DE19538651A1 - Sonnenschutzvorrichtung aus einem für Sonnenlicht transparenten Material - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sonnenschutz­ vorrichtung aus einem für Sonnenlicht transparenten Material, das flächig ausgebildet ist und eine glatte Oberfläche aufweist, die vom Sonnenlicht bestrahlt wird. Ferner ist die der Oberfläche gegenüberliegende Unterseite derart regelmäßig strukturiert, daß wenigstens eine prismenstabartig ausgebildete Kontur vorgesehen ist, deren Querschnitt ein, in etwa rechtwinkliges Dreieck aufweist.

Gattungsgemäße Sonnenschutzvorrichtungen werden an Gebäudefassaden bzw. sonnenlichtdurchlässigen Ge­ bäudedecken angebracht, um beispielsweise als Blendschutz oder als Überhitzungsschutz zu dienen und einen direkten Lichteinfall zu vermeiden. Überdies dienen derartige Vorrichtungen der verbesserten Aus­ leuchtung von Räumen mit Tageslicht.

Aus der US 4 522 467 geht eine Dachfensterverglasung hervor, die einzelne Prismenelemente aufweist, durch die das von oben einfallende Sonnenlicht derart zurück­ reflektiert wird, so daß eine weitgehend gleichbleibende Transparenz trotz des sich täglich ändernden Sonnenstandes erreicht werden kann. Die für die Reflexion der Sonnenstrahlen erforderlichen Prismenkörper sind auf einer Kathedenfläche mit einer reflektierenden Schicht überzogen. Diese verspiegelte Seitenfläche des Prismas ist dabei derart ausgerichtet, daß das direkte Sonnenlicht bei bestimmten Son­ nenständen an dieser Fläche reflektiert wird.

Ferner geht aus der US-4 517 960 ein Sonnenschutz­ system hervor, das aus einer Vielzahl, jeweils um ihre Längsachse drehbar angeordnete Scheiben aus für Son­ nenlicht transparentes Material besteht, deren der Sonne ausgerichtete Oberflächen glatt ausge­ bildet sind und deren Unterseiten jeweils prismenstab­ artige Konturen aufweisen. Je nach Ausrichtung der einzelnen Scheiben, vorzugsweise Glasplatten relativ zum Sonnenstand wirkt das Sonnenschutzsystem insgesamt transmittierend bzw. reflektierend. Im Falle der re­ flektierenden Wirkung erfolgen die einzelnen Re­ flexionsereignisse nach den Gesetzen der Totalreflexion, die jedoch in einem nur sehr engen Winkelbereich für den Einfallswinkel auf die glatten Oberflächen in Erscheinung treten. So ist es er­ forderlich, die Sonnenschutzvorrichtung entsprechend ihrem Freiheitsgrad um ihre Längsachse stets dem höchsten Tagessonnenstand anzupassen, um den Winkelbedingungen der Totalreflexion zu genügen, so daß die Son­ nenschutzvorrichtung die gewünschte Schutzfunktion gegen Blendung und/oder Überhitzung erzielen kann.

Untersuchungen haben ergeben, daß Sonnenschutz­ vorrichtungen nach Maßgabe der in der US 4 517 960 beschriebenen Art nur in einem charakteristischen Θ-Winkelbereich von ca. 10° total reflektierend sind. Dies bedeutet jedoch, daß die Ausrichtung der einzelnen Scheiben dem jeweiligen Sonnenstand angepaßt werden muß, so daß die auf die Scheiben einfallenden Licht­ strahlen in den vorbeschriebenen Winkelbereich fallen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sonnen­ schutzvorrichtung aus einem für Sonnenlicht transparenten Material, das flächig ausgebildet ist und eine glatte Oberfläche aufweist, die vom Licht be­ strahlt wird sowie eine regelmäßig strukturierte Unter­ seite vorsieht, die jeweils parall verlaufende, prismenstabartig ausgebildete Konturen aufweist, deren Querschnitte jeweils ein, in etwa rechtwinkliges Dreieck aufweisen, derart auszugestalten, so daß in Abhängigkeit des sich ändernden Sonnenstandes notwendige Justierungen an der Sonnenschutzvorrichtung selbst überflüssig werden. Die Sonnenschutzvorrichtung soll nach einmaliger Anpassung an die Breitenverhält­ nisse leicht in Gebäudefassaden integrierbar sein und zu Zeiten eines hohen Sonnenstandes Schutzeigenschaften gegen Blendung sowie Überhitzung aufweisen und zu Zeit­ en niedrigen Sonnenstandes transparentes Verhalten annehmen. Schließlich soll die Sonnenschutzvorrichtung Durchsichteigenschaften aufweisen.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Ausführungs­ formen sind den Ansprüchen 2 ff. zu entnehmen.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, ausgehend von der an sich bekannten Struktur einer Sonnenschutzvor­ richtung gemäß der US 4 517 960 den Winkelbereich in dem Totalreflexionen stattfindet zu vergrößern. Es ist erfindungsgemäß erkannt worden, daß durch Anstel­ lung des rechtwinkligen Dreieckes relativ zur glatten Oberfläche der Sonnenschutzvorrichtung der Winkelbe­ reich in dem Totalreflexionen stattfinden, erheblich vergrößert werden kann. Durch Anstellung des recht­ winkligen Dreiecks um einen Winkel β, der ungleich 0° ist und vorzugsweise etwa 30° beträgt, kann unter Berücksichtigung der an der glatten Oberfläche auf­ tretenden Brechung der die Totalreflexion bestimmende Winkelbereich im Vergleich zu bekannten Sonnenschutz­ vorrichtungen mehr als verdoppelt werden.

Vorzugsweise ist das über den Winkel β relativ zur glatten Oberfläche angekippte rechtwinklige Dreieck durch einen dritten Seitenschenkel zu ergänzen, so daß sich die auf der Unterseite der Sonnenschutzvorrichtung ergebende Kontur aus jeweils parallel liegenden prismenstabartigen Oberflächenformen zusammensetzt, wobei jede einzelne Oberflächenform im Querschnitt zwei gleichschenkelige, einen in etwa rechten Winkel ein­ schließende Seiten sowie einen dritten Seitenschenkel aufweist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Aus­ führungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1a, b Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sonnenschutzvorrichtung,

Fig. 2a, b schematisierter Strahlenverlauf inner­ halb der schematisierten Querschnitts­ darstellung einer erfindungsgemäßen Sonnenschutzvorrichtung bei hohem und niedrigem Sonnenstand,

Fig. 3a, b Gegenüberstellung zweier Transmissions­ diagramme einer Sonnenschutzvorrichtung gemäß dem Stand der Technik und einer erfindungsgemäßen Sonnenschutzvor­ richtung,

Fig. 4 Sonnenstandsdiagramm bei 48° nörd­ licher Breite mit Funktion für Winkelbereiche, in denen die Total­ reflexionsbedingungen erfüllt sind.

In Fig. 1a ist eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sonnenschutzvorrichtung dargestellt. Der, den Sonnenstrahlen S unmittelbar ausgesetzten glatten Oberfläche 1 ist gegenüberliegend eine Unterseite mit parallel verlaufenden, prismenstabartig ausgebildeten Konturen 2 angebracht. Die Sonnenschutzvorrichtung ist aus für Sonnenlicht transparentes, dielektrisches Material gefertigt und weist an seiner Unterseite relativ zur x-y-Ebene in jeder einzelnen prismenstabartig ausgebildeten Kontur in bestimmten Winkeln zueinander angeordnete, ebene Flächen auf.

Entlang der z-Richtung verändert sich die Struktur nicht.

Aus Fig. 1b ist eine schematisierte Querschnitts­ darstellung entlang der x-y-Ebene durch die er­ findungsgemäße Sonnenschutzvorrichtung dargestellt. Die Unterseitenkontur ist von der Oberfläche 1 etwas beab­ standet angeordnet und weist ein, unter einem Winkel β gegenüber der Oberfläche 1 angekipptes, gleichschen­ keliges, rechtswinkliges Dreieck D auf. Ferner ist an der rechten Kathedenseite des Dreiecks D eine dritte Seitenfläche 3 angesetzt. Durch die erfindungsgemäße Anstellung des vorzugsweise gleichschenkligen, re­ chtwinkligen Dreiecks um einen Winkel β kann wie im folgenden noch dargestellt wird, der Bereich des Ein­ fallswinkels, unter dem Sonnenstrahlen S auf die Ober­ fläche 1 der Sonnenschutzvorrichtung auftreffen und bei dem Totalreflexion stattfindet, erheblich vergrößert werden. Dies wird durch die bei schrägem Lichteinfall an der Oberfläche 1 auftretenden Brechung erreicht.

Bereits während der Fabrikation der erfindungsgemäßen Sonnenschutzvorrichtung ist der Winkel β in Ab­ hängigkeit der geographischen Breite des Ortes, an dem die Sonnenschutzvorrichtung beispielsweise in Fassaden integriert werden soll, beliebig einzustellen. Da die Sonnenhöhe im Jahresverlauf auf einen bestimmten Winkelbereich begrenzt ist, kann durch geeignete Ein­ stellung des Winkels β und geeignete Wahl eines Materials mit einem geeigneten Brechungsindex fast jeder gewünschte Ausblendbereich erreicht werden.

Die als kleiner Ausschnitt in Fig. 1a dargestellte Sonnenschutzvorrichtung wird vorzugsweise derart in vertikale Gebäudefassaden eingebracht, so daß die parallel verlaufenden Konturen 2 horizontal angeordnet sind. Der Winkel Θ entspricht dem Winkel zwischen der Normalen auf der glatten Oberfläche der Son­ nenschutzvorrichtung und den auf die Oberfläche ein­ fallenden Sonnenstrahlen. Der Winkel Φ entspricht dem Azimutwinkel, der sich ständig im Verlauf eines Tages durch die Sonnenwanderung ändert. Auf beide Winkel wird in den weiteren Figuren noch eingegangen.

Die schematisierte Darstellung der Fig. 2a und b entspricht einem Querschnitt einer senkrecht ange­ brachten Sonnenschutzvorrichtung beispielsweise an einer Gebäudefassadenwand. Fig. 2a stellt die Situation eines sehr hohen Sonnenstandes dar, der beispielsweise in der Sommerzeit vorherrscht. Wünschenswerterweise soll die Sonnenschutzvorrichtung bei sehr intensiver Sonneneinstrahlung, wie es gerade zur Sommerzeit der Fall ist, möglichst geringe Transmissionseigenschaften aufweisen, so daß der Hauptanteil der Strahlung möglichst zurückreflektiert werden soll. Aus der Figurendarstellung gemäß 2a treffen die einfallenden Lichtstrahlen 4 und 4′ auf die erfindungsgemäße Struktur auf, werden an der Oberfläche 1 gebrochen und unterliegen im Inneren der Sonnenschutz­ vorrichtung an den entsprechenden Grenzflächen Totalreflexionen, so daß die Lichtstrahlen im wesentlichen ohne die Sonnenschutzvorrichtung zu durch­ dringen in gleicher Richtung zur Einfallsrichtung nach außen zurückreflektiert werden.

Demgegenüber sieht Fig. 2b den Fall vor, daß der Sonnenstand sehr niedrig ist, wie es beispielsweise in der Winterzeit der Fall ist. Hierbei treffen die Sonnenstrahlen 4 unter einem kleinen Einfallswinkel Θ auf die Oberfläche 1 der Sonnenschutzvorrichtung auf, werden an dieser gebrochen und gelangen jedoch im wesentlichen verlustfrei durch die Sonnenschutzvorrichtung hindurch. Wie aus dem Strahlenverlauf der in die Sonnenschutz­ vorrichtung eindringenden Strahlen ersichtlich, treffen die an der Oberfläche 1 gebrochenen Strahlen an der zweiten Kathedenfläche des rechtwinkligen Dreiecks unter einem Winkel auf, der größer ist als der Grenzwinkel, unter dem Totalreflexion stattfindet. Auf diese Weise durchdringen die einfallenden Lichtstrahlen die Sonnenschutzvorrichtung und gelangen in das Innere bspw. eines Gebäudes.

Wie aus den Fig. 2a und b ersichtlich, ist die Orientierung der Sonnenschutzvorrichtung vorzugsweise derart vorzunehmen, daß die weitere Seitenfläche 3 bei jeder Kontur jeweils über dem rechtwinkligen Dreieck D angeordnet ist.

Die Fig. 3a und b stellen Transmissionsdiagramme der in Abhängigkeit des Einfallswinkels Θ der in Fig. 1a eingetragen ist. Fig. 3a zeigt ein Transmissions­ diagramm einer an sich bekannten Sonnenschutzvor­ richtung, wie sie beispielsweise aus der vorgenannten amerikanischen Druckschrift US 4 517 960 hervorgeht. Das rechtwinklige Dreieck ist in diesem Fall ohne Anstellung gegenüber der Oberfläche angebracht. Aus dem Transmissionsdiagramm ist deutlich zu erkennen, daß der Bereich, in dem die Transmission auf 0 zurückgeht, d. h. in dem Totalreflexion stattfindet, maximal 10° beträgt. Die Funktion der Transmission fällt etwa bei 55° auf 0 zurück und steigt bei etwa 65° sehr steil wieder an. Der in Fig. 3a dargestellte Funktionsver­ lauf der Transmission wird erhalten mit einer Sonnen­ schutzvorrichtung gemäß der vorgenannten amerikanischen Druckschrift, die 60° gegenüber der Vertikalen angebracht ist. Dies kann durch entsprechende Verdrehung um die Längsachse eingestellt werden.

Im Unterschied zu der bekannten Sonnenschutzvorrichtung weist die erfindungsgemäße Sonnenschutzvorrichtung unter Einarbeitung eines Winkels β von etwa 30° die in Fig. 3b dargestellte Transmissionskurve auf. Das Transmissionsdiagramm zeigt im Winkelbereich zwischen etwa 42° und 65° einen erheblichen Einbruch der Transmission, der mit dem Auftreten von Total­ reflexionen verbunden ist. Das Diagramm ist zu erhalten unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Sonnenschutzvor­ richtung, die aus transparentem Polycarbonat gefertigt ist und zeigt eindeutig einen mehr als doppelt so großen Winkelbereich, in dem Totalreflexionen stattfinden, als es im vorher genannten, bekannten Beispiel der Fall ist.

In Abb. 4 ist ein Sonnenstandsdiagramm darge­ stellt, dessen Abszisse den Sonnenazimutwinkel Θ dar­ stellt und an dessen Ordinate die Sonnenstandshöhe, skaliert in Winkeln zwischen 0° und 90° aufgetragen sind. Die einzelnen durchgezogenen Funktionslinien zeigen in Abhängigkeit der Uhrzeit, die entlang der jeweiligen durchgezogenen parabelförmigen Linien darge­ stellt sind, den Wegverlauf der Sonne am Himmel in Abhängigkeit der jeweiligen Monate. So verläuft bei­ spielsweise die Sonne im Monat Dezember nur sehr flach über den Horizont und erreicht zur Mittagszeit eine Maximalhöhe von etwa 18°, wohingegen sie zur Sommerzeit im Monat Juni einen Sonnenhöchststand zur Mittagszeit von 75° erreicht. Ebenso ist in das gleiche Diagramm strichpunktiert der Grenzwinkelbereich eingezeichnet, ab den eine erfindungsgemäße Sonnenschutzvorrichtung, die aus Polycarbonat gefertigt ist, total reflexierend wirkt. Im Winkelbereich über der strichpunktierten Linie tritt Totalreflexion auf, wohingegen darunter die Sonnenschutzvorrichtung für Sonnenstrahlen trans­ parent ist.

Aus dem vorstehenden Vergleich wird deutlich, daß die erfindungsgemäße Sonnenschutzvorrichtung, die an Fassaden in einem Bereich von 48° nördlicher Breite angebracht ist, in der Zeit von März bis September die Sonnenstrahlen im wesentlichen zurückreflektiert, wohingegen in der Zeit von Oktober bis Februar der Sonnenschutz transmittierend ist.

Die erfindungsgemäße Sonnenschutzvorrichtung weist daher den Vorteil auf, daß bei einmaliger Konditionierung der geometrischen Verhältnisse der Konturen auf der Unterseite der Sonnenschutzvor­ richtung in Anpassung an die geographische Breite des Einsatzortes ein ganzjähriger, gewünschter Schutz vor direkter Sonneneinstrahlung erreicht werden kann. Überhitzungen im Sommer im Rauminneren können auf diese Weise ohne weitere Einstellungsmaßnahmen erreicht werden, wohingegen im Winter der Sonnenschutz gute Transmissionseigenschaften aufweist. Auch bei nur einteiliger Verwendung der erfindungsgemäßen Sonnen­ schutzvorrichtung ist eine Durchsicht durch die Vorrichtung möglich, so daß der Bezug der zur Außenwelt nicht verloren geht.

Claims (8)

1. Sonnenschutzvorrichtung aus einem für Sonnenlicht transparenten Material, das flächig ausgebildet ist und eine glatte Oberfläche aufweist, die vom Licht be­ strahlt wird sowie eine regelmäßig strukturierte Unter­ seite vorsieht, die wenigstens eine, prismenstabartig ausgebildete Kontur aufweist, deren Querschnitt ein, in etwa rechtwinkliges Dreieck aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das rechtwinklige Dreieck relativ zur glatten Oberfläche derart angeordnet ist, daß die Verlängerung der Verbindungslinie der Kathetenendpunkte des recht­ winkligen Dreiecks mit der glatten Oberfläche einen Winkel β einschließt, der ungleich 0° ist.

2. Sonnenschutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere prismenstabartig ausgebildete Konturen auf der Unterseite angebracht sind, die jeweils parallel ver­ laufen.

3. Sonnenschutzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das rechtwinklige Dreieck ein gleichschenkliges Dreieck ist, so daß sich die prismenstabartig ausge­ bildete Kontur der Unterseite aus den Kathetenseiten­ flächen des gleichschenklichen Dreiecks sowie einer dritten Seitenfläche zusammensetzt.

4. Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel β zwischen 25° und 40°, vorzugs­ weise 30° beträgt.

5. Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonnenschutzvorrichtung in Ge­ bäudefassaden integrierbar ist, wobei die glatte Oberfläche zur Außenseite gerichtet ist und die prismenstabartig ausgebildete Kontur horizontal ver­ läuft.

6. Sonnenschutzvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die längere Kathetenseite bzw. die dritte Sei­ tenfläche jeder einzelnen parallel verlaufenden, prismenstabartig ausgebildeten Kontur oberhalb des rechten Winkels angeordnet ist.

7. Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Material dielektrisch ist.

8. Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Polycarbonat ist.