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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Strahlungsglaseinheit, die insbesondere
zum Erwärmen von
geschlossenen Räumen,
Zimmern, Fahrzeugkabinen und so weiter geeignet ist, wobei die Erwärmung durch
Bestrahlung stattfindet.
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Ein
geschlossener Raum wird gewöhnlich mittels
normaler Strahler unter Verwendung von Luftkonvektion, mittels einer
Rohrleitung unter dem Boden, mittels ventilierter Heißluft und
so weiter erwärmt.
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Alle
diese Systemarten erzwingen strukturelle und bauliche Einschränkungen,
die häufig
für moderne
Bauten schlecht geeignet sind.
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Insbesondere
in geschlossenen Räumen, die
große
verglaste Flächen
aufweisen, die mittels struktureller Verglasung vorgesehen sind,
ist es nicht leicht, kaum invasive oder einschränkende Heizmodule anzuordnen.
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Sehr
häufig
hat dies die Wahl der Bereitstellung von herkömmlichen Heizsystemen, die
dazu ausgelegt sind, das ganze Volumen der Umgebungsluft zu erwärmen, mit
einem beträchtlichen
Verbrauch und geringer Ausbeute zur Folge.
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Diese
Situation wird zunehmend negativ, wenn die Abstände der geschlossenen Räume zunehmen,
wie in öffentlichen
geschlossenen Räumen oder
Büros.
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Dieselbe
Situation tritt in jedem Fall in kleinen geschlossenen Räumen wie
z.B. der Kabine eines Fahrzeugs auf.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Heizelement bereitzustellen,
das die Probleme bei der Erwärmung
geschlossener Räume
löst oder
verringert.
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Innerhalb
dieses Ziels besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine existierende
Komponente des geschlossenen Raums zu verwenden, um ein Heizelement
bereitzustellen.
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Eine
weitere Aufgabe ist die Bereitstellung eines Heizelements, das die
Ausbeute der absorbierten Energie optimiert.
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Eine
weitere Aufgabe besteht darin, ein Heizelement bereitzustellen,
das keine speziellen strukturellen Eingriffe im geschlossenen Raum
erfordert, wo es installiert werden soll, insbesondere wenn die Installation
nach dem Bau des geschlossenen Raums oder Gebäudes stattfindet.
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Eine
weitere Aufgabe ist die Bereitstellung eines Heizelements, das leicht
herzustellen, zu installieren und zu betreiben ist.
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Dieses
Ziel und diese und weitere Aufgaben, die nachstehend besser ersichtlich
werden, werden durch eine Strahlungsglaseinheit der Art erreicht,
die zwei Glasscheiben umfaßt,
zwischen die ein Heizmittel eingefügt ist, dadurch gekennzeichnet,
daß eine mehrlagige
Anordnung zwischen den zwei Glasscheiben angeordnet ist und aus
einer Platte aus klarem Kunststoffmaterial, das eine Schichtstruktur
abstützt,
das wiederum aus zwei äußeren Schichten
besteht, die aus halbleitendem Material bestehen und die eine mittlere
Schicht aus einem elektrisch leitenden Metallmaterial mit variabler
Dicke enthalten, die einen großen
elektrischen Widerstand bildet, besteht; wobei eine Platte, die
aus einem Material besteht, das Infrarotstrahlung reflektiert, Schichten
zum Verbinden und monolithischen Koppeln der verschiedenen Komponenten
der Anordnung und ein Mittel für
die gesteuerte Zufuhr von elektrischer Leistung zur Schicht aus
Metallmaterial ferner vorgesehen sind.
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Weitere
Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden
ausführlichen
Beschreibung eines bevorzugten, aber nicht begrenzenden Ausführungsbeispiels
derselben besser ersichtlich, welches als Beispiel gegeben wird
und mit Hilfe der zugehörigen
Zeichnungen erläutert
wird, in denen gilt:
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1 ist
eine veranschaulichende perspektivische Ansicht einer Strahlungsglaseinheit,
vor der eine Person steht;
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2 ist
eine Ansicht derselben Situation wie in 1 mit einem
Diagramm, das die Menge an Strahlung, die von der Glaseinheit emittiert
wird, graphisch darstellt;
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3 ist
eine teilweise perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Glaseinheit,
die innerhalb ihrer Dicke die Anordnung der Schichten der Materialien,
die sie bilden, darstellt;
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4 ist
eine Ansicht der verschiedenen Schichten, die die Glaseinheit bilden,
in auseinandergezogener Anordnung;
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5 ist
eine schematische Ansicht des Systems zum Liefern von elektrischer
Leistung zur elektrisch leitenden Schicht der Glaseinheit;
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6 ist
eine schematische Ansicht eines speziellen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Glaseinheit;
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7 ist
eine schematische Ansicht eines weiteren speziellen Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Glaseinheit;
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8 ist
eine perspektivische Ansicht einer Testkammer mit Wänden, die
durch erfindungsgemäße Glaseinheiten
gebildet sind.
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Mit
Bezug auf die Figuren bezeichnet die Bezugsziffer 10 im
Allgemeinen eine erfindungsgemäße Glaseinheit.
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Die
Glaseinheit 10, wie in den 1–5 gezeigt,
kann eine strukturelle Glaseinheit, d.h. eine Glaseinheit, die die
Außenwand
eines Gebäudes
bildet, sein.
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Ebenso
kann sich die Glaseinheit 10 in der Scheibe eines Fensters
oder einer Tür
oder in jedem Fall einer Struktur, die einen geschlossenen Raum begrenzt,
befinden, wenn die Struktur auch transparent oder in jedem Fall
nicht lichtundurchlässig
sein muß.
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In
einer Weise, die zu dem äquivalent
ist, was vorstehend beschrieben wurde, kann die Glaseinheit 10 auch
nicht flach, wie beispielsweise eine Fahrzeugwindschutzscheibe oder
ein Fahrzeugfenster, sein.
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Im
dargestellten Fall umfaßt
die Glaseinheit 10 zwei Enden 11 und 12,
die horizontal sind; das erste Ende ist horizontal, da es zu einem
Boden 13 eines geschlossenen Raums 14 benachbart
ist, und das zweite Ende ist horizontal, da es zu einer Decke 15 benachbart
ist; die Glaseinheit 10 ist auch durch zwei vertikale Seiten 16 und 17 begrenzt.
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Im
dargestellten Fall umfaßt
die Glaseinheit 10 ferner eine Umhüllung und einen Stützrahmen 18.
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Der
Umriß einer
Person 19 ist im geschlossenen Raum 14 in den 1 und 2 angeordnet, um
den thermischen Effekt der Glaseinheit 10 zu beschreiben.
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Die
Glaseinheit 10 besteht, wie in den 3 und 4 deutlicher
gezeigt, aus zwei Glasscheiben 20 und 21, deren
Dicke gemäß den Gesamtabmessungen
der Glaseinheit 10 gewählt
ist und zwischen die eine mehrlagige Anordnung 22 eingefügt ist.
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Im
dargestellten Fall ist die Scheibe 20 dem geschlossenen
Raum 14 zugewandt, während
die Scheibe 21 auswärts
angeordnet ist.
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Die
mehrlagige Anordnung 22 besteht aus einem elektrisch leitenden
Element 23, das wiederum aus einer Platte aus klarem Kunststoff 24 besteht, die
eine Schichtstruktur 25 abstützt, das aus zwei äußeren Filmen
besteht, die aus einem halbleitenden Material bestehen und die eine
mittlere Schicht enthalten, die aus Metallmaterial besteht, das
einen großen
elektrischen Widerstand bildet, der, wie ersichtlich wird, wenn
er mit elektrischer Leistung versorgt wird, das Element bildet,
das die Erwärmung
durch Strahlung vorsieht.
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Die
mittlere Schicht, die aus Metallmaterial besteht, kann beispielsweise
aus Silber bestehen und wird mittels eines der üblichen bekannten Verfahren
zum Abscheiden eines dünnen
Films aus Metallmaterial abgeschieden.
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Die
zwei äußeren Filme,
die aus halbleitendem Material bestehen, können mittels Metalloxiden, Oxidgemischen,
dotierten Oxiden und so weiter bereitgestellt werden, um die ganze
Schichtstruktur 25 für
sichtbares Licht durchlässig
zu machen.
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Die
mehrlagige Anordnung 22 weist auch eine Infrarot reflektierende
klare Platte 25 auf, die benachbart zur Platte 24 angeordnet
ist.
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Als
Alternative kann die Infrarot reflektierende Schicht 26 in
die leitende Schichtstruktur 25 eingebettet sein.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
ist es möglich,
anstelle der Infrarot reflektierenden Platte 26 die leitende
Schichtstruktur 25 so vorzusehen, daß die Infrarot reflektierende
Eigenschaft in Symbiose mit der Eigenschaft der elektrischen Leitung
integriert wird.
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Das
elektrisch leitende Element 23 und die Platte 26 sind
zwischen zwei klare Platten 27 und 28 eingebettet,
die aus Polyvinylbutyral (PVB) oder Äquivalenten bestehen, die durch
bekannte Verfahren unter Verwendung von Erwärmung und Druck alle Komponenten
der Glaseinheit 10 monolithisch koppeln.
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Eine
Glaseinheit 10 emittiert, wenn die Metallschicht der Schichtstruktur 25 mit
Strom in einer nachstehend erläuternden
Weise versorgt wird, Wärmestrahlung
insbesondere auf der Seite der Scheibe 20, da die in Richtung
der Scheibe 21 gerichtete Strahlung in einem großen Ausmaß durch
die Platte 26 reflektiert wird.
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Es
ist bekannt, daß das
Wohlbefinden in Bezug auf die Temperatur, die die Person 19 wahrnimmt,
mit der Strahlung verknüpft
ist, die sich auf das Gesicht, den Rumpf und die Hände dieser
Person und in einem geringeren Ausmaß ihren Unterleib und ihre
Beine auswirkt.
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Aus
diesem Grund weist in der erfindungsgemäßen Lösung die Schichtstruktur 25 dort,
wo die Wärmestrahlung
erzeugt wird, eine variable Dicke auf und eine daraus folgende Variabilität der emittierten
Strahlung wird in Bezug auf diese variable Dicke erreicht.
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Zur
Angabe stellt 2 diese Situation einer Strahlung
mit variabler Amplitude dar, die mittels Vektoren 29 visualisiert
ist, deren Länge
zur Intensität
der emittierten Strahlung proportional ist.
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Die
Hüllkurve
der Spitzen der Vektoren 29 erzeugt ein Diagramm 30,
das vertikal die emittierte Strahlung graphisch darstellt.
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Als
Beispiel sind jeweils drei Bereiche mit maximaler Strahlung 31 angegeben,
die sich in einer Höhe
befinden, die dem Gesicht 32 und der Brust 33 der
typischen Person 19 entspricht.
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Über diesem
Bereich 31 bis zur Decke 15 besteht eine verringerte
Dicke der Schichtstruktur 25, die einen Bereich 34 mit
geringer Strahlungsemission erzeugt.
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Unter
dem Bereich 31 bis zum Boden 13 hinab, besteht
wieder eine verringerte Dicke der Schichtstruktur 25, aber
diese Dicke ist in jedem Fall größer als
die Dicke des Bereichs 34, wobei folglich ein Bereich 35 mit
mittlerer Strahlungsemission am Unterleib 36 und an den
Beinen 37 der Person 19 gebildet wird.
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Die
in der Schichtstruktur 25 enthaltene Metallschicht wird
mit elektrischer Leistung versorgt, wie schematisch in 5 gezeigt.
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Zweckmäßigerweise
befinden sich entlang der Seiten 16 und 17 der
Glaseinheit 10 eine Vielzahl von Elektroden, die paarweise
mit den Bezugsziffern 38a und 38b für das erste
Paar, 39a und 39b für das zweite Paar und 40a und 40b für das dritte
Paar bezeichnet sind, während
alle anderen Paare nicht numeriert, aber im Wesentlichen äquivalent
sind.
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Die
Paare von entsprechenden Elektroden führen mittels elektrischer Leiter,
die mit den Bezugsziffern 38c und 38d für das erste
Paar von Elektroden bezeichnet sind, zu einer gesteuerten Leistungsversorgung 41,
die wiederum mit dem elektrischen System 42 des Gebäudes verbunden
ist.
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Die
Elektroden, die zum gleichen Paar gehören, wie beispielsweise die
Elektroden, die mit den Bezugsziffern 38a und 38b bezeichnet
sind, weisen zweckmäßigerweise
dieselbe Länge
auf und der Strom, der von der Leistungsversorgung 41 ankommt,
fließt
im leitenden Teil der Schichtstruktur 25, wobei ein Band
beeinflußt
wird, das praktisch gleich der Breite der Elektroden ist.
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Alle
Elektroden, die die einzelnen Paare bilden, können dieselbe Länge aufweisen,
aber in speziellen Fällen
ist es auch möglich,
Elektroden zu verwenden, die eine unterschiedliche Länge aufweisen, um
den Strom zu konzentrieren oder zu verdünnen, der immer unter der Steuerung
der Leistungsversorgung 41 fließt, die zweckmäßigerweise
vom Wechselrichtertyp sein kann.
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Durch
Steuern des Stroms und der Spannung in jedem Paar von Elektroden
und durch Berücksichtigen
des unterschiedlichen spezifischen Widerstandes in jedem Bereich,
der durch die unterschiedliche Dicke der leitenden Schicht verursacht wird,
ist es möglich,
verschiedene Erwärmungen
und daher eine unterschiedliche emittierte Strahlung zu haben.
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Die
Kombination aller dieser Variablen, die durch ein System auf Mikroprozessorbasis
gesteuert werden, das auch Umgebungssituationssensoren aufweisen
kann, ermöglicht
es, die emittierte Strahlung zu optimieren und zu konzentrieren,
wo dies erforderlich ist, um mit dem geringstmöglichen Verbrauch die maximal
mögliche
Erwärmung,
d.h. die maximale Wärmeempfindung,
zu erreichen.
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Wie
erwähnt,
wird nicht die ganze Strahlung, die in Richtung der Scheibe 21 emittiert
wird, durch den Film 26 reflektiert, und daher wird die
gesamte Glaseinheit auch erwärmt
und dies vermeidet die Bildung von Kondensation oder Beschlagen
insbesondere in kalten Jahreszeiten.
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Unter
Sommerbedingungen reflektiert der Film 26 die Sonnenstrahlung
nach außen,
was ermöglicht,
daß der
zusätzliche
Vorteil der Verringerung der Belastung für das Klimatisierungssystem des
geschlossenen Raums vorliegt.
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Mit
Bezug auf 6 kann die Glaseinheit als Verglasung
für Kraftfahrzeuge,
beispielsweise für das
vordere Fahrerseitenfenster 30 eines Autos 31, verwendet
werden.
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Die
Elektroden 32 sind an den Seitenkanten der Fenster angeordnet
und sind mit der Batterie des Autos verbunden.
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Der
folgende experimentelle Test wurde durchgeführt, um das vom Fahrer empfundene
Wohlbefinden zu überprüfen.
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Ausgehend
von einer Außentemperatur
von 0°C
nach einer elektrischen Heizzeit von ungefähr 6–8 Minuten für die Glaseinheit,
die einen spezifischen Widerstand von 4,5 Watt/dm und eine Spannungsversorgung
von 12 Volt hatte, war die Temperatur der Kabine auf der Höhe des Lenkrades
ungefähr
20°C, was
ein Wohlbefinden für
den Fahrer bot, dessen Hände
und Gesicht der Strahlung des Fensters direkt ausgesetzt waren.
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Die
anfängliche
Außentemperatur
war 0°C.
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Die
Glaseinheit, die hinsichtlich der in Richtung der inneren Umgebung übertragenen
Wärme in Abhängigkeit
von der Art von verwendeten Glasschichten und von der relativen
Position der leitenden Schichtstruktur 25 bezüglich der
Schichten am wirksamsten ist, wurde experimentell gesucht.
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Es
ist ersichtlich, daß die
Wärme im
geschlossenen Innenraum hauptsächlich
von der Verringerung der Wärmeströmung vom
Heizelement innerhalb der Glaseinheit in Richtung der äußeren Umgebung
durch die Dicke der Glaseinheit abhängt.
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Der
experimentelle Schritt hat festgestellt, daß die maximale effektive Temperaturdifferenz
zwischen der inneren Umgebung und der äußeren Umgebung, ungefähr 30°C, mit einer
Glaseinheit erreicht wird, die in 7 mit der
Bezugsziffer 40 bezeichnet ist und die aus einer Doppelglaseinheit 41 besteht, die
zur Außenseite
hin eine monolithische Glasscheibe 42 geeigneter Art und
Dicke aufweist, zentral mit einer Kammer 43 mit trockener
Luft oder einem geeigneten Gas versehen ist und zur Innenseite hin
mit einer mehrlagigen Glasscheibe, wie im ersten beschriebenen Ausführungsbeispiel
gezeigt, d.h. einer ersten und einer zweiten Glasscheibe, versehen
ist, die mit den Bezugsziffern 44 bzw. 45 bezeichnet
sind und die eine Mehrfachlage 46 mit einer eingebetteten leitenden
Heizschichtstruktur 47 enthalten.
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Ein
weiterer experimenteller Test wurde durchgeführt, um die Erfindung zu bestätigen.
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Dieser
Test sollte das Wohlbefinden erfassen, das von einer menschlichen
Hand während
einer Temperaturveränderung
innerhalb eines bestimmten geschlossenen Raums wahrgenommen wird.
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Mit
Bezug auf 8 wurde dieser geschlossene
Raum durch Vorsehen eines Würfels
mit drei Strahlungswänden
A, B, C, die gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
von 4 strukturiert waren und denen an der Vorderseite
eine vierte Wand fehlte, um das Einlegen der Hand in diesen zu ermöglichen,
simuliert.
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Es
wurde festgestellt, daß,
wenn die Wände auf
eine Temperatur, die höher
ist als 35°C,
in weniger als 4 Minuten gebracht werden, ausgehend von einer Situation,
in der die Gesamttemperatur 0°C
war, die Hand ungeachtet der Außentemperatur
und der Innentemperatur, die nach 4 Minuten immer noch gut unterhalb
20°C lag,
ein Wohlbefinden wahrnahm.
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Aus
dem, was beschrieben und dargestellt wurde, ist zu bemerken, daß das beabsichtigte
Ziel und die beabsichtigten Aufgaben erreicht wurden und daß insbesondere
ein Heizelement bereitgestellt wurde, das die emittierte Strahlung
auf einer Höhe konzentrieren
kann, die gemäß dem geschlossenen Raum
und der im geschlossenen Raum durchgeführten Aktivität gewählt werden
kann.
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Die
für die
Glaseinheit aufgegriffene Lösung kann
mittels bekannter Technologien bereitgestellt werden und ermöglicht die
Erwärmung
von geschlossenen Räumen
beliebiger Art tatsächlich
mit einer sehr hohen Ausbeute, da die Wärme dorthin gerichtet wird,
so wie erforderlich ist.
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Natürlich kann
es viele Ausführungsbeispiele geben,
die vom gleichen erfindungsgemäßen Konzept
ausgehen, und insbesondere müssen
sich solche Ausführungsbeispiele
an die zu erwärmenden geschlossenen
Räume und/oder
Zimmer anpassen.
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Die
Materialien und Abmessungen können gemäß den Anforderungen
beliebig sein.
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Wenn
in irgendeinem Anspruch erwähnten technischen
Merkmalen Bezugszeichen folgen, wurden diese Bezugszeichen für den alleinigen
Zweck der Steigerung der Verständlichkeit
der Ansprüche eingeschlossen
und folglich haben solche Bezugszeichen keinen begrenzenden Effekt
auf die Interpretation von jedem durch solche Bezugszeichen beispielhaft
identifizierten Element.