用于封罩的最佳充填的方法和系统 相关申请的交叉引用 本专利申请要求于 2009 年 2 月 2 日提交的美国临时专利申请 No.61/149,210 的权益。 背景技术
基于各种目的用气体充填许多不同类型的封罩。 此类封罩的两个示例包括荧光灯 泡和绝热玻璃单元 ( 中空玻璃单元， IGU)。IGU 是具有带有气体 ( 通常为空气、 稀有气体或 其混合物 ) 的平行设置的两块或更多块玻璃屏 (pane) 的窗户结构。 用气体充填封罩的理想 状况是在确保短暂充填持续时间和最大气体含量的同时限制气体损耗率的状况。 可通过慢 充填流速来获得低气体损耗率， 但引起长充填持续时间。 当然， 可通过提高充填流速来缩短 充填持续时间。然而， 提高流速将增加气体损耗率。因此， 需要一种用于确定限制气体损耗 率但仍能实现快速充填和最大气体充填率 ( 预期气体的高浓度 ) 的最佳充填流速的方式。 某些常规的 IGU 充填机器使用热传感器来评价已将多少预期气体充入封罩。然 而， 这些类型的传感器反应速度较慢， 这引起高气体损耗率。 其他常规的充填方法提出使用 顺磁 O2 传感器。然而， 这种传感器具有几个缺点。这种传感器费钱。其限制气体流动并因 此需要真空泵来将小样品从进行充填的 IGU 吸出。这种传感器还比较易碎且对碰撞敏感。 最后， 顺磁 O2 传感器会比较庞大， 这需要传感器 “远离” ( 例如， 10 英尺 ) 进行充填的中空玻 璃屏 (interpane) 操作。由于气体必须经专用取样管线从窗户流到传感器， 因此在感测窗 户出口组分的过程中有延迟。这种延时转化为气体损耗。因此， 需要一种改进类型的用于 在 IGU 充填机器中使用的传感器。
常规的手动充填过程能够产生范围为从 30％至 200％或更大的气体损耗率， 其中 平均最低气体损耗率为 50％。 另一个问题在于这些过程通常将对所有尺寸和形状的 IGU 使 用相同的充填流速。气体损耗问题还不是一个很大的问题， 因为大部分目前的手动充填工 序是针对廉价充填气体如氩气而开发的。对于含有氪气和 / 或氙气的更昂贵的气体， 更重 要的是尽可能限制气体损耗以便降低充填成本。
专利文献包括一些与用气体充填封罩有关的方法和系统。
美国专利 No.5,080,146(Arasteh) 公开了一种用于充填绝热玻璃单元的方法。该 方法采用真空腔室， 绝热玻璃单元被安放在其中。 将绝热玻璃单元和真空腔室同时抽空。 然 后用诸如氪气的低传导率气体重新充填所述单元， 同时用空气重新充填所述腔室。 然而， 该 自动化的多步骤工序过于耗时。
美国专利 No.6,622,456B2(Almasy) 公开了一种用于通过将低温液体分配到绝热 玻璃单元的内部空间中——所述低温液体随后蒸发成气态——而用有别于空气的气体充 填绝热玻璃单元的方法。
美国专利 No.5,676,736(Crozel) 公开了一种用于将充填气体 ( 例如， 稀有气体混 合物 ) 导入封罩的两步工序。首先， 该封罩容纳保持气体 ( 例如， 空气 )。在第一步， 将可 容易地从保持气体和充填气体两者中提取出来的吹扫气体 ( 例如， 氦气 ) 导入封罩直到从
封罩完全去除保持气体。在第二步， 将充填气体注入封罩直到从封罩去除一部分或全部的 吹扫气体。然后可回收在第二步期间损耗的充填气体， 从而限制制造成本。任选地， 能够使 吹扫气体与保持气体分离并且也能够回收。所提出的分离方法包括渗透 ( 隔膜 )、 吸附、 吸 收和蒸馏。所提出的吹扫气体包括氩气、 二氧化碳、 氦气和氢气。所提出的充填气体包括氩 气、 氖气、 氪气和氙气。
鉴于常规的用于用气体充填封罩 ( 尤其是 IGU) 的方法和系统所存在的缺点， 需要 一种克服或未表现出这些缺点的改进的方法和系统。 发明内容 公开了一种用充填气体充填封罩的方法， 包括以下步骤。 提供封罩， 该封罩具有内 部、 宽度、 高度、 厚度以及与所述内部流体连通的流体充填孔和出口孔。通过以充填流速将 充填气体流引入流体充填孔而开始充填封罩。感测离开流体出口孔的气体的氧气浓度。当 感测到的氧气浓度达到阈值浓度时停止封罩的充填， 其中基于所述宽度、 高度和 / 或厚度 通过决策支持工具 (Decision Support Tool) 来选择阈值氧气浓度和 / 或充填流速。
还公开了一种用于用充填气体充填封罩的系统， 该系统包括 ： 充填枪 (filling lance)， 其适于插入形成在封罩一端中的流体充填孔 ； 氧气传感器， 其布置在形成在封罩的 相对端中的流体出口孔附近 ； 以及写入了算法的控制器。该控制器适于 ： 接收由所述氧气 传感器感测到的氧气浓度 ； 被输入封罩的高度、 宽度和 / 或厚度 ； 以及选择在封罩的充填期 间充填气体的流速和 / 或阈值氧气浓度。该选择基于输入到控制器的待充填封罩的高度、 宽度和 / 或厚度。该选择通过算法来执行。该控制器还适于一旦由所述氧气传感器感测到 的氧气浓度达到通过算法选择的或被预先确定并由操作员输入到控制器的阈值氧气浓度 就停止由所述充填枪充填封罩。
还公开了另一种用于用充填气体充填封罩的系统， 该系统包括 ： 充填枪， 其适于插 入形成在封罩的一端中的流体充填孔 ； 布置在形成在封罩的相对端中的流体出口孔附近的 氧气传感器 ； 以及控制器。该控制器适于 ： 接收由所述氧气传感器感测到的封罩中的氧气 浓度， 被输入封罩中的期望的阈值氧气浓度， 并且一旦由所述氧气传感器感测到的氧气浓 度达到封罩中的所述期望的阈值氧气浓度就停止由所述充填枪充填封罩。该传感器位于 与流体出口孔相距不超过 5 英尺 ( 优选不超过 3 英尺， 更优选不超过 1 英尺， 且更加优选 不超过 3 英寸 ) 处和 / 或该传感器具有不超过 2 秒 ( 优选不超过 1 秒且更优选不超过 0.5 秒 ) 的响应时间 T90， 其中 T90 为传感器暴露于有关的分析气体的时刻与传感器感测到为所 感测到的最终、 稳定的氧气浓度的 90％的氧气浓度的时刻之间的时长。任选地， 该封罩为 绝热玻璃单元， 包括至少两块互相对齐且互相平行的正方形、 三角形、 半圆形或矩形玻璃屏 以及在玻璃屏的周边周围并越过由玻璃屏限定的中空玻璃屏空间延伸的密封结构， 流体充 填孔和出口孔在密封结构的相对角部附近形成在密封结构中。 任选的绝热玻璃单元可在充 填期间定向成使得玻璃屏的底边与水平面成 1° -179°的角度， 优选 5° -175°， 更优选 15° -165°， 更加优选 30° -150°， 且最优选 45°左右。任选地， 该传感器定位在一段管 道的出口处或其内， 且该管道连接到充填气体回收装置上。 任选地， 该传感器具有每秒测量 5-15 次左右的氧气浓度测量速度 ( 其对应于 0.066 秒到 0.2 秒的响应时间 )。任选地， 该 传感器被安放在从流体出口孔逸出的整体完整的充填气体的流动通路中并因此不需要从
离开流体出口孔的充填气体流抽取一部分绕流 ( 滑流， slipstream) 或旁通流 (bypass)。
所公开的方法和 / 或系统可包括以下方面中的一个或多个 ：
- 阈值氧气浓度是预定的且基于所述宽度、 高度和 / 或厚度通过决策支持工具来 选择充填流速。
- 充填流速是预先确定的且基于所述宽度、 高度和 / 或厚度通过决策支持工具来 选择阈值氧气浓度。
- 基于所述宽度、 高度和 / 或厚度通过决策支持工具来选择充填流速和阈值氧气 浓度两者。
- 该方法还包括以下步骤 ：
·预先确定将要在封罩内部获得的充填气体的最低浓度 ； 以及
·预先确定将在所述充填期间发生的充填气体的最大百分比损耗率， 其中通过决 策支持工具选择的充填流速和阈值氧气浓度进一步基于所述预先确定的最低浓度和预先 确定的最大百分比损耗率。
- 该方法还包括以下步骤 ：
·预先确定将要在封罩内部获得的充填气体的最低浓度， 其中通过决策支持工具 选择的充填流速或阈值氧气浓度进一步基于所述预先确定的最低充填气体浓度。 - 该方法还包括以下步骤 ：
·预先确定将在所述充填期间发生的充填气体的最大百分比损耗率， 其中通过决 策支持工具选择的充填流速或阈值氧气浓度进
一步基于所述预先确定的最大百分比损耗率。
- 该方法还包括以下步骤 ：
·预先确定由充填的所述开始和停止之间的时间间隔限定的最大充填持续时间， 其中通过决策支持工具选择的充填流速或阈值氧气浓度进一步基于所述预先确定的最大 充填持续时间。
- 决策支持工具基于所述宽度、 高度和 / 或厚度以及充填气体的组分来选择充填 气体的流速。
- 封罩为绝热玻璃单元， 其包括至少两块互相对齐且互相平行的正方形、 三角形、 半圆形或矩形玻璃屏以及在玻璃屏的周边周围并越过由玻璃屏限定的中空玻璃屏空间延 伸的密封结构， 流体充填孔和出口孔在密封结构的相对角部附近形成在密封结构中。
- 在封罩的所述充填期间， 封罩的底边相对于水平面形成角度 α， 所述角度 α 处 于从 1°至 179°的范围内， 流体出口孔在竖向上高于流体充填孔。
-α 处于从 5°到 175°的范围内。
- 通过基于光学的氧气传感器来感测氧气浓度。
- 该传感器的响应时间小于 1 秒。
- 该传感器布置在流体出口孔内部或附近。
- 充填气体选自氩气、 氩气增浓的空气、 氖气、 氖气增浓的空气、 氪气、 氪气增浓的 空气、 氙气、 氙气增浓的空气、 以及它们的混合物。
- 该方法还包括以下步骤 ：
·将高度和 / 或宽度输入到控制器 ；
·使用控制器选择充填流速， 其中决策支持工具为写入控制器的算法。
- 该方法还包括向流体出口孔施加真空的步骤， 其中 ：
·基于所述宽度、 高度和 / 或厚度通过决策支持工具选择阈值氧气浓度 ；
·基于由操作员选择的充填流速 ( 该充填流速补偿通过所述真空施加产生的通过 封罩的充填气体流量的增加 ) 预先确定充填流速。
- 该系统还包括与所述充填枪流体连通的充填气体源， 所述充填气体选自氩气、 氩 气增浓的空气、 氖气、 氖气增浓的空气、 氪气、 氪气增浓的空气、 氙气、 氙气增浓的空气、 以及 它们的混合物。
- 该控制器还适于由操作员将充填参数输入其中， 所述充填参数选自将要在封罩 中获得的充填气体的最低浓度、 将在充填期间发生的充填气体的最大百分比损耗率、 由使 用充填气体充填封罩的开始和停止之间的时间间隔限定的最大充填持续时间、 和充填气体 的组分， 其中流速进一步基于所述充填参数。
- 该系统还包括真空管和与所述真空管真空连通的真空泵， 所述传感器至少部分 布置在所述真空管内， 所述真空管适于被安放成与流体出口孔处于真空连通。 附图说明 为进一步理解本发明的性质和目的， 应该参考以下结合附图进行的详细描述， 附 图中同样的元件被给出相同或类似的参考标号， 并且其中 ：
图 1 是要充填的优选类型的封罩的示意图。
图 2 是沿平面 A-A 截取的图 1 的局部截面图。
图 3 是沿平面 B-B 截取的图 1 的局部截面图。
图 4 是示出了传感器响应时间对气体损耗率的影响的曲线图。
图 5 是图 1 的封罩的示意图， 其中充填在 45°执行。
图 6 是示出了在 98％气体含量下 45 度充填对充填持续时间和气体损耗率的影响 的曲线图。
图 7 是显示了针对小尺寸和中尺寸正方形单元选择最佳 Kr 充填条件的曲线图。
图 8 是显示了针对 3/8” 中空玻璃屏的最低 95％氪气充填定制的决策支持工具的 曲线图。
图 9 是显示了针对 3/8” 中空玻璃屏的 97％氪气充填定制的决策支持工具的曲线 图。
具体实施方式
所公开的方法和系统允许以最佳充填流速或最佳阈值氧气浓度用充填气体充填 封罩。理想的充填是限制气体损耗和 / 或允许短充填持续时间和 / 或允许充填气体浓度在 充填完成时足够高的充填。可通过缓慢的充填流速来获得低气体损耗率， 但将导致长充填 持续时间。另一方面， 可通过提高充填流速来缩短充填持续时间， 但将增加气体损耗率。因 此， 充填封罩的最佳方式是能够限制气体损耗率和 / 或实现快速充填和 / 或允许足够高的 充填气体浓度。
封罩可为封闭用于容纳充填气体的中空空间的任何类型的封罩。优选地， 封罩为多面体， 即， 具有平直面和直边的三维形状。更优选地， 封罩具有高度、 宽度和厚度且为 ： 三 角形棱柱 ( 即， 具有三角形截面和一致厚度 ) ； 直角矩形棱柱 ( 即， 盒形 ) ； 或半圆形棱柱 ( 即， 具有半圆形截面和一致厚度 )。直角矩形棱柱可具有一致厚度以及矩形或正方形截 面。封罩具有用于将充填气体导入其中的充填孔。封罩还具有允许容纳在封罩内的气体在 其充填期间逸出的出口。当充填孔和出口孔被堵住或覆盖时， 封罩是相对气密的。
虽然充填气体可为任何气体， 但其组分最终取决于充填何种类型的封罩。所公开 的方法和系统尤其是可应用于充填比较昂贵的气体， 例如氪气、 氩气、 氙气、 氖气、 氪气增浓 的空气、 氩气增浓的空气、 氙气增浓的空气、 氖气增浓的空气和其混合物。 包含空气和氪气、 氩气、 氙气或氖气中的一者或多者的充填气体优选包括低于 50％的空气。
如图 1-3 中最佳地示出， 优选的封罩类型为绝热玻璃单元 (IG)2， 其带有任选的框 架 50， 具有封闭充填有充填气体的中空玻璃屏空间 60 的第一和第二相对的玻璃屏 10、 30 和 间隔件 8、 58。 玻璃屏 10、 30 可由单块玻璃或层压玻璃 ( 例如夹置诸如聚乙烯丁醛的塑料薄 层的两块玻璃 ) 组成。玻璃屏 10、 30 经由间隔件 8 互相隔开且通过用主密封剂 9、 59 密封 间隔件 8、 58 的长边 13、 43 与框架 50 之间的空间并用第二密封剂 7、 57 密封间隔件 8、 58 的 短边 12、 42 与玻璃屏 10、 30 的内表面 18、 38 之间的间隙来实现 IGU 2 的相对气密性。主密 封剂 9 通过将间隔件 8、 58 牢固地粘附在框架 50 上而向窗户结构提供机械刚性并通常由硅 胶、 聚氨酯或任何其他用于绝热玻璃窗领域中的粘合材料制成。第二密封剂 7、 57 通常为阻 止充填气体经其渗透的不透气材料。绝热玻璃单元 IGU 2 还具有充填枪 1 可经其插入的流 体充填孔 20 和来自中空玻璃屏空间 60 的气体在充填过程中可经其从 IGU 2 逸出的流体出 口孔 40。为了减少在流体出口孔 40 附近形成局部高压区， IGU 2 可具有超过一个的流体出 口孔 40。
任选地， IGU 2 可具有超过 2 个的玻璃屏 10、 30， 例如三组或甚至四组相对的玻璃 屏， 每一对相邻的玻璃屏夹置密封的中空玻璃屏空间 60。这种情况下， 应该理解的是， 两个 相邻的玻璃屏之间的每个中空玻璃屏空间 60 被分开充填有充填气体。同样， 可对流体出口 孔 40 施加真空以增强从中空玻璃屏空间 60 选出的气体的去除。
优 选 地， IGU 2 定 向 成 使 得 玻 璃 屏 10、 30 的 下 缘 ( 关 于 水 平 面 ) 形 成 在 从 1° -179°的范围内、 优选为 5° -175°、 更优选为 15° -165°、 更加优选为 30° -150°且 最优选为 45°左右的角度。如以下更详细地看到， 这种定向限制了在充填过程中在 IGU 2 顶部截留出 (trap) 的空气顶部空间 (air head space) 的横向范围。这允许在充填过程中 更有效地吹扫来自 IGU 2 顶部的空气。
用充填气体充填 IGU 2 的最简单的实施例
可按如下方式用充填气体充填 IGU 2。在所公开的方法和系统的最简单的形式 中， 操作员将待充填的封罩的尺寸 ( 高度或宽度或厚度 ) 输入与控制器相关联的人机接口 (HMI) 中。控制器写入有包括决策支持工具 (Decision Support Tool) 的算法。可选地， 使用未写入有算法的控制器且决策支持工具为单独的标定 / 校准曲线 ( 如以下更详细地说 明 )。如果使用宽度， 则更精确的宽度对应于 IGU 2 的右侧上间隔件 8 的内缘 28 与 IGU 2 的右侧上对应的间隔件的内缘之间的距离。然而， 也可使用对应于玻璃屏 10、 30 的最左边 缘与玻璃屏 10、 30 的最右边缘之间的距离的宽度。实际上， 甚至还可使用对应于框架 50 的 最左边缘与框架 50 的最右边缘之间的距离的宽度。类似地， 如果使用高度， 则更精确的高度对应于间隔件 58 的内缘 48 与 IGU 2 的顶部上对应的间隔件的内缘之间的距离。然而， 也可使用对应于玻璃屏 10、 30 的最上边缘与玻璃屏 10、 30 的最下边缘之间的距离的高度。 实际上， 甚至还可使用对应于框架 50 的最上边缘与框架 50 的最下边缘之间的距离的高度。 厚度对应于玻璃屏 10、 30 之间的距离。
接下来， 将连接到充填气体的源 ( 未示出 ) 的充填枪 1 插入流体充填孔 20 并拔掉 流体出口孔 40 的塞子或除去流体出口孔 40 的覆盖物。然后将氧气分析器 70 安放在流体 出口孔 40 附近的位置。可选地， 可将分析器 70 安放在一段管道的出口处或其内， 且该管道 可连接到真空源和 / 或用于回收任何离开中空玻璃屏空间 60 的充填气体的装置上。如果 选择该可选的选项， 则分析器 70 通常位于与流体出口孔 40 相距不超过 5 英尺处。优选地， 分析器 70 位于与流体出口孔 40 相距不超过 3 英尺处， 更优选不超过 1 英尺， 且更加优选不 超过 3 英寸。可选地， 分析器 70 位于流体出口孔 40 内部或甚至中空玻璃屏空间 60 内与流 体出口孔 40 相距一定距离处。
氧气分析器 70 优选为响应时间较短的氧气分析器。 例如， 可靠的氧气分析器 70 将 具有不超过 2 秒、 优选不超过 0.5 秒的响应时间 T90。技术人员应该认识到 T90 为分析器 70 暴露于有关分析气体的时刻与分析器 70 感测到为感测到的最终、 稳定的氧气浓度的 90％ 的氧气浓度的时刻之间的时长。
优选类型的氧气分析器 70 为非侵入式光学传感器。这种氧气分析器 70 提供不约 束离开流体出口孔 40 的气体的流速使得不需要专用的真空管线的优点。这种氧气分析器 70 的较小的尺寸允许将其安放在流体出口孔 40 附近或内部或甚至安放在中空玻璃屏空间 60 内。一个特别优选类型的氧气分析器 70 为非侵入式且其检测机制是基于光学的氧气分 析器。优选地， 该氧气分析器基于钌或铂络合物的荧光猝灭。一种具有基于光学的检测机 构的氧气分析器 70 为这样的氧气分析器， 即， 其利用光源照射某种材料 ( 例如钌络合物 )， 该材料呈现与该材料附近的氧气浓度相关的荧光度。借助这种氧气分析器 70， 荧光材料甚 至可位于中空玻璃屏空间 60 内部的任何部位且光源定位在中空玻璃屏空间 60 外部使得光 源透过玻璃屏 10、 30 中的一个照射该材料。
这些特别优选的类型的氧气分析器 70 具备其他优点。它们具有每秒测量 5-15 次 左右的极好的浓度测量速度， 其对应于 0.066 秒到 0.2 秒的响应时间。可将它们安放在从 流体出口孔 40 逸出的完整充填气流的流动通路中， 例如， 每分钟 20-20 标准升 (slpm)。因 此， 它们不需要从离开流体出口孔 40 的主充填气流吸取一部分绕流或旁通流。相反， 常规 的导热型检测器需要这种部分绕流。否则， 此类常规的检测器将过冷并且将不再在它们的 标定性能范围内操作。可从以下来源 / 渠道获得适当的、 商业上可得的氧气分析器 70 ：
- 位于美国明尼苏达州 Minneapolis 市的 Mocon 公司的 OpTechTM-O2 铂氧气分析 器，
- 位于德国 Regensburg 的 Precision Sensing GmbH 的非侵入式氧气传感器，
- 位于美国佛罗里达州 Dunedin 市的 Ocean Optics 公司的光纤氧气传感器系统，
- 位于爱尔兰都柏林市的 Gas Sensor Solutions 有限公司的 SensiSpotTM 氧气传 感器，
- 位于爱尔兰科克市的 Luxcel Biosciences 有限公司的 Redlight 氧气感测探头，
- 位于美国德克萨斯州达拉斯市的 Oxy-Sense 公司的 GEN III 5000 系列。接下来， 操作员使用带控制器的充填枪 1 开始 IGU 2 的充填。控制器根据决策支 持工具作出的决定自动停止充填。决策支持工具选择充填流速和 / 或阈值氧气浓度。在其 中决策支持工具选择充填流速的简单实施例中， 通过充填枪用充填气体充填封罩可无需操 作员干预在选定的充填流速下自动执行。可选地， 通过决策支持工具选择的充填流速可由 HMI 显示且操作员将充填枪 ( 以及相关设备， 如果有的话 ) 手动调节为显示的充填流速。
最后， 堵住或覆盖流体充填和出口孔 20、 40。
复杂的实施例
在更复杂的实施例中且在希望的情况下， 体现决策支持工具的算法可由操作员根 据以下方式中的一种或多种的任何排列任选地进行修改。
第一， 操作员可利用 HMI 选择特定的阈值氧气浓度 ( 在该氧气浓度将停止用充填 气体充填 IGU 2) 并且决策支持工具将选择在充填期间要采用的最佳充填流速。特定阈值 氧气浓度的选择并不是关键的。然而， 所选的阈值氧气浓度不应该过低以致其接近氧气分 析器 70 的检测极限精度。此外， 所选的阈值氧气浓度不应该过高 ( 即， 接近空气的氧气浓 度 )， 因为这样的话 IGU 2 在充填完成时将不会具有足够高的充填气体浓度。优选地， 所选 的阈值氧气浓度不小于 5％且不大于 18％。可选地， 控制器可能已经具有预先选择的阈值 氧气浓度或控制器上的 ( 体现决策支持工具的 ) 算法可适于确定最佳的阈值氧气浓度。 第二， 操作员可利用 HMI 选择要输入到控制器的特定充填流速且决策支持工具将 选择最佳的氧气阈值浓度 ( 在该浓度将停止用充填气体充填 IGU 2)。 特定充填速度的选择 也并不是关键的。然而， 所选的充填速度不应该过低使得充填耗费异常长的持续时间。此 外， 所选的充填速度不应该过高使得产生安全风险。 可选地， 控制器可能已经具有预先选择 的充填流速或控制器上的 ( 体现决策支持工具的 ) 算法可适于确定最佳充填流速。
当操作员的经验表明特定的阈值氧气浓度或流速设定特别适合时前面这两个选 项可能是理想的。这些更复杂的实施例可与其中控制器的算法 ( 其体现决策支持工具 ) 选 择最佳阈值氧气浓度和流速且操作员不需要进行任何选择的最简单的实施例形成对比。
第三， 操作员可利用 HMI 为一个或两个充填参数选择最小或最大值， 基于该参数 进一步优化充填速度和 / 或感测到的阈值氧气浓度。这些充填参数包括在充填完成时中空 玻璃屏空间 60 内部的充填气体的最低浓度、 在充填期间实现的充填气体的最大百分比损 耗率、 或最大充填持续时间。 因此， 决策支持工具将选择对应于高于所述的充填参数的最小 值和 / 或低于所选的所述充填参数的最大值的潜在结果的阈值氧气浓度或充填流速。可选 地， 控制器可能已经具有预先确定的这些充填参数最小值或最大值中的一者且操作员无需 选择一个， 或决策支持工具的标定曲线之中已经结合了该最小或最大值。
第四， 操作员也可利用 HMI 选择要进行优化的充填参数 ( 有别于阈值氧气浓度或 充填流速 )。这些充填参数包括在充填完成时中空玻璃屏空间 60 内部的充填气体的浓度、 在充填过程中实现的充填气体的百分比损耗率、 或充填持续时间。 因此， 决策支持工具将选 择对应于与预测的在充填完成时中空玻璃屏空间 60 内部的充填气体的最高浓度和 / 或预 测的在充填过程中实现的充填气体的最低百分比损耗率和 / 或预测的最短充填持续时间 相关的潜在结果的阈值氧气浓度或充填流速。可选地， 控制器可能已经预先选择了这些充 填参数中的一个或多个或全部且操作员无需选择一个， 或决策支持工具的标定曲线之中已 经结合了另外的充填参数。
虽然以下详细描述了下面的决策支持工具的开发， 但基于清楚的目的， 应该注意， 在最简单的实施例中， 选项三和四已经结合在决策支持工具中。
不论选择最简单的实施例还是更复杂的实施例， 它们都具有这样的共同之处， 即， 写入控制器的 ( 体现决策支持工具的 ) 算法将基于待充填的封罩的一个或多个尺寸选择阈 值氧气浓度和 / 或充填流速。或者， 在包含决策支持工具的标定曲线的情况下， 标定曲线可 用于选择阈值氧气浓度和 / 或充填流速且所述曲线基于待充填的封罩的一个或多个尺寸。
接下来， 操作员开始用充填气体充填 IGU 2。 对于其中算法体现决策支持工具的实 施例， 当测出的离开流体出口孔 40 的充填气体的氧气浓度达到阈值氧气浓度时控制器自 动停止充填。应该认识到， 阈值氧气浓度可能已经预先输入到控制器， 或操作员经由 HMI 将 阈值氧气浓度输入到控制器， 或通过决策支持工具选择阈值氧气浓度。对于其中标定曲线 体现决策支持工具的实施例， 应该注意， 在充填开始之前， 操作员已预先查询标定曲线并执 行以下选项中的一个 ：
A) 操作员在标定曲线上查找对应于以其执行充填的充填速度的阈值氧气浓度 ( 当特定充填流速已结合在标定曲线中时 )， 其中标定曲线基于待充填的封罩的次要尺寸 ； 或 B) 操作员在标定曲线上查找对应于在其将停止充填的阈值氧气浓度的充填流速 ( 当特定的阈值氧气浓度已经结合在标定曲线中时 )， 其中标定曲线基于待充填的封罩的 次要尺寸。
真空实施例
在制造 / 工业背景下， 如果工厂的充填流水线中的一系列 IGU 2 的充填的整体生 产率受到较高关注， 则可能希望提高充填速度使其超过最佳和 / 或可能存在安全风险的速 度。
IGU 2 中可能由于流体出口孔 40 为限流部而出现压力累积。 当通过 IGU 2 的充填 气体的流速较低时， 例如对于直径为 3.5mm 的流体出口孔 40 而言＜ 20slpm， 孔 40 呈现出最 小的限流作用。当流速较高时， 出口 40 形成大的压降并因此在 IGU 2 内形成将取决于流速 和出口孔 40 的直径的压力累积。
有两种在充填期间避免 IGU 2 内的压力累积的方式 ： 1) 为出口孔 40 选择大直径 ； 以及 2) 对出口孔 40 施加真空。因此， 为了提高用充填气体充填 IGU 2 的速度， 在另一个实 施例中， 可在 IGU 2 的充填期间对流体出口孔 40 施加真空 (“真空实施例” )。可利用任何 真空源， 但最简单的方案是使用真空泵。
以与如上所述相同的方式执行真空实施例， 除了针对充填枪 1 的流速设定将需要 被向下调节以便补偿通过对流体出口孔 40 施加真空而产生的通过封罩的充填气体的实际 流速的增加以外。技术人员可通过常规和简单的实验来完成这一点， 以确立施加至流体出 口孔 40 的真空度、 在充填枪 1 选择的流速和通过 IGU 2 的充填气体的实际流速之间的关 系。更特别地， 技术人员可改变所施加的真空度并记录通过所施加的真空度而产生的实际 流速 ( 使用流量计 )。可选地， 可利用控制器来采集包括与真空水平相关的来自泵的信号 ( 例如电压 ) 和与实际流速相关的来自流量计的信号的数据。然后可将采集的数据结合在 HMI 的算法中， 以对所选的充填枪 1 的流速 ( 或充填枪 1 的由算法决定或由标定曲线决定的 流速 ) 自动应用修正系数， 从而补偿所施加的特定的真空水平。
决策支持工具
现将描述决策支持工具的开发。
决策支持工具基于根据各种充填参数的排列从多个测试封罩的充填编辑的数据。 其可采取写入控制器的算法或标定曲线的形式。实践上来说， 通过两个参数来描述充填过 程： 充填流速和离开封罩的气流的有关气体的浓度 ( 或相反地， 氧气含量 )。 因此， 为最佳地 充填封罩， 需要找到流速和阈值氧气浓度的最佳联系。最佳流速或阈值氧气浓度取决于封 罩的尺寸， 不论是否在体积 ( 高度、 宽度和厚度 )、 截面表面积 ( 高度和宽度， 高度和厚度， 或 宽度和厚度 ) 方面或在待充填的封罩的单个尺寸 ( 高度或宽度或厚度 ) 方面表示该尺寸。
虽然测试封罩具有不同于待充填的封罩的尺寸， 但应理解， 测试封罩应该具有与 待充填的封罩相同的尺寸 ( 通常为厚度 )。 在 IGU 2 的情形中， 该尺寸可为中空玻璃屏间距 D。
理想地， 测试封罩将具有与待充填的封罩相同的截面形状。在三角棱柱形的待充 填的封罩的情形中， 测试封罩理想地将在三角形截面的角部具有相同角度。 不过， 在直角矩 形棱柱形的待充填的封罩的情形中， 测试封罩可具有不同于待充填的封罩的截面形状。例 如， 虽然直角矩形棱柱形的待充填的封罩可具有矩形截面形状， 但测试封罩可具有正方形 截面 ( 即， 高宽比为 1 ∶ 1) 或反之亦然。 因此， 在判断具有不相等的宽度和高度的直角矩形棱柱形的封罩的最佳充填的情 形中， 理想地， 各测试封罩 ( 也具有直角矩形棱柱形 ) 的高宽比理想地应该与待充填的封罩 相同。 然而， 为了简单并作为一种近似， 可使用具有正方形截面的直角矩形棱柱形的测试封 罩来开发决策支持工具。因此， 其将必须输入到决策支持工具中的待充填的封罩的尺寸数 量减少到一个 ( 宽度或高度 )。 由于对于具有正方形截面的封罩将出现最大气体损耗率， 因 此该选择 ( 减少到一个尺寸 ) 是有意义的。换言之， 对于正方形截面封罩而言比矩形截面 封罩更难以限制气体损耗， 从而针对正方形截面测试封罩开发的决策支持工具将对任何类 型的待充填的矩形截面封罩起作用。
如上所述， 在开发决策支持工具的过程中应该利用至少两种不同尺寸的正方形截 面测试封罩。优选地， 应该利用三种或更多种尺寸的正方形截面封罩。用于开发决策支持 工具的正方形截面封罩的尺寸 ( 从最小到最大 ) 应该选择成使得要使用决策支持工具充填 的封罩的尺寸将落在正方形截面测试封罩的最小尺寸和最大尺寸之间。换言之， 封罩的表 面积 ( 宽度 × 高度的乘积 ) 应该大于最小的测试封罩且小于最大的测试封罩。为了在要 使用决策支持工具充填各种各样尺寸的封罩时具有较大的优化程度， 推荐使用各种各样的 正方形截面测试封罩来开发该决策支持工具。
在确定测试封罩的数量和尺寸之后， 操作员选择一系列阈值 O2 浓度 ( 将通过氧气 分析器 70 感测 ) 以便在编辑对于决策支持工具而言所需要的数据 ( 与多个测试封罩的充 填相关 ) 的过程中用作约束条件。这些浓度对应于离开测试封罩的气体的 O2 浓度。当氧气 分析器感测到所选的 O2 阈值浓度时， 停止用充填气体充填测试封罩并记录各种充填参数， 例如充填持续时间、 充填气体损耗率和充填好的测试封罩内的充填气体浓度。所选的阈值 O2 水平不应该与空气中的氧气浓度 ( 约 21％ ) 过于接近， 因为在该情形中氧气分析器将感 测到阈值水平并在任何基本充填完成之前停止充填。O2 阈值也不应该过低 ( 例如百分之零 点几 )， 因为在该情形中测试封罩在过长的时间段被充填以充填气体。很低的 O2 阈值也具
有受限的使用， 因为其唯一的用途将是用于在充填完成之后用不必要的高纯度充填气体完 成封罩的充填。可执行简单和常规的实验来判断所选的阈值水平是否过高 ( 过于接近空气 的氧气浓度并过早切断充填 ) 或过低 ( 过长的充填持续时间 )。尽管应该选择至少两个 O2 阈值浓度， 但更大数量的 O2 阈值浓度将引起通过决策支持工具实现的较大的优化程度。
接下来， 选择一系列递增的充填流速以便在编辑决策支持工具所需的数据 ( 与多 个测试封罩的充填相关 ) 的过程中用作约束条件。最低充填流速不应该过低使得充填持续 时间过长。其也不应该过高， 因为很高的充填速度将浪费气体。再次， 可进行简单和常规的 实验以适当地确定低或高充填流速。尽管应该选择至少两个充填流速， 但更大数量的充填 流速将引起通过决策支持工具实现的较大的优化程度。
接下来， 以第一选定的充填流速充填测试封罩 ( 最初充填有空气 ) 直到氧气分析 器感测到第一选定的 O2 阈值水平并记录充填持续时间 ( 时间 )、 百分比气体损耗率和最终 充填气体浓度。可采用许多方式并优选根据以下公式计算百分比气体损耗率 ：
将气体损耗率定义如下 ：
其中 ： Q 为充填流速 (slpm 或每分钟标准升 ) t 为充填持续时间 ( 秒 ) CIG 为一旦充填停止绝热玻璃内的气体含量 (％每体积 ) VIG 为中空玻璃屏容积 ( 升 ) 换言之， 代表在充填过程中使用的气体的总体积， 且CIG×VIG 代表中空玻璃屏内的气体的体积。
因此， 将气体损耗率定义为相对于中空玻璃屏内部存在的充填气体的体积被排出 到中空玻璃屏外部的充填气体的体积。
充填气体然后从测试封罩排出并以第一选定的充填流速充填测试封罩直到通过 氧气分析器感测到第二选定的 O2 阈值浓度。 以第三 ( 如果选择了超过两个的话 ) 和其他选 定的 O2 阈值水平重复该过程。然后对第二和第三 ( 如果选择了超过两个的话 ) 和其他选 定的充填流速重复以上系列的充填。因此， 如果选择了 4 个充填流速和 3 个 O2 阈值水平， 则用充填气体充填每个测试封罩十二次。
一旦已编辑数据， 就通过过滤该数据创建决策支持工具。这可采用几种不同的方 式来完成。
在第一种过滤数据的方式中， 对与每个测试封罩相关的数据施加阈值氧气浓度或 流速的第一人为约束条件使得所有剩下的数据与特定的阈值氧气浓度或特定流速相关。 除 在施加第一人为约束条件之后剩下的数据 ( 对于每个测试封罩 ) 外， 施加第二人为约束条 件， 其过滤掉一些不理想的数据。然后对在第二次过滤 ( 针对每个测试封罩 ) 之后剩下的 数据施加第三人为约束条件， 以对每个测试封罩产生一个数据点， 其对应于第三人为约束条件的最理想的值。如果第一人为约束条件为阈值氧气浓度， 则最后剩下的数据点与流速 有关。如果第一人为约束条件为流速， 则最后剩下的数据点与阈值氧气浓度有关。第二或 第三人为约束可为充填持续时间、 充填气体损耗率或最终充填气体浓度。由于对于第二和 第三人为约束条件每一者有三种不同选择， 因此本领域的技术人员应该认识到可采用各种 方式来确定最佳充填流速。
a) 操作员可决定仅特定时间或更短的充填持续时间是理想的且对数据进行筛选 以消除所有与异常高的充填持续时间相关的测试封罩充填。 操作员然后决定充填气体损耗 率是一个重要参数并检查剩下的数据以察看流速和 O2 阈值浓度的哪一种数据联系产生最 低充填气体损耗率。 在该范围内， 然后为各测试封罩选择剩下的 ( 阈值氧气浓度或流速的 ) 数据点。
b) 操作员可决定仅特定时间或更短时间的充填持续时间是理想的且对数据进行 筛选以消除所有与异常高的充填持续时间相关的测试封罩充填。 操作员然后决定确保最终 的高纯度充填气体浓度是一个重要参数并检查剩下的数据以察看流速和 O2 阈值浓度的哪 一种数据联系产生最高的最终充填气体浓度。在该范围内， 然后为各测试封罩选择剩下的 ( 阈值氧气浓度或流速的 ) 数据点。
c) 操作员可决定仅特定水平或更低水平的充填气体损耗率是理想的且对数据进 行筛选以消除所有与异常高的充填气体损耗率相关的测试封罩充填。 操作员然后决定充填 持续时间是一个重要参数并检查剩下的数据以察看流速和 O2 阈值浓度的哪一种数据联系 产生最短充填持续时间。在该范围内， 然后为各测试封罩选择剩下的 ( 阈值氧气浓度或流 速的 ) 数据点。
d) 操作员可决定仅特定水平或更低水平的充填气体损耗率是理想的且对数据进 行筛选以消除所有与异常高的充填气体损耗率相关的测试封罩充填。 操作员然后决定确保 最后的高纯度充填气体浓度是一个重要参数且检查剩下的数据以察看流速和 O2 阈值浓度 的哪一种数据联系产生最高的最终充填气体浓度。在该范围内， 然后为各测试封罩选择剩 下的 ( 阈值氧气浓度或流速的 ) 数据点。
e) 操作员可决定仅特定纯度或更高纯度的最终充填气体浓度是理想的并对数据 进行筛选以消除所有与异常低的最终充填气体浓度相关的测试封罩充填。 操作员然后决定 充填持续时间是一个重要参数并检查剩下的数据以察看流速和 O2 阈值浓度的哪一种数据 联系产生最短充填持续时间。在该范围内， 然后为各测试封罩选择剩下的 ( 阈值氧气浓度 或流速的 ) 数据点。
f) 操作员可决定仅特定纯度或更高纯度的最终充填气体浓度是理想的并对数据 进行筛选以消除所有与异常低的最终充填气体浓度相关的测试封罩充填。 操作员然后决定 充填气体损耗率是一个重要参数且检查剩下的数据以察看流速和 O2 阈值浓度的哪一种数 据联系产生最低充填气体损耗率。在该范围内， 然后为各测试封罩选择剩下的 ( 阈值氧气 浓度或流速的 ) 数据点。
继续说明第一种过滤数据的方式， 在体现决策支持工具的算法的情形中， 算法作 为方程式写入， 对应于 ： A) 拟合在流速与测试封罩尺寸的关系图上的线 ( 对应于在施加阈 值氧气浓度的第一人为约束条件之后以及施加第二和第三人为约束条件之后剩下的选定 数据点 ) ； 或 B) 拟合在阈值氧气浓度与测试封罩尺寸的关系图上的线 ( 对应于在施加流速的第一人为约束条件之后以及施加第二和第三人为约束条件之后剩下的选定的数据点 )。 因此 ：
流速＝ ax+b
阈值氧气浓度＝ cx+d
其中 x 为待充填的封罩的尺寸。该算法然后根据方程式选择流速 ( 当第一人为约 束条件为阈值氧气浓度时 ) 或阈值氧气浓度 ( 当第一人为约束条件为流速时 ) 并根据选定 的流速或选定的阈值氧气浓度执行充填。 待充填的封罩的尺寸应该与用于创建方程式的测 试封罩的尺寸相同。换言之， 如果方程式在创建方程式 ( 对应于在流速与测试封罩的尺寸 和阈值氧气浓度与测试封罩的尺寸的关系曲线图中绘制的线 ) 的过程中利用了测试封罩 的宽度， 则以上方程式中的 x 将为待充填的封罩的宽度。然而， 应该注意， 在正方形截面测 试封罩和矩形截面待充填封罩的情形中， x 更理想地为待充填的封罩的两个尺寸的乘积的 平方根或待充填的封罩的三个尺寸的乘积的立方根。换言之， x 更理想地为 ：
·( 待充填的封罩的 ) 宽度 × 高度的平方根 ；
·( 待充填的封罩的 ) 宽度 × 厚度的平方根 ；
·( 待充填的封罩的 ) 高度 × 厚度的平方根 ； 或 ·( 待充填的封罩的 ) 宽度 × 高度 × 厚度的立方根。
在通过标定曲线体现决策支持工具的情形中， 标定曲线由流速与测试封罩的尺寸 的关系 ( 当阈值氧气浓度为第一人为约束条件时 ) 或阈值氧气浓度与测试封罩的尺寸的关 系 ( 当流速为第一人为约束条件时 ) 绘制而成。术语 “标定曲线” 当然对曲线和直线两者 是通用的， 因为可使用商业上可得的软件或众所周知的统计方法对数据点进行统计分析以 产生直线或曲线。因此， 标定曲线实际上可绘制在纸上或可为对应于将作为标定曲线的图 手动执行的数据的电子推导。在充填过程中， 操作员可在对应于待充填的封罩的尺寸的曲 线上查找流速或阈值氧气浓度。 待充填的封罩的尺寸应当是与用于创建标定曲线的测试封 罩的尺寸相同的尺寸。换言之， 如果标定曲线采用了测试封罩的宽度， 则以上方程式中的 x 将为待充填的封罩的宽度。 然而， 应该注意， 在正方形截面测试封罩和矩形截面待充填封罩 的情形中， x 更理想地为待充填的封罩的两个尺寸的乘积的平方根或待充填的封罩的三个 尺寸的乘积的立方根。换言之， x 更理想地为 ：
·( 待充填的封罩的 ) 宽度 × 高度的平方根 ；
·( 待充填的封罩的 ) 宽度 × 厚度的平方根 ；
·( 待充填的封罩的 ) 高度 × 厚度的平方根 ； 或
·( 待充填的封罩的 ) 宽度 × 高度 × 厚度的立方根。
在第二种且优选的过滤数据的方式中， 施加将某些不理想的数据过滤掉 ( 针对每 个测试封罩 ) 的第一和第二人为约束条件。第一和第二人为约束条件包括用于任何一对以 下充填参数的值 ：
a) 在或低于最大值的气体损耗率和在或高于最小值的最终充填浓度 ；
b) 在或低于最大值的气体损耗率和在或低于最大值的充填持续时间 ；
c) 在或高于最小值的最终充填浓度和在或低于最大值的充填持续时间。
在施加第一和第二人为约束条件 ( 针对每个测试封罩 ) 之后剩下的数据中， 然后 施加第三人为约束条件， 以对每个测试封罩产生对应于第三人为约束条件的最理想的值的
一个数据点。 因此， 如果第三人为约束条件为气体损耗率， 则对每个测试封罩产生的数据点 是在施加第一和第二人为约束条件之后剩下的数据中对应于最低气体损耗率的数据点。 类 似地， 如果第三人为约束条件为最终充填浓度， 则对每个测试封罩产生的数据点是在施加 第一和第二人为约束条件之后剩下的数据中对应于最高的最终充填浓度的数据点。最后， 如果第三人为约束条件为充填持续时间， 则对每个测试封罩产生的数据点是在施加第一和 第二人为约束条件之后剩下的数据中对应于最短充填持续时间的数据点。
继续说明第二种过滤数据的方式， 本领域的技术人员应该认识到有多种执行第二 种过滤数据的方式的排列 ：
a) 仅特定最大值或更小最大值的气体损耗率是理想的并对数据进行筛选 ( 针对 每个测试封罩 ) 以消除所有与异常高的气体损耗率相关的测试封罩充填。仅特定纯度或更 高纯度的最终充填浓度是理想的并对数据进行筛选 ( 针对每个测试封罩 ) 以消除所有与异 常低的最终充填浓度相关的测试封罩充填。充填持续时间为重要参数且检查剩下的数据 ( 针对每个测试封罩并在施加气体损耗率和最终充填浓度的第一和第二数据约束条件之 后 ) 以察看流速和 O2 阈值浓度的哪一种数据联系产生最短充填持续时间。然后选择用于 每个测试封罩的数据点。或 b) 仅特定最大值或更小最大值的气体损耗率是理想的并对数据进行筛选 ( 针对 每个测试封罩 ) 以消除所有与异常高的气体损耗率相关的测试封罩充填。仅特定时间或更 短时间的充填持续时间是理想的并对数据进行筛选 ( 针对每个测试封罩 ) 以消除所有与异 常高的充填持续时间相关的测试封罩充填。 最终充填浓度是一个重要参数且检查剩下的数 据 ( 针对每个测试封罩并在施加气体损耗率和充填持续时间的第一和第二数据约束条件 之后 ) 以察看流速和 O2 阈值浓度的哪一种数据联系产生最高的最终充填浓度。然后选择 用于每个测试封罩的数据点。或
c) 仅特定纯度或更高纯度的最终充填浓度是理想的并对数据进行筛选 ( 针对每 个测试封罩 ) 以消除所有与异常低的最终充填浓度相关的测试封罩充填。仅特定最大值或 更小最大值的充填持续时间是理想的并对数据进行筛选 ( 针对每个测试封罩 ) 以消除所有 与异常长的充填持续时间相关的测试封罩充填。 气体损耗率是一个重要参数并检查剩下的 数据 ( 针对每个测试封罩并在施加最终充填浓度和充填持续时间的第一和第二数据约束 条件之后 ) 以察看流速和 O2 阈值浓度的哪一种数据联系产生最低气体损耗率。然后选择 用于每个测试封罩的数据点。
继续说明第二种过滤数据的方式， 算法作为两个方程式写入， 各方程式对应于拟 合在流速与测试封罩尺寸的关系图上的线 ( 对应于选定的数据点 ) 或拟合在阈值氧气浓度 与测试封罩尺寸的关系图上的线 ( 对应于选定的数据点 )。因此 ：
流速＝ ax+b
阈值氧气浓度＝ cx+d
其中 x 为待充填的封罩的尺寸。待充填的封罩的尺寸应该与用于创建方程式的测 试封罩的尺寸相同。换言之， 如果方程式在创建方程式 ( 对应于在流速与测试封罩的尺寸 和阈值氧气水平与测试封罩的尺寸的关系曲线图中绘制的线 ) 的过程中利用了测试封罩 的宽度， 则以上方程式中的 x 将为待充填的封罩的宽度。然而， 应该注意， 在正方形截面测 试封罩和矩形截面待充填封罩的情形中， x 更理想地为待充填的封罩的两个尺寸的乘积的
平方根或待充填的封罩的三个尺寸的乘积的立方根。换言之， x 更理想地为 ：
·( 待充填的封罩的 ) 宽度 × 高度的平方根 ；
·( 待充填的封罩的 ) 宽度 × 厚度的平方根 ；
·( 待充填的封罩的 ) 高度 × 厚度的平方根 ； 或
·( 待充填的封罩的 ) 宽度 × 高度 × 厚度的立方根。
在充填过程中， 所述算法然后从以上方程式选择流速和阈值氧气浓度 ( 将在选定 的流速和阈值氧气浓度下执行充填过程 )。
所公开的方法和系统较常规的方法和系统而言产生了几个优点。如在示例 1 中更 详细地描述， 慢速和远距离气体传感器 ( 即， 远离出口端口安放 ) 会引起几秒延迟。取决于 充填流速， 该延迟可引起损耗几升昂贵的充填气体。 另一方面， 本发明利用了快速和体积不 大的传感器， 其可被安放在流体出口孔 40 附近或内部或甚至完全安放在中空玻璃屏空间 60 内， 这获得了非常短暂的延迟。在利用光源照射呈现一定荧光度的材料——所述荧光度 与该材料附近的氧气浓度相关——的光学传感器的情形中， 荧光材料甚至可位于中空玻璃 屏空间 60 内部的任何部位且光源定位在中空玻璃屏空间 60 外部使得其透过玻璃屏 10、 30 中的一个照射所述材料。
虽然许多常规的充填方法不论被充填的 IGU 的尺寸如何都采用单个流速， 但所公 开的方法和系统包括使用决策支持工具， 该决策支持工具可确定一充填流速， 该充填流速 使 IGU 2 中的气体含量最大化， 优化充填持续时间， 和 / 或优化充填气体的保持 ( 以最佳方 式减少充填气体的损耗 )。因此， 所公开的充填系统基于 IGU 2 尺寸匹配充填流速。最后， 所公开的方法和系统还具有通用、 简单、 成本划算且易于维护的优点。
现将在几个示例中更详细地描述本发明的优点和 / 或方面。
示例 1
示例 1 论证了当充填双玻璃屏 IGU 时在限制气体损耗率的过程中出口气体传感器 响应时间的重要性。
条件
- 矩形中空玻璃屏的尺寸为 22” ×36” ×3/8” ( 即 55.9cm×91.4cm×9.5mm ＝＞ 2 0.51m 和 4.9 升 )
- 利用 Kr( 氪 ) 进行双孔充填
- 绝热玻璃在充填过程中定向成 45°使得具有充填 ( 或排出 ) 孔的一个角部布置 在 IGU 的底部而具有充填 ( 或排出 ) 孔的相对角部布置在 IGU 的顶部
- 不在出口气流端口上施加真空
- 充填流速设定在 5.4slpm
- 一旦热传感器检测出每体积 95％ Kr( 相当于 1％ O2 的状态 ) 就停止充填过程
- 出口处的 O2 含量由响应时间很短的传感器监控 ( 参看图 4)
- 将响应时间很短的传感器安放在距出口 9” 处。
结果
- 在出口处使用传统的热传感器 ( 设定在相当于 1％ O2 的 95％ Kr)， 充填过程在 71.5 秒后停止。
- 响应时间很短的传感器在 64 秒左右检测出充填过程结束 ( 即， 在出口处 Kr 为95％ )， 这代表与热传感器相差 7.5 秒。
- 使用响应时间很短的传感器， 充填持续时间缩短 10.5％， 从 71.5 秒到 64 秒。
- 此外， 在该特定情形中， 使用响应时间很短的传感器能够节省 660ml 的氪。
示例 2
示例 2 论证了对于给定的充填持续时间就中空玻璃屏内的气体含量而言和响应 时间短的传感器相结合的 45°充填与竖直充填相比带来的改进。45°充填构型 ( 参看图 5) 能使在充填气体开始从单元排出之前的空气顶部空间最小。因此， 对于给定的充填持续 时间， 气体含量在 45°充填的情形中总是高于由传统的竖直充填获得的气体含量。本领域 的技术人员应该认识到， 本发明的该特定方面并不限于 45°角。相反， 仍然认为从 15°至 75°的任何角度可实现非 90°充填角度的目标。
条件
- 矩形中空玻璃屏的尺寸为 22” ×36” ×3/8” ( 即 55.9cm×91.4cm×9.5mm ＝＞ 2 0.51m 和 4.9 升 )
- 充填流速＝ 10slpm
- 氪气充填
- 双孔充填
- 不在出口气流端口上施加真空
- 将响应时间很短的氧气传感器安放在距出口 9” 处。
- 两个实验 ： (i) 竖直氪气充填和 (ii)45°充填
- 充填过程在 33 秒时停止
结果
- 在一致的充填持续时间 ( 例如， 33 秒 ) 和相同的充填流速下， 45°充填能够增加 中空玻璃屏的气体含量同时降低气体损耗率。
表1： 在充填过程中中空玻璃屏定向的影响
充填构型 出口 O2 含量 充填持续时间 ( 秒 ) 气体损耗率 气体充填率
竖直 15％ 33 18.0％ 95.8％ 45 度 10％ 33 13.8％ 99.3％中空玻璃屏尺寸＝ 22” ×36” ×3/8” 充填流速＝ 10slpm 将气体损耗率定义如下 ：
其中 Q 为充填流速 (slpm 或每分钟标准升 ) t 为充填持续时间 ( 秒 ) CIG 为一旦充填停止绝热玻璃内的气体含量 (％每体积 ) VIG 为中空玻璃屏容积 ( 升 ) 换言之， 代表在充填过程中使用的气体的总体积， 且CIG×VIG 代表中空玻璃屏内的气体的体积。
因此， 将气体损耗率定义为相对于中空玻璃屏内部存在的充填气体的体积被排出 到中空玻璃屏外部的充填气体的体积。
示例 3
示例 3 论证了对于通过 45°充填和竖直充填产生的给定气体含量， (45°充填 ) 在 充填持续时间和气体损耗率方面的改进。
条件
- 矩形中空玻璃屏的尺寸为 22” ×36” ×3/8” ( 即 55.9cm×91.4cm×9.5mm ＝＞ 2 0.51m 和 4.9 升 )
- 充填流速＝ 10slpm
- 氪气充填
- 将响应时间很短的氧气传感器安放在距出口 9” 处。
- 双孔充填
- 不在出口气流端口处施加真空
- 考虑两种构型 ： 竖直充填和 45°充填。
对于竖直充填构型， 执行 2 次充填。一次在 41 秒停止， 而另一次在 48 秒停止。对 于每次充填， 测量平均中空玻璃屏气体含量并从其推断气体损耗率。 对于 45°充填构型， 执 行 3 次充填并分别在 31 秒、 33 秒和 37 秒停止。对于每次充填， 测量平均中空玻璃屏气体含 量并从其推断气体损耗率。 结果 ( 参看图 6)
- 在 98％氪气充填下对比结果
-45 度充填构型与竖直充填相比将充填持续时间缩短 30％ ( 从 45.2 秒到 31 秒 ) 并将气体损耗率减少 85％ ( 从 58％到 8.4％ )。
示例 4
示例 4 通过与竖直充填和与响应时间长的热传感器相结合的 45°充填两者的结 果相比而论证了需要响应时间短的传感器来使定向充填 ( 例如， 45°充填 ) 的效果最大化。
条件
- 矩形中空玻璃屏的尺寸为 22” ×36” ×3/8” ( 即 55.9cm×91.4cm×9.5mm ＝＞
0.51m2 和 4.9 升 )
- 充填流速＝ 5.5-5.6slpm
- 氪气充填
- 热传感器 ( 针对氪气标定 ) 安放在距出口 10 英尺处。
- 考虑两种构型 ： 竖直充填和 45°充填
- 双孔充填过程
- 结束充填标准 ： 在出口气流处的 Kr 为 95％
结果
- 这两种构型得到类似的充填持续时间和气体损耗率。 在该情形中， 热传感器的响 应时间为受限因素并抵消 (overcome) 了窗户定向带来的益处 ( 参看表格 )
表2： 当与响应时间缓慢的热传感器相结合执行时竖直充填和定向充填的比较
示例 5
方法和示例 ： 用于开发示例 5 的决策支持工具的正方形 IGU 的尺寸如下 ： 小 (14” ×14” ×3/8” )、 中 (21” ×21” ×3/8” ) 和大 (32” ×32” ×3/8” )。这样选择的尺寸 然后适于使用模型来充填面积 ( 宽度 × 高度 ) 在 196 平方英寸到 1,024 平方英寸的范围 内的 IGU。充填枪 OD( 外径 ) 为 3.5mm。
接下来， 确定通过光学传感器感测到的一系列阈值 O2 水平 ： 5 ％、 10 ％、 15 ％和 18％， 所有％ O2v/v。
接下来， 选择一系列递增的充填流速 ： 2、 4、 6、 8、 10、 12、 14 和 16， 全部以 slpm 为单 位 (slpm 是每分钟标准升或对应于每分钟的气体体积——其对应于在 0℃的温度和 1 个大 气压的压力下的一升气体——的流速 )。
接下来， 以第一选定的充填流速充填第一正方形 IGU 直到传感器感测到第一选定 的 O2 阈值水平。使用第一选定的充填流速单独重复该过程直到传感器感测到第二、 第三、 第四和其他选定的 O2 阈值水平。然后针对第二、 第三、 第四和其他选定的充填流速重复这 些系列的充填。 在每次充填过程中， 测量充填持续时间、 气体损耗率和中空玻璃屏气体浓度 并进行记录且制成表格 ( 参看表 3)。然后如上所述根据选定的 O2 阈值水平和充填流速充 填各其他正方形 IGU。表 4-6 中列出了这些数据。
表4： 小型 IGU 的充填
表5： 中型 IGU 的充填
表6： 大型 IGU 的充填
本领域的技术人员会认识到， 并不需要执行阈值氧气浓度和流速的每一个排列。 将通过执行阈值氧气浓度和流速的各排列而产生更完整且因此可靠的一组。 尽管各正方形 IGU 的充填理想地应该对每一个排列执行， 但在本示例中实际并未执行。应该注意， 最小的 正方形 IGU 没有在高于 8slpm 的充填流速下进行充填， 因为在记录用于 8slpm 的充填流速 后观察到限制返回点。 还应该注意， 直到感测到某些较低的 O2 阈值水平 ( 在中型正方形 IGU
的情形中为 5％且在最大型正方形 IGU 的情形中为 5％和 10％两者 ) 才充填中型和最大型 正方形 IGU， 因为在记录用于在小型正方形 IGU 的情形中为 10％的 O2 阈值水平和在最大型 正方形 IGU 的情形中为 15％的 O2 阈值水平的数据后观察到限制返回点。
可通过对 O2 阈值水平和一个测出的充填变量 ( 充填持续时间或气体损耗率或最 终中空玻璃屏气体浓度 ) 施加人为约束条件然后选择对应于另一个特征 ( 充填持续时间或 气体损耗率或最终中空玻璃屏气体浓度 ) 的最佳水平的流速而从所述数据以各种不同方 式确定最佳充填流速。例如， 可将 O2 阈值水平约束在 18％。这意味着仅选择对应于在 18％的 O2 阈值水 平记录的那些数据的数据并通过充填不同尺寸的 IGU 直到通过传感器感测到 18％的阈值 O2 水平来对所述不同尺寸的 IGU 应用模型。接下来， 可将充填持续时间限制为是 20 秒或更 短的所有充填持续时间。 然后， 检查对应于 18％的 O2 阈值水平和 20 秒或更短的充填持续时 间的剩余数据， 以确定哪个充填速度导致该受限的数据组中的最低气体损耗率 ( 对于 10％ 损耗为 4slpm) 或最高的最终中空玻璃屏气体浓度 ( 对于 95.1％的浓度为 6slpm)。将相同 的人为约束条件施加在对其他正方形 IGU 收集的数据上。然后将对每种尺寸的正方形 IGU 选择的最佳充填流速相对于这些正方形 IGU 的尺寸 ( 宽度 ) 进行绘制。接下来， 可使用绘 制的图表来计算用于不同尺寸的 IGU 的最佳充填流速。例如， 待充填的 IGU 具有 20” 的宽 度和 40” 的高度。对应于具有 800 平方英寸的面积 ( 高度 × 宽度 ) 的正方形 IGU 的规一 化 / 标准化尺寸为 28.28 英寸。在图表上绘制的线上对应于 28.28 英寸的尺寸的充填流速 为通过所述模型产生的最佳充填流速。
如上所述， 可采用各种各样的方式确定最佳充填流速并且本发明的实施无需局限 于绘制对应于 18％ O2 阈值水平、 20 秒或更短的充填持续时间和最低气体损耗率的数据。
图 7 显示了在 45°角 ( 如图 5 所示 ) 进行的用于小型和中型尺寸正方形 IGU 的最 佳 Kr 充填条件的选择。在 18％ O2 含量 ( 相当于 13.9％ Kr) 下， 对于特定的窗户尺寸， 存 在保证最大氪气含量的最佳流速 ( 例如， 对于 14” ×14” ×(3/8)” 窗户为 6slpm)。
示例 6
示例 6 给出了决策支持工具的一个示例， 该决策支持工具是针对厚 3/8” 中空玻璃 屏的充填特别定制的且其确保最大气体损耗率不超过 15％。 用于该决策支持工具的约束条 件为 [ 出口 O2 含量阈值 ] 和 [ 最大气体充填率 ]。该决策支持工具基于实验数据 ( 表 4-6 中用虚线圈出的数据 )。 具体地， 针对一定范围的流速和出口流氧含量研究三个正方形单元 ( 小尺寸、 中尺寸和大尺寸 ) 的充填。如表 7 中可见， 从表 4-6 选择以下条件， 以便在 15％ 或更低的气体损耗率的同时在密封每个中空玻璃屏之前保证至少 95％的氪气充填率。 针对 在 45°角进行 ( 如图 5 所示 ) 的 3/8” 中空玻璃屏的最低 95％氪气充填率定制的决策支持 工具在图 8 中用曲线图表示。表 7 ： 保证在 95％ Kr 含量下的短暂充填的最佳条件。这种情 况下， 充填的结束标准为出口气流中的 O2 为 18％。
然后在尺寸为 22” ×36” ×(3/8)” 的较大窗户上测试决策支持工具。充填过程为 双孔过程 ( 一个底部孔， 一个用于排出离开气体的顶部孔 )， 未在出口端口处施加真空。表 8 代表结果 ：
表8： 使用 18％出口 O2 含量模型充填矩形双玻璃屏窗户。
窗户尺寸 充填持续时间 ( 秒 ) 充填流速 (slpm) 出口 O2 含量 气体损耗率 气体含量
21” ×21” ×3/8” 18.2 10 18％ 15.0％ 97.1％ 22” ×36” ×3/8” 31 10.4 18％ 8.4％ 97.9％示例 7
示例 7 给出了决策支持工具的一个示例， 该决策支持工具是针对在 45°角 ( 如图 5 所示 ) 进行并在密封中空玻璃屏之前确保 97％的最低氪气充填 ( 参看图 9) 的厚 3/8” 中 空玻璃屏的充填特别定制的。该决策支持工具基于实验数据 ( 表 4-6 中用实线圈出的数 据 )。具体地， 针对一定范围的流速和出口流氧含量研究三个正方形单元 ( 小尺寸、 中尺寸 和大尺寸 ) 的充填。对各尺寸选择以下条件 ( 参看表 9) 以便在密封各中空玻璃屏之前保 证至少 97％氪气充填率 ( 每体积 )。
表9： 保证在 97％ Kr 含量下的短暂充填的最佳条件
然后在尺寸为 22” ×36” ×(3/8)” 的较大窗户上测试前一决策支持工具。充填 过程为双孔过程 ( 一个底部孔， 一个用于排出离开气体的顶部孔 )， 未在出口端口处施加真 空。表 10 代表结果。
表 10 ： 在矩形中空玻璃屏上使用 97％最低气体充填率模型。
已经描述了用于实施本发明的优选方法和设备。 对本领域技术人员而言应该理解 和显而易见的是， 可对上述实施例作出许多更改和改型而不脱离本发明的精神和范围。前 述仅为说明性的且可采用集成的方法和设备的其他实施例而不脱离在以下权利要求中限 定的本发明的真实范围。