紅外輻射加熱在汽車玻璃熱彎曲中的應(yīng)用

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車玻璃的需求增加，人們對(duì)其功能需求趨于多樣化。熱反射汽車玻璃由于安全性高，而且具有特殊的隔熱功能，使其在汽車上得到廣泛的應(yīng)用。

熱反射汽車玻璃主要在鋼化玻璃的夾層面上鍍制Low-E膜。Low-E膜最顯著的特性是對(duì)遠(yuǎn)紅外反射率高，對(duì)近紅外反射率低，而對(duì)可見光透過率高。當(dāng)太陽(yáng)光通過這種玻璃時(shí)，Low-E膜能反射太陽(yáng)光譜中的紅外線，從而阻隔太陽(yáng)光中66％以上產(chǎn)生熱效應(yīng)的紅外輻射透射到車內(nèi)，大幅降低空調(diào)的負(fù)荷，達(dá)到節(jié)油降耗、減少排放的目的，同時(shí)可以使陽(yáng)光中的可見光透過，起到采光的作用。

汽車玻璃熱加工成型中玻璃的加熱是非常關(guān)鍵的一個(gè)過程。汽車玻璃彎曲形狀復(fù)雜化的趨勢(shì)，使得傳統(tǒng)的玻璃熱彎曲技術(shù)需要面對(duì)的問題是：如何在得到復(fù)雜形狀的前提下保證玻璃薄膜的性能。

熱發(fā)射汽車玻璃的主要加工過程是把兩塊相同尺寸玻璃通過膠粘劑膠合，其中一塊表面鍍有Low-E膜，且Low-E膜須位于兩塊玻璃夾層之間。玻璃在輻射加熱到一定溫度后(580～750℃)置于模具上，在自重作用下熱玻璃彎曲與模具貼合。彎曲過程中需要繼續(xù)給玻璃加熱，使其保持在合適的彎曲溫度范圍內(nèi)。復(fù)雜的彎曲形狀甚至需要進(jìn)行模壓彎曲或者二次彎曲。玻璃加熱過程中膜的性能也在發(fā)生改變，Low-E膜中起作用的主要為金屬銀膜及其它保護(hù)膜。適當(dāng)加熱溫度對(duì)玻璃的可見光透過率是有益的，只是因?yàn)楸Ｗo(hù)膜在加熱中發(fā)生氧化，使膜的可見光透過率增加。但是隨著溫度的持續(xù)增加，Low-E膜中的銀層在高溫下燒毀，光學(xué)性能反而會(huì)逐漸降低，其中可見光透過性下降最為明顯。然而，玻璃的粘度是隨著溫度的升高而降低，為了得到深彎玻璃，需要使玻璃達(dá)到很高溫度或者增加彎曲的時(shí)間，這兩種方式對(duì)膜的性能都是不利的。

一些廠家通過改善膜的性能提高膜層中銀的抗氧化性，使彎曲中Low-E膜能夠承受更高的溫度，但是這樣不僅使膜的成本增加，而且取得的效果不是很顯著。而從膜層的物理性能上進(jìn)行研究，改進(jìn)加熱技術(shù)，則取得了較大的成功。后者依據(jù)主要的原理是在發(fā)熱元件的輻射光譜與被加熱工件吸收光譜的匹配性，當(dāng)兩者吸收光譜相匹配時(shí)，熱效率最高，反之則熱效率就低。利用膜層與玻璃的吸收光譜差異，使輻射波長(zhǎng)集中在玻璃吸收范圍內(nèi)，降低對(duì)膜層的加熱效果，在玻璃達(dá)到彎曲溫度范圍時(shí)，膜層能在一個(gè)相對(duì)低的溫度水平上。成功的技術(shù)有近紅外輻射過濾技術(shù)。

電熱輻射加熱玻璃時(shí)有效光譜主要為紅外線，輻射的能量也集中在紅外波長(zhǎng)附近。紅外線按波長(zhǎng)可分為近紅外(700~4 000 nm)、中紅外(4 000~8 000 nm)和遠(yuǎn)紅外(>8 000 nm)。表1為不同溫度下紅外線的輻射能分布，由表可見，近紅外線占很大比率的紅外線輻射能，隨著加熱元件溫度升高，比率會(huì)顯著增大。

表1 不同溫度時(shí)紅外線的輻射能分布

圖1為普通透明玻璃與Low-E膜對(duì)不同波長(zhǎng)紅外線的吸收率曲線，從圖中可知，Low-E膜由于其本身的性能，對(duì)近紅外吸收率很大，尤其是對(duì)波長(zhǎng)在1 000 nm左右的紅外線吸收能力最強(qiáng)，室溫時(shí)就能達(dá)到20％~30％；吸收能力也與溫度相關(guān)，隨著溫度的升高而增加。例如在500℃時(shí)Low-E膜對(duì)波長(zhǎng)在1 000nm左右的紅外線吸收率達(dá)40％~60％，而普通玻璃由于Si-O和Si-O-H鍵的作用，對(duì)紅外波長(zhǎng)存在選擇吸收性，吸收光譜主要是在中紅外以及遠(yuǎn)紅外區(qū)域。表1中隨著發(fā)熱元件的溫度升高，輻射能分布逐漸向近紅外偏移，所以采用提高發(fā)熱元件溫度增加玻璃加熱速率的方式效果有限，反而容易使膜層過熱。因此輻射元件的溫度一般控制在800~900℃范圍。

圖1 普通透明玻璃與Low-E膜對(duì)不同波長(zhǎng)紅外線的吸收率

汽車玻璃在輻射條件下加熱時(shí)，大量的近紅外線穿過玻璃基板，到達(dá)玻璃膜層。由表1得知近紅外線所含的熱量在871℃時(shí)要大于中紅外和遠(yuǎn)紅外之和，對(duì)膜的加熱效果非常顯著。通過熱傳導(dǎo)把部分熱量傳遞給玻璃基板，但是由于傳導(dǎo)率的限制，傳遞熱量相對(duì)于膜的吸收熱量而言只是很小的一部分，并不能有效降低膜層的溫度。在彎曲夾層鍍膜時(shí)，采用輻射加熱使玻璃達(dá)到軟化點(diǎn)時(shí)，膜層溫度能超過玻璃基板100℃。并且玻璃彎曲過程需要一定時(shí)間，玻璃膜要在高溫下保持較長(zhǎng)時(shí)間，所以當(dāng)把玻璃彎曲到所需形狀時(shí)，膜層會(huì)由于過熱發(fā)生擴(kuò)散以及氧化等現(xiàn)象，嚴(yán)重破壞膜的光學(xué)性能。

為了在玻璃彎鋼化成型過程中最大程度保護(hù)膜層的光學(xué)性能，必須使膜的溫度保持在一個(gè)較低的范圍內(nèi)。George等提出了一個(gè)有效的措施，通過對(duì)輻射能中近紅外線進(jìn)行過濾，使輻射到玻璃上的主要是波長(zhǎng)為4 000~8 000 nm的紅外線，波長(zhǎng)與玻璃板的吸收范圍相匹配。針對(duì)玻璃基板進(jìn)行加熱，便可有效避免膜的過熱現(xiàn)象，并且提高加熱速率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。圖2為紅外過濾加熱示意圖。

圖2 紅外過濾加熱示意圖

近紅外過濾的原理主要有兩種：

(1)過濾板通過輻射或熱傳導(dǎo)吸收加熱元件熱能，使本身溫度上升，再向玻璃輻射能量，由于過濾板材質(zhì)原因，輻射的波長(zhǎng)范圍主要集中在中紅外和遠(yuǎn)紅外范圍內(nèi)；

(2)在普通加熱單元的表面粘貼或鍍制對(duì)近紅外有很強(qiáng)吸收而對(duì)遠(yuǎn)紅外和中紅外有較強(qiáng)透射作用的膜。在用過濾板對(duì)近紅外線進(jìn)行吸收時(shí)，過濾效果隨材料不同有很大的差距，文獻(xiàn)[5]給出了鋁硅酸鹽玻璃纖維材料過濾板500~900℃輻射率分布范圍，高溫時(shí)主要輻射大于51μm的紅外波，鋁硅酸鹽玻璃纖維材料過濾板能過濾約70％的近紅外，而且對(duì)中紅外和遠(yuǎn)紅外減弱效果不明顯，一般減小量大約為10％~20％。

另外一種措施是加熱元件本身輻射的波長(zhǎng)在中紅外或(和)遠(yuǎn)紅外，而不需要通過過濾，類似于過濾方式中的第2種方法。

由于近紅外線大部分被過濾，輻射對(duì)膜的加熱效果顯著降低，溫度上升速率較玻璃基板要緩慢。當(dāng)玻璃達(dá)到合適溫度進(jìn)行彎曲成型時(shí)，膜溫要比玻璃溫度低，有效防止過熱而損壞性能。George通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在保證膜性能的前提下，紅外過濾技術(shù)能使玻璃的彎曲深度提高50％，并且熱量沒有因加熱膜而消耗，對(duì)過濾板熱量采取一定措施回收利用，這樣用相對(duì)少的能源就可以維持加熱元件的正常溫度，相比傳統(tǒng)的輻射加熱節(jié)省能耗可達(dá)30％。由于過濾板對(duì)中紅外和遠(yuǎn)紅外也有一定過濾作用，降低向玻璃輻射的能量，影響加熱速率。根據(jù)實(shí)際工況，通過適當(dāng)提高加熱元件的溫度來增加總輻射能，提高玻璃加熱速率，加大產(chǎn)能。

如果用紅外過濾輻射與全對(duì)流加熱技術(shù)組合加熱其效果更好。這種方式把玻璃的加熱分為兩步：第1步為預(yù)熱，其加熱采用對(duì)流加熱技術(shù)，使玻璃的溫度快速升高到400~550℃；第2步再用紅外過濾輻射加熱，以便精確控制設(shè)置爐內(nèi)的溫度曲線。對(duì)于光學(xué)性能要求很高的汽車夾層鍍膜玻璃，紅外過濾輻射很適用，不僅降低成本，相比輻射對(duì)流加熱而言爐溫更易控制，操作也要簡(jiǎn)便。