CH671623A5

CH671623A5 -

Info

Publication number: CH671623A5
Application number: CH2493/86A
Authority: CH
Inventors: Otto Dietzsch
Original assignee: Otto Dietzsch
Priority date: 1986-06-20
Filing date: 1986-06-20
Publication date: 1989-09-15
Also published as: DE3720092A1

Description

BESCHREIBUNG Die vorliegende Erfindung betrifft ein flächiges, lichtdurchlässiges Wärmeisolierelement oder ein flächiges, licht-

und fluiddurchlässiges Wärmeaustauscherelement. Ein solches Element hat neben seiner isolierenden bzw. wärmeübertragenden Eigenschaft eine hohe Lichtdurchlässigkeit aufzuweisen. Es kennzeichnet sich dadurch, dass es eine Vielzahl von Faserbündeln aufweist, deren Fasern in ihren Achsrichtungen annähernd senkrecht zur Fläche des Elementes verlaufen, mindestens an einem Ende des einzelnen Bündels zusammengefasst sind, im übrigen Bündelbereich gegenseitigen Abstand aufweisen und deren zusammengefasste Enden in Abständen angeordnet sind.

Durch entsprechende Wahl von

- Dimension der Faserbündel und

- ihrer Anordnung zueinander sind die Eigenschaften für Isolation, Licht- und Fluiddurch-lass in einem weiten Bereich variierbar. Dazu Beispiele für zwei verschiedene Anwendungsfälle :

1. Eine neuartige Luftkollektoren-Konstruktion zur Gewinnung von Sonnenenergie verlangt Diaphragmaplatten, (die oberhalb einer schwarzen Absorberfläche angeordnet sind), wobei hinsichtlich Isolation möglichst niedrige K-Werte, hinsichtlich Lichtdurchlass möglichst hohe Durchlasswerte und hinsichtlich Fluiddurchlass, in diesem Falle Luftdurchlass, geringe Widerstandswerte gefordert sind.

Niedrige K-Werte können durch Einsatz von Faserbündeln grösserer Länge erreicht werden.

Hoher Lichtdurchlass bedingt geringen spezifischen Materialanteil (auf das Volumen des isolierenden Elementes bezogen), z. B. durch Verwendung dünnwandiger Faser-röhrchen (Kapillaren).

Einen widerstandsarmen Luftdurchgang erhält man ebenfalls durch geringen spezifischen Materialanteil, sowie durch ein weitmaschiges Gitter, auf dem die Diaphragmaplatte befestigt ist.

2. Lichtbänder oder Lichtkuppeln im Dachbereich bei Industriehallen verlangen hohe Isolationswerte und - zur Erreichung von Lichtstreuung - verminderten Lichtdurchgang.

Hier ist die Faserbündellänge gross zu wählen und der Faserabstand im fasergespreizten Bündelbereich klein zu halten, damit dort ein relativ dichtes Faserfeld vorliegt, das wiederum den Lichtdurchgang reduziert, aber die Lichtstreuung erhöht.

Bei diesem Anwendungsfall ist eine Fluiddurchlässigkeit nicht erforderlich und auch nicht wünschenswert.

Das Isolierelement wird hierfür an seiner Oberfläche und an seinem Rand abgedichtet.

Die Faserbündelausgestaltung, ihre Anordnung und ihre Befestigung sind demgemäss vorzunehmen:

Bei beidseitig zusammengefassten Faserbündelenden sind z. B. zwei Lochplatten aus klarsichtigem Material als Elementoberfläche verwendbar, ihre Lochzahl entspricht der Anzahl der Faserbündel, die mit ihren zusammengefassten Enden diese Löcher verschliessen. (Bei einseitig zusammengefassten Faserbündelenden ist der Bereich der gespreizten Faserbündelenden mit einer geschlossenen klarsichtigen Platte abzuschliessen).

In den nachfolgenden Figuren ist gemäss den beiden geschilderten Beispielen neben anderen erfindungsgemässen Ausgestaltungsmöglichkeiten der Aufbau derartiger Elemente dargestellt.

Die Wahl des Fasermaterials, die Formgestaltung der Fasern, die Gestaltung der Faserbündel und ihre Anordnung ermöglichen eine weitere Variationsvielfalt zur Bestimmung der Elementeigenschaften.

Der jeweilige Anwendungsfall setzt hier Grenzen. So können Kunststoff-Fasern nicht mehr Verwendung finden in Fällen, die höhere Temperaturstandfestigkeiten verlangen, z. B. mehr als 100 °C.

Dieser Fall tritt auf beim Betrieb von Luftkollektoren, die

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Heissluft von z. B. 150 °C liefern. Hier ist die Verwendung von Glas für das Fasermaterial notwendig. Da Glas gegenüber Kunststoff einen grösseren Wärmeleitkoeffizienten aufweist, ist bei gleicher Materialmenge pro m2 Element eine Verringerung der Isolationswirkung zu erwarten. Durch Reduzierung des Faserdurchmessers oder im Falle von Kapillaren durch Reduzierung des Wandstärke/Durchmesser-Verhältnisses kann dieser Nachteil beseitigt werden.

Höhere Temperaturbeanspruchung zwingt auch dazu, bei der Wahl des Verbindungsmaterials am zusammengefassten Faserbündelende von Kunststoffmassen abzusehen und dagegen z. B. wasserglashaltige oder auch zementhaltige Produkte zu verwenden. Die zementhaltigen Massen verringern den Lichtdurchlass nur geringfügig, da man die Querschnittsfläche des zusammengefassten Bündelendes klein halten kann gegenüber der gespreizten Faser-Querschnitts-fläche des Bündels.

Die erfindungsgemässe Element-Ausgestaltung lässt sich auch vorteilhaft einsetzen für passive Sonnenenergienutzung, z. B. als äussere Verkleidung von Mauerwerk. Hier können ebenfalls hohe Temperaturstandfestigkeiten notwendig werden, vor allem dort, wo keine Belüftung zur Kühlung des Mauerwerkes vorgesehen ist oder bei Ausfall einer solchen Belüftung während hoher Sonneneinstrahlung.

Von ganz grossem Vorteil ist die vorgeschlagene Elementausführung bezüglich ihrer günstigen Preisgestaltung. Ihre Anwendung im Bausektor, noch viel mehr die im Energiesektor bei der Gewinnung von Heissluft aus Sonnenenergie, erfordert kostengünstige Herstellung und die Verwendung billiger Grundmaterialien. Für die genannten Anwendungsgebiete ist ein grossflächiger Einsatz der beschriebenen Isolierelemente notwendig. So muss die Möglichkeit einer gross-fabrikatorischen, automatisierten Fertigung solcher Produkte gegeben sein. Die Ausgestaltung des erfindungsge-mässen Elementes kann diese Forderung erfüllen.

Es sei nachfolgend für das Beispiel eines aktiv arbeitenden Heissluftkollektors (bei Gewinnung von Sonnenenergie) auf eine besonders kostengünstige Ausführungsart hinsichtlich Fertigung und Materialeinsatz hingewiesen:

Ein Faserbündelband, wie es in Figur 5 dargestellt ist, dessen Fasern in ihrer Achsrichtung quer zur Bandlänge verlaufen und an einer Bandkante untereinander mittels Silikonkautschuk zusammengefasst sind, ist mit dieser Bandkante auf einem gitterförmigen Substrat in regelmässiger abstandsbildender Anordnung (z. B. als spiralige Wicklung) aufgeklebt, vorteilhafterweise ebenfalls mit Silikonkautschuk. Die andere Bandkante ist aus freistehenden, nicht zusammengefassten Fasern gebildet, die durch ihre vorgegebene Spreizung die Abstände zwischen der Bandwicklung praktisch überdecken.

In Figur 7 ist dies verdeutlicht.

Die Fasern bestehen aus handelsüblichen Glasvollfasern von ca. 20 |im Durchmesser, man kann dazu normales Rovingmaterial verwenden. Der Materialeinsatz ist denkbar klein und der Silikonanteil gering. An die Glasfaserqualität brauchen fast keine Anforderungen gestellt zu werden, Durchmesser-Schwankungen von 10% wirken sich in der Funktionsweise des Elementes kaum aus. Fertigungstechnisch ist die Verarbeitung ab Roving voll automatisierbar, zumal ein Wickelvorgang, wie in diesem Beispiel geschildert, zur Elementbildung schnell und problemlos vorgenommen werden kann.

Ein so gebildetes Diaphragma-Element eignet sich für einfache Heissluftkollektoren sehr gut. Dort eingesetzt wird es mit einer klarsichtigen Deckplatte versehen und unterhalb ihres gitterförmigen Substrates für die Abführung der dort entstandenen Heissluft abgestützt.

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Das Ganze lässt sich auch in ähnlicher Form mit Glashohlfasern (bis Kapillarengrösse von mehreren mm Durchmesser) realisieren.

Es sei hier noch darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemässe Element als Wärmeaustauscher funktioniert, wenn es in Luftkollektoren zur Anwendung kommt. Die unter dem Element entstehende Wärme heizt die Fasern auf, die durchströmende Luft führt diese gespeicherte Wärme wieder ab, indem sie die Faseroberfläche umspült.

Die Wärmeaustauscher-Funktion kann durch Wahl der Elementparameter (Fasermaterial, Faserdimension, Anordnung) stark variiert werden.

Die folgenden Figuren verdeutlichen das oben Gesagte und stellen einige Beispiele zu Ausführungsmöglichkeiten des erfindungsgemässen Elementes dar.

Der Übersichtlichkeit wegen sind die Zeichnungen mass-stäblich' verzerrt dargestellt.

Figur 1 zeigt (im Schnitt und in Draufsicht) mehrere Faserbündel 1, deren Fasern an ihrem einen Ende 2 zusammengefasst sind. Dort stecken sie in regelmässigen Abständen 4 in Löchern 3 einer gelochten Platte, sodass die Achsrichtungen der Fasern praktisch senkrecht zur Fläche des Elementes verlaufen. Im übrigen Bündelbereich weisen die Fasern gegenseitigen Abstand 5 auf, was durch ihre gespreizte Anordnung einen grösseren Bündelquerschnitt gegenüber dem zusammengefassten Faserbündelende in der Lochplatte ergibt. Die Spreizung der Fasern kann durch natürliche Eigenbiegung jeder Faser entstanden sein, man kann sie auch künstlich durch mechanisches Verbiegen hervorrufen, schliesslich ist auch an elektrostatische Aufladungsvorgänge zu denken, durch deren gegenseitige Abstosskräfte die Abstände zwischen den Fasern entstehen.

Die Figur 1 zeigt eine gespreizte Bündelform dahingehend, das s die Bündel sich in ihrer grössten Querschnittsausdehnung gerade berühren. Die zwischenliegenden Zwickel lassen für Licht und Fluid völlig freien Zugang zur Fläche der gelochten Platte. Die Lochanordnung ist hier so getroffen, dass in den Zwickelbereichen freie, nicht mit Faserbündeln besetzte Löcher 3' den verlangten Fluiddurch-lass ermöglichen.

Das Anwendungsgebiet einer solchen Elementkonstruktion wäre z. B. Gewinnung von Heissluft aus Sonnenenergie (Anwendungsfall 1, siehe oben). Die Lochplatte hat in diesem Fall eine schwarze Einfärbung. Eintreffendes Licht wandelt sich auf der Plattenoberfläche in Infrarotstrahlung um, die diffus in die Faserbündel zurückstrahlt.

Unterhalb der Lochplatte ist zweckmässigerweise eine weitere, hier nicht gezeichnete, schwarze Platte angeordnet (ohne Löcher), damit das durch die freien Löcher hindurchtretende Licht ebenfalls auf eine schwarze Fläche trifft.

In der Figur 2 sieht man (in Draufsicht) einen gleichen Elementaufbau wie in Figur 1, jedoch ist hier die Fasersprei-zung 5 grösser. Diese geht soweit, dass in diesem Bereich die ganze Elementfläche überdeckt ist. Sie ergibt einen annähernd gleichen Luftwiderstand für durchströmende Luft. Bei Beaufschlagung mit Licht wird die darunterliegende schwarze Lochplatte praktisch gleichmässig beleuchtet.

Als Variante zu den Figuren 1 und 2 zeigt (im Schnitt) die Figur 3 eine andere Faserbündel-Anordnung. Anstelle des zusammengefassten Faserbündelendes ist hier das gespreizte Bündelende auf einem Substrat 4 befestigt. Dieses Substrat ist als relativ feinmaschiges Gitter ausgeführt. Die Befestigung kann durch Kleber vorgenommen sein. Es ist auch möglich, die Faserenden etwas durch das Gitter hindurchgreifen zu lassen zwecks besserer Halterung (in der Figur 3 nicht gezeichnet).

In Figur 4 sind Faserbündel 1 ' dargestellt, welche an ihrem

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zusammengefassten Ende 2 eine flache Formgebung aufweisen. Zum anderen Ende 5 des Bündels sind die Fasern gespreizt, quer zur flachen Längsausdehnung des Bündels.

Das Bild 4 a stellt eine perspektivische Ansicht dar, 4 b eine Ansicht in Längsrichtung der flachen Formgebung und 4 c die Ansicht quer zum flachen Bündelende.

Die flache Formgebung des einen Bündelendes kann durch entsprechende Matrixverfestigung, z. B. unter thermischer Aushärtung, erreicht werden.

In Figur 5 ist (in Längs- und Querausdehnung) ein Faserbündelband 1 " dargestellt, wie es aus einer Vielzahl aneinandergereihter (in Figur 4 gezeigter) Einzelbündel gebildet ist. Durch die Matrix Verbindung sind die Einzelbündel übergangslos miteinander verbunden. Die Spreizung 5 ist wiederum quer zur Band-Längsausdehnung vorgenommen.

Für Figur 6 wurde (im Schnitt und in Draufsicht) eine Elementausgestaltung gewählt, deren Aufbau durch Anordnung und Befestigung von Faserbündel-Bändern 1 " (gemäss Figur 5) auf einer Lochplatte 4 gekennzeichnet ist. Zwischen zwei Lochreihen 6 ist jeweils ein Band 1" z. B. mit Silikonkautschuk 7 in Abständen 8 angeklebt. Die Spreizung 5 der Fasern am oberen Bündelband-Ende ist hier im Bild so gross ausgebildet, dass sich dort die Fasern benachbarter Bündelbänder berühren.

Figur 7 zeigt (im Schnitt und in Draufsicht) eine andere Variante einer Elementkonstruktion. Wie in Figur 6 sieht man hier die Anordnung von Faserbündelbändern 1 ", jedoch sind sie hier spiralig angeordnet auf einem gitterförmigen Substrat 9. Die Befestigung kann an den Stellen 10 der Auflage der Bandunterkante auf den Gitterstäben vorgenommen sein (z. B. durch einen Klebstoff). Die Spreizung der Fasern ist gleich dem Abstand der Bündelbänder und überdeckt somit dort die gesamte Elementfläche.

In Figur 8 sind (im Schnitt und in Draufsicht) Faserbündel gezeigt, deren Fasern an beiden Bündelenden 11 zusammengefasst sind, im mittleren Bereich 5 sind sie gespreizt. Im Spreizbereich greifen die Fasern etwas ineinander. Die Bündelenden 11 sind in Löchern zweier gelochter Platten 4 befestigt. Die Platte 4' besteht aus klarsichtigem Material, z. B. s Polymethacrylat, und ist damit lichtdurchlässig. Ihre Löcher entsprechen der Anzahl der Faserbündel und sind durch diese verschlossen und abgedichtet. Die Platte 4" ist eine schwarze Lochplatte, sie weist zwischen den eingeklebten Bündelenden zusätzliche Luftdurchtrittslöcher auf. Eine solche Elementkonstruktion ist einsetzbar z. B. für Solar-Heissluftkollektoren.

Eine weitere Variante ist (im Schnitt) in Figur 9 gezeigt. Zwischen zwei Platten 12' und 12" aus Glas sind Faserbündel 1 angeordnet, ihre Enden sind an den Platten mittels Silikonkautschuk 7 befestigt (am gespreizten Faserbündelende zweckmässigerweise an einem Silikonkautschuk-Film 7').

Die Distanzierung der Platten 12' und 12" kann am Elementrand durch einen Rahmen gewährleistet sein (hier nicht dargestellt).

Eine solche Elementkonstruktion eignet sich als temperaturfeste Isolierglasplatte z. B. für Shedverglasungen im Industriehallenbereich.

Schliesslich weist Figur 10 auf eine Ausgestaltungsmöglichkeit eines Faserbündels hin, dessen Fasern aus Kapillaren bzw. Hohlfasern bestehen. Infolge ihrer Steifigkeit ist es zweckmässig, durch fächerförmige Anordnung 5 eine Spreizung der Fasern zu erreichen. Hier ist das eine Bündelende mit Silikonkautschuk 7 fixiert.

Figur 10 a zeigt (im Schnitt) den «Fächer» in Ansicht, Figur 10 b den Schnitt entlang der Linie a-a in Figur 10 a.

Die Addition mehrerer solcher «Faserfächer» 1 ' ergibt ein Faserbündel 1 " im oben beschriebenen Sinne, perspektivisch 35 dargestellt in Figur 10 c.

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2 Blatt Zeichnungen

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PATENTANSPRÜCHE

1. Flächiges, lichtdurchlässiges Wärmeisolier- oder Wärmeaustauschelement, wobei das Wärmeaustauschelement fluiddurchlässig ist, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Vielzahl von Faserbündeln aufweist, deren Fasern in ihren Achsrichtungen annähernd senkrecht zur Fläche des Elementes verlaufen, mindestens an einem Ende des einzelnen Bündels zusammengefasst sind, im übrigen Bündelbereich gegenseitigen Abstand aufweisen und deren zusammenge-fasste Enden in Abständen angeordnet sind.
2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbündelenden in Löchern einer gelochten Platte stecken und ihre Anzahl geringer als die Lochzahl der Platte ist.
3. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbündelenden auf einem gitterförmigen Substrat befestigt sind.
4. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern an den zusammengefassten Bündelenden durch eine Matrix miteinander verbunden sind.
5. Element nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbündelenden eine flache Formgebung aufweisen.
6. Element nach den Ansprüchen 1,4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbündelenden einer Vielzahl von Bündeln zu einem zusammenhängenden Band durch die Matrix verbunden sind.
7. Element nach den Ansprüchen 1,4,5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zusammenhängende Band an seinem matrixgebundenen Rand auf einem gitterförmigen Substrat in regelmässiger abstandsbildender Anordnung befestigt ist.
8. Element nach den Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die regelmässige Anordnung aus parallel zueinander im Abstand stehender Bündelbandstücke gebildet ist.
9. Element nach den Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die regelmässige Anordnung eine spiralige, abstandsbildende Wicklung ist.
10. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im übrigen Bündelbereich der durch den gegenseitigen Faserabstand gespreizte Bündelquerschnitt gegenüber.dem zusammengefassten Faserbündelende mindestens die doppelte Ausdehnung hat.
11. Element nach den Ansprüchen 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die gespreizten Bündel sich an ihrer grössten Querschnittsausdehnung gegenseitig berühren.
12. Element nach den Ansprüchen 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die gespreizten Bündel im Bereich ihrer grössten Querschnittsausdehnung mit ihren Fasern ineinandergreifen.
13. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbündel an beiden Enden zusammengefasst sind und im Mittelbereich der Bündel die Fasern gespreizt sind.
14. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern aus einem organischen lichtleitenden Material bestehen.
15. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern aus einem anorganischen lichtleitenden Material bestehen, z. B. aus Glas.
16. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern aus Glashohlfasern bzw. Glaskapillaren bestehen.