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Dokumentenidentifikation DE102005058712B4 08.11.2007
Titel Optisch transparentes Leichtbauelement
Anmelder Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 München, DE
Erfinder Georg, Andreas, Dipl.-Phys., 79104 Freiburg, DE;
Graf, Wolfgang, Dipl.-Ing., 79427 Eschbach, DE;
Steinhart, Josef, Dipl.-Ing. (FH), 79106 Freiburg, DE;
Wittwer, Volker, Dr. PD, 79112 Freiburg, DE
Vertreter PFENNING MEINIG & PARTNER GbR, 80339 München
DE-Anmeldedatum 08.12.2005
DE-Aktenzeichen 102005058712
Offenlegungstag 14.06.2007
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 08.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.11.2007
IPC-Hauptklasse E04C 2/54(2006.01)A, F, I, 20051208, B, H, DE
IPC-Nebenklasse E06B 3/667(2006.01)A, L, I, 20051208, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft optisch transparente Leichtbauelemente, die für Überdachungen oder auch schützende Seitenwände eingesetzt werden können. Dabei können sie ähnlich wie Folienkissen ausgebildet sein. Ein besonderer Aspekt ist die Möglichkeit der Einflussnahme auf optische Eigenschaften, wobei eine unterschiedliche Einfärbung und wieder Entfärbung möglich ist, so dass die Transparenz temporär verändert werden kann.

Hierfür sind aus WO 96/15348 A1 oder auch EP 1 421 437 B1 sowie aus „Gasochromic windows", V. Wittwer, M. Datz, J. Ell, A. Georg, W. Graf, G. Walze, Solar Energy Materials & Solar Cells 84 (2004) 305–314, Lösungen bekannt, bei denen z.B. gasochrome Stoffe auf Glas oder Dicke Polymersubstrate als Schicht aufgebracht werden sollen. Diese Stoffe haben die Eigenschaft unter dem Einfluss bestimmter in einem Gas enthaltenen Materialien wie z.B. Wasser- und Sauerstoff oder auch andere reduzierende und oxidierende Gase, ihre optischen Eigenschaften reversibel zu verändern, wobei evtl. ein zusätzliches katalytisches Material für befriedigend kurze Reaktionszeiten notwendig sein kann. Geeignete gasochrome Stoffe sind in diesem Stand der Technik offenbart und können auch bei der Erfindung in analoger Form eingesetzt werden. Dies trifft auch im Wesentlichen auf die Einleitung der Farbänderung der mit gasochromen Stoffen gebildeten Schichten zu.

Bei den bekannten Lösungen werden solche Schichten aber auf Substraten ausgebildet, die für Wasser dicht sind, so dass ein Eindringen von Feuchtigkeit aus einer Umgebungsatmosphäre nicht möglich ist.

In EP 1 421 437 B1 ist auch auf das Problem der Empfindlichkeit gasochromer Stoffe gegenüber Feuchtigkeit eingegangen worden und es sind auch Lösungsansätze vorgeschlagen. Diese sind aber bei flexiblen Elementen, die mit Folien hergestellt worden sind, nicht oder nur mit begrenzter Wirkung einsetzbar.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung optisch transparente Leichtbauelemente, die mit einer im Inneren mindestens einer Kammer ausgebildeten Beschichtung mit einem gasochromen Stoff, versehen sind, zur Verfügung zu stellen, deren Lebensdauer infolge eines reduzierten Feuchtigkeitseinflusses, verlängert werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Leichtbauelement, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Geeignete Verwendungen sind im Anspruch 14 benannt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.

Erfindungsgemäße Leichtbauelemente können für die Herstellung von Gebäuden oder auch Teilen von Gebäuden eingesetzt werden. Auch der Einsatz im Fahrzeug ist denkbar, dabei kann neben dem Leichtbauaspekt auch ein gezielter Einfluss auf die Transmission oder Reflexion elektromagnetischer Strahlung genommen werden.

Hierfür werden die Eigenschaften gasochromer Stoffe, wie beispielsweise hierfür bekannte Metalloxide (z.B. WO3) oder auch andere Verbindungen, die im vorab genannten Stand der Technik bereits beispielhaft genannt worden sind, eingesetzt werden. Diese können gemeinsam mit ebenfalls bekannten katalytisch wirkenden Komponenten eingesetzt werden, um die optische Transparenz zu beeinflussen.

Dabei wird eine Beschichtung mit einem gasochromen Stoff auf eine Innenwand einer Kammer, zumindest auf Bereichen der Oberfläche ausgebildet. Durch die Kammer kann ein Gas geführt werden, dass eine Komponente enthält, die zu einer Änderung der optischen Eigenschaften, z.B. der Transmission oder Reflexion, innerhalb eines Spektralbereichs elektromagnetischer Wellen führt. Dies kann in bevorzugter Form Wasserstoff sein, der mit geringem Anteil in einem bevorzugt inerten Gas enthalten ist.

Soll die Änderung der optischen Eigenschaften wieder umgekehrt werden, also beispielsweise bei WO3 als gasochromes Material eine Entfärbung der Beschichtung erfolgen, wird ein anderes Gas durch bzw. in die Kammer geführt. Dies kann ein Sauerstoff enthaltendes Gas, beispielsweise Luft, sein.

Da bei einem erfindungsgemäßen Leichtbauelement die Wandungen der mindestens einen Kammer mit der Beschichtung eine sehr geringe Dicke im Vergleich zu den bekannten Verglasungselementen aufweisen und bevorzugt flexibel verformbar sind, ist eine solche Kammer von mindestens einer weiteren Kammer mittels einer für Wasser permeablen Membran getrennt. Durch von außen in die mit Beschichtung versehene Kammer eindringendes Wasser oder auch darin gebildetes Wasser kann so durch die Membran in die weitere Kammer gelangen, so dass der unerwünschte Feuchtigkeitseinfluss und eine Kondensation vermieden, zumindest jedoch erheblich reduziert werden können. Dabei soll zumindest temporär in der weiteren Kammer eine Gasatmosphäre vorhanden sein, die einen kleineren Wasseranteil enthält, dadurch kann das durch die Membran gelangende Wasser aufgenommen und mit dem Gas abgeführt werden.

So kann durch eine oder auch mehrere weitere Kammer(n) Luft mit reduziertem Wassergehalt geführt werden, die das Wasser aufnehmen kann. Eine Wasseraufnahme und ggf. auch eine Wasserabfuhr sollte in bestimmten Zeitintervallen und/oder immer nach einem zur Ein- oder Entfärbung führenden Vorgang aus weiteren Kammern durchgeführt werden.

Mit dem Gas/Gasgemisch, dass in den Kammern enthalten ist oder hindurch geführt wird, kann bei ausreichend großem Innendruck die erforderliche Stabilität eines in Form von Folienkissen/Luftkissen ausgebildeten Leichtbauelementes erreicht werden.

Bevorzugt sind die Wände von Kammern aus für elektromagnetische Strahlung, zumindest teilweise lichtdurchlässige, flexiblen Folien, gebildet. Hierfür kommen geeignete Polymerfolien in Frage. Die Transparenz muss nicht im gesamten Spektralbereich des sichtbaren Lichts gegeben sein. Es sollte aber der Spektralbereich einer solchen Polymerfolie transparent sein, der vom jeweiligen gasochromen Stoff beeinflusst werden kann.

Zur zusätzlichen Reduzierung der Permeation von Wasserdampf, Sauerstoff und/oder Wasserstoff können zusätzliche Beschichtungen auf die Kammerwände und/oder die Membran vorgenommen werden. Insbesondere die Reduzierung der Permeation von Wasserstoff und/oder Sauerstoff ist für das gasochrome System vorteilhaft, wenn es diese Gase als reaktive Gase verwendet. Dadurch kann ein zu schnelles Entweichen dieser Gase zusätzlich zu der Barrierewirkung der Wände bzw. Membran gegenüber diesen Gasen weiter unterdrückt werden.

Insbesondere kann die gasochrome Beschichtung selbst so gestaltet werden, dass sie die Permeation der Gase Wasser, Wasserstoff und/oder Sauerstoff reduziert. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die gasochrome Beschichtung auf einer nach außen weisenden Wand aufgebracht wird, da sie so von außen eindringendes Wasser zusätzlich abhält.

Zur weiteren Reduktion der Permeation der Gase Wasser, Wasserstoff und/oder Sauerstoff kann die gasochrome Beschichtung um eine zusätzliche Barriereschicht erweitert werden, z.B. aus Siliciumoxid und/oder Aluminiumoxid. Diese kann beim Beschichtungsprozess leicht integriert werden.

In einer Ausführungsform kann ein Leichtbauelement auch mit mehreren Kammern, als Kammersystem ausgebildet sein. So können mehrere voneinander getrennte eine gasochrome Beschichtung aufweisende Kammern mittels einer permeablen Membran von mindestens einer weiteren Kammer getrennt sein. Damit kann ein erfindungsgemäß gewünschter Feuchtigkeitsschutz und falls gewünscht auch eine Ein- oder Entfärbung an ausgewählten Kammern initiiert werden. Umgekehrt können auch mehrere voneinander getrennte Kammern über mehrere Membranen mit einer gasochromen Beschichtung aufweisende Kammern verbunden sein.

Die Wandungen von Kammern sollten eine deutlich reduzierte Durchlässigkeit (oder genauer Massen-Stromdichte) für Wasser aufweisen, als die trennenden Membranen. Dies kann durch geeignete Polymerauswahl und/oder größere Dicken von Polymerfolien erreicht werden.

Je nach gewünschter Festigkeit und Stabilität von Leichtbauelementen werden erfindungsgemäß Polymerfolien im Dickenbereich 0,05 bis 0,5 mm, bevorzugt im Bereich 0,1 bis 0,3 mm eingesetzt.

Geeignete Polymere sind beispielsweise fluorierte Polymere, Polyamid, Polycarbonat, Polyester, Polysulfon, Polyethylen und Polypropylen.

Als bevorzugte fluorierte Polymere können Ethylen-Chlorotri-Fluoroethylen (ETCFE), Ethylen-Tetrafluoroethylen (ETFE), fluoriertes Ethylen-Popylen (FEP), Polychlorotrifluorethylen (PCTFE), Polytetrafluoroethylen (PTFE), Polyvinlyfluorid (PVF) oder Polyvinylidenfluorid (PVDF) eingesetzt werden.

So weist beispielsweise Ethylen-Tetrafluoroethylen eine Permeabilität für Wasser bei 25°C von typischerweise 0,1 g·mm/(m2·Tag) bis 0,8 g·mm/(m2·Tag) auf. Die Permeabilität einiger typischer polymeren Folienmaterialien liegen in einer Bandbreite von 0,005 g·mm/(m2·Tag) bis 100 g·mm/(m2·Tag).

Die Wandungen der Kammern und auch Membranen können in herkömmlicher Form stoffschlüssig miteinander verbunden und dabei auch gegenüber der Umgebungsatmosphäre sowie untereinander abgedichtet sein.

Innerhalb von Kammern können auch Abstandshalter vorhanden sein, mit denen bestimmte Abstände der Wände, eine Konturgebung und Stabilitätserhöhung erreichbar sind. Abstandshalter können mit Schweißpunkten, Schweißlinien oder eingeschweißten Folien erhalten werden.

Einfluss kann aber auch über die Einstellung des Innendruckes in verschiedenen Kammern genommen werden, der auch in den Kammern eines Leichtbauelements unterschiedlich groß sein kann.

Es kann auch Einfluss auf die geometrische Gestaltung erfindungsgemäßer Leichtbauelemente und damit auch auf die damit hergestellten Gebäude oder Gebäudeteile genommen werden.

Erfindungsgemäße Leichtbauelemente können vorteilhaft auch so ausgebildet werden, dass das Innenvolumen eine oder mehrerer Kammer(n) mit gasochromer Beschichtung kleiner als das Innenvolumen mindestens einer weiteren Kammer, die von mit Beschichtung versehenen Kammer(n) mittels Membran getrennt ist/sind. Dadurch kann auch ein größeres Gasvolumen für die Aufnahme von Wasser aus beschichteten Kammern zur Verfügung gestellt werden.

Für die Gasführung in Leichtbauelementen können geschlossene aber auch offene Systeme eingesetzt werden. So können geeignete Gase oder Gasgemische aus Gasspeicherelementen, wie z.B. Druckgasbehälter in beschichtete Kammern eingeleitet und dann wieder abgelassenen werden.

Es kann aber auch ein inertes Gas im Kreislauf durch beschichtete Kammern geführt und das jeweilige Reaktivgas bei Bedarf dann zugemischt werden. So kann ein teilgeschlossenes System erhalten werden.

Es besteht aber auch die Möglichkeit ein teilgeschlossenes System mit einem Elektrolyseur in dem die Reaktivgase freigesetzt werden, einzusetzen, wobei eine gesteuerte Einleitung des jeweils gewünschten Reaktivgases mit einem Trägergas in beschichtete Kammern möglich ist.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.

Dabei zeigt: 1

  • – mehrere Beispiele für Ausführungsformen erfindungsgemäßer Leichtbauelemente, die nachfolgend ausgehend von links nach rechts beschrieben werden sollen.

So ist in der ganz linken Darstellung ein Leichtbauelement mit zwei Kammern 1 und 2 gezeigt. Beide Kammern sind aus einer ETFE-Folie mit einer Dicke von 0,3 mm hergestellt und miteinander verbunden worden. Sie sind mittels der Membran 3 voneinander getrennt.

Die Membran 3 ist ebenfalls aus einer ETFE-Folie mit einer Dicke von 0,1 mm gebildet und daher für Wasser aus der Kammer 1 permeabel ist.

Die Wand der Kammer 1 ist innen mit einer Beschichtung aus WO3 versehen worden, in der noch eine katalytisch wirkende Komponente enthalten sein kann oder auf der eine katalytisch wirkende Überbeschichtung, wie z.B. Platin, ausgebildet worden ist (nicht dargestellt). Die Gaszufuhr und Ableitung für die Einfärbung/Entfärbung erfolgt über die gezeigten Anschlüsse.

Durch die Kammer 2 kann hier über oben und unten angeordnete Anschlüsse getrocknete Luft zu- und abgeführt werden. Der Anteil an Wasser in der getrockneten Luft ist zumindest temporär kleiner als der Wasseranteil der in der Kammer 1 enthalten ist und von außen in die Kammer 1 eingedrungen oder reaktiv darin gebildet worden ist. Dadurch kann Wasser aus der Kammer 1 durch die Membran 3 in die Kammer 2 gelangen, von der Luft mit reduziertem Wassergehalt aufgenommen und damit abgeführt werden, so dass ein Wasseranteilgradient zwischen den Kammern 1 und 2 aufrecht erhalten werden kann.

In der nächsten weiter rechts angeordneten Darstellung von 1 wird angedeutet, dass eine Veränderung der Innendruckverhältnisse in den Kammern 1 und 2 zu veränderten Volumenverhältnissen dieser unterschiedlichen Kammern 1 und 2 führen kann. 2 zeigt weiterhin, dass durch Einbringen einer weiteren Folie 5 eine bessere Wärmedämmung erzielt werden kann. Dies ist deshalb vorteilhaft, weil die gefärbte gasochrome Folie bei Sonnenschein warm wird, so dass auch durch die weitere Folie 5 verhindert wird, dass Wärme in das Innere gelangt.

Mit der rechts nachfolgenden Darstellung in 1 ist ein Beispiel gezeigt, bei dem jeweils außen zwei Kammern 2 angeordnet sind, in die bzw. durch die Luft mit reduziertem Wassergehalt für Aufnahme und ggf. Abfuhr von Wasser aus mehreren Kammern 1, die mit einer gasochromen Beschichtung versehen sind, geführt ist. Die Kammern 1 sind hier zumindest nahezu in der Mitte der beiden Kammern 2 angeordnet und jeweils mit Membranen von diesen getrennt. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist darin zu sehen, dass durch zwei Membrane eine effizientere Trocknung erreicht werden kann. Die zweite Membran hat den zusätzlichen Effekt, dass von außen eindringendes Wasser besser abgehalten wird.

In der ganz rechten Darstellung ist ein Beispiel eines Leichtbauelementes gezeigt, bei dem mehrere Kammern 1 mit Beschichtung quasi eine Reihenanordnung bilden und über Membranen 3 hier von einer Kammer 2 getrennt sind, in die Wasser durch Membranen 3 aus den Kammern 1 gelangen und ebenfalls von Luft mit reduziertem Wassergehalt aufgenommen werden kann. Im Gegensatz zur vorstehenden Ausführungsform, bei der eingesetzten Folienstücke verwendet werden, werden bei diesem Beispiel Punkt- bzw. Linienschweißung eingesetzt, die den Zweck haben, den Abstand der Wände der gasochromen Kammer definiert klein zu halten.

Für die Änderung der optischen Eigenschaften der gasochromen Beschichtungen und demzufolge auch die Änderung der Transmission oder Reflexion kann ein Gas mit jeweils geeigneter Zusammensetzung in eine oder mehrere der Kammern 1 eingeführt und darin gehalten bzw. auch hindurch geführt werden, bis eine Zustandsänderung gewünscht und hierfür die jeweils andere Gaszusammensetzung in Kammer(n) 1 zugeführt wird.

Systemtechnisch stehen drei Betriebsweisen zur Wahl, ein vollständig offenes System, ein teilgeschlossenes System mit Flaschengas und ein teilgeschlossenes System mit Elektrolyseur.

1. Vollständig offenes System

Bei diesem System wird das Gas für die Änderung der optischen Eigenschaft der gasochromen Kammer vollständig aus Gasflaschen zur Verfügung gestellt und an die Umgebung abgelassen. Das Gas setzt sich immer aus einem inerten Trägergas (z.B. N2 oder Ar) und einem Reaktivgas (H2 oder O2) zusammen. Konzentrationen der Reaktivgase von ca. 1% sind ausreichend.

2. Teilgeschlossenes System mit Reaktivgas aus Flasche

Bei diesem System wird das Gas in der gasochromen Kammer im Kreislauf gehalten und nur das jeweilige Reaktivgas (100% H2 oder 100% O2 oder Luft) zugesetzt. Dies reduziert den Gasverbrauch erheblich, steigert aber den Aufwand durch den geschlossenen Gaskreislauf.

3. Teilgeschlossenes System mit Elektrolyseur

Bei diesem System wird das Gas im Kreislauf geführt, wie zuvor. Jedoch werden die Reaktivgase durch einen Elektrolyseur erzeugt.


Anspruch[de]
Optisch transparentes Leichtbauelement, mit mindestens zwei voneinander getrennten Kammern, wobei mindestens eine der Kammern in ihrem Inneren zumindest bereichsweise mit einer gasochromen Beschichtung versehen ist, durch bzw. in die alternierend jeweils ein zu einer Ein- und wieder Entfärbung der Beschichtung geeignetes Gas geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine eine Beschichtung aufweisende Kammer (1) von einer weiteren Kammer (2) mittels einer für Wasser permeablen Membran (3) getrennt ist, in der weiteren Kammer (2) zumindest temporär der Anteil an Wasser in einer Gasatmosphäre kleiner ist als in einer mit einer Beschichtung versehenen Kammer (1) und die Kammerwandungen bildende Polymerfolien eine Dicke im Bereich 0,05 bis 0,5 mm aufweisen. Leichtbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandungen der Kammern (1, 2) aus flexiblen Polymerfolien gebildet sind. Leichtbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (3) aus einer Polymerfolie gebildet ist. Leichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Kammerwände und/oder die Membran mit einem die Permeation der Gase Wasser, Wasserstoff und/oder Sauerstoff reduzierenden Beschichtung beschichtet ist. Leichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gasochrome Beschichtung so gewählt ist, dass sie die Permeation der Gase Wasser, Wasserstoff und/oder Sauerstoff reduziert und/oder dass die gasochrome Beschichtung auf und/oder unter einem die Permeation der Gase Wasser, Wasserstoff und/oder Sauerstoff reduzierenden Beschichtung angeordnet ist. Leichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere mit einer Beschichtung versehene Kammern (1) mit einer Membran (3) von einer weiteren Kammer (2) getrennt sind und ein Kammersystem bilden. Leichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine oder mehrere weitere Kammer(n) (2) Luft mit reduziertem Wassergehalt geführt ist. Leichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammerwandungen bildenden Polymerfolien für elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts zumindest bereichsweise transparent sind. Leichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammerwandungen bildenden Polymerfolien keine oder deutlich reduzierte Massenstromdichte für Wasser aufweisen, als die Membran (3). Leichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerfolien ausgewählt sind, aus fluorierten Polymeren, Polyamid, Polycarbonat, Polyester, Polysulfon, Polyethylen und Polypropylen. Leichtbauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerfolien aus Ethylen-Chlorotri-Fluoroethylen (ETCFE), Ethylen-Tetrafluoroethylen (ETFE), fluoriertem Ethylen-Propylen (FEP), Polychlorotrifluorethylen (PCTFE), Polytetrafluoroethylen (PTFE), Polyvinylfluorid (PVF) oder Polyvinylidenfluorid (PVDF) gebildet sind. Leichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandungen von Kammern (1 und 2) durch einen geeigneten Innendruck und/oder mittels Abstandshaltern und/oder mittels Punkt- oder Linienschweißen in einem Abstand zueinander gehalten sind. Leichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasführung als geschlossenes oder offenes System ausgebildet ist. Verwendung eines Leichtbauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Herstellung von Überdachungen und/oder Teilen von Gebäuden.






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