EP3538818A1 - Temperaturabhängiger schaltmechanismus und dessen verwendung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen temperaturabhängigen Schaltmechanismus (1) mit einem Aktor und einer Transmissionsmechanik (5), wobei die Transmissionsmechanik (5) eingerichtet ist, mittels einer von dem Aktor (4) aufbringbaren Schaltkraft ein Umschalten zwischen zwei Schaltzuständen zu bewirken. Der Aktor (4) weist einen, ein Phasenwechselmaterial (6) beinhaltenden, Behälter (7) auf und die Schaltkraft wird durch eine Volumenänderung des Phasenwechselmaterials (6) bei einem temperaturänderungsbedingten Phasenwechsel zwischen zwei Phasenzuständen des Phasenwechselmaterials (6) aufgebracht. Die Volumenänderung des Phasenwechselmaterials (6) weist eine temperaturabhängige Hysterese auf, derart dass der Phasenwechsel von einem ersten in einen zweiten der Phasenzustände bei einer anderen Temperatur erfolgt als der Phasenwechsel von dem zweiten in den ersten Phasenzustand.

Description

Temperaturabhängiger Schaltmechanismus und dessen Verwendung

Die Erfindung betrifft einen temperaturabhängigen Schaltmechanismus mit einem Aktor und einer Transmissionsmechanik, wobei die Transmissionsmechanik eingerichtet ist mittels einer von dem Aktor aufbringbaren Schaltkraft ein Umschalten zwischen zwei Schaltzuständen zu bewirken. Weiterhin

betrifft die Erfindung dessen Verwendung in einer Klimaanlage .

Temperaturabhängige Schaltmechanismen werden z.B.

eingesetzt, um ein Gebäude in einer kühlen Sommernacht durch die Außenluft abzukühlen. Dazu kann eine als Lüftungsanlage ausgeführte Klimaanlage verwendet werden, wofür elektrische Hilfsenergie zum Betrieb von Ventilatoren und zu deren

Einschalten benötigt wird. Weiter werden zur Gebäudeklimatisierung Öffnungen in der Gebäudehülle des Gebäudes verwendet, die ebenfalls elektrisch oder manuell geschaltet, d.h. geöffnet oder geschlossen, werden, z.B. um während Sommertagen wenig Hitze in das Gebäude zu lassen und in Winternächten wenig Wärme nach außen zu verlieren.

Die WO2014/114563 offenbart einen gattungsgemäßen

temperaturabhängigen Schaltmechanismus in einem

Fassadenelement mit schaltbarem Wärmeübergangskoeffizienten (U-Wert) . Als Aktor dient dabei z.B. ein elektrische

Hilfsenergie benötigender Elektromotor, der die Schaltkraft aufbringt, um zwischen einem hohen und niedrigen U-Wert zu schalten, was notwendigerweise über eine Transmissions- mechanik zur Kraftübertragung geschieht. Neben dem Energieverbrauch und den Kosten solcher Konzepte erschwert diese auch den Bauablauf, wenn die Fassaden mit elektrischer

Hilfsenergie und einer Steuerung vernetzt werden müssen.

Elektromotoren als Aktoren stellen keine preiswerte

Technologie dar, die dezentral autark eingesetzt werden kann, um z.B. Öffnungen so zu öffnen und zu schließen, dass in einer Sommernacht Wärme nach außen abgeführt, am Wintertag Wärme von außen nach innen geführt wird und innen und außen an Sommertagen und in Winternächten gut voneinander isoliert sind. Auch eine lokale Erzeugung und Speicherung von elektrischer Energie z.B. durch ein kleines Photo- voltaik-Modul (PV-Modul) und eine Batterie stellt hierzu keine preisgünstige Alternative dar. Zudem würde dies zu ästhetischen Beeinträchtigungen bei der Gestaltung der

Gebäudehülle führen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen

temperaturabhängigen Schaltmechanismus und dessen Verwendung bereitzustellen, der die Nachteile des Standes der Technik verringert, wobei ein autarker Einsatz ohne Zuführung von elektrischer Energie ermöglicht werden soll.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und dessen Verwendung gemäß Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.

Bei einem erfindungsgemäßen temperaturabhängigen Schalt- mechanismus weist der Aktor eines gattungsgemäßen Schaltmechanismus einen, ein Phasenwechselmaterial (PCM) beinhaltenden Behälter auf. Dabei wird die Schaltkraft durch eine Volumenänderung des Phasenwechselmaterials bei einem temperaturänderungsbedingten Phasenwechsel zwischen zwei Phasenzuständen des Phasenwechselmaterials aufgebracht. Das PCM ist entsprechend der gewünschten Temperatur, bei der der Phasenwechsel, z.B. von einem festen in einen flüssigen Zustand oder umgekehrt, eintreten soll, auszuwählen um ein Schalten bei dieser Temperatur zu ermöglichen. Das PCM wird in dem Behälter mit einer ausreichenden Anbindung an diese Temperatur gelagert, z.B. die Außentemperatur außerhalb eines Gebäudes. Die Transmissionsmechanik dient als

Mechanismus zur Kraftübertragung beim Schalten.

Mit dem erfindungsgemäßen temperaturabhängigen Schalt- mechanismus (PCM-Modul) kann z.B. eine ohne elektrische Hilfsenergie schaltende Öffnung (selbstschaltende Öffnung) zum Kühlen und Heizen eines Gebäudes durch Umgebungsluft verwirklicht werden. Wird ein tägliches Schalten nicht benötigt, so kann der Schaltmechanismus ein thermisch schaltendes PCM-Element aufweisen, das z.B. im Winter eine andere Schaltposition einnimmt als im Sommer. Ein Schalten nach Tieftemperatur- und Hochtemperaturphasen, z.B. Winter- Sommer, kann auch für Mechanismen verwendet werden, die keine Öffnungen beinhalten, z.B. für das Ausrichten von PV- Modulen, von Sonnensegeln von Satelliten und/oder zum

Frostschutz. Der erfindungsgemäße Schaltmechanismus benötigt keine Hilfsenergie zum Schalten. Das Schalten erfolgt durch Aufnahme und/oder Abgabe von Energie aus der Umgebungswärme und/oder an die Umgebungswärme. Dadurch ist z.B. eine erfindungsgemäß selbstschaltend ausgeführte Öffnung

ökologisch, preiswert, robust und autark. Die Autarkie erleichtert z.B. den Einbau in eine Fassade und somit einen Bauprozess eines Gebäudes und die Nutzung der Öffnung.

Eine derartige selbstschaltende Öffnung hat überall dort Vorteil, wo Heiz- oder Kühlbedarf besteht und die

Außentemperatur um die gewünschte Innentemperatur herum schwankt. Sie ist nicht auf Gebäude beschränkt. Neben der Verwendung in Gebäudehüllen kann eine erfindungsgemäße selbstschaltende Öffnung z.B. in Maschinenräumen, Autos, Notzelten, Militäranlagen, in der Raumfahrt und/oder in Lagerhallen verwendet werden. Insbesondere bei Maschinen- räumen ist der Preis, die Einfachheit und die Robustheit ein Vorteil gegenüber aktiven Schaltmechanismen, also Schaltmechanismen, die einen Elektroantrieb aufweisen. Der erfindungsgemäße Schaltmechanismus eignet sich besonders für einen Einsatz in Bereichen, wo wenig elektrische Hilfsenergie verfügbar ist. Z.B. bei einem Auto, das mehrere Wochen in der Sonne geparkt ist, sollte zur Klimatisierung möglichst keine Energie aus der Autobatterie aufgewendet werden um ein tägliches Schalten oder Ventilieren einer Lüftungsöffnung zu ermöglichen. Eine Militäranlage muss eventuell für viele Monate autark sein, aber kann dazu evtl. kein gut sichtbares PV-Modul verwenden. In der Raumfahrt steht evtl. nicht genug Energie für ein tägliches Bewegen von Sonnensegeln zur Verfügung. Bei Lagerhallen können der Preis, die Einfachheit und die Robustheit ebenso

entscheidend sein wie die möglicherweise einfache Nutzung von natürlicher Konvektion in diesen Räumen.

Bei besonders geeigneten PCMs weist die Volumenänderung des Phasenwechselmaterials eine temperaturabhängige Hysterese auf, derart dass der Phasenwechsel von einem ersten in einen zweiten der Phasenzustände bei einer anderen Temperatur erfolgt als der Phasenwechsel von dem zweiten in den ersten Phasenzustand. Mittels eines derartigen PCM kann ein

jahreszeitliches Schalten des Schaltmechanismus erreicht werden. So kann das PCM zum Beispiel bei 28°C schmelzen, also mit den ersten heißen Sommertagen und bei 3°C

gefrieren, also mit den ersten kalten Herbstnächten.

Das Phasenwechselmaterial beinhaltet in einigen Ausführungsformen der Erfindung Paraffin. Paraffine sind in einer großen Bandbreite hinsichtlich Hysterese bei Phasenübergängen verfügbar. Weiter weisen Paraffine eine große Wärmekapazität auf, was ein jahreszeitliches Schalten des Schaltmechanismus weiter unterstützt. Vorteilhaft weist der Behälter ein Vorratsgefäß und ein Steigrohr auf . Die Volumenänderung des PCM beim Phasenübergang kann so in eine große Flüssigkeitsstandsänderung im Steigrohr und damit in einen großen Schaltweg übersetzt werden .

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaltmechanismus ist ein temperaturabhängig schaltendes Aktorelement vorgesehen, wobei die Schaltkraft des Aktors zum Umschalten zwischen den

Schaltzuständen und das Aktorelement als Reihenschaltung ausgeführt sind. Derart addieren sich die Schaltwege des Aktors und des Aktorelements, wodurch sich der Schaltmechanismus für verschiedenste Anwendungen flexibel

konfigurieren lässt.

Insbesondere wenn das Aktorelement bei einer Temperaturänderung langsamer oder schneller schaltet als der Phasenwechsel zwischen den Phasenzuständen des Phasenwechsel - materials eintritt, kann z.B. neben dem jahreszeitlichen Schalten zusätzlich ein tägliches Schalten erreicht werden. Es wird so eine mechanische Vorrichtung verwirklicht, die mindestens zwei verschiedene Positionen, d.h. Schaltzustände, annimmt, wobei die Position von einer äußeren Temperatur abhängt, die zyklisch variiert, d.h. z.B. der ganzjährige tägliche Temperaturwechsel, wobei für die

Position der Mittelwert über mehrere Zyklen, z.B. jahreszeitlicher Mittelwert der Temperatur, und/oder die Extremwerte der Zyklen, z.B. tägliche Höchstwerte der Temperatur, entscheidend sind.

Das Aktorelement kann konstruktiv einfach als Teil der Transmissionsmechanik ausgeführt sein.

Ein tägliches Schalten zwischen den Schaltzuständen kann einfach erreicht werden, wenn das Aktorelement einen aus einem Bimetall gefertigten Hebel aufweist. Insbesondere alternativ dazu kann das Aktorelement ein, ein weiteres Phasenwechselmaterial beinhaltendes Gefäß aufweisen, wobei das Gefäß schwimmend auf dem Phasenwechselmaterial des

Aktors angeordnet ist. Das weitere Phasenwechselmaterial kann dabei insbesondere zu einem täglichen Umschalten zwischen den Schaltzuständen führen, wenn es eine kleinere Hysterese als das Phasenwechselmaterial des Aktors aufweist. Für das PCM mit kleiner Hysterese lassen sich zahlreiche weitere Materialien mit temperaturabhängigem Volumen

verwenden, z.B. auch Gase. Die Reihenschaltung des Aktors und des Aktorelements lässt sich in diversen Varianten verwiklichen, zum Beispiel kann ein Bimetall mit thermischer Anbindung an eine Außenoberfläche z.B. eines Gebäudes, unter dem das PCM mit einem Schwimmer beinhaltenden Gefäß des PCM- Moduls montiert sein, so dass das Gefäß temperaturbedingt von dem Bimetall verschoben wird.

Eine robuste und einfache Kraftübertragung der Schaltkraft kann erreicht werden, wenn die Transmissionsmechanik eine Zahnstange mit einem Zahnrad und/oder einen Schieber

aufweist, wobei die Zahnstange und/oder der Schieber über einen auf dem Phasenwechselmaterial schwimmenden Schwimmer betätigt werden.

Der erfindungsgemäße Schaltmechanismus eignet sich

insbesondere zum Einsatz in einer Klimaanlage. Eine

derartige Klimaanlage mit einem erfindungsgemäßen

temperaturabhängigen Schaltmechanismus weist eine

Fluiddurchströmungsöffnung auf, wobei die Fluiddurch- strömungsöffnung eingerichtet ist, beim Umschalten zwischen den Schaltzuständen geöffnet und/oder geschlossen zu werden ( selbstschaltende Öffnung) . Die Fluiddurchströmungsöffnung kann im einfachsten Fall als Lüftungsöffnung ausgeführt sein. Es kann aber auch z.B. eine Öffnung zum Durchströmen eines Gases oder einer Flüssigkeit in einem Kreislauf für eine Konvektionswalze geschaltet werden. In einer derartigen Klimaanlage mit einem ein PCM aufweisenden Aktor und einem zusätzlichen Aktorelement ist vorteilhaft das Aktorelement zu einem täglichen Schalten eingerichtet und das Phasenwechselmaterial derart

eingerichtet, dass der Phasenwechsel zwischen den

Phasenzuständen in einem jahreszeitlichen Wechsel eintritt. Eine Lüftungsöffnung in einer Gebäudehülle kann dadurch selbsttätig derart geöffnet und geschlossen werden, dass in einer Sommernacht Wärme nach außen abgeführt, am Wintertag Wärme von außen nach innen geführt wird und innen und außen an Sommertagen und in Winternächten gut voneinander isoliert sind .

Eine erfindungsgemäß ausgestattete Klimaanlage eignet sich insbesondere gut zur Verwendung zum Einbau in eine

Gebäudehülle, z.B. einer Fassade, und/oder zur Hinterlüftung eines Solarmoduls. Viele Fassaden von Gebäuden werden mit einer Hinterlüftungsebene ausgeführt . Bei einem auf einer Gebäudehülle mit Hinterlüftung installierten Solarmodul, z.B. einem PV-Modul und/oder einem Solarthermiekollektor, ist es vorteilhaft, wenn die Hinterlüftung im Sommer

geöffnet ist, um eine Überhitzung des Gebäudes zu vermeiden, und im Winter geschlossen ist, so dass dann das Gebäude weniger beheizt werden muss. Dies kann mit einer

Hinterlüftungsöffnung mit einem erfindungsgemäßen

temperaturabhängigen selbstschaltenden Schaltmechanismus erreicht werden. Der Schaltmechanismus benötigt dazu

lediglich einen Aktor mit einem ein PCM enthaltenden

Behälter. Auf ein zusätzliches Aktorelement, z.B. mit einem Bimetall, kann dazu verzichtet werden, so dass der

Schaltmechanismus nur zu einem saisonalen Schalten, ohne ein tägliches Schalten, eingerichtet ist.

Besondere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden

Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. la bis ld ein schematisches Schnittbild einer

selbstschaltenden Öffnung mit einem erfindungsgemäßen temperaturabhängigen Schaltmechanismus mit einer, eine Zahnstange aufweisenden Transmissionsmechanik, in verschiedenen Schaltzuständen.

Fig. 2 ein schematisches Schnittbild einer selbstschaltenden

Öffnung mit einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen temperaturabhängigen

Schaltmechanismus .

Fig. 3 ein schematisches Schnittbild eines als ein PCM

enthaltendes Vorratsgefäß mit Steigrohr ausgebildeten Behälters eines erfindungsgemäßen

temperaturabhängigen Schaltmechanismus .

Fig. 4 ein schematisches Schnittbild einer, als eine

Luftdurchführung zwischen einem Innenraum und der Außenluft ausgeführten, selbstschaltenden Öffnung mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen temparaturabhängigen Schaltmechanismus gemäß den Figuren 1.

Fig. 5a bis 5d ein schematisches Schnittbild einer

selbstschaltenden Öffnung mit einem erfindungsgemäßen temperaturabhängigen Schaltmechanismus mit einer, einen Schieber aufweisenden Transmissionsmechanik, in verschiedenen Schaltzuständen.

Fig. 6a bis 6d ein schematisches Schnittbild einer

selbstschaltenden Öffnung mit einem erfindungsgemäßen temperaturabhängigen Schaltmechanismus mit einer einen Schieber und eine Zahnstange aufweisenden Transmissionsmechanik, in verschiedenen

Schaltzuständen . Fig. 7 ein schematisches Schnittbild einer Klimaanlage mit selbstschaltenden Öffnungen, die eine

Konvektionswalze innerhalb eines geschlossenen Kanalsystems schalten.

In den Figuren 1 bis 2 sowie 4 bis 6 sind schematische

Schnittbilder von selbstschaltenden Öffnungen mit

verschiedenen Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen temperaturabhängigen Schaltmechanismus 1 in verschiedenen Schaltzuständen dargestellt. Die Öffnungen sind dabei als Durchgänge in Lüftungskanälen ausgebildet, wie sie z.B. als Fluiddurchströmungsöffnung 3 für eine Konvektionswalze in einer erfindungsgemäß ausgebildeten Klimaanlage vorhanden sein können. Der temperaturabhängige Schaltmechanismus 1 ist mit einem Aktor 4 und einer Transmissionsmechanik 5

ausgestattet, wobei die Transmissionsmechanik 5 eingerichtet ist, mittels einer von dem Aktor 4 aufbringbaren Schaltkraft ein Umschalten zwischen zwei Schaltzuständen zu bewirken. Der Aktor 4 weist einen ein Phasenwechselmaterial 6

beinhaltenden Behälter 7 auf. Die Schaltkraft wird durch eine Volumenänderung des Phasenwechselmaterials 6 bei einem temperaturänderungsbedingten Phasenwechsel zwischen zwei Phasenzuständen des Phasenwechselmaterials 6 aufgebracht.

Die Transmissionsmechanik 5 weist jeweils ein

temperaturabhängig schaltendes Aktorelement 9 auf, wobei die Schaltkraft des Aktors 4 zum Umschalten zwischen den

Schaltzuständen und das Aktorelement 9 als Reihenschaltung ausgeführt sind. D.h. die Schaltwege des Aktors 4 und des Aktorelementes 9 addieren sich. Derart kann eine Öffnung realisiert sein, die sich in Abhängigkeit einer variierenden äußeren Temperatur öffnen und schließen kann, wobei das Schaltverhalten von Phasen mit niedrigen mittleren äußeren Temperaturen und/oder hohen mittleren äußeren Temperaturen abhängt. Außer der Wärme aus dieser äußeren Umgebung wird dazu keine weitere Energie, wie z.B. elektrische oder pneumatische Energie, für das Aufbringen der Schaltkraft, also das Schalten, benötigt.

In den Figuren la bis ld ist ein schematisches Schnittbild einer selbstschaltenden Öffnung mit einem erfindungsgemäßen temperaturabhängigen Schaltmechanismus 1 mit einer eine Zahnstange 11 aufweisenden Transmissionsmechanik 5 in verschiedenen Schaltzuständen dargestellt. Die Zahnstange 11 greift in ein Zahnrad 12, ein an dem ein aus einem Bimetall gefertigter Hebel 14 als Aktorelement 9 befestigt ist. Der Hebel 14 greift wiederum an einem einen Winkel ausbildenden Schieber (Verschluss) 15 an, mittels dessen Verschiebung die Fluiddurchströmungsöffnung 3 in einem ersten Schaltzustand geöffnet und in einem zweiten Schaltzustand geschlossen sein kann. Die Zahnstange 11 ist auf einem Schwimmer 17

befestigt, der auf dem Phasenwechselmaterial 6 schwimmt.

Figur la zeigt den Schaltmechanismus 1 in einem

Schaltzustand während einer Sommernacht. Im Sommer ist das Phasenwechselmaterial 6 flüssig, während es im Winter fest ist. Wenn es flüssig ist, hat es ein größeres Volumen als im festen Zustand. Bei Paraffinen beträgt die Volumenänderung 5% bis 15%. Geeignete Paraffine haben eine Wärmekapazität im Bereich von 180-300 kJ/kg. Im Sommer hat der Schwimmer 17 auf dem PCM 6 daher eine höhere Position als im Winter. In der hohen Position ist das Bimetall über die Zahnstange 11 und das Zahnrad 12 soweit nach oben gedreht, dass es den Verschluss 15 oben hält und die Öffnung offen ist. In Figur lb ist ein Schaltzustand während eines Sommertages

dargestellt. Das Bimetall, bzw. der Hebel 14, ist aufgrund der an Sommertagen häufig hohen Temperatur verkrümmt, wodurch der Verschluss geschlossen ist.

In Figur lc ist der Schaltzustand während einer Winternacht dargestellt. Im Winter ist das PCM 6 fest, hat deshalb ein kleineres Volumen. Daher befindet sich der Schwimmer 17 weiter unten. Über die Zahnstange 11 und das Zahnrad 12 ist daher auch das Bimetall des Hebels 14 weiter nach unten gedreht. In der Kälte der Nacht ist das Bimetall gerade, aber es öffnet den Verschluss 15 nicht, da es vom Zahnrad 12 weiter nach unten gedreht wurde. In Figur ld ist der

Schaltzustand während eines warmen Wintertages dargestellt. Aufgrund der Temperatur krümmt sich das Bimetall, was aber keine Auswirkungen auf den Schaltzustand hat. Bei einer Verwendung der selbstschaltenden Öffnung in einer

Klimaanlage einer Gebäudehülle (Gebäudeanwendungsfall) ist das irrelevant, da man im europäischen Klima nur relativ wenig Heizbedarf durch einen geöffneten Verschluss an warmen Tagen einsparen kann.

In Figur 2 ist ein schematisches Schnittbild einer

selbstschaltenden Öffnung mit einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen temperaturabhängigen

Schaltmechanismus 1 gezeigt, wobei die Transmissionsmechanik 5, zusätzlich zu der Ausführungsform aus den Figuren 1, einen Seilzug 20 aufweist, mittels dessen der Verschluss 15 geöffnet und geschlossen werden kann. Dabei ist die gleiche Situation eines warmen Wintertages wie in Figur ld

dargestellt, wobei der Schaltmechanismus 1 durch den Seilzug 20 erweitert wurde. Nun kann tagsüber Wärme nach innen gelangen, da der Verschluss 15 an warmen Wintertagen

geöffnet ist, und dort, z.B. in der Bausubstanz, gespeichert werden, um den Heizbedarf in der Nacht zu reduzieren. Der Seilzug 20 weist ein Seil 21 auf, welches über eine

Umlenkung 22 geführt ist und an einem Ende an dem Verschluss 15 befestigt ist. Auf das andere Ende wirkt die

Betätigungskraft des Hebels 14. Mit mehreren Zahnrädern und/oder einem Hebel kann man die Wegänderung des Schwimmers 17 auch in eine große Wegänderung des Verschlusses 15 übersetzen .

In Figur 3 ist ein schematisches Schnittbild eines als ein PCM 6 enthaltendes Vorratsgefäß 30 mit Steigrohr 31

(Steigleitung) ausgebildeten Behälters 7 eines erfindungsgemäßen temperaturabhängigen Schaltmechanismus dargestellt. Wenn der horizontale Querschnitt des gefrorenen PCMs 6 deutlich größer ist als der horizontale Querschnitt der Steigleitung 31, in der sich der Schwimmer 17 bewegen kann, so vergrößert sich die Wegänderung des Schwimmers 17 entsprechend. In der Figur ist ein Behälter 7 mit gefrorenem PCM 6 und einem entsprechend tief in der Steigleitung 31 liegenden Schwimmer 17 gezeigt.

In Figur 4 ist ein schematisches Schnittbild einer, als eine Luftdurchführung zwischen einem Innenraum (innen) 40 und der Außenluft (außen) 41 ausgeführten, selbstschaltenden Öffnung mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen

temperaturabhängigen Schaltmechanismus 1 gemäß den Figuren 1 dargestellt. Wie durch die Außenöffnung 42 dargestellt, kann die schaltbare Öffnung auch Luftaustausch zwischen innen 40 und außen ermöglichen 41, anstatt z.B. eine Konvektionswalze innerhalb einer Trennwand zu schalten. Dadurch lässt sich eine größere Auskühlung in der Sommernacht erreichen, aber es muss ein geeigneter Umgang mit Verschmutzungs- und

Lärmrisiken gefunden werden. Dazu können Filter und/oder Schalldämpfer in der Fluiddurchströmungsöffnung eingebaut sein .

In den Figuren 5a bis 5d ist ein schematisches Schnittbild einer selbstschaltenden Öffnung mit einem erfindungsgemäßen temperaturabhängigen Schaltmechanismus 1 mit einer einen Schieber 50 aufweisenden Transmissionsmechanik 5 in

verschiedenen Schaltzuständen dargestellt. In dieser

Ausführungsform weist die Transmissionsmechanik 5 ein

Aktorelement 9 auf, das mit der Schaltkraft des Aktors 4 in Reihe geschaltet ist und ein weiteres Phasenwechselmaterial 52 beinhaltendes Gefäß 53 aufweist. Das Gefäß 53 ist

schwimmend auf dem Phasenwechselmaterial 6 des Aktors 4 angeordnet. Der Schieber 50 ist wiederum auf einem, auf dem weiteren Phasenwechselmaterial 52 schwimmenden Schwimmer 55 befestigt. Auch der Verschluss 15 der Fluiddurchströmungsöffnung 3 ist als ein Schieber ausgeführt, wobei der Verschluss 15 eine Öffnung 57 aufweist die beim Umschalten zwischen den Schaltzuständen im

geöffneten Fall die Fluiddurchströmungsöffnung 3 frei gibt, wogegen die Fluiddurchströmungsöffnung 3 im geschlossenen Fall von dem Verschluss 15 in einem die Öffnung 57 nicht enthaltenden Bereich überdeckt ist.

Es gibt Phasenwechselmaterialien mit sehr unterschiedlichen Schmelztemperaturen und Gefriertemperaturen. Darunter sind auch PCMs mit sehr kleinen Hysteresen, so dass sie die

Funktion eines Bimetalls, wie z.B. in den Figuren 1

dargestellt, ersetzen können. Um diese Funktion zu ersetzen, ist eine gute thermische Anbindung des weiteren PCM an die Außentemperatur notwendig und es sollte eine eher geringe Menge dieses weiteren PCMs verwendet werden. Figur 5a zeigt den Schaltzustand des Schaltmechanismus 1 an einem

Sommertag, Figur 5b in einer Sommernacht. Figur 5c zeigt den Schaltzustand des Schaltmechanismus 1 an einem Wintertag und Figur 5d in einer Winternacht. In diesen Figuren ist das weitere PCM 52 zwischen zwei Schwimmern 55, wobei einer der beiden Schwimmer als das das weitere PCM 52 enthaltende Gefäß 53 ausgebildet ist, derart gewählt, dass es eine größere Hysterese als das PCM 6 in dem Behälter 7 aufweist. Das weitere PCM 52 hat also im Sommer ein großes Volumen und im Winter ein kleines Volumen, da dessen Phasenwechsel lediglich jahreszeitlich und nicht täglich eintritt. Das untere PCM 6 weist eine kleinere temperaturabhängige

Hysterese hinsichtlich dessen Volumenänderung auf, so dass es jeden Tag einen Phasenwechsel durchläuft und damit einen Schaltvorgang täglich herbeiführen kann.

In den Figuren 6a bis 6d ist ein schematisches Schnittbild einer selbstschaltenden Öffnung mit einem erfindungsgemäßen temperaturabhängigen Schaltmechanismus 1 mit einer, eine durch einen Schieber 60 verlängerte Zahnstange 11

aufweisenden Transmissionsmechanik 5 in verschiedenen Schaltzuständen dargestellt. Auch der hier dargestellte Schaltmechanismus 1 weist entsprechend dem Schaltmechanismus 1 aus den Figuren 5 eine Konfiguration mit zwei

unterschiedlichen Phasenwechselmaterialien 6, 52 auf. Der Unterschied zu der Ausführungsform in den Figuren 5 besteht in der Ausführung des zu schaltenden Verschlusses 15 der Fluiddurchströmungsöffnung 3. Der Verschluss 15 muss nicht wie z.B. in den Figuren 5 linear verschoben werden, sondern kann, wie dargestellt, auch rotierend geöffnet bzw.

geschlossen werden. Dazu ist der Verschluss 15 an einem Zahnrad 62 befestigt, welches in die Zahnstange 11 eingreift und mit Bewegung der Zahnstange 11 rotiert. Figur 6a zeigt den Schaltzustand des Schaltmechanismus 1 in einer

Winternacht (Verschluss 15 geschlossen) , Figur 6b an einem Wintertag (Verschluss 15 geöffnet) . Figur 6c zeigt den

Schaltzustand des Schaltmechanismus 1 in einer Sommernacht (Verschluss 15 geöffnet) und Figur 6d an einem Sommertag (Verschluss 15 geschlossen) .

In Figur 7 ist ein schematisches Schnittbild einer

erfindungsgemäßen Klimaanlage 70 mit selbstschaltenden

Öffnungen, die eine Konvektionswalze innerhalb eines

geschlossenen Kanalsystems 71 schalten, dargestellt. Die Konvektionswalze ist durch die Pfeile innerhalb des

Kanalsystems 71 symbolisch dargestellt. Die in den

vorangehenden Figuren dargestellten Konfigurationen von temperaturabhängigen Schaltmechanismen 1 können z.B. in der Darstellung der Klimaanlage 70 als selbstschaltende Öffnung an der unteren Ecke der Darstellung, die an den Außenbereich 41 angrenzt, eingesetzt sein. Die ohne Hilfsenergie

selbstschaltende Öffnung zum Kühlen und Heizen durch

Umgebungswärme kann zum Beispiel in eine Gebäudehülle so eingesetzt werden, dass im geöffneten Fall ein Luftaustausch zwischen innen und außen stattfinden kann. Siehe dazu z.B. Figur 4. Die selbstschaltende Öffnung kann aber auch, wie hier dargestellt, innerhalb einer Trennwand, z.B. einer Gebäudehülle, zwischen innen 40 und außen 41 eingesetzt werden, um im geöffneten Fall, wie rechts dargestellt, über eine Konvektionswalze einen hohen U-Wert zu ermöglichen und im geschlossen Fall, wie links dargestellt, einen niedrigen U-Wert zu ermöglichen durch Unterbinden der

Konvektionswalze. Dies ist in Figur 7 illustriert. Das Fluid, das die Konvektionswalze ausbildet, kann Luft, ein anderes Gas oder Gasgemisch, aber auch eine Flüssigkeit, z.B. Wasser und/oder Glykol sein. Die dargestellte Trennwand weist einen Körper 75 aus einem isolierenden Material auf und verfügt über um diesen Körper 75 in einem geschlossenen Kreislauf herumführende Kanäle 71 mit je einer Fluidschicht 81,82 vor und hinter dem isolierenden Material und

fluidführenden Teilkanälen 83,84 über und unter dem

isolierenden Material sowie zwei erfindungsgemäß schaltbare Öffnungen 87. Z.B. während eines Sommertages (links

dargestellt) wird die Konvektionswalze in dem Kanalsystem durch die schaltbaren Öffnungen verhindert, d.h. diese sind geschlossen, während in einer Sommernacht die

Konvektionswalze durch geöffnete schaltbare Öffnungen ermöglicht wird (rechts Dargestellt) , um Wärme nach außen abzugeben .

Im Falle der Verwendung eines erfindungsgemäßen

Schaltmechanismus mit einem Bimetall als zu dem PCM in Reihe geschalteten Aktorelement beruht die Funktion des Schaltens darauf, dass das Bimetall in einem kleinen Temperaturbereich täglich schaltet und das PCM nur jahreszeitlich. Zum einen kann PCM eine große Hysterese haben, wie sie in der Figur schematisch dargestellt ist. So kann es zum Beispiel bei 28°C schmelzen (Schmelztemperatur TS) , also mit den ersten heißen Sommertagen und bei 3°C gefrieren (Gefriertemperatur TG), also mit den ersten kalten Herbstnächten. Zur

Verdeutlichung des Schaltverhaltens des PCM ist in der Figur ein Diagramm eingezeichnet, welches das Volumen V des PCM über der Außentemperatur aufgetragen zeigt . Es gibt eine Hysterese, d.h. gefrorenes PCM schmilzt erst bei einer höheren Temperatur als die Temperatur, bei der flüssiges PCM gefriert. Zum anderen hat PCM eine große thermische

Kapazität. Deshalb schmilzt und gefriert es nicht jeden Tag, sondern benötigt zum Phasenwechsel mehrere Tage. Drittens hängt das Schaltverhalten auch vom thermischen Widerstand zwischen dem Bimetall und der Umgebungstemperatur und dem thermischen Widerstand zwischen dem PCM und der

Umgebungstemperatur ab. Beim Bimetall sollte der thermische Widerstand gering sein, damit es mit geringer Verzögerung schaltet. Beim PCM sollte ein höherer thermischer Widerstand zur Umgebungstemperatur konstruktiv erreicht sein. Dazu sind verschiedene Wärmeübertragungsmechanismen zwischen der

Außenoberfläche, z.B. der Klimaanlage, und den thermisch schaltenden Materialien, also z.B. dem PCM und dem Bimetall, denkbar. Die Wärmeübertragung kann z.B. durch direkten

Kontakt, gut leitende Gitter im PCM, isolierendes Material, bewegliche Metallteile und/oder bewegliche Metallkabel erreicht sein. Bei einem Bimetall aufweisenden Aktorelement können auch getrennte Bimetallstreifen für eine Schaltung im Sommer (Sommermechanismus) und im Winter (Wintermechanismus) vorgesehen sein. Die Bimetalle der Bimetallstreifen können dabei auf die Sommer- und die Wintertemperaturen hin

optimiert sein.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste" und „zweite" Ausführungsformen definieren, so dient diese

Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Ausführungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen.

Claims

Ansprüche

1. Temperaturabhängiger Schaltmechanismus (1) mit einem

Aktor und einer Transmissionsmechanik (5) , wobei die Transmissionsmechanik (5) eingerichtet ist, mittels einer von dem Aktor (4) aufbringbaren Schaltkraft ein

Umschalten zwischen zwei Schaltzuständen zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, dass

der Aktor (4) einen, ein Phasenwechselmaterial (6) beinhaltenden Behälter (7) aufweist und die Schaltkraft durch eine Volumenänderung des Phasenwechselmaterials (6) bei einem temperaturänderungsbedingten Phasenwechsel zwischen zwei Phasenzuständen des Phasenwechselmaterials (6) aufgebracht wird und die Volumenänderung des

Phasenwechselmaterials (6) eine temperaturabhängige

Hysterese aufweist, derart dass der Phasenwechsel von einem ersten in einen zweiten der Phasenzustände bei einer anderen Temperatur erfolgt als der Phasenwechsel von dem zweiten in den ersten Phasenzustand.

2. Temperaturabhängiger Schaltmechanismus (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial (6) Paraffin beinhaltet.

3. Temperaturabhängiger Schaltmechanismus (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der

Behälter (7) ein Vorratsgefäß (30) und ein Steigrohr (31) aufweist .

4. Temperaturabhängiger Schaltmechanismus (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein temperaturabhängig schaltendes Aktorelement (9)

vorgesehen ist, wobei die Schaltkraft des Aktors (4) zum Umschalten zwischen den Schaltzuständen und das

Aktorelement (9) als Reihenschaltung ausgeführt sind.

5. Temperaturabhängiger Schaltmechanismus (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktorelement (9) bei einer Temperaturänderung schneller oder langsamer

schaltet als der Phasenwechsel zwischen den

Phasenzuständen des Phasenwechselmaterials (6) des Aktors (4) eintritt.

6. Temperaturabhängiger Schaltmechanismus (1) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktorelement (9) als Teil der Transmissionsmechanik (5) ausgeführt ist.

7. Temperaturabhängiger Schaltmechanismus (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das

Aktorelement (9) zumindest einen aus einem Bimetall gefertigten Hebel (14) aufweist.

8. Temperaturabhängiger Schaltmechanismus (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das

Aktorelement (9) ein, ein weiteres Phasenwechselmaterial

(52) beinhaltendes Gefäß (53) aufweist, wobei das Gefäß

(53) schwimmend auf dem Phasenwechselmaterial (6) des Aktors (4) angeordnet ist.

9. Temperaturabhängiger Schaltmechanismus (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die

Transmissionsmechanik (5) eine Zahnstange (11) mit einem Zahnrad (12) und/oder einen Schieber (50) aufweist, wobei die Zahnstange (11) und/oder der Schieber (50) über einen auf dem Phasenwechselmaterial (6) schwimmenden Schwimmer (17) betätigt werden.

10. Klimaanlage (70) mit einem temperaturabhängigen Schaltmechanismus (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fluiddurchströmungsöffnung (3) vorgesehen ist, wobei die Fluiddurchströmungsöffnung (3) eingerichtet ist beim Umschalten zwischen den

Schaltzuständen geöffnet und/oder geschlossen zu werden.

11. Klimaanlage (70) nach Anspruch 10 mit einem

temperaturabhängigen Schaltmechanismus (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktorelement (9) zu einem täglichen Schalten eingerichtet ist und dass das Phasenwechselmaterial (6) des Aktors (4) derart eingerichtet ist, dass der Phasenwechsel zwischen den Phasenzuständen in einem jahreszeitlichen Wechsel eintritt .

Verwendung einer Klimaanlage (70) nach einem der

Ansprüche 10 oder 11, zum Einbau in eine Gebäudehülle und/oder zur Hinterlüftung eines Solarmoduls.