PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE19538651B4 01.07.2004
Titel Sonnenschutzvorrichtung aus einem für Sonnenlicht transparenten Material
Anmelder Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 München, DE
Erfinder Jungjohann, Jörg, 79104 Freiburg, DE
DE-Anmeldedatum 17.10.1995
DE-Aktenzeichen 19538651
Offenlegungstag 24.04.1997
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 01.07.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.07.2004
IPC-Hauptklasse E06B 9/24
IPC-Nebenklasse F21V 5/02   F21S 11/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sonnenschutzvorrichtung 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 Gebäudedecken angebracht, um beispielsweise als Blendschutz oder als Überhitzungsschutz zu dienen und einen direkten Lichteinfall zu vermeiden. Überdies dienen deratige Vorrichtungen der verbesserten Ausleuchtung 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 zurückreflektiert wird, so daß eine weitgehend gleichbleibende Transparenz trotz des sich täglich ändernden Sonnestandes 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 Sonnenständen an dieser Fläche reflektiert wird.

Ferner geht aus der US-4 517 960 ein Sonnenschutzsystem hervor, das aus einer Vielzahl, jeweils um ihre Längsachse drehbar angeordnete Scheiben aus für Sonnenlicht transparentes Material besteht, deren der Sonne ausgerichtete Oberflächen glatt ausgebildet sind und deren Unterseiten jeweils prismenstabartige Konturen aufweisen. Je nach Ausrichtung der einzelnen Scheiben, vorzugsweise Glasplatten relativ zum Sonnenstand wirkt das Sonnenschutzsystem insgesamt transmittierend bzw. reflektierend. Im Falle der reflektierenden Wirkung erfolgen die einzelnen Reflexionsereigenisse 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 erforderlich, die Sonnenschutzvorrichtung entsprechend ihrem Freiheitsgrad um ihre Längsachse stets dem höchsten Tagessonnenstand anzupassen, um den Winkelbedingungen der Totalreflexion zu genügen, so daß die Sonnenschutzvorrichtung die gewünschte Schutzfunktion gegen Blendung und/oder Überhitzung erzielen kann.

Untersuchungen haben ergeben, daß Sonnenschutzvorrichtungen nach Maßgabe der in der US 4 517 960 beschriebenen Art nur in einem charakteristischen &thgr;-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 Lichtstrahlen in den vorbeschriebenen Winkelbereich fallen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sonnenschutzvorrichtung aus einem für Sonnenlicht transparenten Material, das flächig ausgebildet ist und eine glatte Oberfläche aufweist, die vom Licht bestrahlt wird sowie eine regelmäßig strukturierte Unterseite 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 Breitenverhältnisse leicht in Gebäudefassaden integrierbar sein und zu Zeiten eines hohen Sonnenstandes Schutzeigenschaften gegen Blendung sowie Überhitzung aufweisen und zu Zeiten niedrigen Sonnenstandes transparentes Verhalten annehmen. Schließlich soll die Sonnenschutzvorrichtung Durchsichteigenschaften aufweisen.

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

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

Vorzugsweise ist das über den Winkel &bgr; 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 einschließende Seiten sowie einen dritten Seitenschenkel Durch die Anstellung des rechtwinkligen Dreiecks um einen Winkel &bgr; und Ergänzung um einen dritten Seitenschenkel ergibt sich im Querschnitt ein Trapezoid mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, wobei die erste Seite und die zweite Seite einen rechten Winkel einschließen. Bei der ersten und zweiten Seite handelt es sich um die rechtwinkligen Seitenschenkel des angestellten rechtwinkligen Dreiecks. Die erste Seite schließt mit der glatten Oberfläche der Sonnenschutzvorrichtung einen Winkel &agr; ein. Dieser Winkel &agr; ist die Summe des Winkels &bgr;, um den das rechtwinklige Dreieck angestellt ist und des Winkels zwischen der ersten Seite und der Grundlinie des Dreiecks. Dieser letztgenannte Winkel beträgt nach den Dreieckssätzen mindestens 45°, soweit die erste Seite nicht länger als die zweite Seite ist. Der Winkel &agr; ist somit -zumindest für die im Rahmen dieser Erfindung relevanten Fälle – größer 45°.

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

1a,b Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sonnenschutzvorrichtung,

2a,b schematisierter Strahlenverlauf innerhalb der schematisierten Querschnittsdarstellung einer erfindungsgemäßen Sonnenschutzvorrichtung bei hohem und niedrigem Sonnenstand,

3a,b Gegenüberstellung zweier Transmissionsdiagramme einer Sonnenschutzvorrichtung gemäß dem Stand der Technik und einer erfindungsgemäßen Sonnenschutzvorrichtung,

4 Sonnenstandsdiagramm bei 48 ° nördlicher Breite mit Funktion für Winkelbereiche, in denen die Totalreflexionsbedingungen erfüllt sind.

In 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 1b ist eine schematisierte Querschnittsdarstellung entlang der x-y-Ebene durch die erfindungsgemäße Sonnenschutzvorrichtung dargestellt. Die Unterseitenkontur ist von der Oberfläche 1 etwas beabstandet angeordnet und weist ein, unter einem Winkel &bgr; gegenüber der Oberfläche 1 angekipptes, gleichschenkeliges, 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, rechtwinkligen Dreiecks um einen Winkel &bgr; kann wie im folgenden noch dargestellt wird, der Bereich des Einfallswinkels, unter dem Sonnenstrahlen S auf die Oberfläche 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.

Bei einem gleichschenkligen rechtwinkligen Dreieck beträgt der Winkel zwischen den rechtwinkligen Seitenschenkeln und der Grundlinie 45°. Der Winkel &agr; zwischen der ersten Seite des Trapezoids und der glatten Oberfläche der Sonnenschutzvorrichtung beträgt bei Ausführungsbeispielen, bei denen ein gleichschenkliges rechtwinkliges Dreieck um einen Winkel &bgr; angestellt wird, daher stets 45° + &bgr;. Im weiteren wird stets nur der Winkel &bgr; angegeben, wobei unmittelbar auf den Winkel &agr; = 45°+ &bgr; geschlossen werden kann.

Bereits während der Fabrikation der erfindungsgemäßen Sonnenschutzvorrichtung ist der Winkel &bgr; 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 Einstellung des Winkels &bgr; und geeignete Wahl eines Materials mit einem geeigneten Brechungsindex fast jeder gewünschte Ausblendbereich erreicht werden.

Die als kleiner Ausschnitt in 1a dargestellte Sonnenschutzvorrichtung wird vorzugsweise derart in vertikale Gebäudefassaden eingebracht, so daß die parallel verlaufenden Konturen 2 horizontal angeordnet sind. Der Winkel &thgr; entspricht dem Winkel zwischen der Normalen auf der glatten Oberfläche der Sonnenschutzvorrichtung und den auf die Oberfläche einfallenden Sonnenstrahlen. Der Winkel &PHgr; enstspricht 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 2a und b entspricht einem Querschnitt einer senkrecht angebrachten Sonnenschutzvorrichtung beispielsweise an einer Gebäudefassadenwand. 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 Sonnenschutzvorrichtung an den entsprechenden Grenzflächen Totalreflexionen, so daß die Lichtstrahlen im wesentlichen ohne die Sonnenschutzvorrichtung zu durchdringen in gleicher Richtung zur Einfallsrichtung nach außen zurückreflektiert werden.

Demgegenüber sieht 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 &thgr; 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 Sonnenschutzvorrichtung 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 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 3a und b stellen Transmissionsdiagramme der in Abhängigkeit des Einfallswinkels &thgr; der in 1a eingetragen ist. 3a zeigt ein Transmissionsdiagramm einer an sich bekannten Sonnenschutzvorrichtung, 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 3a dargestellte Funktionsverlauf der Transmission wird erhalten mit einer Sonnenschutzvorrichtung 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 &bgr; von etwa 30° die in 3b dargestellte Transmissionskurve auf. Das Transmissionsdiagramm zeigt im Winkelbereich zwischen etwa 42° und 65° einen erheblichen Einbruch der Transmission, der mit dem Auftreten von Totalreflexionen verbunden ist. Das Diagramm ist zu erhalten unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Sonnenschutzvorrichtung, 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 4 ist ein Sonnenstandsdiagramm dargestellt, dessen Abszisse den Sonnenazimutwinkel &thgr; darstellt 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 dargestellt sind, den Wegverlauf der Sonne am Himmel in Abhängigkeit der jeweiligen Monate. So verläuft beispielsweise 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 reflexfierend wirkt. Im Winkelbereich über der strichpunktierten Linie tritt Totalreflexion auf, wohingegen darunter die Sonnenschutzvorrichtung für Sonnenstrahlen transparent ist.

Aus dem vorsteheneden 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 Sonnenschutzvorrichtung 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 Sonnenschutzvorrichtung ist eine Durchsicht durch die Vorrichtung möglich, so daß der Bezug der zur Außenwelt nicht verloren geht.


Anspruch[de]
  1. Sonnenschutzvorrichtung aus einem für Sonnenlicht transparentem Material, das flächig ausgebildet ist und eine glatte Oberfläche aufweist, die vom Licht bestrahlt wird und eine regelmäßig strukturierte Unterseite vorsieht, die wenigstens eine prismenstabartige Kontur aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der prismenstabartigen Kontur ein Trapezoid darstellt, wobei eine erste Seite und eine zweite Seite des Trapezoids in etwa einen rechten Winkel einschließen und die erste Seite mit der glatten Oberfläche einen Winkel &agr; von größer 45° einschließt.
  2. Sonnenschutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere prismenstabartig ausgebildete Konturen auf der Unterseite angebracht sind, die jeweils parallel verlaufen.
  3. Sonnenschutzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Seite und die zweite Seite des Trapezoids gleich lang sind.
  4. Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel &agr; zwischen 70° und 85°, vorzugsweise 75° beträgt.
  5. Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonnenschutzvorrichtung in Gebäudefassaden integrierbar ist, wobei die glatte Oberfläche zur Außenseite gerichtet ist und die prismenstabartig ausgebildete Kontur horizontal verläuft.
  6. Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material dielektrisch ist.
  7. Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Material Polycarbonat ist.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com