نماید. در فاصله دو ورق شیشه دو جداره نیز در صورتی که فاصله بین دو جداره زیاد باشد، انتقال حرارت می تواند به روش جابجائی صورت گیرد. و بنابراین فاصله دو ورق شیشه دو جداره، نباید از حدی ببیشتر باشد. معمول ترین و احتمالا موثرترین فاصله بین دو ورق از لحاظ حرارتی (در صورتی که بین دو ورق شیشه ی دو جداره هوا باشد) 12 میلیمتر می باشد.

3-  تشعشع:

شیشه از لحاظ جلوگیری از انتقال حرارت به واسطه تشعشع ضعیف می باشد. و بخشی از انرژی امواج الکترومغناطیس حرارتی، می تواند از شیشه عبور کند. ( البته همه شیشه ها، در برابر امواج گرما یک جسم کدر محسوب شده، و این بدین معناست که انتقال معنا بواسطه جذب وگسیل انجام می شود و نه عبور مستقیم، که البته میزان عبور در طول موج های مختلف فرق می کند.) برای کاهش میزان انتقال حرارت بواسط تشعشع از شیشه های با پوشش خاص  که شیشه های Low-e نامیده می شوند، استفاده می شود. این شیشه ها دارای پوششی از اکسید فلز هستند که مانع حرکت گرما می شوند. از آنجائی که  گرما همیشه دارای انرژی حرکتی است، در زمستان که داخل اتاق گرمتر است، مانع عبور آن به خارج می شود و در تابستان که محیط بیرون گرم تر است، مانع ورود گرما به داخل ساختمان می گردد. در نتیجه در مصرف انرژی صرفه جویی قابل توجهی می شود. اکسیدهای فلزی شفاف و مشخصی را می توان روی سطح شیشه استفاده کرد، تا سطح شیشه  حاوی جریان الکتریسیته شود. ولی بر روی میزان عبور تاثیری نمی گذارد. خاصیت دیگر این لایه های اکسیدی این است که آنها بازتاب کننده گرما ( امواج IR) هستنند. آنها سطح شیشه را از یک ماده جاذب گرما ( گسیل بالا) به ماده بازتاب کننده گرما( کم گسیل) تبدیل می کنند و به طور خلاصه دارای عبور نور مرئی بالا و عبور گرمای پائین می باشند. کاربرد اصلی این نوع شیشه ها در زمینه صرفه جوئی انرژی و به خصوص در مناطق سردسیر می باشد و میتواند افت حرارت در شب را بین 30%  تا 40% کاهش دهد.

تعریف ضراب ، K و G

1-  ضریب U:

میزان گرمایی که بر حسب وات در هر ساعت از یک متر مربع از دیواری که بین داخل و خارج آن یک درجه کلوین اختلاف دما وجود دارد، عبور می کند. U ضریب انتقال حرارت است و واحد آن وات/( مترمربع* درجه کلوین یا سلسیوس) میباشد. کمتر بودن مقدار آن نشان دهنده این است که گرمای کمتری از طریق ماده عبور کرده است. پس هرچه این مقدار کمتر باشد، صرفه جوئی در انرژی بیشتر است و ماده دارای مقاومت بالاتری در برابر عبور گرما می باشد و عایق بهتری محسوب می شود. ضریب هدایت حرارتی را با استفاده از آزمایشات مخصوص در شرایط خاص که دراستاندارهایی مانند ایزو ISO و غیره آمده است می توان به دست آورد. ملاک اصلی، در تعیین میزان مصرف انرژی این ضریب می باشد. فاکتور U شیشه عایق معمولی، 3 وات/( مترمربع* درجه کلوین) است. می توان آن را با پوشش کم گسیل 1.1 کاهش داد. این بدان معناست که شیشه ی با پوشش کم گسیل تا 3 برابر نسبت به شیشه معمولی عایق تر شده است.

جنس و ساختمان فریم مورد استفاده در ساخت پنجره نیز بر روی هدایت حرارتی کل پنجره، اثرات زیادی دارد. بهترین حالت، استفاده از فریم های عایق نظیر فرمی های چوبی و یا PVC می باشد.

2-  ضریب K:

از این ضریب در کشورهای اروپایی استفاده می شود. ولی از ضریب U در آمریکا استفاده می شود. نحوه استانداردسازی بین المللی خوبی بین کشورهای آمریکائی و اروپائی در رابطه با محاسبات تبدیل U به K وجود ندارد و بایستی که در محاسبات از یک نوع استاندارد استفاده شود.

3-  ضریب G:

ضریبی که مقدار تشعشع خورشیدی خالصی را که می تواند داخل ساختمان شود( چگونگی عبور تشعشع خورشید توسط یک پوشش خوب) را اندازه گیری میکند.

پوشش­های کم گسیل

پوشش های کم گسیل معمول بر پایه یک لایه نقره هستند و بیش از 15 سال در دسترس بوده اند. اینها محصولاتی با عبور زیاد در محدوده مرئی و نور خورشید و با جذب کم و بازتابش زیاد انرژی خورشیدی هستند. پوشش کم گسیل به طیف ناحیه فرو سرخ با طول موج بلند ( بلندتر از 5 میکرون) مربوط می شود که در آن ناحیه سطوح در دمای نزدیک به دمای اتاق تشعشع می نماید.

خصوصیات این پوشش ها به طور خلاصه در جدول زیر آورده شده است.

Purpose: Reduce winter heat loss through windows

High visible and solar transmission

Low visible reflection

High reflection of infrared(room heat)

Low absorption of energy( low-emissivity)

Conventional Low-E

Sunbelt-Reduced Visible and Solar Transmission

Solar control Low-E

High visible with low Solar transmission

Double Silver –Layer Low-E

Low-emissivity coatings provide low conductance of heat through windows and have a Low U-value

جدول 1- ویژگی­های پوشش کم گسیل

پوشش رایجی که سالهای متمادی در اروپا مورد استفاده قرار گرفته اکسید قلع است. در این مورد افزودن یک لایه نیتریت سیلیسیوم می تواند دوام را زیادتر کند. در شکل 1 ساختار استاندارد پوشش های کم گسیل آورده شده است. هر کدام از این محصولات را با انواع پوشش های کم گسیل دوگانه و کارائی های مختلف می توان گسترش داد.

شکل 1- ساختار استاندارد پوشش­های کم­گسیل

شکل 2- پوشش کم گسیل بر روی سطح 3 از یک شیشه عایق

در شکل فوق موقعیت پوشش کم گسیل بر روی سطح 3 از یک شیشه دو جداره و بازتابش امواج گرمایی به داخل اتاق به منظور کاربرد در مناطق سردسیری نشادن داده شده است.

شیشه کم گسیل با کیفیت بالا افت حرارت در هنگام شب را بین 30% تا 40% کاهش می دهد. چراکه هیچ تشعشع خورشیدی در شب وجود ندارد، بنابراین شار حرارتی موجود به طور کلی ناشی از اتلاف، هدایت و جابجائی ست.

لازم به ذکر است که با استفاده از مواد سخت و مقاوم در برابر اکسیداسیون مانند نیتریت سیلیسیوم و اکسید تیتانیوم امکان تهیه پوشش­های کم گسیل با دوام و پایداری بالا وجود دارد.

استانداردهای موجود

در اروپا و آمریکا اکثر کشورها دارای مراکزی جهت بررسی مسائل مربوط به افت حرارت در شیشه های ساختمان ها می باشند. در آمریکا سازندگان شیشه های عایق انجمنی به نام NFRC ( National Fenestraition Rating Council) دارند که کیفیت محصولات را بررسی می کنند. جدول 2، استدانداردهای آمریکا، اروپا و ژاپن را نشان می دهد.

Rating systems for product performance

Accepted standards on emissivity, NFRC 301(1993)

U-value, NFRC 100(1995)

Accepted modeling program

Modeling driven with measurement verification

Emphasized U-value

United States(NFRC)

Standards on solar gain, emissivity, K-value

EN 410,673(1998)

Driven by German Legislation(K-eq)

No accepted simulation programs

No common rating programs

Emphasizes K-value and solar gain

No ISO standards yet

European

( ISO, CEN,Ntional)

JIS R 3209(1998), JIS R 3106(1998)

Standards on SHGC, emissivity, Solar properties

Japan(JIS)

جدول 2- استانداردهای آمریکا، اروپا و ژاپن

فرآیند کندوپاش(sputtering)

وقتی سطح جامد ( یا مایع) با پرتوی اتمی ، یونی ، الکترونی و یا فوتونی بمباران می شود، با توجه به انرژی جنبشی ذرات بمباران شده پدیده های متنوعی می تواند اتفاق بیفتد. پدیده های کندوپاش در انرژی های تقریبا بالاتر از 4H ) 4H ، آستانه کندوپاش است که در آن H گرمای تصعید اتم های هدف می باشد. با برخورد این یون های پر انرژی ( عمدتا یونهای گاز آرگون) به سطح جامد ( هدف) و انتقال انرژی جنبشی آنها به اتم های سطحی این اتم ها از سطح جدا شده و در فضا پراکنده می شوند. این فرایند به کند و پاش موسوم است و بر اساس انتقال اندازه حرکت استوار است که در آن کنده شدن اتم های هدف، همراه با انتقال اندازه حرکت از طریق یون های بمباران کننده می باشد.

 
  

شکل 3- فرآیند کندوپاش

کندوپاش مغناطیسی( Magnetron sputterin)

کندوپاش دارای روش های مختلفی می باشند که از بین آنها کندوپاش مغناطیسی دارای بالاترین سرعت لایه نشانی می باشد، زیرا بواسطه حضور میدان مغناطیسی حرکت الکترون ها، مارپیچی شده که باعث افزایش مسیر حرکت می شود و در اثر آناحتمال برخورد الکترون ها با یون ها افزایش یافته و باعث افزایش یونیزاسیون و در نتیجه بالا رفتن راندمان کندوپاش می شود. به دلیل اینکه نرخ کندوپاش به تعداد یون های موجود بستگی دارد، پلاسمای متراکم تری مطلوب است. به منظور رسیدن به چگال­ترین پلاسما، میدان ترکیبی الکترواستاتیک(E) و مغناطیسی(B) استفاده می شود. آهنرباهایی که در پشت هدف قرار گرفته اند، میدان مغناطیسی تولید می کنند و یک میدان الکترواستاتیکی نیز در راستای عمود بر آن اعمال می شود. این میدان الکتریکی به واسطه اعمال ولتاژ به کاتد ایجاد می شود. چنین میدان الکتراستاتیکی، الکترون ها را به سمت خلاف کاتد شتاب می دهد . اما بایستی الکترون ها با یک اتم آرگون یا حتی یک اتم که کندوپاش شده است، برخورد کنند و آن اتم را یونیزه خواهند کرد.

هر مرتبه که این اتفاق بیفتد، یون­های بیشتری تولید خواهند شد و بنابراین نرخ کندوپاش بالاتری بوجود می­آید. چنین بهبودی در راندمان کندوپاش نکته کلیدی است که باعث می­شود کندوپاش مغناطیسی از لحاظ تجاری، مهم و مناسب تلقی شود. بنابراین بهینه کردن موقعیت آهن­ربا به منظور اطمینان از حداکثر یونیزاسیون، مهم است. روش کندوپاش مغناطیسی روش جدیدی است که فرآیند لایه نشانی از پایداری بالائی برخوردار بوده و چسبندگی لایه به زیرلایه( در اینجا پوشش های کم گسیل به شیشه) عالی بوده و لایه انباشت شده برروی سطح از یکنواختی بالایی برخوردار است. همین عامل باعث شده که انواع مختلف روش های کندوپاش مغناطیسی با مودهای مختلف در منبع ولتاژ و قرارگرفتن هدف­ها و با طراحی ­های مختلف آهنرباها به عنوان تنها روش لایه نشانی بر روی سطوح بزرگ مطرح باشد. در شکل 4 دو روش لایه نشانی کندوپاشی و پیرولیک که به ترتیب برای تولید لایه های کم گسیل ZnO/ AG/ZnO و SnO2  استفاده شده، مورد مقایسه قرار گرفته و نشان می دهد که میزان بازتابش گرما در پوشش­های کم گسیل تهیه شده با روش کندوپاش بالاتر است.

شکل 4- مقایسه طیف پوشش کم گسیل کندوپاشی و کم­گسیل پیرولیک

جهت کسب هر گونه اطلاعات بیشتر در این زمینه میتوانید با متخصصین ما تماس حاصل فرمائید.

 

 

اسکرول به بالا