DE102017129798A1

DE102017129798A1 - Thermoaktive Vorrichtung und Bauwerk mit einer solchen

Info

Publication number: DE102017129798A1
Application number: DE102017129798.7A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-12-13
Filing date: 2017-12-13
Publication date: 2019-06-13
Anticipated expiration: 2037-12-14
Also published as: DE102017129798B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine thermoaktive Vorrichtung, vorzugsweise ein Bauwerkselement (1) zur Anordnung in oder an einer architektonischen Konstruktion (101) oder zur Ausbildung einer architektonischen Konstruktion (101), mit einer Vorderseite (2) und einer der Vorderseite (2) gegenüberliegenden Rückseite (3), und mit einer Verstelleinrichtung (4) zur Verstellung einer technischen Eigenschaft der thermoaktiven Vorrichtung (1), wobei die Verstelleinrichtung (4) wenigstens einen thermischen Aktor (10) aufweist, wobei der thermische Aktor (10) ein Material aus der Gruppe Formgedächtnislegierung und Bimetall aufweist oder aus einem solchen Material besteht, und wobei die technische Eigenschaft mit einer Verformung des thermischen Aktors (10) korreliert und die Verformung des thermischen Aktors (10) von dessen Temperatur abhängig ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Bauwerk (100) mit einer solchen thermoaktiven Vorrichtung (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine thermoaktive Vorrichtung, vorzugsweise ein Bauwerkselement zur Anordnung in oder an einer architektonischen Konstruktion oder zur Ausbildung einer architektonischen Konstruktion, beispielsweise einer Bauwerkshülle, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, ein Bauwerk mit einer solchen nach Anspruch 16 sowie die Verwendung einer solchen thermoaktiven Vorrichtung in einer architektonischen Konstruktion eines Bauwerks nach Anspruch 17.
Aus dem Stand der Technik sind Bauwerkselemente bekannt, die als Teil eines Gebäudes unterschiedliche Funktionen aufweisen. Teilweise haben die Bauwerkselemente auch technische Funktionen, die verstellbar sind. Beispielhaft seien Verschattungsvorrichtungen genannt, z.B. Jalousien mit elektrischem Antrieb. Auch sind Belüftungsklappen bekannt, die automatisiert mit Verstellmotoren geöffnet und geschlossen werden. Nachteilhaft an solchen angetriebenen Bauwerkselementen ist, dass diese mit aufwendiger Sensor- und Aktortechnik ausgestattet werden müssen, um eine Automatisierung zu erreichen. Insbesondere sind auch eine aufwendige Verkabelung sowie Computerhard- und -software notwendig. Auch Nachrüstungen sind hierdurch sehr aufwendig. Die gleichen Probleme treten auf, wenn die verstellbaren technischen Funktionen anstatt in Bauwerkselementen in abweichenden Einrichtungen adaptiert sind, so zum Beispiel in Mobilwohnheimen, Wohnwagen, Bauwagen, Containern, Zelten, Sonnensegeln, Textilkonstruktionen, gespannten Konstruktionen, mobilen Dachkonstruktionen, Stellwänden, Marktständen, Pavillons, Bussen, Zügen, Kraftfahrzeugen, Flugzeugen, Booten und Schiffen.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, Mittel bereitzustellen, die eine preiswerte Automatisierung von verstellbaren technischen Eigenschaften bei geringem Installations- und Betriebsaufwand ermöglichen.
Hauptmerkmale der Erfindung sind im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 sowie den Ansprüchen 16 und 17 angegeben. Optionale Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 15 sowie der nachstehenden Beschreibung.
Die Erfindung betrifft eine thermoaktive Vorrichtung, vorzugsweise ein Bauwerkselement zur Anordnung in oder an einer architektonischen Konstruktion oder zur Ausbildung einer architektonischen Konstruktion, beispielsweise einer Bauwerkshülle, mit einer Vorderseite und einer der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite, und mit einer Verstelleinrichtung zur Verstellung einer technischen Eigenschaft der thermoaktiven Vorrichtung , wobei die Verstelleinrichtung wenigstens einen thermischen Aktor aufweist, wobei der thermische Aktor ein Material aus der Gruppe Formgedächtnislegierung und Bimetall aufweist oder aus einem solchen Material besteht, und wobei die technische Eigenschaft mit einer Verformung des thermischen Aktors korreliert und die Verformung des thermischen Aktors von dessen Temperatur abhängig ist.
Vorteilhaft hieran ist, dass mit Hilfe des thermischen Aktors eine autarke Steuerung der technischen Eigenschaft möglich ist. Die Verstelleinrichtung weist den wenigstens einen thermischen Aktor nämlich zur Verstellung der technischen Eigenschaft auf. Der thermische Aktor sollte autark angetrieben sein. Insbesondere sollte am thermischen Aktor kein Strom angelegt sein, wobei besonders bevorzugt kein Stromanschluss mit dem thermischen Aktor verbunden ist. Auf die Temperatur des thermischen Aktors haben verschiedene natürliche Umgebungsparameter Einfluss, die beispielsweise lokal stark unterschiedlich ausfallen, beispielsweise bei einer Verschattung von Gebäudeteilen. Die Notwendigkeit einer Verstellung, zum Beispiel zum Sonnenschutz, Wärmeschutz, Blendschutz oder Belüften, wird direkt am Ort des thermischen Aktors festgestellt und die Verstellung entsprechend der Temperatur umgesetzt. Das geschieht damit auch in der Umgebung der zu verstellenden technischen Eigenschaft. Damit lässt sich beispielsweise ein adaptiver Wärmeschutz eines Gebäudes und eine hohe Behaglichkeit durch eine gleichmäßige Temperierung des Gebäudes erzielen. Der thermische Aktor weist also die Funktionen eines Aktors und eines Sensors auf. Optional kann die thermoaktive Vorrichtung jedoch auch in anderen technischen Einrichtungen als Gebäuden eingesetzt werden, so zum Beispiel in Mobilwohnheimen, Wohnwagen, Bauwagen, Containern, Zelten, Sonnensegeln, Textilkonstruktionen, gespannten Konstruktionen, mobilen Dachkonstruktionen, Stellwänden, Marktständen, Pavillons, Bussen, Zügen, Kraftfahrzeugen, Flugzeugen, Booten und Schiffen.
Gemäß einer Ausgestaltungsoption ist die Temperatur des thermischen Aktors ausschließlich von natürlichen äußeren Einflüssen abhängig, zum Beispiel von der solaren Strahlung und/oder der Umgebungstemperatur. Damit wird eine sehr einfache Installation ermöglicht, weil für den thermischen Aktor keine Verkabelung notwendig ist. In einer optionalen Variante ist die Temperatur des thermischen Aktors von einer auf eine Absorptionsfläche treffenden Menge Licht abhängig. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die technische Eigenschaft in Abhängigkeit der Menge Licht eingestellt werden soll, so zum Beispiel Verschattungselemente die zum Beispiel als Sonnenschutz, Wärmeschutz oder Blendschutz dienen können. Zusätzlich kann die Temperatur des thermischen Aktors von einem Wärmeaustausch mit der Umgebung abhängig sein, insbesondere basierend auf der Umgebungstemperatur und/oder Konvektion.
In einer anderen Variante ist der thermische Aktor in einem verschatteten Bereich angeordnet. Hiermit lässt sich beispielsweise eine Fassadenzwischenraumbelüftungsklappe realisieren, die nur im Sommer öffnet, aber im Winter geschlossen bleibt. Die Stellung hängt hier im Wesentlichen von der Umgebungstemperatur ab, welcher der thermische Aktor ausgesetzt ist.
Der thermische Aktor kann ein Bimetall aufweisen oder aus einem solchen Material bestehen. Der Vorteil von Bimetall liegt in einer guten Verfügbarkeit und gut vorhersehbaren sowie prozesssicher umsetzbaren Aktoreigenschaften.
Die Alternative, dass der thermische Aktor eine Formgedächtnislegierung aufweist oder hieraus besteht, zeichnet sich insbesondere durch hohe Stellkräfte bei kleiner Bauweise aus. Außerdem kann man sich die den Formgedächtnislegierungen innewohnende Hysterese dahingehend zunutze machen, dass schnell wechselnde Verstellungen bei einer Grenztemperatur verhindert werden. Die Formgedächtnislegierung nimmt in Abhängigkeit von ihrer Temperatur eine martensitische (Niedrigtemperaturphase) oder eine austenitische (Hochtemperaturphase) Phase ein. Zur Verstellung wird die Formgedächtnislegierung insbesondere in der martensitischen Phase pseudoplastisch verformt. Geeignet sind beispielsweise Formgedächtnislegierungen, die eine NiTi-Legierung (Nickel-Titan-Legierung) aufweisen oder aus einer NiTi-Legierung bestehen oder zumindest auf einer NiTi-Legierung basieren.
Gemäß einer näheren Ausgestaltung ist die Verformung des thermischen Aktors eine Biegung, Torsion oder Dehnung. Mit derartigen Verformungen kann die Verstellung der technischen Eigenschaft unmittelbar oder mittelbar kinematisch umgesetzt werden. Grundsätzlich kann der thermische Aktor eine gerade Ausgangsform aufweisen, deren Biegung mit der Verstellung der technischen Eigenschaft korreliert. Es ist jedoch beispielsweise auch möglich, dass der thermische Aktor eine spiralförmige Ausgangsform aufweist, deren Torsion mit der Verstellung der technischen Eigenschaft korreliert.
In einer möglichen Ausführungsform, weist der thermische Aktor eine intrinsische Kraft auf, die den thermischen Aktor in Richtung einer ersten Stellung belastet, wobei der thermische Aktor der intrinsischen Kraft in Abhängigkeit von seiner Temperatur entgegenwirkt. Damit wird ein 2-Weg-Effekt erzeugt, der unterstützend zu einer extrinsischen Kraft wirken kann oder vollständig wirkt. Die intrinsische Kraft bei einer Formgedächtnislegierung ist antrainierbar, wobei hierdurch eine bevorzugte Atomgitterstruktur entsteht.
Bei einer optionalen Ausführungsform, ist der thermische Aktor mit einer extrinsischen Kraft in Richtung einer ersten Stellung belastet und der thermische Aktor wirkt der extrinsischen Kraft in Abhängigkeit von seiner Temperatur entgegen. Bei Varianten mit Bimetall kann der thermische Aktor mit einer extrinsischen Kraft belastet sein. Das Bimetall kann jedoch Stellkräfte in beide Stellrichtungen bewirken. Einen wichtigeren Beitrag leistet die extrinsische Kraft im Zusammenhang mit thermischen Aktoren mit oder aus einer Formgedächtnislegierung, weil hier eine Kraft zur pseudoplastischen Verformung in der martensitischen Phase vorliegen sollte. Die extrinsische Kraft ist bevorzugt aus der Gruppe Schwerkraft, Magnetkraft und Federkraft. Diese lassen sich gut auf die Stellkräfte des thermischen Aktors auslegen.
Weiterhin ist gemäß einer näheren Ausgestaltung vorgesehen, dass der thermische Aktor streifenförmig, drahtförmig, blechförmig oder als Dünnschichtelement ausgebildet ist. Der thermische Aktor kann beispielsweise auch ein mehrschichtiger Streifen sein. Eine spezielle Alternative ist, dass der thermische Aktor einen Draht aus einer Formgedächtnislegierung aufweist, der einen eine Absorptionsfläche ausbildenden Streifen trägt. Durch den Streifen wird eine größere Absorptionsfläche bereitgestellt.
Eine weitere Ausgestaltungsoption besteht darin, dass der thermische Aktor eine Absorptionsfläche aufweist, die exponiert für aus Richtung der Vorderseite strahlendes Licht angeordnet ist, wobei die Temperatur des thermischen Aktors wenigstens von einer auf die Absorptionsfläche treffenden Menge Licht abhängig ist. Hierdurch sind insbesondere Verstellungen von technischen Eigenschaften möglich, die im Wesentlichen von der eintreffenden Menge Licht abhängig sein sollen, so zum Beispiel Verschattungselemente. Vorzugsweise weist die Absorptionsfläche eine dunkle Farbe bzw. einen hohen Absorptionsgrad auf, wobei die Absorptionsfläche besonders bevorzugt einen Absorptionsgrad von wenigstens 0,4, weiter bevorzugt von wenigstens 0,6, noch weiter bevorzugt von wenigstens 0,8 und besonders bevorzugt von wenigstens 0,85 aufweist. Grundsätzlich ist es möglich, dass der thermische Aktor eine Absorptionsschicht aufweist, die die Absorptionsfläche ausbildet. Hierdurch wird eine funktionale Trennung zwischen dem Material, das die Verstellung bewirkt, und der Lichtaufnahme erreicht.
Des Weiteren ist eine optionale Ausgestaltung möglich, bei der die Verstelleinrichtung ein verstellbares Stellelement aufweist, dessen Verstellung die Verstellung der technischen Eigenschaft bewirkt, wobei das Stellelement vom thermischen Aktor ausgebildet ist oder ein separates Bauteil ist, das kinematisch oder mechanisch mit dem wenigstens einen thermischen Aktor gekoppelt ist. Der thermische Aktor kann also direkt das Stellelement ausbilden, so zum Beispiel als Verschattungselement oder als Ventilklappe. Damit sind Aktorik und Verstellfunktion in dem thermischen Aktor integriert. Es sind jedoch auch Ausführungen möglich, bei denen ein thermischer Aktor ein separates Stellelement betätigt. Mit solchen ist also auch eine funktionale Bauteiltrennung zwischen der Betätigung und der Verstellung möglich. Dabei sollte das Stellelement die optionale Absorptionsfläche nicht gegenüber Licht, das aus Richtung der Vorderseite strahlt, verschatten, insbesondere in keiner Position der Verstellung. Eine Verschattung kann nämlich ein ungewolltes sofortiges Zurückstellen der technischen Eigenschaft bewirken.
Mögliche Ausgestaltungsvarianten bestehen darin, dass das Stellelement aus der Gruppe Verschattungselement, Belüftungsventil (insbesondere für das optionale Bauwerkselement selbst oder eine Belüftung zwischen der Vorderseite und der Rückseite), Durchlaufventil (z. B. für adiabate Kühlung), Bewässerungsventil und Gestaltungselement sein kann. Damit ist also eine autarke Einstellung von Licht-, Luft- oder Flüssigkeitszufuhr möglich. Das Gestaltungselement kommt insbesondere als kinetische bzw. kybernetische Kunst in Betracht.
Grundsätzlich ist es möglich, dass die mechanische Kopplung zwischen dem thermischen Aktor und dem Stellelement direkt oder indirekt ausgebildet ist. Ein Beispiel für eine direkte Kopplung ist ein Verschattungselement, das an einem freien Ende des thermischen Aktors befestigt ist. Eine indirekte Kopplung läge beispielsweise vor, wenn der thermische Aktor über Verbindungselemente eine Jalousie mit mehreren Lamellen betätigt.
Optional ist der thermische Aktor in eine manuelle oder automatische Stelleinrichtung derart integriert, dass die technische Eigenschaft mit der Aktorik des thermischen Aktors und der Einstellung der Stelleinrichtung korreliert. Beispielsweise könnten klassische Lamellenjalousien mittels einer Stelleinrichtung in oder aus dem Blickfeld eines Fensters bewegt und der Winkel der Lamellen durch den thermischen Aktor bewirkt werden. Optional ließe sich mit der Stelleinrichtung auch der Ausgangswinkel für die Stellwinkel des thermischen Aktors vorgeben.
Die mechanische Kopplung zwischen dem thermischen Aktor und dem Stellelement kann durch eine Klemmverbindung oder eine Quetschverbindung ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass der thermische Aktor bei der Montage nicht durch Hitze in seinen Eigenschaften geändert wird.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn im Bewegungsbereich des thermischen Aktors und/oder des Stellelements wenigstens ein Anschlag angeordnet ist. Damit kann eine definierte Zielposition erreicht werden. Besonders bevorzugt sind in zwei Endstellungen Anschläge vorgesehen, zwischen denen sich der thermische Aktor und/oder das Stellelement bewegt, und an welchen der thermische Aktor und/oder das Stellelement bei Erreichen der Endstellung anliegt. Bei dem oder den Anschlägen kann es sich beispielsweise um einen gespannten Faden oder Draht handeln. Ein solcher ist kaum sichtbar.
Die Erfindung umfasst auch Ausgestaltungen, bei denen mehrere Stellelemente und mehrere thermische Aktoren vorgesehen sind. Es sind hierbei Varianten mit mehreren unterschiedlichen zu verstellenden technischen Eigenschaften und auch Varianten mit mehreren gleichen zu verstellenden technischen Eigenschaften möglich. Beispielhaft seien Fassadenelemente mit mehreren Verschattungselementen und optional wenigstens einem Belüftungsventil genannt. Durch eine Feingliedrigkeit von Verschattungselementen und deren Verstellung lässt sich beispielsweise die Verschattung einer architektonischen Konstruktion, zum Beispiel der Gebäudehülle, pixelartig mit den Verschattungselementen nachbilden. Hierdurch wird nicht nur eine lokale Verschattung, insbesondere zum Sonnenschutz, Wärmeschutz oder Blendschutz, bei maximaler Belichtung erreicht, sondern auch eine gestalterische Wirkung erzielt.
Gemäß einer speziellen konstruktiven Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der thermische Aktor an einer Befestigungsstelle festgelegt ist und sich mit einem freien Aktorabschnitt von der Befestigungsstelle weg erstreckt, wobei der freie Aktorabschnitt des thermischen Aktors in Abhängigkeit von der Temperatur des thermischen Aktors unterschiedliche Aktorstellungen einnimmt. Meist schwenkt bzw. umkreist der freie Aktorabschnitt die Befestigungsstelle. Entweder bildet dann ein Teil des freien Aktorabschnitts das Stellelement aus oder der freie Aktorabschnitt weist eine Anbindungsstelle auf, die mechanisch mit dem Stellelement gekoppelt ist. Im letzteren Fall bewegt die Anbindungsstelle des thermischen Aktors durch Verformung des freien Aktorabschnitts in Abhängigkeit von seiner Temperatur in unterschiedliche Aktorstellungen, die mittels der mechanischen Kopplung mit unterschiedlichen Stellelementstellungen des Stellelements korrelieren. Bei Vorsehen der optionalen Absorptionsfläche sollte diese wenigstens auf dem freien Aktorabschnitt angeordnet sein.
Die technische Eigenschaft der thermoaktiven Vorrichtung ist vorzugsweise aus der Gruppe optische Gestaltung, Verschattung, Belüftung und Flüssigkeitszufuhr, wobei die Flüssigkeitszufuhr bevorzugt für eine adiabate Kühlung oder eine Bewässerung ist. Die Erfindung erlaubt es also, mit diesen verstellbaren Eigenschaften auf unterschiedliche Weise autark auf äußere Einflüsse zu reagieren.
Sofern der thermische Aktor eine Formgedächtnislegierung aufweist oder hieraus besteht und als extrinsische Kraft die Schwerkraft vorgesehen ist, sollte der Schwerpunkt des Stellelements in der martensitischen Phase der Formgedächtnislegierung tiefer angeordnet sein als in der austenitischen Phase. Die Schwerkraft kann hierbei die (oder zumindest eine) extrinsische Kraft bereitstellen, mit welcher das Stellelement in der martensitischen Phase pseudoplastisch verformt wird.
In einer speziellen Ausführung ist das Stellelement eine rechteckige Platte oder Lamelle. Derartige dünne Stellelemente lassen sich noch gut mit thermischen Aktoren, die ihre Energie aus Umgebungszuständen beziehen, bewegen. Eine wirtschaftlich interessante Variante liegt darin, dass die thermoaktive Vorrichtung ein vertikal ausgerichtetes Fassadenelement sein kann, und die rechteckige Platte oder Lamelle in der martensitischen Phase der Formgedächtnislegierung im Wesentlichen horizontal ausgerichtet ist und in der austenitischen Phase im Wesentlichen vertikal über dem thermischen Aktor steht. Es sind jedoch auch Bauelemente mit anderer Lageorientierung denkbar. Bei Bauelementen mit einer Glasschicht ist es zu bevorzugen, dass die rechteckige Platte oder Lamelle in der martensitischen Phase der Formgedächtnislegierung im Wesentlichen quer zu der Glasschicht ausgerichtet ist und in der austenitischen Phase nicht, wobei die rechteckige Platte oder Lamelle in der austenitischen Phase vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu der Glasschicht ausgerichtet ist. Entsprechend kann bei hoher Lichteinstrahlung eine Verschattung erzielt werden und bei geringerer Lichteinstrahlung wird die Sichtachse quer zur Glasschicht freigegeben. Nicht unerwähnt bleiben sollen exotisch ausgeführte Ausführungsformen, bei welchen die Ebene der Verschattung nicht parallel zur Glasschicht ausgerichtet ist.
Die thermoaktive Vorrichtung kann optional ein Hauptelement aufweisen, wobei der thermische Aktor relativ zum oder unmittelbar am Hauptelement gelagert ist, wobei vorzugsweise die optionale Befestigungsstelle relativ zu dem Hauptelement festgelegt ist. Bei einem Fassadenelement kann das Hauptelement zum Beispiel einen Rahmen umfassen. Das Hauptelement kann beispielsweise Anschlusskanten aufweisen, insbesondere zum Anschluss benachbarter Elemente zur Ausbildung der architektonischen Konstruktion, wobei die Anschlusskanten vorzugsweise eine rechteckige oder quaderförmige Grundform ausbilden.
Varianten des Hauptelements können darin bestehen, dass das Hauptelement aus der Gruppe Dachelement, Überdachungselement, Verglasungselement, Verglasungssystem, Fassadenelement, Wandelement, Öffnungselement (z.B. ein leerer Rahmen) ist. Diese Bauteile sind regelmäßig wetterexponiert verbaut und die Verstellung von technischen Eigenschaften kann mittels dem thermischen Aktor in Abhängigkeit der verschiedenen äußeren Einflüsse erfolgen.
Eine spezielle Variante betrifft eine thermoaktive Vorrichtung bei der das Hauptelement ein Verglasungssystem mit wenigstens einer Glasschicht aufweist, wobei wenigstens ein Teil der Verstelleinrichtung, vorzugsweise der thermische Aktor und/oder das optionale separate Stellelement, auf der Vorderseite der Glasschichten, oder bei wenigstens zwei Glasschichten zwischen den Glasschichten, oder auf der Rückseite der Glasschichten angeordnet ist. Je nach Anordnung wirken sich die Umgebungseinflüsse unterschiedlich auf die Temperatur des thermischen Aktors aus. Der thermische Aktor und das optionale Stellelement können in der gleichen Ebene liegen, müssen dies jedoch nicht unbedingt. Eine mögliche spezielle Anordnung sieht vor, dass die thermoaktive Vorrichtung ein Verglasungssystem mit einer Systemebene zwischen zwei Glasschichten ist, wobei wenigstens ein Teil der Verstelleinrichtung, vorzugsweise der thermische Aktor und/oder das separate Stellelement, in der Systemebene angeordnet ist. Die Systemebene kann luftdicht verschlossen sein (dies wird auch „Closed Cavity“ Verglasungssystem genannt).
Eine optionale Ausführung der thermoaktiven Vorrichtung besteht darin, dass das Hauptelement ein Verglasungssystem mit einer Systemebene zwischen zwei Glasschichten ist, wobei die technische Eigenschaft eine Verstellung einer Belüftung der Systemebene und/oder eine Verschattung der Rückseite ist. Damit wird eine adaptive Belüftung der Systemebene oder eine Verschattung der Rückseite und dahinter angeordneten Räumlichkeiten erreicht.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Bauwerk mit einer architektonischen Konstruktion, in der eine thermoaktive Vorrichtung wie sie vor- und nachstehend beschrieben ist angeordnet ist. Vorteilhaft hieran ist, dass durch die Verstellung der technischen Eigenschaft mittels dem thermischen Aktor eine dezentrale, adaptive und autarke Anpassung an Umwelteinflüsse möglich ist. Die Vorderseite ist dabei bevorzugt in Richtung einer Außenseite der architektonischen Konstruktion ausgerichtet. Außerdem bildet die architektonische Konstruktion vorzugsweise eine Bauwerks- oder Gebäudeaußenfläche aus, beispielsweise eine Hülle. Hier ist der thermische Aktor nämlich am ehesten wechselnden äußeren Einflüssen ausgesetzt.
Fernerhin betrifft die Erfindung die Verwendung einer thermoaktiven Vorrichtung, wie sie vor- und nachstehend beschrieben ist, in einer architektonischen Konstruktion eines Bauwerks sowie zur Einstellung einer technischen Eigenschaft der architektonischen Konstruktion in Abhängigkeit von der Temperatur des thermischen Aktors. Auch hier liegt der Vorteil darin, dass durch die Verstellung der technischen Eigenschaft mittels dem thermischen Aktor eine dezentrale, adaptive und autarke Anpassung an Umwelteinflüsse möglich ist.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer thermoaktiven Vorrichtung mit einem streifenförmigen thermischen Aktor und einer Belüftungsfunktion;
2 eine schematische Darstellung einer thermoaktiven Vorrichtung mit einem tordierten thermischen Aktor und einer Belüftungsfunktion;
3 eine schematische Darstellung einer thermoaktiven Vorrichtung mit einem streifenförmigen thermischen Aktor und einer Verschattungsfunktion;
4 einen schematischen Ausschnitt eines Bauwerks mit einer architektonischen Konstruktion, die eine Vielzahl an Stellelementen zur Verschattung aufweist;
5 eine schematische Darstellung eines thermischen Aktors, der sich zwischen zwei Aktorstellungen wickelnd verformt;
6 eine schematische Darstellung eines thermischen Aktors, der aus einem streifenförmigen Bimetall ausgebildet ist;
7 eine schematische Darstellung einer thermoaktiven Vorrichtung mit einem spiralförmigen thermischen Aktor und einer Belüftungsfunktion; und
8 eine schematische Darstellung eines spiralförmigen thermischen Aktors.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer thermoaktiven Vorrichtung 1, die zur Anordnung in oder an einer architektonischen Konstruktion oder zur Ausbildung einer architektonischen Konstruktion vorgesehen ist, beispielsweise einer Bauwerkshülle. Die thermoaktive Vorrichtung 1 hat eine Vorderseite 2 und eine der Vorderseite 2 gegenüberliegende Rückseite 3. Im Besonderen weist die thermoaktiven Vorrichtung 1 ein Hauptelement 6 mit einem Rahmen und einem Verglasungssystem auf. Das Verglasungssystem verfügt über zwei Glasschichten 7, 8, zwischen denen eine Systemebene ausgebildet ist. In diese Systemebene mündet durch den Rahmen eine Eintrittsöffnung 20 ein. Diese Eintrittsöffnung 20 ist Teil einer technischen Eigenschaft der thermoaktiven Vorrichtung 1, nämlich einer Belüftung.
Außerdem erkennt man in 1 eine Verstelleinrichtung 4 zur Verstellung der technischen Eigenschaft der thermoaktiven Vorrichtung 1, die vollständig in der Systemebene angeordnet ist. Hierzu weist die Verstelleinrichtung 4 einen thermischen Aktor 10 auf. Dieser besteht im Wesentlichen aus einer Formgedächtnislegierung und übernimmt zugleich die Stellfunktionen eines Aktors und die Detektionsfunktion eines Sensors. Als Material der Formgedächtnislegierung kommt beispielsweise eine NiTi-Legierung (Nickel-Titan-Legierung) in Betracht.
Der thermische Aktor 10 ist an einer Befestigungsstelle 11 relativ zum Hauptelement 6 festgelegt und erstreckt sich mit einem freien Aktorabschnitt 12 von der Befestigungsstelle 11 weg. Der freie Aktorabschnitt 12 des thermischen Aktors 10 nimmt in Abhängigkeit von der Temperatur des thermischen Aktors 10 unterschiedliche Aktorstellungen AS1, AS2 ein. An dem der Befestigungsstelle 11 gegenüberliegendem Ende weist der freie Aktorabschnitt 12 eine Anbindungsstelle 13 auf, die mechanisch mit einem Stellelement 5 gekoppelt ist. Insbesondere diese Anbindungsstelle 13 des thermischen Aktors 10 wird durch die Verformung des freien Aktorabschnitts 12 in Abhängigkeit von seiner Temperatur in unterschiedliche Aktorstellungen AS1, AS2 bewegt. Diese korrelieren aufgrund der mechanischen Kopplung mit unterschiedlichen Stellelementstellungen S1, S2 des Stellelements 5.
Die Verstellung des Stellelements 5 bewirkt die Verstellung der technischen Eigenschaft. Insbesondere ist das Stellelement 5 dazu vorgesehen, die Eintrittsöffnung 20 zu verschließen und freizugeben. Entsprechend bildet das Stellelement 5 ein Belüftungsventil. Man erkennt, dass das Stellelement 5 ein separates Bauteil ist, das an der Anbindungsstelle 13 unmittelbar mechanisch mit dem thermischen Aktor 10 verbunden ist. Die direkte mechanische Kopplung zwischen dem thermischen Aktor 10 und dem Stellelement 5 kann beispielsweise durch eine Klemmverbindung oder eine Quetschverbindung ausgebildet sein.
Damit korreliert die technische Eigenschaft bzw. die Belüftung mit der Verformung des thermischen Aktors 10, wobei die Verformung des thermischen Aktors 10 von dessen Temperatur abhängig ist. Bei einer erhöhten Temperatur nimmt die Formgedächtnislegierung eine austenitische Phase (Hochtemperaturphase) ein. Hierbei steht das Stellelement 5 fast senkrecht über dem geraden thermischen Aktor 10. Der thermische Aktor 10 befindet sich in einer zweiten Aktorstellung AS2 und das Stellelement in einer zweiten Stellelementstellung S2.
Bei einer Absenkung der Temperatur des thermischen Aktors 10 unter einen Grenzwert, wechselt die Formgedächtnislegierung in eine martensitische Phase (Niedrigtemperaturphase). Eine minimale Auslenkung des Stellelements 5 in der austenitischen Phase genügt, damit die Schwerkraft als extrinsische Kraft den thermischen Aktor 10 in der martensitischen Phase pseudoplastisch verformt. Damit die minimale Auslenkung in der austenitischen Phase prozesssicher eingenommen wird, sollte ein Anschlag vorgesehen werden. Durch die pseudoplastische Verformung des thermischen Aktors 10 biegt sich der thermische Aktor 10 derart in eine erste Aktorstellung AS1, dass das Stellelement 5 von der zweiten Stellelementstellung S2 in eine erste Stellelementstellung S1 schwenkt. In dieser ersten Stellelementstellung S1 deckt das Stellelement 5 die Eintrittsöffnung 20 ab. Dabei bildet die Einfassung der Eintrittsöffnung 20 einen Anschlag 16 sowie eine Dichtfläche aus, an der das Stellelement 5 anliegt. Der thermische Aktor 10 ist also mit der extrinsischen Kraft in Richtung der ersten Stellelementstellung S1 belastet und der thermische Aktor 10 wirkt der extrinsischen Kraft in Abhängigkeit von seiner Temperatur entgegen. Sobald die Temperatur des thermischen Aktors 10 wieder steigt, wechselt die Formgedächtnislegierung wieder in die austenitische Phase. Hierdurch wird der thermische Aktor 10 wieder in die zweite Aktorstellung AS2 und das Stellelement 5 wieder in die zweite Stellelementstellung S2 bewegt. Man erkennt, dass der Schwerpunkt des Stellelements 5 in der martensitischen Niedrigtemperaturphase der Formgedächtnislegierung tiefer angeordnet ist als in der austenitischen Hochtemperaturphase.
Der thermische Aktor 10 ist autark angetrieben. Insbesondere ist am thermischen Aktor 10 kein Strom angelegt und es ist auch kein Stromanschluss mit dem thermischen Aktor 10 verbunden. Stattdessen hängt die Temperatur des thermischen Aktors 10 ausschließlich von natürlichen äußeren Einflüssen ab, zum Beispiel von der solaren Strahlung und/oder der Umgebungstemperatur. Vorliegend weist der thermische Aktor 10 eine Absorptionsfläche 14 auf, die exponiert für aus Richtung der Vorderseite 2 strahlendes Licht L angeordnet ist. Insbesondere ist die Absorptionsfläche 14 wenigstens auf dem freien Aktorabschnitt 12 angeordnet. Damit eine hohe Absorption erzielt wird, weist die Absorptionsfläche 14 einen hohen Absorptionsgrad auf, der wenigstens 0,4, weiter bevorzugt wenigstens 0,6, noch weiter bevorzugt wenigstens 0,8 und besonders bevorzugt wenigstens 0,85 beträgt. Dies kann beispielsweise durch eine Absorptionsschicht 15 erreicht werden. Das Stellelement 5 und der thermische Aktor 10 sind so angeordnet, dass die Absorptionsfläche 14 nicht gegenüber Licht L, das aus Richtung der Vorderseite 2 strahlt, verschattet wird, insbesondere in keiner Position der Verstellung. In einer speziellen optionalen Ausgestaltung kann der thermische Aktor 10 beispielsweise einen Draht aus einer Formgedächtnislegierung aufweisen, der einen eine Absorptionsfläche 14 ausbildenden Streifen trägt. Hierdurch wird die Absorptionsoberfläche vergrößert und die notwendige Menge an Formgedächtnislegierung geringgehalten.
Die Temperatur des thermischen Aktors 10 ist durch die vorstehende Ausgestaltung von der auf die Absorptionsfläche 14 treffenden Menge Licht L abhängig. Zusätzlich ist die Temperatur des thermischen Aktors 10 von dem Wärmeaustausch mit der Umgebung abhängig, insbesondere basierend auf der Umgebungstemperatur und/oder Konvektion innerhalb der Systemebene.
Optional kann der thermische Aktor 10 jedoch auch in einem verschatteten Bereich angeordnet sein. Hiermit lässt sich die Belüftung insbesondere im Wesentlichen von der Lufttemperatur in der Systemebene abhängig machen. Eine Absorptionsfläche 14 wird dann nicht benötigt.
Unabhängig davon, ob der thermische Aktor 10 verschattet oder unverschattet angeordnet ist, wirkt die aktivierte Belüftung einer hohen Temperatur in der Systemebene entgegen und die Deaktivierung der Belüftung verhindert eine zu starke Auskühlung der Systemebene.
2 zeigt ebenfalls eine schematische Darstellung einer thermoaktiven Vorrichtung 1. Im Unterschied zu 1 sind aber kein Hauptbauteil und keine Glasscheiben vorgesehen. Außerdem unterscheidet sich die Form des thermischen Aktors 10, der jedoch auch hier eine Formgedächtnislegierung aufweist. Während in 1 ein streifenförmiger thermischer Aktor 10 eine Verformung durch Biegung durchführt, ist in 2 ein Stab vorgesehen, welcher sich durch Torsion verformt und so unterschiedliche Aktorstellungen AS1, AS2 einnimmt. Die Haltestelle liegt nicht in der Bildebene und kann daher nicht gesehen werden. Auch hier ist die technische Funktion eine Belüftung, welche durch die Stellelementstellungen S1, S2 des Stellelements 5 freigegeben oder blockiert wird. Im Weiteren wird auf die Beschreibung zu 1 verwiesen.
In 3 ist eine Verstelleinrichtung 4 einer thermoaktiven Vorrichtung 1 gezeigt, die im Wesentlichen derjenigen von 1 entspricht. Allerdings ist hier keine Eintrittsöffnung vorgesehen, und die technische Eigenschaft, welche mit Hilfe des thermischen Aktors verstellt wird, ist eine Verschattung. Bei hoher Sonneneinstrahlung und damit verbunden einer hohen Temperatur des thermischen Aktors 10 wird das Stellelement 5 in den Strahlengang des Lichtes L gestellt. Bei geringer Lichtmenge L legt sich das Stellelement 5 um Licht von der Vorderseite 2 zur Rückseite 3 der thermoaktiven Vorrichtung 1 passieren zu lassen.
4 zeigt einen schematischen Ausschnitt eines Bauwerks 100 mit einer architektonischen Konstruktion 101, nämlich eine Fassade, die eine Bauwerks- oder Gebäudehülle ausbildet. In der architektonischen Konstruktion 101 ist eine thermoaktive Vorrichtung 1 angeordnet, die ein Hauptelement 6 mit einem Rahmen, der Anschlusskanten ausbildet, und ein Verglasungssystem aufweist. Die Anschlusskanten dienen dem Anschluss benachbarter Elemente zur Ausbildung der architektonischen Konstruktion 101, wobei die Anschlusskanten eine rechteckige bzw. quaderförmige Grundform ausbilden.
Das Verglasungssystem hat zwei Glasschichten 7, 8 zwischen denen eine Systemebene angeordnet ist. Eine Vorderseite 2 der thermoaktiven Vorrichtung 1 liegt auf einer Außenseite der architektonischen Konstruktion 101. Die Rückseite 3 weist in Richtung der Räumlichkeiten hinter der Fassade.
In der Systemebene ist eine Vielzahl an Verstelleinrichtungen 4 mit Stellelementen 5 zur Verschattung angeordnet, wie sie aus 3 hervorgehen. Die Stellelemente 5 sind jeweils von einer rechteckigen Platte ausgebildet. Durch die feingliedrige Anordnung der Stellelemente 5 kann mit diesen auf der Fassade ein Abbild einer Verschattung erzeugt werden, sodass von kinetischer bzw. kybernetischer Kunst geredet werden kann. Damit werden gleich zwei technische Eigenschaften der thermoaktiven Vorrichtung 1 verstellt, nämlich die optische Gestaltung und die Verschattung. Die Stellelemente 5 bzw. die rechteckigen Platten sind in der martensitischen Phase der Formgedächtnislegierung im Wesentlichen quer und in der austenitischen Phase vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu der Glasschicht ausgerichtet.
Optional können auch mehrere Stellelemente 5 mit einem gemeinsamen thermischen Aktor angetrieben werden. Zusätzlich kann auch eine Verstelleinrichtung mit Belüftungsfunktion vorgesehen sein, beispielsweise gemäß den 1 oder 2.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines thermischen Aktors 10, der sich zwischen zwei Aktorstellungen AS1, AS2 wickelnd verformt. Der thermische Aktor 10 ist an einer Befestigungsstelle 11 festgelegt und erstreckt sich mit einem freien Aktorabschnitt 12 von der Befestigungsstelle 11 weg. Bei geringer Temperatur nimmt der freie Aktorabschnitt 12 eine eingewickelte erste Aktorstellung AS1 ein. Sobald er sich erwärmt, insbesondere durch Absorption von Licht L mit einer Absorptionsfläche 14, die eine Absorptionsschicht aufweist, entwickelt sich der freie Aktorabschnitt 12 bis hin zu einer geraden Erstreckung. Letztere ist die zweite Aktorstellung AS2, in der der thermische Aktor 10 das von der Vorderseite 2 zur Rückseite 3 strahlende Licht blockiert und so eine Verschattung bewirkt. Der thermische Aktor 10 bildet hier also selbst das Stellelement 5 aus. Als Material eignen sich für einen solchen thermischen Aktor 10 sowohl Bimetalle als auch Formgedächtnislegierungen.
Wie ein thermischer Aktor 10 mit einem streifenförmigen zweischichtigen Bimetall aussehen kann, ist in 6 schematisch dargestellt. Hier erkennt man in einer Seitenansicht die Befestigungsstelle 11, von der sich der freie Aktorabschnitt 12 wegerstreckt. Das gegenüberliegende freie Ende des freien Aktorabschnitts 12 kann optional eine Anbindungsstelle 13 für weitere Bauelemente ausbilden. Außerdem ist eine Absorptionsfläche 14 gekennzeichnet, auf der eine Absorptionsschicht 15 aufgebracht ist.
7 enthält eine schematische Darstellung einer thermoaktiven Vorrichtung 1, wie sie auch in 2 gezeigt ist. In Abweichung zu 2 ist allerdings als thermischer Aktor 10 statt des tordierten Stabs aus einer Formgedächtnislegierung eine Spirale aus einem Bimetall vorgesehen. Dieser thermische Aktor 10 wird als Einzelteil in 8 schematisch aus einer anderen Perspektive gezeigt. Aus 8 geht zusätzlich auch die Befestigungsstelle 11 hervor, die nicht in der Bildebene der 7 liegt, und daher in 7 nicht sichtbar ist.
Die Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar.
So ist es beispielsweise möglich, dass die thermoaktive Vorrichtung ein Bauelement aus der Gruppe Dachelement, Überdachungselement, Verglasungselement, Verglasungssystem, Fassadenelement, Wandelement, Öffnungselement (z.B. ein Rahmen) ist. Insbesondere können die Bauelemente auch geodätisch schräg oder horizontal ausgerichtet sein. Fernerhin sind verschiedene extrinsisch auf den thermischen Aktor wirkende Elemente anordenbar, um bestimmte Aktorbewegungen und -stellungen zu bewirken.
Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1: thermoaktive Vorrichtung
2: Vorderseite
3: Rückseite
4: Verstelleinrichtung
5: Stellelement
6: Hauptelement
7: erste Glasschicht
8: zweite Glasschicht
10: thermischer Aktor
11: Befestigungsstelle
12: freier Aktorabschnitt
13: Anbindungsstelle
14: Absorptionsfläche
15: Absorptionsschicht
16: Anschlag
20: Eintrittsöffnung
100: Bauwerk
101: architektonische Konstruktion
AS1: erste Aktorstellung
AS2: zweite Aktorstellung
L: Licht
S1: erste Stellelementstellung
S2: zweite Stellelementstellung

Claims

Thermoaktive Vorrichtung (1), vorzugsweise ein Bauwerkselement zur Anordnung in oder an einer architektonischen Konstruktion (101) oder zur Ausbildung einer architektonischen Konstruktion (101), mit einer Vorderseite (2) und einer der Vorderseite (2) gegenüberliegenden Rückseite (3), und mit einer Verstelleinrichtung (4) zur Verstellung einer technischen Eigenschaft der thermoaktiven Vorrichtung (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (4) wenigstens einen thermischen Aktor (10) aufweist, wobei der thermische Aktor (10) ein Material aus der Gruppe Formgedächtnislegierung und Bimetall aufweist oder aus einem solchen Material besteht, und wobei die technische Eigenschaft mit einer Verformung des thermischen Aktors (10) korreliert und die Verformung des thermischen Aktors (10) von dessen Temperatur abhängig ist.
Thermoaktive Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des thermischen Aktors (10) ausschließlich von natürlichen äußeren Einflüssen abhängig ist.
Thermoaktive Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung des thermischen Aktors (10) eine Biegung, Torsion oder Dehnung ist.
Thermoaktive Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Aktor (10) mit einer extrinsischen Kraft in Richtung einer ersten Stellung belastet ist und der thermische Aktor (10) der extrinsischen Kraft in Abhängigkeit von seiner Temperatur entgegenwirkt.
Thermoaktive Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Aktor (10) streifenförmig, drahtförmig, blechförmig oder als Dünnschichtelement ausgebildet ist.
Thermoaktive Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Aktor (10) eine Absorptionsfläche (14) aufweist, die exponiert für aus Richtung der Vorderseite (2) strahlendes Licht (L) angeordnet ist, wobei die Temperatur des thermischen Aktors (10) wenigstens von einer auf die Absorptionsfläche (14) treffenden Menge Licht (L) abhängig ist.
Thermoaktive Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (4) ein verstellbares Stellelement (5) aufweist, dessen Verstellung die Verstellung der technischen Eigenschaft bewirkt, wobei das Stellelement (5) vom thermischen Aktor (10) ausgebildet ist oder ein separates Bauteil ist, das mechanisch mit dem wenigstens einen thermischen Aktor (10) gekoppelt ist.
Thermoaktive Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (5) aus der Gruppe Verschattungselement, Belüftungsventil, Durchlaufventil, Bewässerungsventil und Gestaltungselement ist.
Thermoaktive Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Kopplung zwischen dem thermischen Aktor (10) und dem Stellelement (5) direkt oder indirekt ausgebildet ist.
Thermoaktive Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Aktor (10) an einer Befestigungsstelle (11) festgelegt ist und sich mit einem freien Aktorabschnitt (12) von der Befestigungsstelle (11) weg erstreckt, wobei der freie Aktorabschnitt (12) des thermischen Aktors (10) in Abhängigkeit von der Temperatur des thermischen Aktors (10) unterschiedliche Aktorstellungen (AS1, AS2) einnimmt.
Thermoaktive Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die technische Eigenschaft aus der Gruppe optische Gestaltung, Verschattung, Belüftung und Flüssigkeitszufuhr ist.
Thermoaktive Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese ein Hauptelement (6) aufweist, wobei der thermische Aktor (10) relativ zum oder unmittelbar am Hauptelement (6) gelagert ist.
Thermoaktive Vorrichtung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptelement (6) aus der Gruppe Dachelement, Überdachungselement, Verglasungselement, Verglasungssystem, Fassadenelement, Wandelement, Öffnungselement ist.
Thermoaktive Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptelement (6) ein Verglasungssystem mit wenigstens einer Glasschicht (7, 8) aufweist, wobei wenigstens ein Teil der Verstelleinrichtung (4), auf der Vorderseite (2) der Glasschichten (7, 8), oder zwischen den Glasschichten (7, 8), oder auf der Rückseite (3) der Glasschichten (7, 8) angeordnet ist.
Thermoaktive Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptelement (6) ein Verglasungssystem mit einer Systemebene zwischen zwei Glasschichten ist, wobei die technische Eigenschaft eine Verstellung einer Belüftung der Systemebene und/oder eine Verschattung der Rückseite ist.
Bauwerk (100) mit einer architektonischen Konstruktion (101), in der eine thermoaktive Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche angeordnet ist.
Verwendung einer thermoaktiven Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 in einer technischen Konstruktion (101), vorzugsweise einer architektonischen Konstruktion eines Bauwerks (100), zur Einstellung einer technischen Eigenschaft der technischen Konstruktion (101) in Abhängigkeit von der Temperatur des thermischen Aktors (10).