フロントガラス除氷システムおよびその方法
コスト効率が高く、軽量、かつ高速フロントガラス除氷システムおよび方法が開示される。本システムは、ステップアップコンバータまたはインバータ、あるいはデュアルボルテージバッテリを利用して、３０秒未満でフロントガラスを除氷するために十分な高電圧を提供する。上記システムは、低圧電力を提供するための低圧電源と、該低圧電力を高圧電力に変換するために、ＤＣ−ＤＣコンバータおよびＤＣ−ＡＣインバータから成る群から選択される、ステップアップコンバータと、該ステップアップコンバータを有効化するための装置と、フロントガラスヒータであって、該コンバータが有効化され、該高圧電力が該フロントガラスヒータを通して伝導されると、抵抗加熱される、フロントガラスヒータとを備える。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
（背景）
自動車、列車、路面電車、および機関車を含む鉄道車両、雪上車、飛行機、ヘリコプター、および船舶等の種々の車両のための透明フロントガラスは、利用可能な搭載電源を使用して、除氷または除霜されなければならない。典型的には、除氷および除霜するステップは、車両のエンジンによって加熱された空気をフロントガラス上に吹送することによって達成される。しかしながら、特に、起動時、エンジンが最初は冷たいため、除氷および除霜するステップは、相当な時間がかかる。
【０００２】
３０秒未満でフロントガラスを除氷するためには、高電圧（典型的には、１００Ｖを上回る）および高電力（典型的には、３ｋＷを超える）が、電気的に加熱されるフロントガラスに印加されなければならない。ほとんどの商用車および乗用車に見られる一般的１２Ｖ ＤＣ電源は、最大１０ｋＷの電力であるが、０．０１オーム等の極端に低抵抗負荷にのみ送達可能である。伝導性薄膜フロントガラスヒータは、十分に透明であるためには、１オームを上回る抵抗を有していなければならない。したがって、従来の１２Ｖ電源は、透明なフロントガラスヒータを有する高速フロントガラス除氷システムの要件を満たすことはできない。
【０００３】
搭載電圧を上昇させる以前の試みは、交流発電機をバッテリから切断し、アイドル回転速度を増加させるステップ（例えば、特許文献１参照）、または交流発電機からステップアップ変圧器に非整流ＡＣ電流を供給するステップ（例えば、特許文献２参照）を伴った。いずれの場合も、高速フロントガラス除氷のために必要な電圧が、交流発電機のサイズを大幅に変更せずには達成され得ないように、出力電力は、交流発電機のサイズによって制限されていた。さらに、交流発電機は、低周波数電力を発生するため、十分な出力電力のステップアップ変圧器は、重厚かつ製造コストがかかるものであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第４，８６２，０５５号明細書
【特許文献２】米国特許第５，０５７，７６３号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（概要）
開示される手段は、コスト効率が高く、軽量、かつ高速フロントガラス除氷システムおよび方法を提供することによって、技術を進歩させる。
【０００６】
一実施形態では、フロントガラス除氷システムは、低圧電力を提供するための低圧電源と、低圧電力を高電圧ＤＣ電力に変換するためのステップアップＤＣ−ＤＣコンバータと、ステップアップＤＣ−ＤＣコンバータを有効化する活性化デバイスと、フロントガラスヒータと、ステップアップＤＣ−ＤＣコンバータとフロントガラスヒータとの間のスイッチと、を含み、フロントガラスヒータは、スイッチが閉鎖され、高電圧ＤＣ電力がフロントガラスヒータを通して伝導されると、抵抗加熱される。
【０００７】
一実施形態では、フロントガラス除氷システムは、低電圧ＤＣ電力を提供するための低圧電源と、低電圧ＤＣ電力を高電圧ＡＣ電力に変換するためのステップアップＤＣ−ＡＣインバータと、ステップアップＤＣ−ＡＣインバータのための活性化デバイスと、フロントガラスヒータと、ステップアップＤＣ−ＡＣインバータとフロントガラスヒータとの間のスイッチと、を含み、フロントガラスヒータは、ＤＣ−ＡＣインバータが有効であって、スイッチが閉鎖され、高電圧ＡＣ電力がフロントガラスヒータを通して伝導されると、抵抗加熱される。
【０００８】
一実施形態では、フロントガラス除氷システムは、低電圧モードでは、低電圧ＤＣ電力を、高電圧モードでは、高電圧ＤＣ電力を提供するためのデュアルボルテージバッテリと、車両のデュアルボルテージバッテリと付加的電気構成要素との間に配置され、デュアルボルテージバッテリが低電圧モードにある場合は閉鎖される第１のスイッチと、デュアルボルテージバッテリとフロントガラスヒータとの間に配置される第２のスイッチと、を含み、デュアルボルテージバッテリが高電圧モードにある場合、第２のスイッチは閉鎖され、第１のスイッチは開放される。デュアルボルテージバッテリの代替実施形態は、１２ボルト等の複数の低電圧区分を有する。これらの区分は、車両起動等の高電流低電圧用途のために並列に連結される。高電圧が必要とされる場合、バッテリの区分は、並列に連結されるが、１区分は、低電圧負荷に連結されたまま、交流発電機のサージを緩衝し、電子エンジン制御等の低電流負荷に電力を供給する。
【０００９】
一実施形態では、フロントガラスを除氷する方法は、低圧電力を車両の電気構成要素に提供するステップと、低圧電力を高圧電力に変換するステップと、高圧電力をフロントガラスヒータに提供し、フロントガラスヒータを抵抗加熱し、フロントガラスの表面を除氷するステップと、を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、ステップアップＤＣ−ＤＣコンバータを有する、一例示的フロントガラス除氷システム実施形態を示す。
【図２】図２は、図１のステップアップＤＣ−ＤＣコンバータの例示的回路を示す。
【図３】図３は、ステップアップＤＣ−ＡＣインバータを有する、一例示的フロントガラス除氷システム実施形態を示す。
【図４】図４は、デュアルボルテージバッテリを有する、一例示的フロントガラス除氷システム実施形態を示す。
【図５】図５は、図４のデュアルボルテージバッテリの例示的電気回路網を示す。
【図６Ａ】図６Ａは、図４のデュアルボルテージバッテリ内で使用されるバッテリ間スイッチの一例示的構成を示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図４のデュアルボルテージバッテリ内で使用されるバッテリ間スイッチの別の例示的構成を示す。
【図７】図７は、フロントガラスのガラス層の外側表面上に配置されるフロントガラスヒータを有する、一例示的フロントガラス実施形態の断面図を示す。
【図８】図８は、フロントガラスのポリビニル・ブチラール（ＰＶＢ）層とガラス層との間に配置されるフロントガラスヒータを有する、一例示的フロントガラス実施形態の断面図を示す。
【図９】図９は、図７および図８の両方の特徴を組み込む、一例示的フロントガラス実施形態の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（図面の詳細な説明）
本明細書で使用されるように、除氷および除霜とは、ほとんど同じ意味で使用され、凍結水を表面から除去するプロセスを指すものとする。凍結水は、任意の形態であってもよい。例えば、凍結水は、表面に付着する氷または氷の結晶の固体層として存在してもよい。
【００１２】
本明細書に開示されるフロントガラス除氷システムは、高密度の加熱電力（Ｗ／ｍ２）を提供し、高速かつエネルギー効率の高い除氷を可能にする。高速加熱は、氷／フロントガラス接触面の氷の薄層（例えば、１ｃｍ未満、または０．５ｃｍ未満、あるいは１μｍ〜１ｍｍ）のみを融氷点まで加熱することを確実にする。したがって、フロントガラスおよび氷の遠隔部分は、不必要に加熱されず、最小エネルギーが周囲環境に損失される。本概念は、米国特許第６，８７０，１３９号および第７，０３４，２５７号にさらに記載され、それぞれ参照することによって本明細書に援用される。これらの特許に示されるように、加熱密度が高い程、除氷を達成するために必要とされるエネルギーは少なくなる。
【００１３】
図１は、交流発電機１０と、バッテリ１２と、ステップアップＤＣ−ＤＣコンバータ１５と、フロントガラスヒータ１７と、スイッチ１３、１４および１６と、を含む、フロントガラス除氷システム１００を示す。正常車両動作では、スイッチ１３は、閉鎖され、スイッチ１４および１６は、開放される。除氷の際、スイッチ１３は、開放または閉鎖されてもよく、スイッチ１４および１６は、閉鎖される。除氷構成では、ステップアップＤＣ−ＤＣコンバータ１５は、バッテリ１２から、またはバッテリ１２および交流発電機１０からの低電圧直流（ＤＣ）電力（例えば、１２Ｖ ＤＣ）を高電圧ＤＣ電力（典型的には、７０Ｖ〜３００Ｖ、または４０Ｖ〜１０００Ｖ）に変換する。高電圧は、フロントガラスヒータ１７に電力を供給するために使用され、電気抵抗Ｒのため熱を発生する。
【００１４】
代替実施形態では、スイッチ１４は、大電流ヒューズと置換される。スイッチ１４を有する実施形態では、スイッチ１４の閉鎖は、ＤＣ−ＤＣコンバータを活性化する。スイッチ１４のない実施形態では、制御入力がＤＣ−ＤＣコンバータ１５に提供され、ある状態では、ＤＣ−ＤＣコンバータを有効化し、別の状態では、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力ＤＣ−ＡＣ区分の内部切り替えトランジスタを無効化し、それによって、ＤＣ−ＤＣコンバータがバッテリから電力を引き出すのを防止する。
【００１５】
システム１００の利点の１つは、バッテリ１２単独で、または交流発電機１０とともに、交流発電機１０単独よりもヒータ１７に電力を供給可能なことである。例えば、自動車内に適合される典型的１２Ｖバッテリは、損傷されずに、最大約３０秒間、７ｋＷ〜１０ｋＷを供給可能である。３０秒間の７ｋＷ電力は、フロントガラスを除氷するのに十分であって、バッテリ１２は、そのような除氷イベント間に、交流発電機１０によって再充電されてもよい。
【００１６】
システム１００の別の利点は、高電圧および高電力を使用するため、最近の従来技術の除氷システムと比較して、除氷の持続時間が短いことである（例えば、Ｔ≧−１０°Ｃで３０秒未満）。したがって、ステップアップＤＣ−ＤＣコンバータ１５は、同一電力レベルで継続的動作のために設計される類似コンバータよりも小型サイズおよび低コストであってもよい。例えば、ステップアップＤＣ−ＤＣコンバータ１５内の変圧器およびその巻線は、より小型のサイズであってもよく、下級磁性材料を使用してもよく、ステップアップＤＣ−ＤＣコンバータの高電圧電流を整流するために使用されるＭＯＳＦＥＴスイッチおよびダイオード等の半導体デバイスにおいてより大きな損失が許容されてもよい。同様に、継続的動作のために必要とされるであろうものよりも小型のヒートシンクおよび冷却ファン等の少数かつ小型の冷却デバイスが、半導体デバイス上で使用されてもよい。
【００１７】
除氷システム１００のさらなる利点は、バッテリ１２およびＤＣ−ＤＣコンバータ１５が、スイッチ１３を開放することによって、車両の交流発電機１０および他の電気構成要素から電気的に分離されてもよいことである。したがって、スイッチ１３を開放するステップは、電力がバッテリ１２と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５によって発生され得る高調波とから引き出される際、車両の電子機器への損傷を防止してもよい。
【００１８】
例証目的のために、図２は、図１のステップアップＤＣ−ＤＣコンバータ１５の一例示的回路２００を示す。回路２００は、フルブリッジＤＣ−ＤＣコンバータであるが、ハーフブリッジＤＣ−ＤＣコンバータ等の他の種類のステップアップＤＣ−ＤＣコンバータが、システム１００内で使用されてもよい。
【００１９】
スイッチ１３、１４、および１６は、機械、電磁、固体半導体スイッチ、またはそれらの組み合わせであってもよいことを理解されるであろう。さらに、スイッチ１３、１４、および１６は、本明細書の範囲から逸脱することなく、短絡回路によって置換されてもよい。スイッチ１４または１６を伴わない場合、加熱パルスを活性化するためのＤＣ−ＤＣコンバータの制御電気回路網への電子制御信号等、ＤＣ−ＤＣコンバータを活性化または非活性化するために、他の方法を使用しなければならない。
【００２０】
ある実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５、またはＤＣ−ＡＣインバータ３５（図３）は、フロントガラスの初期除霜のために全出力で作動する。フロントガラスが除霜されると、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５、またはＤＣ−ＡＣインバータ３５は、節電出力モードで作動し、フロントガラスを除霜条件に維持する。この節電出力モードとは、低電圧出力での動作またはパルス動作である。例えば、５００ボルトで１キロワットを消耗するフロントガラスヒータは、２５０ボルトで２５０ワットのみ消耗し、同様に、１秒の４分の１秒間のみ１キロワットを提供するコンバータによって作動される同一フロントガラスヒータは、平均電力２５０ワットのみ消耗するであろう。
【００２１】
図３は、交流発電機３０と、バッテリ３２と、ステップアップＤＣ−ＡＣインバータ３５と、フロントガラスヒータ３７と、スイッチ３３、３４、および３６とを含む、一例示的フロントガラス除氷システム３００を示す。正常車両動作の際、スイッチ３３は、閉鎖され、スイッチ３４および３６は、開放される。除氷の際、スイッチ３３は、開放または閉鎖されてもよく、スイッチ３４および３６は、閉鎖される。除氷動作に対し、ステップアップＤＣ−ＡＣインバータ３５は、バッテリ３２から、またはバッテリ３２および交流発電機３０から得た低電圧ＤＣ電力（例えば、１２Ｖ）を高電圧ＡＣ電力（典型的には、７０Ｖ〜３００Ｖ、または４０Ｖ〜１０００Ｖ）に転化し、フロントガラスヒータ３７に電力を供給し、電気抵抗Ｒのため熱を生成する。システム３００のＡＣ周波数の典型的範囲は、約５０Ｈｚ〜約１５０ｋＨｚである。
【００２２】
ＤＣ−ＤＣコンバータ１５を参照して上述のように、ＤＣ−ＡＣインバータ３５を有効化するための他の電気回路網が、スイッチ３４の代わりに使用されてもよい。
【００２３】
システム３００の利点の１つは、バッテリ３２単独で、または交流発電機３０とともに、交流発電機３０単独よりもフロントガラスヒータ３７に電力を供給可能なことである。通常の１２Ｖバッテリは、損傷されずに、最大約３０秒間、７ｋＷ〜１０ｋＷを供給可能である。３０秒は、フロントガラスを除氷するのに十分であって、バッテリ３２は、除氷イベント間に、交流発電機３０によって再充電されてもよい。
【００２４】
システム３００の別の利点は、高電圧を使用するため、除氷の持続時間が短いことである（例えば、Ｔ≧−１０°Ｃで３０秒未満）。したがって、ステップアップＤＣ−ＡＣインバータ３５は、同一電力レベルで継続的動作のために設計される類似インバータよりも小型サイズおよび低コストであってもよい。例えば、ステップアップＤＣ−ＡＣインバータ３５内の変圧器およびその巻線は、より小型のサイズであってもよく、そのステップアップ変圧器のために下級磁性材料を使用してもよく、ステップアップＤＣ−ＡＣインバータの高電圧電流を整流するために使用されるＭＯＳＦＥＴスイッチおよびダイオード等の半導体デバイスにおいてより大きな損失が許容されてもよい。
【００２５】
さらに、除氷は、典型的には、冷たいエンジンのアイドリング状態から起こるため、高速氷時間は、燃料を節約し、車両の汚染排気ガスを最小限にする役に立つであろう。
【００２６】
除氷システム３００のさらなる別の利点は、バッテリ３２およびＤＣ−ＡＣインバータ３５が、スイッチ３３が開放されると、車両の交流発電機３０および他の電気構成要素から電気的に分離されてもよいことである。スイッチ３３を開放するステップは、電力がバッテリ３２と、ＤＣ−ＡＣインバータ３５によって発生され得る高調波とから引き出される際、特に、負荷遮断サージ抑圧電気回路網または補助バッテリ３８が提供される場合、車両の電子機器への損傷を防止してもよい。高電流でバッテリを充電する交流発電機からの１２ボルトバッテリの急切断でさえ、１００ボルトを超えるサージを生じさせる可能性があるため、抑圧電気回路網または補助バッテリ３８が推奨される。
【００２７】
ＤＣ−ＤＣコンバータ１５（図２）は、ステップアップ変圧器の補助的巻線とフロントガラスヒータ１７、３７との間に接続されるブリッジ整流器除去後のステップアップＤＣ−ＡＣインバータ３５の実施例であり得ることを理解されるであろう。
【００２８】
スイッチ３３、３４、および３６は、機械、電磁、固体半導体スイッチ、またはそれらの組み合わせであってもよいことをさらに理解されるであろう。さらに、スイッチ３３、３４、および３６は、本明細書の範囲から逸脱することなく、短絡回路によって置換されてもよいが、但し、本システムを有効化するための代替装置が提供され、スイッチ３３および３６は、いくつかの実施形態では、短絡回路によって置換されてもよい。
【００２９】
図４は、高速フロントガラス除氷のために、高電力／高電圧源として使用されるデュアルボルテージバッテリ４２を有する、フロントガラス除氷システム４００を示す。システム４００は、交流発電機４０と、デュアルボルテージバッテリ４２と、フロントガラスヒータ４７と、スイッチ４３および４６と、を含む。正常車両動作の際、バッテリ４２は、低電圧モード（例えば、１２Ｖ）に設定され、スイッチ４３は、閉鎖され、スイッチ４６は、開放される。除氷の際、スイッチ４３は、開放され、バッテリ４２は、高電圧モード（例えば、７０Ｖ〜３００Ｖ、または４０Ｖ〜１０００Ｖ）に設定され、スイッチ４６は、閉鎖される。
【００３０】
デュアルボルテージバッテリは、例えば、米国特許第３，６６７，０２５号および第４，１１４，０８２号に開示されており、参照することによって本明細書に援用される。典型的には、デュアルボルテージバッテリは、一塊のより小型のバッテリから形成される。図５は、デュアルボルテージバッテリ４２の例示的主電気回路網を示し、例えば、低電圧モードでは１２Ｖ電力を、高電圧モードでは８４Ｖ電力を提供してもよい。他の電圧制限が、異なる種類または数のバッテリを一塊として提供することによって達成されてもよいことを理解されるであろう。バッテリが並列に接続される場合、デュアルボルテージバッテリ４２は、各個々のバッテリと同一電圧、例えば、１２Ｖを送達し、高電流を送達可能である。高電圧モードでは、バッテリは、直列に接続され、デュアルボルテージバッテリ４２は、個々のバッテリの電圧の合計とほぼ等しい高電圧を送達可能である。高電圧と低電圧モードとの切り替えは、スイッチＳ５３−Ｓ６４を同時にトリガすることによって達成されてもよい。図５に示される接続は、高電圧モードに対応する。
【００３１】
図１、３、および４のシステムは、オフ状態と、低電圧構成と、高電圧構成とを定期的に切り替えることによって、継続的最大未満加熱電力を提供可能であることをさらに理解されるであろう。デューティサイクルに応じて、その平均加熱電力は、０Ｗ〜最大電力の任意の望ましい規模に調節可能であって、高電圧構成が提供され得る。例えば、高電力構成が、５ｋＷのピーク電力を供給する場合、１０％デューティサイクル使用時（例えば、各１秒周期にわたって、高電圧モードでは０．１秒間、低電圧構成では０．９秒間）、本システムは、０．１＊５ｋＷ＝５００Ｗ加熱電力をフロントガラスヒータに適用するであろう。
【００３２】
そのような断続的モードが図４のシステムに使用される場合、バッテリは、加熱デューティサイクルの間、交流発電機から再充電されることをさらに理解されたい。
【００３３】
システム４００の利点の１つは、デュアルボルテージバッテリ４２が、通常の低電圧バッテリとサイズおよび重量が類似するが、フロントガラスヒータ４７に高速フロントガラス除氷を行なうための十分な電力を供給可能なことである。
【００３４】
図４および５のスイッチ（４３、４６、および５３−６４）は、機械、電磁、固体半導体スイッチ、またはそれらの組み合わせであってもよいことを理解されるであろう。可能なバッテリスイッチの２つの実施例は、図６Ａおよび６Ｂに示される。例えば、図６Ａに示されるスイッチは、絶縁高圧側ＦＥＴドライバに基づく一方、図６Ｂに示されるスイッチは、光遮断器ドライバに基づく。
【００３５】
フロントガラス除氷システム１００、３００、および４００のバッテリ１２、３２、および４２は、鉛酸バッテリ、リチウムイオンバッテリ、ニッケル水素バッテリ、または当技術分野において既知の任意の他の電気化学種類のバッテリであってもよい。
【００３６】
一実施形態では、フロントガラスヒータ１７、３７、および４７は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、酸化亜鉛、酸化スズから成る連続的薄膜金属酸化物の透明コーティング、または単一金属酸化物またはいくつかの金属酸化物の複合材料から成る任意の他の電気的に伝導性の透明薄膜である。
【００３７】
別の実施形態では、フロントガラスヒータ１７、３７、および４７は、鉄、アルミニウム、金等から成る薄い光学的に透明な金属薄膜、または電気的に伝導性かつ光学的に透明なポリマー材料である。
【００３８】
図７は、フロントガラス７００の断面図を示す。フロントガラス７００は、２層のガラス７０４間に積層されるポリビニル・ブチラール（ＰＶＢ）防砕性プラスチック層７０２を備える。次いで、フロントガラスヒータ７０６は、ガラス層７０４の外側表面７０８上に配置され、誘電体層７１０は、フロントガラスヒータ７０６上に配置される。誘電体層７１０は、安全性を向上させるとともに、フロントガラスヒータ７０６のスクラッチ保護を提供する。フロントガラスヒータ７０６（１）は、フロントガラス７００を除氷し、フロントガラスヒータ７０６（２）は、フロントガラス７００を除霜する。
【００３９】
図８は、フロントガラス８００の断面図を示す。フロントガラス８００は、ポリビニル・ブチラール（ＰＶＢ）防砕性プラスチック層８０２とガラス層８０４との間に配置されるフロントガラスヒータ８０６を備える。フロントガラスヒータ８０６（１）は、フロントガラス８００を除氷し、フロントガラスヒータ８０６（２）は、フロントガラス８００を除霜する。将来のフロントガラスは、ＰＶＢ以外のプラスチックの防砕性プラスチック層を組み込む安全ガラスから成ってもよいことを理解されたい。
【００４０】
図９は、フロントガラス７００およびフロントガラス８００の両方に共通する特徴を有する、フロントガラス９００の断面図を示す。フロントガラス９００は、ポリビニル・ブチラール（ＰＶＢ）層９０２と、第１の対のフロントガラスヒータ９０６（１）および９０６（２）と、ガラス層９０４と、第２の対のフロントガラスヒータ９０６（３）および９０６（４）と、誘電体層９１０と、を含む。フロントガラスヒータ９０６（２）および９０６（４）は、電気的に接続され、フロントガラス９００を除霜するように作動してもよい一方、フロントガラスヒータ９０６（１）および９０６（３）は、電気的に接続されてもよく、フロントガラス９００を除氷／除霜するように作動する。
【００４１】
一実施形態では、フロントガラスの面積は、複数の区分に分割されてもよく、各区分は、フロントガラスヒータ（フロントガラスヒータ１７、３７、４７、７０６、８０６、９０６等）を含有し、近傍ヒータ／区分から電気的に絶縁される。フロントガラスの全体面積よりも狭い面積を有するフロントガラスヒータへの電力の印加は、比較的に密集した面積に加熱電力全体の印加を提供する。フロントガラスの全体面積は、１度に１区分除氷されてもよい。
【実施例】
【００４２】
上述のように、従来のシステムを使用する高速フロントガラス除氷の主な障害は、不十分な搭載電圧である。以下の計算は、この点をさらに例証する。
【００４３】
典型的フロントガラスおよび氷パラメータが、表１に示される。
【００４４】
【表１】
フロントガラスの上下面に載置される電気バスバーを備えるフロントガラスに対し、フロントガラス電気抵抗は、以下となる。
Ｒ＝Ｒ／ｒ＝６．６７オーム （１）
１２Ｖ源を利用するフロントガラスの加熱密度は、以下となる。
【００４５】
【化１】
式中、Ｐは、電力である。そのような低密度の加熱電力の場合、冷却対流熱伝達率約
【００４６】
【化２】
は、以下の冷却力率を提供するため、フロントガラスは、静止空気中でさえ、−１００Ｃ〜００Ｃに加熱不可能である。
【００４７】
【化３】
式中、ＡＴ＝Ｔ１ｎ−Ｔａｍｂ＝１００Ｃ。したがって、冷却力率は、約３倍だけ加熱電力率を上回る。
【００４８】
ＩＴＯよりも低い抵抗を有する透明な伝導性コーティング、例えば、シート抵抗率Ｒ＝２オームを有する薄膜鉄コーティングが使用される場合でさえ、融氷点までガラスを温めるために必要な時間は、以下のように予測される。
【００４９】
【化４】
式中、鉄コーティングの加熱電力は、Ｐ＝１０８Ｗに等しい。
【００５０】
現実的に、除氷時間ｔは、フロントガラス／氷接触面の氷の層を融解するために必要な対流冷却および付加的エネルギーのために、式（４）によって計算されるものよりもさらに長くなるであろう。融解される氷の層の厚さが、わずか１００μｍである場合、除氷時間ｔは、さらに４００秒増える。したがって、合計除氷時間は、３６００秒、すなわち、６０分である。
【００５１】
式（４）によると、高速除氷（ｔ≦３０秒）は、約１００倍だけ加熱電力の増大を必要とするであろう。したがって、増大した電圧の約１００Ｖが、鉄を基材とする透明な伝導体に、約２００Ｖ〜３００Ｖが、ＩＴＯ−を基材とする透明な伝導体に必要となるであろう。
【００５２】
本明細書に開示される除氷システムおよび方法は、必要範囲内の電圧を提供可能である。
【００５３】
本明細書に記載される透明な伝導体を駆動させるためのＤＣ−ＤＣまたはＤＣ−ＡＣコンバータは、ヒトの健康に危険を及ぼし得る高電流で電気電圧を生成可能であるため、コンバータは、当技術分野において既知の絶縁埋め込み化合物によって埋め込まれるか、またはそのカバー上に安全連動装置を有することが予測される。さらに、コンバータの出力端子からフロントガラスへの配線中のコネクタは、コネクタのうちの１つ以上が接続または切断条件であるかどうかにかかわらず、いかなる非絶縁金属ピンも曝露したままにしないような種類であるべきである。フロントガラスの外側表面上に抵抗伝導性薄膜を有する実施形態では、また、フロントガラス上の透明な伝導性層上方に薄い絶縁コーティングまたは誘電体層を有し、これらの電圧の指への不慮の接触を防止すべきである。
【００５４】
ＤＣ−ＡＣコンバータ、デュアルボルテージバッテリ、またはＤＣ−ＤＣコンバータを有するいくつかの実施形態では、フロントガラスの対向する両側に接着するための対極性のワイヤは、コンバータまたはバッテリから、ヒト等の抵抗短絡回路を通して車両接地に損失され得る地絡電流を検出するための電気回路網を通して、フロントガラスに連結される。そのような損失電流が検出されると、高圧電力は、地絡を遮断するように、直ちに停止または切断される。他の実施形態では、コンバータまたはバッテリの高電圧出力は、車両接地から電気的に絶縁され、ヒトまたは他の経路を通した接地への電流の可能性を低減する。これらの絶縁実施形態の一部では、絶縁監視回路を使用して、絶縁の完全性を検証し、地絡が検出される場合、高電圧を直ちに停止または切断する。いくつかの実施形態では、コンバータまたはデュアルボルテージバッテリはまた、ドアが開放している、またはエンジンがオフの場合等、フロントガラスとのヒト接触が特にあり得る場合の車両条件の間、無効化または切断される。
【００５５】
電流生成自動車で使用されるような１２ボルトシステムを参照して本明細書で記述されたものはすべて、トラックおよび最近生産の軽飛行機上で頻繁に使用される２４ボルトシステム、ならびに新たな４２ボルト自動車用システム等の他のバッテリ電圧を使用するシステムに等しく適用可能である。
【００５６】
上本明細書の範囲から逸脱することなく、述の方法およびシステムに変更が行なわれてもよい。したがって、上述の説明に含有される、または付随の図面に示される事項は、例証として解釈され、制限的意味で解釈されるべきではないことに留意されたい。以下の請求項は、本明細書に記載されるあらゆる包括的および特定の特徴を網羅するものと意図されるとともに、本方法およびシステムの範囲のあらゆる記述は、言葉上の問題として、その範囲内にあると言える。
【背景技術】
【０００１】
（背景）
自動車、列車、路面電車、および機関車を含む鉄道車両、雪上車、飛行機、ヘリコプター、および船舶等の種々の車両のための透明フロントガラスは、利用可能な搭載電源を使用して、除氷または除霜されなければならない。典型的には、除氷および除霜するステップは、車両のエンジンによって加熱された空気をフロントガラス上に吹送することによって達成される。しかしながら、特に、起動時、エンジンが最初は冷たいため、除氷および除霜するステップは、相当な時間がかかる。
【０００２】
３０秒未満でフロントガラスを除氷するためには、高電圧（典型的には、１００Ｖを上回る）および高電力（典型的には、３ｋＷを超える）が、電気的に加熱されるフロントガラスに印加されなければならない。ほとんどの商用車および乗用車に見られる一般的１２Ｖ ＤＣ電源は、最大１０ｋＷの電力であるが、０．０１オーム等の極端に低抵抗負荷にのみ送達可能である。伝導性薄膜フロントガラスヒータは、十分に透明であるためには、１オームを上回る抵抗を有していなければならない。したがって、従来の１２Ｖ電源は、透明なフロントガラスヒータを有する高速フロントガラス除氷システムの要件を満たすことはできない。
【０００３】
搭載電圧を上昇させる以前の試みは、交流発電機をバッテリから切断し、アイドル回転速度を増加させるステップ（例えば、特許文献１参照）、または交流発電機からステップアップ変圧器に非整流ＡＣ電流を供給するステップ（例えば、特許文献２参照）を伴った。いずれの場合も、高速フロントガラス除氷のために必要な電圧が、交流発電機のサイズを大幅に変更せずには達成され得ないように、出力電力は、交流発電機のサイズによって制限されていた。さらに、交流発電機は、低周波数電力を発生するため、十分な出力電力のステップアップ変圧器は、重厚かつ製造コストがかかるものであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第４，８６２，０５５号明細書
【特許文献２】米国特許第５，０５７，７６３号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（概要）
開示される手段は、コスト効率が高く、軽量、かつ高速フロントガラス除氷システムおよび方法を提供することによって、技術を進歩させる。
【０００６】
一実施形態では、フロントガラス除氷システムは、低圧電力を提供するための低圧電源と、低圧電力を高電圧ＤＣ電力に変換するためのステップアップＤＣ−ＤＣコンバータと、ステップアップＤＣ−ＤＣコンバータを有効化する活性化デバイスと、フロントガラスヒータと、ステップアップＤＣ−ＤＣコンバータとフロントガラスヒータとの間のスイッチと、を含み、フロントガラスヒータは、スイッチが閉鎖され、高電圧ＤＣ電力がフロントガラスヒータを通して伝導されると、抵抗加熱される。
【０００７】
一実施形態では、フロントガラス除氷システムは、低電圧ＤＣ電力を提供するための低圧電源と、低電圧ＤＣ電力を高電圧ＡＣ電力に変換するためのステップアップＤＣ−ＡＣインバータと、ステップアップＤＣ−ＡＣインバータのための活性化デバイスと、フロントガラスヒータと、ステップアップＤＣ−ＡＣインバータとフロントガラスヒータとの間のスイッチと、を含み、フロントガラスヒータは、ＤＣ−ＡＣインバータが有効であって、スイッチが閉鎖され、高電圧ＡＣ電力がフロントガラスヒータを通して伝導されると、抵抗加熱される。
【０００８】
一実施形態では、フロントガラス除氷システムは、低電圧モードでは、低電圧ＤＣ電力を、高電圧モードでは、高電圧ＤＣ電力を提供するためのデュアルボルテージバッテリと、車両のデュアルボルテージバッテリと付加的電気構成要素との間に配置され、デュアルボルテージバッテリが低電圧モードにある場合は閉鎖される第１のスイッチと、デュアルボルテージバッテリとフロントガラスヒータとの間に配置される第２のスイッチと、を含み、デュアルボルテージバッテリが高電圧モードにある場合、第２のスイッチは閉鎖され、第１のスイッチは開放される。デュアルボルテージバッテリの代替実施形態は、１２ボルト等の複数の低電圧区分を有する。これらの区分は、車両起動等の高電流低電圧用途のために並列に連結される。高電圧が必要とされる場合、バッテリの区分は、並列に連結されるが、１区分は、低電圧負荷に連結されたまま、交流発電機のサージを緩衝し、電子エンジン制御等の低電流負荷に電力を供給する。
【０００９】
一実施形態では、フロントガラスを除氷する方法は、低圧電力を車両の電気構成要素に提供するステップと、低圧電力を高圧電力に変換するステップと、高圧電力をフロントガラスヒータに提供し、フロントガラスヒータを抵抗加熱し、フロントガラスの表面を除氷するステップと、を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、ステップアップＤＣ−ＤＣコンバータを有する、一例示的フロントガラス除氷システム実施形態を示す。
【図２】図２は、図１のステップアップＤＣ−ＤＣコンバータの例示的回路を示す。
【図３】図３は、ステップアップＤＣ−ＡＣインバータを有する、一例示的フロントガラス除氷システム実施形態を示す。
【図４】図４は、デュアルボルテージバッテリを有する、一例示的フロントガラス除氷システム実施形態を示す。
【図５】図５は、図４のデュアルボルテージバッテリの例示的電気回路網を示す。
【図６Ａ】図６Ａは、図４のデュアルボルテージバッテリ内で使用されるバッテリ間スイッチの一例示的構成を示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図４のデュアルボルテージバッテリ内で使用されるバッテリ間スイッチの別の例示的構成を示す。
【図７】図７は、フロントガラスのガラス層の外側表面上に配置されるフロントガラスヒータを有する、一例示的フロントガラス実施形態の断面図を示す。
【図８】図８は、フロントガラスのポリビニル・ブチラール（ＰＶＢ）層とガラス層との間に配置されるフロントガラスヒータを有する、一例示的フロントガラス実施形態の断面図を示す。
【図９】図９は、図７および図８の両方の特徴を組み込む、一例示的フロントガラス実施形態の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（図面の詳細な説明）
本明細書で使用されるように、除氷および除霜とは、ほとんど同じ意味で使用され、凍結水を表面から除去するプロセスを指すものとする。凍結水は、任意の形態であってもよい。例えば、凍結水は、表面に付着する氷または氷の結晶の固体層として存在してもよい。
【００１２】
本明細書に開示されるフロントガラス除氷システムは、高密度の加熱電力（Ｗ／ｍ２）を提供し、高速かつエネルギー効率の高い除氷を可能にする。高速加熱は、氷／フロントガラス接触面の氷の薄層（例えば、１ｃｍ未満、または０．５ｃｍ未満、あるいは１μｍ〜１ｍｍ）のみを融氷点まで加熱することを確実にする。したがって、フロントガラスおよび氷の遠隔部分は、不必要に加熱されず、最小エネルギーが周囲環境に損失される。本概念は、米国特許第６，８７０，１３９号および第７，０３４，２５７号にさらに記載され、それぞれ参照することによって本明細書に援用される。これらの特許に示されるように、加熱密度が高い程、除氷を達成するために必要とされるエネルギーは少なくなる。
【００１３】
図１は、交流発電機１０と、バッテリ１２と、ステップアップＤＣ−ＤＣコンバータ１５と、フロントガラスヒータ１７と、スイッチ１３、１４および１６と、を含む、フロントガラス除氷システム１００を示す。正常車両動作では、スイッチ１３は、閉鎖され、スイッチ１４および１６は、開放される。除氷の際、スイッチ１３は、開放または閉鎖されてもよく、スイッチ１４および１６は、閉鎖される。除氷構成では、ステップアップＤＣ−ＤＣコンバータ１５は、バッテリ１２から、またはバッテリ１２および交流発電機１０からの低電圧直流（ＤＣ）電力（例えば、１２Ｖ ＤＣ）を高電圧ＤＣ電力（典型的には、７０Ｖ〜３００Ｖ、または４０Ｖ〜１０００Ｖ）に変換する。高電圧は、フロントガラスヒータ１７に電力を供給するために使用され、電気抵抗Ｒのため熱を発生する。
【００１４】
代替実施形態では、スイッチ１４は、大電流ヒューズと置換される。スイッチ１４を有する実施形態では、スイッチ１４の閉鎖は、ＤＣ−ＤＣコンバータを活性化する。スイッチ１４のない実施形態では、制御入力がＤＣ−ＤＣコンバータ１５に提供され、ある状態では、ＤＣ−ＤＣコンバータを有効化し、別の状態では、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力ＤＣ−ＡＣ区分の内部切り替えトランジスタを無効化し、それによって、ＤＣ−ＤＣコンバータがバッテリから電力を引き出すのを防止する。
【００１５】
システム１００の利点の１つは、バッテリ１２単独で、または交流発電機１０とともに、交流発電機１０単独よりもヒータ１７に電力を供給可能なことである。例えば、自動車内に適合される典型的１２Ｖバッテリは、損傷されずに、最大約３０秒間、７ｋＷ〜１０ｋＷを供給可能である。３０秒間の７ｋＷ電力は、フロントガラスを除氷するのに十分であって、バッテリ１２は、そのような除氷イベント間に、交流発電機１０によって再充電されてもよい。
【００１６】
システム１００の別の利点は、高電圧および高電力を使用するため、最近の従来技術の除氷システムと比較して、除氷の持続時間が短いことである（例えば、Ｔ≧−１０°Ｃで３０秒未満）。したがって、ステップアップＤＣ−ＤＣコンバータ１５は、同一電力レベルで継続的動作のために設計される類似コンバータよりも小型サイズおよび低コストであってもよい。例えば、ステップアップＤＣ−ＤＣコンバータ１５内の変圧器およびその巻線は、より小型のサイズであってもよく、下級磁性材料を使用してもよく、ステップアップＤＣ−ＤＣコンバータの高電圧電流を整流するために使用されるＭＯＳＦＥＴスイッチおよびダイオード等の半導体デバイスにおいてより大きな損失が許容されてもよい。同様に、継続的動作のために必要とされるであろうものよりも小型のヒートシンクおよび冷却ファン等の少数かつ小型の冷却デバイスが、半導体デバイス上で使用されてもよい。
【００１７】
除氷システム１００のさらなる利点は、バッテリ１２およびＤＣ−ＤＣコンバータ１５が、スイッチ１３を開放することによって、車両の交流発電機１０および他の電気構成要素から電気的に分離されてもよいことである。したがって、スイッチ１３を開放するステップは、電力がバッテリ１２と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５によって発生され得る高調波とから引き出される際、車両の電子機器への損傷を防止してもよい。
【００１８】
例証目的のために、図２は、図１のステップアップＤＣ−ＤＣコンバータ１５の一例示的回路２００を示す。回路２００は、フルブリッジＤＣ−ＤＣコンバータであるが、ハーフブリッジＤＣ−ＤＣコンバータ等の他の種類のステップアップＤＣ−ＤＣコンバータが、システム１００内で使用されてもよい。
【００１９】
スイッチ１３、１４、および１６は、機械、電磁、固体半導体スイッチ、またはそれらの組み合わせであってもよいことを理解されるであろう。さらに、スイッチ１３、１４、および１６は、本明細書の範囲から逸脱することなく、短絡回路によって置換されてもよい。スイッチ１４または１６を伴わない場合、加熱パルスを活性化するためのＤＣ−ＤＣコンバータの制御電気回路網への電子制御信号等、ＤＣ−ＤＣコンバータを活性化または非活性化するために、他の方法を使用しなければならない。
【００２０】
ある実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５、またはＤＣ−ＡＣインバータ３５（図３）は、フロントガラスの初期除霜のために全出力で作動する。フロントガラスが除霜されると、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５、またはＤＣ−ＡＣインバータ３５は、節電出力モードで作動し、フロントガラスを除霜条件に維持する。この節電出力モードとは、低電圧出力での動作またはパルス動作である。例えば、５００ボルトで１キロワットを消耗するフロントガラスヒータは、２５０ボルトで２５０ワットのみ消耗し、同様に、１秒の４分の１秒間のみ１キロワットを提供するコンバータによって作動される同一フロントガラスヒータは、平均電力２５０ワットのみ消耗するであろう。
【００２１】
図３は、交流発電機３０と、バッテリ３２と、ステップアップＤＣ−ＡＣインバータ３５と、フロントガラスヒータ３７と、スイッチ３３、３４、および３６とを含む、一例示的フロントガラス除氷システム３００を示す。正常車両動作の際、スイッチ３３は、閉鎖され、スイッチ３４および３６は、開放される。除氷の際、スイッチ３３は、開放または閉鎖されてもよく、スイッチ３４および３６は、閉鎖される。除氷動作に対し、ステップアップＤＣ−ＡＣインバータ３５は、バッテリ３２から、またはバッテリ３２および交流発電機３０から得た低電圧ＤＣ電力（例えば、１２Ｖ）を高電圧ＡＣ電力（典型的には、７０Ｖ〜３００Ｖ、または４０Ｖ〜１０００Ｖ）に転化し、フロントガラスヒータ３７に電力を供給し、電気抵抗Ｒのため熱を生成する。システム３００のＡＣ周波数の典型的範囲は、約５０Ｈｚ〜約１５０ｋＨｚである。
【００２２】
ＤＣ−ＤＣコンバータ１５を参照して上述のように、ＤＣ−ＡＣインバータ３５を有効化するための他の電気回路網が、スイッチ３４の代わりに使用されてもよい。
【００２３】
システム３００の利点の１つは、バッテリ３２単独で、または交流発電機３０とともに、交流発電機３０単独よりもフロントガラスヒータ３７に電力を供給可能なことである。通常の１２Ｖバッテリは、損傷されずに、最大約３０秒間、７ｋＷ〜１０ｋＷを供給可能である。３０秒は、フロントガラスを除氷するのに十分であって、バッテリ３２は、除氷イベント間に、交流発電機３０によって再充電されてもよい。
【００２４】
システム３００の別の利点は、高電圧を使用するため、除氷の持続時間が短いことである（例えば、Ｔ≧−１０°Ｃで３０秒未満）。したがって、ステップアップＤＣ−ＡＣインバータ３５は、同一電力レベルで継続的動作のために設計される類似インバータよりも小型サイズおよび低コストであってもよい。例えば、ステップアップＤＣ−ＡＣインバータ３５内の変圧器およびその巻線は、より小型のサイズであってもよく、そのステップアップ変圧器のために下級磁性材料を使用してもよく、ステップアップＤＣ−ＡＣインバータの高電圧電流を整流するために使用されるＭＯＳＦＥＴスイッチおよびダイオード等の半導体デバイスにおいてより大きな損失が許容されてもよい。
【００２５】
さらに、除氷は、典型的には、冷たいエンジンのアイドリング状態から起こるため、高速氷時間は、燃料を節約し、車両の汚染排気ガスを最小限にする役に立つであろう。
【００２６】
除氷システム３００のさらなる別の利点は、バッテリ３２およびＤＣ−ＡＣインバータ３５が、スイッチ３３が開放されると、車両の交流発電機３０および他の電気構成要素から電気的に分離されてもよいことである。スイッチ３３を開放するステップは、電力がバッテリ３２と、ＤＣ−ＡＣインバータ３５によって発生され得る高調波とから引き出される際、特に、負荷遮断サージ抑圧電気回路網または補助バッテリ３８が提供される場合、車両の電子機器への損傷を防止してもよい。高電流でバッテリを充電する交流発電機からの１２ボルトバッテリの急切断でさえ、１００ボルトを超えるサージを生じさせる可能性があるため、抑圧電気回路網または補助バッテリ３８が推奨される。
【００２７】
ＤＣ−ＤＣコンバータ１５（図２）は、ステップアップ変圧器の補助的巻線とフロントガラスヒータ１７、３７との間に接続されるブリッジ整流器除去後のステップアップＤＣ−ＡＣインバータ３５の実施例であり得ることを理解されるであろう。
【００２８】
スイッチ３３、３４、および３６は、機械、電磁、固体半導体スイッチ、またはそれらの組み合わせであってもよいことをさらに理解されるであろう。さらに、スイッチ３３、３４、および３６は、本明細書の範囲から逸脱することなく、短絡回路によって置換されてもよいが、但し、本システムを有効化するための代替装置が提供され、スイッチ３３および３６は、いくつかの実施形態では、短絡回路によって置換されてもよい。
【００２９】
図４は、高速フロントガラス除氷のために、高電力／高電圧源として使用されるデュアルボルテージバッテリ４２を有する、フロントガラス除氷システム４００を示す。システム４００は、交流発電機４０と、デュアルボルテージバッテリ４２と、フロントガラスヒータ４７と、スイッチ４３および４６と、を含む。正常車両動作の際、バッテリ４２は、低電圧モード（例えば、１２Ｖ）に設定され、スイッチ４３は、閉鎖され、スイッチ４６は、開放される。除氷の際、スイッチ４３は、開放され、バッテリ４２は、高電圧モード（例えば、７０Ｖ〜３００Ｖ、または４０Ｖ〜１０００Ｖ）に設定され、スイッチ４６は、閉鎖される。
【００３０】
デュアルボルテージバッテリは、例えば、米国特許第３，６６７，０２５号および第４，１１４，０８２号に開示されており、参照することによって本明細書に援用される。典型的には、デュアルボルテージバッテリは、一塊のより小型のバッテリから形成される。図５は、デュアルボルテージバッテリ４２の例示的主電気回路網を示し、例えば、低電圧モードでは１２Ｖ電力を、高電圧モードでは８４Ｖ電力を提供してもよい。他の電圧制限が、異なる種類または数のバッテリを一塊として提供することによって達成されてもよいことを理解されるであろう。バッテリが並列に接続される場合、デュアルボルテージバッテリ４２は、各個々のバッテリと同一電圧、例えば、１２Ｖを送達し、高電流を送達可能である。高電圧モードでは、バッテリは、直列に接続され、デュアルボルテージバッテリ４２は、個々のバッテリの電圧の合計とほぼ等しい高電圧を送達可能である。高電圧と低電圧モードとの切り替えは、スイッチＳ５３−Ｓ６４を同時にトリガすることによって達成されてもよい。図５に示される接続は、高電圧モードに対応する。
【００３１】
図１、３、および４のシステムは、オフ状態と、低電圧構成と、高電圧構成とを定期的に切り替えることによって、継続的最大未満加熱電力を提供可能であることをさらに理解されるであろう。デューティサイクルに応じて、その平均加熱電力は、０Ｗ〜最大電力の任意の望ましい規模に調節可能であって、高電圧構成が提供され得る。例えば、高電力構成が、５ｋＷのピーク電力を供給する場合、１０％デューティサイクル使用時（例えば、各１秒周期にわたって、高電圧モードでは０．１秒間、低電圧構成では０．９秒間）、本システムは、０．１＊５ｋＷ＝５００Ｗ加熱電力をフロントガラスヒータに適用するであろう。
【００３２】
そのような断続的モードが図４のシステムに使用される場合、バッテリは、加熱デューティサイクルの間、交流発電機から再充電されることをさらに理解されたい。
【００３３】
システム４００の利点の１つは、デュアルボルテージバッテリ４２が、通常の低電圧バッテリとサイズおよび重量が類似するが、フロントガラスヒータ４７に高速フロントガラス除氷を行なうための十分な電力を供給可能なことである。
【００３４】
図４および５のスイッチ（４３、４６、および５３−６４）は、機械、電磁、固体半導体スイッチ、またはそれらの組み合わせであってもよいことを理解されるであろう。可能なバッテリスイッチの２つの実施例は、図６Ａおよび６Ｂに示される。例えば、図６Ａに示されるスイッチは、絶縁高圧側ＦＥＴドライバに基づく一方、図６Ｂに示されるスイッチは、光遮断器ドライバに基づく。
【００３５】
フロントガラス除氷システム１００、３００、および４００のバッテリ１２、３２、および４２は、鉛酸バッテリ、リチウムイオンバッテリ、ニッケル水素バッテリ、または当技術分野において既知の任意の他の電気化学種類のバッテリであってもよい。
【００３６】
一実施形態では、フロントガラスヒータ１７、３７、および４７は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、酸化亜鉛、酸化スズから成る連続的薄膜金属酸化物の透明コーティング、または単一金属酸化物またはいくつかの金属酸化物の複合材料から成る任意の他の電気的に伝導性の透明薄膜である。
【００３７】
別の実施形態では、フロントガラスヒータ１７、３７、および４７は、鉄、アルミニウム、金等から成る薄い光学的に透明な金属薄膜、または電気的に伝導性かつ光学的に透明なポリマー材料である。
【００３８】
図７は、フロントガラス７００の断面図を示す。フロントガラス７００は、２層のガラス７０４間に積層されるポリビニル・ブチラール（ＰＶＢ）防砕性プラスチック層７０２を備える。次いで、フロントガラスヒータ７０６は、ガラス層７０４の外側表面７０８上に配置され、誘電体層７１０は、フロントガラスヒータ７０６上に配置される。誘電体層７１０は、安全性を向上させるとともに、フロントガラスヒータ７０６のスクラッチ保護を提供する。フロントガラスヒータ７０６（１）は、フロントガラス７００を除氷し、フロントガラスヒータ７０６（２）は、フロントガラス７００を除霜する。
【００３９】
図８は、フロントガラス８００の断面図を示す。フロントガラス８００は、ポリビニル・ブチラール（ＰＶＢ）防砕性プラスチック層８０２とガラス層８０４との間に配置されるフロントガラスヒータ８０６を備える。フロントガラスヒータ８０６（１）は、フロントガラス８００を除氷し、フロントガラスヒータ８０６（２）は、フロントガラス８００を除霜する。将来のフロントガラスは、ＰＶＢ以外のプラスチックの防砕性プラスチック層を組み込む安全ガラスから成ってもよいことを理解されたい。
【００４０】
図９は、フロントガラス７００およびフロントガラス８００の両方に共通する特徴を有する、フロントガラス９００の断面図を示す。フロントガラス９００は、ポリビニル・ブチラール（ＰＶＢ）層９０２と、第１の対のフロントガラスヒータ９０６（１）および９０６（２）と、ガラス層９０４と、第２の対のフロントガラスヒータ９０６（３）および９０６（４）と、誘電体層９１０と、を含む。フロントガラスヒータ９０６（２）および９０６（４）は、電気的に接続され、フロントガラス９００を除霜するように作動してもよい一方、フロントガラスヒータ９０６（１）および９０６（３）は、電気的に接続されてもよく、フロントガラス９００を除氷／除霜するように作動する。
【００４１】
一実施形態では、フロントガラスの面積は、複数の区分に分割されてもよく、各区分は、フロントガラスヒータ（フロントガラスヒータ１７、３７、４７、７０６、８０６、９０６等）を含有し、近傍ヒータ／区分から電気的に絶縁される。フロントガラスの全体面積よりも狭い面積を有するフロントガラスヒータへの電力の印加は、比較的に密集した面積に加熱電力全体の印加を提供する。フロントガラスの全体面積は、１度に１区分除氷されてもよい。
【実施例】
【００４２】
上述のように、従来のシステムを使用する高速フロントガラス除氷の主な障害は、不十分な搭載電圧である。以下の計算は、この点をさらに例証する。
【００４３】
典型的フロントガラスおよび氷パラメータが、表１に示される。
【００４４】
【表１】
フロントガラスの上下面に載置される電気バスバーを備えるフロントガラスに対し、フロントガラス電気抵抗は、以下となる。
Ｒ＝Ｒ／ｒ＝６．６７オーム （１）
１２Ｖ源を利用するフロントガラスの加熱密度は、以下となる。
【００４５】
【化１】
式中、Ｐは、電力である。そのような低密度の加熱電力の場合、冷却対流熱伝達率約
【００４６】
【化２】
は、以下の冷却力率を提供するため、フロントガラスは、静止空気中でさえ、−１００Ｃ〜００Ｃに加熱不可能である。
【００４７】
【化３】
式中、ＡＴ＝Ｔ１ｎ−Ｔａｍｂ＝１００Ｃ。したがって、冷却力率は、約３倍だけ加熱電力率を上回る。
【００４８】
ＩＴＯよりも低い抵抗を有する透明な伝導性コーティング、例えば、シート抵抗率Ｒ＝２オームを有する薄膜鉄コーティングが使用される場合でさえ、融氷点までガラスを温めるために必要な時間は、以下のように予測される。
【００４９】
【化４】
式中、鉄コーティングの加熱電力は、Ｐ＝１０８Ｗに等しい。
【００５０】
現実的に、除氷時間ｔは、フロントガラス／氷接触面の氷の層を融解するために必要な対流冷却および付加的エネルギーのために、式（４）によって計算されるものよりもさらに長くなるであろう。融解される氷の層の厚さが、わずか１００μｍである場合、除氷時間ｔは、さらに４００秒増える。したがって、合計除氷時間は、３６００秒、すなわち、６０分である。
【００５１】
式（４）によると、高速除氷（ｔ≦３０秒）は、約１００倍だけ加熱電力の増大を必要とするであろう。したがって、増大した電圧の約１００Ｖが、鉄を基材とする透明な伝導体に、約２００Ｖ〜３００Ｖが、ＩＴＯ−を基材とする透明な伝導体に必要となるであろう。
【００５２】
本明細書に開示される除氷システムおよび方法は、必要範囲内の電圧を提供可能である。
【００５３】
本明細書に記載される透明な伝導体を駆動させるためのＤＣ−ＤＣまたはＤＣ−ＡＣコンバータは、ヒトの健康に危険を及ぼし得る高電流で電気電圧を生成可能であるため、コンバータは、当技術分野において既知の絶縁埋め込み化合物によって埋め込まれるか、またはそのカバー上に安全連動装置を有することが予測される。さらに、コンバータの出力端子からフロントガラスへの配線中のコネクタは、コネクタのうちの１つ以上が接続または切断条件であるかどうかにかかわらず、いかなる非絶縁金属ピンも曝露したままにしないような種類であるべきである。フロントガラスの外側表面上に抵抗伝導性薄膜を有する実施形態では、また、フロントガラス上の透明な伝導性層上方に薄い絶縁コーティングまたは誘電体層を有し、これらの電圧の指への不慮の接触を防止すべきである。
【００５４】
ＤＣ−ＡＣコンバータ、デュアルボルテージバッテリ、またはＤＣ−ＤＣコンバータを有するいくつかの実施形態では、フロントガラスの対向する両側に接着するための対極性のワイヤは、コンバータまたはバッテリから、ヒト等の抵抗短絡回路を通して車両接地に損失され得る地絡電流を検出するための電気回路網を通して、フロントガラスに連結される。そのような損失電流が検出されると、高圧電力は、地絡を遮断するように、直ちに停止または切断される。他の実施形態では、コンバータまたはバッテリの高電圧出力は、車両接地から電気的に絶縁され、ヒトまたは他の経路を通した接地への電流の可能性を低減する。これらの絶縁実施形態の一部では、絶縁監視回路を使用して、絶縁の完全性を検証し、地絡が検出される場合、高電圧を直ちに停止または切断する。いくつかの実施形態では、コンバータまたはデュアルボルテージバッテリはまた、ドアが開放している、またはエンジンがオフの場合等、フロントガラスとのヒト接触が特にあり得る場合の車両条件の間、無効化または切断される。
【００５５】
電流生成自動車で使用されるような１２ボルトシステムを参照して本明細書で記述されたものはすべて、トラックおよび最近生産の軽飛行機上で頻繁に使用される２４ボルトシステム、ならびに新たな４２ボルト自動車用システム等の他のバッテリ電圧を使用するシステムに等しく適用可能である。
【００５６】
上本明細書の範囲から逸脱することなく、述の方法およびシステムに変更が行なわれてもよい。したがって、上述の説明に含有される、または付随の図面に示される事項は、例証として解釈され、制限的意味で解釈されるべきではないことに留意されたい。以下の請求項は、本明細書に記載されるあらゆる包括的および特定の特徴を網羅するものと意図されるとともに、本方法およびシステムの範囲のあらゆる記述は、言葉上の問題として、その範囲内にあると言える。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フロントガラス除氷システムであって、
低圧電力を提供するための低圧電源と、
該低圧電力を高圧電力に変換するためのＤＣ−ＤＣコンバータおよびＤＣ−ＡＣインバータから成る群から選択される、ステップアップコンバータと、
該ステップアップコンバータを有効化するための装置と、
フロントガラスヒータであって、該コンバータが有効化され、該高圧電力が該フロントガラスヒータを通して伝導されると、抵抗加熱される、フロントガラスヒータと
を備える、システム。
【請求項２】
前記低圧電源は、車両バッテリを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記フロントガラスヒータは、前記フロントガラスの外側表面上に配置され、誘電体層は、該フロントガラスヒータ上方に配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
地絡電流を感知し、地絡電流が検出されると、前記ステップアップコンバータから電流を遮断するための装置をさらに備える、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記ステップアップコンバータからの前記高圧電力は、車両接地から絶縁され、
接地からの該高圧電力の絶縁の完全性を監視するための装置と、
該絶縁の故障が検出されると、該高圧電力を遮断するための装置と
をさらに備える、請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
少なくとも１つのフロントガラスヒータは、防砕性プラスチック層とガラス層との間に配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記フロントガラスは、自動車、トラック、鉄道車両、雪上車、飛行機、ヘリコプター、または船舶から成る群から選択される車両の一部を形成する、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記ステップアップコンバータは、前記フロントガラスヒータに
【化５】
の範囲の電力密度を有する加熱電力を提供し、式中、Ｗは、ワットで表した電力であって、ｍ２は、平方メートルで表した前記ヒータの面積である、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記ステップアップコンバータの出力電圧は、４０Ｖ ＤＣ〜１０００Ｖの範囲である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記フロントガラスヒータは、光学的に透明な金属薄膜、光学的に透明な金属酸化物、金属酸化物の複合材料、および光学的に透明かつ電気的に伝導性のポリマー材料から選択される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記フロントガラスヒータは、複数の区分を備え、該複数の区分の各々の区分は、近傍区分とは別々に電力供給され得る、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記ステップアップコンバータは、前記フロントガラスが除霜されるまで継続的に動作する全出力モードと、前記ステップアップコンバータの断続的動作および低出力電圧動作から成る群から選択される節電モードと、を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
フロントガラス除氷システムであって、
低電圧モードでは、低電圧ＤＣ電力を、高電圧モードでは、高電圧ＤＣ電力を提供するためのデュアルボルテージバッテリと、
該デュアルボルテージバッテリとフロントガラスヒータとの間に配置され、該デュアルボルテージバッテリが該高電圧モードにあって、該フロントガラスヒータが有効である場合は閉鎖される、スイッチと
を備え、該フロントガラスは、自動車、トラック、鉄道車両、雪上車、飛行機、ヘリコプターまたは船舶から選択される車両の一部を形成する、システム。
【請求項１４】
前記デュアルボルテージバッテリは、複数のバッテリを備え、該バッテリは、前記低電圧モードと並列に接続され、該バッテリは、前記高電圧モードと直接に接続される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記デュアルボルテージバッテリは、前記高電圧モードでは、４０Ｖ〜３６０Ｖの範囲の電圧を提供し、該デュアルボルテージバッテリは、前記フロントガラスに
【化６】
の範囲の電力密度を有する加熱電力を提供する、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
前記フロントガラスヒータは、前記フロントガラスのガラス層の外側表面上に配置され、誘電体層は、該フロントガラスヒータ上方に配置される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１７】
地絡電流を感知し、地絡電流が検出されると、前記高電圧ＤＣ電力を前記フロントガラスヒータから無効化または切断するための装置をさらに備える、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記高電圧ＤＣ電力は、高電圧モードにある場合は車両接地から絶縁される、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１９】
接地からの前記高電圧ＤＣ電力の絶縁の完全性を監視し、絶縁の故障が検出されると、該高電圧ＤＣ電力を前記フロントガラスヒータから切断するための装置をさらに備える、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２０】
少なくとも１つのフロントガラスヒータは、防砕性プラスチック層とガラス層との間に配置される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項２１】
前記フロントガラスヒータは、光学的に透明な金属薄膜、光学的に透明な金属酸化物、金属酸化物の複合材料、および光学的に透明かつ電気的に伝導性のポリマー材料から選択される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項２２】
前記フロントガラスヒータは、複数の区分を備え、各区分は、近傍区分から電気的に絶縁され、前記高電圧ＤＣ電力は、各区分に別個に印加される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項２３】
フロントガラスを除氷する方法であって、
低圧電力源を提供することと、
該低圧電力を高圧電力に変換することと、
該高圧電力をフロントガラスヒータに提供し、該フロントガラスヒータを抵抗加熱し、該フロントガラスの表面を除氷することと
を包含する、方法。
【請求項２４】
前記低圧電力を高圧電力に変換することは、デュアルボルテージバッテリを並列構成から直列構成に切り替えるステップを包含する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記低圧電力を高圧電力に変換するステップは、ＤＣ−ＤＣコンバータおよびＤＣ−ＡＣインバータから成る群から選択されるステップアップコンバータを利用することを包含する、請求項２３に記載の方法。
【請求項１】
フロントガラス除氷システムであって、
低圧電力を提供するための低圧電源と、
該低圧電力を高圧電力に変換するためのＤＣ−ＤＣコンバータおよびＤＣ−ＡＣインバータから成る群から選択される、ステップアップコンバータと、
該ステップアップコンバータを有効化するための装置と、
フロントガラスヒータであって、該コンバータが有効化され、該高圧電力が該フロントガラスヒータを通して伝導されると、抵抗加熱される、フロントガラスヒータと
を備える、システム。
【請求項２】
前記低圧電源は、車両バッテリを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記フロントガラスヒータは、前記フロントガラスの外側表面上に配置され、誘電体層は、該フロントガラスヒータ上方に配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
地絡電流を感知し、地絡電流が検出されると、前記ステップアップコンバータから電流を遮断するための装置をさらに備える、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記ステップアップコンバータからの前記高圧電力は、車両接地から絶縁され、
接地からの該高圧電力の絶縁の完全性を監視するための装置と、
該絶縁の故障が検出されると、該高圧電力を遮断するための装置と
をさらに備える、請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
少なくとも１つのフロントガラスヒータは、防砕性プラスチック層とガラス層との間に配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記フロントガラスは、自動車、トラック、鉄道車両、雪上車、飛行機、ヘリコプター、または船舶から成る群から選択される車両の一部を形成する、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記ステップアップコンバータは、前記フロントガラスヒータに
【化５】
の範囲の電力密度を有する加熱電力を提供し、式中、Ｗは、ワットで表した電力であって、ｍ２は、平方メートルで表した前記ヒータの面積である、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記ステップアップコンバータの出力電圧は、４０Ｖ ＤＣ〜１０００Ｖの範囲である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記フロントガラスヒータは、光学的に透明な金属薄膜、光学的に透明な金属酸化物、金属酸化物の複合材料、および光学的に透明かつ電気的に伝導性のポリマー材料から選択される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記フロントガラスヒータは、複数の区分を備え、該複数の区分の各々の区分は、近傍区分とは別々に電力供給され得る、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記ステップアップコンバータは、前記フロントガラスが除霜されるまで継続的に動作する全出力モードと、前記ステップアップコンバータの断続的動作および低出力電圧動作から成る群から選択される節電モードと、を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
フロントガラス除氷システムであって、
低電圧モードでは、低電圧ＤＣ電力を、高電圧モードでは、高電圧ＤＣ電力を提供するためのデュアルボルテージバッテリと、
該デュアルボルテージバッテリとフロントガラスヒータとの間に配置され、該デュアルボルテージバッテリが該高電圧モードにあって、該フロントガラスヒータが有効である場合は閉鎖される、スイッチと
を備え、該フロントガラスは、自動車、トラック、鉄道車両、雪上車、飛行機、ヘリコプターまたは船舶から選択される車両の一部を形成する、システム。
【請求項１４】
前記デュアルボルテージバッテリは、複数のバッテリを備え、該バッテリは、前記低電圧モードと並列に接続され、該バッテリは、前記高電圧モードと直接に接続される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記デュアルボルテージバッテリは、前記高電圧モードでは、４０Ｖ〜３６０Ｖの範囲の電圧を提供し、該デュアルボルテージバッテリは、前記フロントガラスに
【化６】
の範囲の電力密度を有する加熱電力を提供する、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
前記フロントガラスヒータは、前記フロントガラスのガラス層の外側表面上に配置され、誘電体層は、該フロントガラスヒータ上方に配置される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１７】
地絡電流を感知し、地絡電流が検出されると、前記高電圧ＤＣ電力を前記フロントガラスヒータから無効化または切断するための装置をさらに備える、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記高電圧ＤＣ電力は、高電圧モードにある場合は車両接地から絶縁される、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１９】
接地からの前記高電圧ＤＣ電力の絶縁の完全性を監視し、絶縁の故障が検出されると、該高電圧ＤＣ電力を前記フロントガラスヒータから切断するための装置をさらに備える、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２０】
少なくとも１つのフロントガラスヒータは、防砕性プラスチック層とガラス層との間に配置される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項２１】
前記フロントガラスヒータは、光学的に透明な金属薄膜、光学的に透明な金属酸化物、金属酸化物の複合材料、および光学的に透明かつ電気的に伝導性のポリマー材料から選択される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項２２】
前記フロントガラスヒータは、複数の区分を備え、各区分は、近傍区分から電気的に絶縁され、前記高電圧ＤＣ電力は、各区分に別個に印加される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項２３】
フロントガラスを除氷する方法であって、
低圧電力源を提供することと、
該低圧電力を高圧電力に変換することと、
該高圧電力をフロントガラスヒータに提供し、該フロントガラスヒータを抵抗加熱し、該フロントガラスの表面を除氷することと
を包含する、方法。
【請求項２４】
前記低圧電力を高圧電力に変換することは、デュアルボルテージバッテリを並列構成から直列構成に切り替えるステップを包含する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記低圧電力を高圧電力に変換するステップは、ＤＣ−ＤＣコンバータおよびＤＣ−ＡＣインバータから成る群から選択されるステップアップコンバータを利用することを包含する、請求項２３に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８】
【図９】
【公表番号】特表２０１１−５１０８５１（Ｐ２０１１−５１０８５１Ａ）
【公表日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５５２８６２（Ｐ２００９−５５２８６２）
【出願日】平成２０年３月５日（２００８．３．５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０５５９２８
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１０９６８２
【国際公開日】平成２０年９月１２日（２００８．９．１２）
【出願人】（５０４３０３７１３）ザ トラスティーズ オブ ダートマウス カレッジ (12)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月５日（２００８．３．５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０５５９２８
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１０９６８２
【国際公開日】平成２０年９月１２日（２００８．９．１２）
【出願人】（５０４３０３７１３）ザ トラスティーズ オブ ダートマウス カレッジ (12)
【Ｆターム（参考）】
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