DE19817432C1

DE19817432C1 - Temperatursensible Verschattungsvorrichtung

Info

Publication number: DE19817432C1
Application number: DE19817432A
Authority: DE
Inventors: Harry Wirth
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1998-04-20
Filing date: 1998-04-20
Publication date: 1999-08-26
Anticipated expiration: 2018-04-21

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine temperatursensible Verschattungsvorrichtung zum Schutz vor Sonneneinstrahlung auf Fassadenflächen oder einen, vor übermäßi ger Erwärmung zu schützenden Gegenstand, mit wenigstens einer 2- Schichtanordnung, die eine flächig ausgebildete Trägerschicht und eine auf der Trä gerschicht aufgebrachte Materialschicht vorsieht, wobei die Träger- und die Material schicht unterschiedliche thermische Längenausdehnungskoeffizienten besitzen, so daß bei Erwärmung der 2-Schichtanordnung durch Bestrahlung mit Sonnenlicht sich diese flächig verformt.

Stand der Technik

Eine gattungsgemäße Vorrichtung zur temperaturabhängigen Verschattung von Bauelementen ist in der DE 196 29 237 A1 beschrieben. Die bekannte Einrichtung dient als Verschattungssystem für Bauelemente, beispielsweise Solarkollektoren so wie Gebäudeteilen, aber auch für all jene Gegenstände, die vor einer übermäßigen Erwärmung bzw. Erhitzung geschützt werden müssen und sieht lamellenartig ausge bildete Flächenelemente vor, die in Strahlungsrichtung vor dem abzuschattenden Gegenstand bzw. Fassadenteil angebracht sind und sich bei Erwärmung in einer Vorzugsrichtung krümmen. Die auch als sogenannte Thermo-Lichtschalter (TLS) be kannten Flächenelemente weisen eine thermisch aktive Doppelschicht, vorzugsweise zwei Kunststoffschichten auf, von denen eine beispielsweise eine einachsig gereckte Polyamidfolie und die andere Schicht eine normale ungereckte Folie des gleichen Materials ist.

Einachsig gereckte Kunststoffolien können bei Erwärmung reversibel in Reck richtung schrumpfen. Hingegen zeigt die ungereckte Folie eine Längenausdehnung bei Erwärmung. Auf diese Weise zeigt die Doppelschicht bei Temperaturänderung eine Spannung quer zur Oberfläche, wodurch die Doppelschicht gekrümmt wird in Art eines Bimetallthermometers.

Nachteilig bei der Verwendung von gereckten Kunststoffolien ist deren mangelhafte Maßhaltigkeit unter mechanischer und thermischer Belastung, insbesondere die Zy klenstabilität.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine temperatursensible Verschattungs vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart auszubilden, daß zum einen die Stabilität sowie die Reversibilität im Krümmungsverhalten der Schichtanordnung gesteigert werden sollen. Ferner sind Maßnahmen zu treffen, um die Qualität des Krümmungsverhaltens dahingehend zu verbessern, daß das ge krümmte Flächenelement weitgehend die gleichmäßige Kontur eines Zylindermantels annimmt und keine flächenhaften Verwerfungen auftreten. Auch sollen die Schwie rigkeiten, die bei der Reckung von Kunststoffolien sowie deren Kombination zu Dop pelschichtsystemen auftreten, weitgehend vermieden werden, ohne dabei Einbußen in der Präzision der Vorgabe einer Vorzugsrichtung, entlang der sich die Flä chenelemente krümmen, in Kauf nehmen zu müssen.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist Gegenstand des An spruchs 1. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Ge genstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist eine temperatursensible Verschattungsvorrichtung zum Schutz vor direktem Einfall von Sonnenlicht auf Fassadenflächen oder einen, vor übermäßi ger Wärmung zu schützenden Gegenstand, mit wenigstens einer Zwei- Schichtanordnung, die eine flächig ausgebildete Trägerschicht und eine auf der Trä gerschicht aufgebrachte Materialschicht vorsieht, wobei die Träger- und die Material schicht unterschiedliche thermische Längenausdehnungskoeffizienten besitzen, so daß bei Erwärmung der Zwei-Schichtanordnung durch Bestrahlung mit Sonnenlicht sich diese flächig verformt, derart ausgebildet, daß wenigstens die Materialschicht ein anisotropes Längenausdehnungsverhalten derart aufweist, daß sich die Material schicht durch Temperaturänderung in einer Vorzugsrichtung bevorzugt und in der dazu orthogonalen Richtung möglichst gering ausdehnt und daß sich die Län genausdehnungskoeffizienten beider Schichten in der Vorzugsrichtung möglichst stark und in der dazu orthogonalen Richtung möglichst gering unterscheiden und daß die Materialschicht Fasern aufweist, deren Fasererstreckung in Vorzugsrichtung verlaufen.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, daß die Vorzugsrichtung, entlang der sich die Zwei-Schichtanordnung krümmt, durch die Längserstreckung von parallel auf der Trägerschicht aufgebrachten Fasern bestimmt wird, die vorzugsweise aus festem anorganischem Material gefertigt sind. Die Trägerschicht selbst kann aus Stabilitäts gründen eine Aluminiumfolie sein, auf der mit Hilfe einer Klebeschicht, die geeignet dünn auszubilden ist, vorzugsweise Glasfasern aufgebracht werden, die parallel und beabstandet voneinander auf der Aluminiumfolie anzuordnen sind.

Neben der Verwendung von Glasfasern sind auch Werkstoffe wie Aramid, Kohlen stoff oder Mineralwollfasern geeignet. Aus Stabilitätsgründen werden bevorzugt so wohl für die Materialwahl der Fasern, als auch für die Trägerschicht mechanisch sta bile Werkstoffe, vorzugsweise anorganische Materialien verwendet.

Typische Faserdurchmesser können im Bereich von 1-100 µm liegen, wobei der late rale Abstand der Fasern auf der Trägerschicht zueinander bis zum Hundertfachen des Faserdurchmessers betragen kann.

Neben der direkten Verwendung von aus anorganisch festem Material bestehenden Fasern sind auch streifenförmige Materialstränge in einer Vorzugsrichtung auf der Trägerschicht aufzubringen, die aus einem geeigneten Material gefertigt sind.

Im Falle der Kombination aus einer Aluminiumschicht als Trägerschicht und darauf aufgebrachter Glasfasern dehnt sich die Aluminiumschicht aufgrund ihres größeren Längenausdehnungskoeffizienten stärker aus als die parallel angeordneten Glasfa sern. Als Folge dessen erfährt die Aluminiumschicht eine gleichmäßige Krümmung entlang der Längserstreckung der Glasfasern dergestalt, daß die Krümmung der Aluminiumschicht nahezu der Oberfläche eines Zylinders entspricht, mit einer Krüm mungsachse, die orthogonal zur Längserstreckung der Glasfasern verläuft.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Endungsge dankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch. Es zeigen:

Fig. 1 schematisierte Prinzipdarstellung zum Krümmungsverhalten einer Zwei-Schichtanordnung,

Fig. 2a, b schematisierte Darstellung einer streifenförmigen Anordnung auf einer Trägerschicht sowie Trägerschicht mit Fasern,

Fig. 3 Mehrschichtanordnung sowie

Fig. 4a, b thermisches Stellelement mit reflektierender Rückstellhemmung.

In Fig. 1a ist eine schematisierte Zwei-Schichtanordnung dargestellt, die im unbe lichteten Zustand, d. h. im kalten Zustand, eine ebene äußere Form einnimmt.

Ziel ist es, durch entsprechende Materialwahl der Schichten 1 und 2 ein möglichst gleichmäßiges Krümmungsverhalten hervorzurufen, wie es in Abb. 1b darge stellt ist.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

In Abb. 1a entspricht die eingezeichnete y-Achse der Krümmungsachse. Um das vorstehend dargestellte Krümmungsverhalten bei Streifen hervorzurufen, deren längste Ausdehnung in Richtung der gewünschten Krümmungsachse liegt, also ent lang der y-Achse, reicht es nicht aus, zwei gewöhnliche Materialschichten mit ver schiedenen Längenausdehnungskoeffizienten zu kombinieren, wie es beispielsweise in der DE 26 17 577 A1 beschrieben ist.

Die gewünschte Verformung wird vielmehr dadurch erreicht, indem die thermische Fehlanpassung der Längenausdehnungskoeffizienten nur in der zur Krümmungsach se (y-Achse) senkrechten Richtung vorliegt, d. h. die x-Richtungen (siehe Fig. 1a). In y-Richtung sollen die Längenausdehnungskoeffizienten beider Schichten 1 und 2 möglichst exakt übereinstimmen oder durch ein geringes E-Modul in mindestens ei ner Schicht die Spannungen durch bestehende Differenzen in den Längenausdeh nungskoeffizienten reduziert werden.

Zur Herstellung eines derartigen aus zwei Schichten bestehenden Laminats werden Schichtkomponenten benötigt, von denen mindestens eine Schicht anisotrope, d. h. richtungsabhängige Längenausdehnungskoeffizienten aufweist. Zusätzlich zur Ani sotropie in den thermischen Längenausdehnungskoeffizienten ist es vorteilhaft, wenn eine der Schichten ein viel kleineres E-Modul in y-Richtung aufweist als die andere Schicht.

Nur im Falle, daß die Längenausdehnungskoeffizienten der Schichten 1 und 2, wie sie in Fig. 1a und b dargestellt sind, in x-Richtung möglichst weit auseinander liegen, wohingegen die Koeffizienten in y-Richtung möglichst übereinstimmen, tritt die in Fig. 1b dargestellte gleichmäßige Verformung über eine kurze Schichtlänge in x-Richtung ein. Der erzielte Krümmungswinkel ist proportional zu der Temperaturdifferenz und der Differenz in den thermischen Längenausdehnungskoeffizienten, jedoch umge kehrt proportional zu der Dicke der Schichtanordnung.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die thermische Anisotropie wenigstens einer Komponente im thermischen Ausdehnungsverhalten dadurch zu erzielen, indem Fa sern F in paralleler Anordnung auf eine Schicht 1 aufgebracht bzw. in eine Schicht eingebettet werden, die vorzugsweise aus anorganisch festen Materialien bestehen. Besonders geeignete Fasermaterialien sind Glas-, Aramid-, Kohlenstoff oder Mine ralwollfasern.

Das Aufbringen von Fasern auf bzw. in beispielsweise die Trägerschicht erfolgt mit Hilfe einer dünn auszubildenden Klebeschicht. Eine derartige Anordnung ist in Fig. 2b dargestellt, in der auf einer Trägerschicht 1 Glasfasern G nebeneinander mit Hilfe eines Klebers aufgebracht sind. Typische Faserdurchmesser betragen etwa 1-100 µm und weisen auf einer Schicht aufgebracht einen gegenseitigen lateralen Abstand von 0 bis zum Hundertfachen des Faserdurchmessers auf.

Grundsätzlich führt die Kombination zweier Materialschichten mit unterschiedlichem Längenausdehnungsverhalten zu einer Änderung der einzelnen Schichtlängen und insbesondere auch zu Längenänderungen der Zentralfasern im spannungsfreien Zu stand. In Kombination der Schichten treten aufgrund des unterschiedlichen Län genausdehnungsverhaltens erhebliche Spannungen in den Fasern aufgrund der sich ausbildenden Krümmung auf, die der gewünschten Formänderung entgegenwirken und durch Dehnung das Schichtmaterial erheblich belasten. Es hat sich herausge stellt, daß die Materialbelastung durch Dehnung dadurch vermindert werden kann, wenn mehrere Schichten übereinander aufgebracht werden, deren Längenausdeh nungskoeffizienten sich sukzessive von Schicht zu Schicht ändern, in der Weise, daß beispielsweise bei einem Schichtaufbau von der untersten bis zur obersten Schicht die Längenausdehnungskoeffizienten zunehmen bzw. abnehmen. In Fig. 3 ist ein diesbezügliches Ausführungsbeispiel dargestellt, mit einer Schichtabfolge 1 bis 4, wobei die Schicht 1 den kleinsten und die Schicht 4 den größten Längenausdeh nungskoeffizienten in x-Richtung aufweist. In y-Richtung sollen die Längenausdeh nungskoeffizienten möglichst übereinstimmen.

Fig. 4 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen temperatur sensiblen Verschattungsvorrichtung, die über eine Seitenkante fest an einem Träger 6 angebracht ist, die beispielsweise als eine schmale an einem Fenster angebrachte Lamelle ausgebildet ist. Möglich ist auch eine direkte Klebeverbindung zwischen der Schichtanordnung S und der vorstehenden Scheibe oder anderen vorhandenen flä chigen Bauteilen, wie z. B. einem Absorber. An der, der Lamelle gegenüberliegenden freien Seitenkante 7 der Schichtanordnung S ist ein Spiegel 5, vorzugsweise in Form einer Aluminiumfolie, fest angebracht. Je nach Bestrahlungsintensität und der da durch bedingten Erwärmung der temperatursensiblen Schichtkombination S neigt sich die Spiegelfläche 5 entsprechend auf (siehe unterschiedliche Spiegelstellungen in den Fig. 4a und b). Insbesondere behindert die Spiegelfläche 5 bei Temperaturen unterhalb der Schalttemperaturen, wie sie beispielsweise in Fig. 4a vorherrschen, eine Verformung der Schichtanordnung S in Gegenrichtung zum normalen Krüm mungsverhalten. Im gezeigten Ausführungsbeispiel behindert somit die Spiegelfläche 5 eine Krümmung der temperatursensiblen Schichten S nach oben.

Durch eine teilabsorbierende Ausführung wird erreicht, daß Einstrahlung direkt zu Wärmeentwicklung führt und damit den Schaltvorgang auslöst oder beeinflußt. Das Stellelement S kann auch Vorrichtungen mit richtungsselektiver Strahlungstransmis sion oder -reflexion bewegen. Bspw. kann die Spiegelfläche (5) als strukturierte, dielektrische Schicht ausgeführt sein. Solange der Ausblendbereich dieser Schicht nicht in Richtung der direkten Sonneneinstrahlung zeigt, wird Strahlung transmittiert und die Temperatur im Inneren der Vorrichtung, vor allem die Temperatur der Schichtanordnung (S) erhöht sich. Damit ändert sich die Einstellung der Spiegelflä che, und zwar solange, bis ihr Ausblendbereich den Einfallswinkel der direkten Son neneinstrahlung erreicht. Sobald dies geschehen ist, wird die Schichtanordnung (S) abgeschattet, die Wärmeentwicklung durch die Absorption läßt nach und es kommt zu stationären Verhältnissen.

Claims

1. Temperatursensible Verschattungsvorrichtung zum Schutz vor direktem Einfall von Sonnenlicht auf Fassadenflächen oder einen, vor übermäßiger Erwärmung zu schützenden Gegenstand, mit wenigstens einer 2-Schichtanordnung, die eine flächig ausgebildete Trägerschicht und eine auf der Trägerschicht aufgebrachte Material schicht vorsieht, wobei die Träger- und die Materialschicht unterschiedliche thermi sche Längenausdehnungskoeffizienten besitzen, so daß bei Erwärmung der 2- Schichtanordnung durch Bestrahlung mit Sonnenlicht sich diese flächig verformt, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Materialschicht ein anisotropes Län genausdehnungsverhalten derart aufweist, daß sich die Materialschicht durch Tem peraturänderung in einer Vorzugsrichtung bevorzugt und in der dazu orthogonalen Richtung möglichst gering ausdehnt, und
daß sich die Längenausdehnungskoeffizienten beider Schichten in der Vorzugsrich tung möglichst stark und in der dazu orthogonalen Richtung möglichst gering unter scheiden, und
daß die Materialschicht Fasern aufweist, deren Fasererstreckung in Vorzugsrichtung verlaufen.

2. Temperatursensible Verschattungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern Glas-, Aramid-, Kohlenstoff- oder Mine ralwollfasern sind.

3. Temperatursensible Verschattungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern Durchmesser im Bereich von 1-100 µm aufweisen und einen lateralen Abstand zueinander vorsehen, der bis zum 100- fachen des Faserdurchmessers entspricht.

4. Temperatursensible Verschattungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfolie aus Metall, vorzugsweise aus Alumi nium besteht.

5. Temperatursensible Verschattungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialschicht als streifenförmige Materialstrei fen parallel zueinander auf der Trägerschicht angeordnet sind, und daß die Längser streckung der Materialstreifen mit ihrer Vorzugsrichtung im Ausdehnungsverhalten übereinstimmt.

6. Temperatursensible Verschattungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Materialschichten übereinander aufgebracht sind, mit Längenausdehnungskoeffizienten, die sukzessive von der untersten Materi alschicht bis zur obersten zunehmen.

7. Temperatursensible Verschattungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die 2- oder Mehrschichtanordnung über eine ihrer Seitenkante fest angelenkt ist und an ihrer freien, der fest angelenkten Seitenkante gegenüberliegende Seitenkante mit einem reflektierenden Flächenelement verbun den ist.

8. Temperatursensible Verschattungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierende Flächenelement steif ausgebildet ist und die Schichtanordnung daran hindert sich entgegengesetzt zur Krümmungs richtung zu deformieren.

9. Temperatursensible Verschattungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierende Flächenelement bei Krümmung der Schichtanordnung relativ zum Sonnenlicht derart orientiert wird, daß das auf das reflektierende Flächenelement auftreffende Licht in eine von der Temperatur und/oder von der Einstrahlungsintensität und/oder von der Einstrahlungsrichtung ab hängige Richtung umgelenkt wird.

10. Temperatursensible Verschattungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierende Flächenelement aus einem im we sentlichen strahlungstransparenten Material besteht und seine strahlungslenkenden Eigenschaften auf Totalreflexion beruhen.

11. Temperatursensible Verschattungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierende Flächenelement aus einem im we sentlichen strahlungstransparenten Material besteht und seine strahlungslenkenden Eigenschaften auf Beugung am oberflächen- oder volumenstrukturierten Material beruhen.

12. Temperatursensible Verschattungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtanordnung selbst strahlungsreflektierende, -absorbierende oder streuende Eigenschaften aufweist.