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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.
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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.
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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.
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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.
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Untersuchungen haben ergeben, daß Sonnenschutzvorrichtungen
nach Maßgabe
der in der
US 4 517 960 beschriebenen
Art nur in einem charakteristischen θ-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.
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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.
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Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden
Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen
sind den Ansprüchen
2 ff. zu entnehmen.
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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 β, 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.
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Vorzugsweise ist das über den
Winkel β 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 β 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 α ein. Dieser Winkel α ist die
Summe des Winkels β,
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 α ist somit -zumindest für die im
Rahmen dieser Erfindung relevanten Fälle – größer 45°.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand
eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es
zeigen:
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1a,b Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Sonnenschutzvorrichtung,
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2a,b schematisierter
Strahlenverlauf innerhalb der schematisierten Querschnittsdarstellung einer
erfindungsgemäßen Sonnenschutzvorrichtung bei
hohem und niedrigem Sonnenstand,
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3a,b Gegenüberstellung
zweier Transmissionsdiagramme einer Sonnenschutzvorrichtung gemäß dem Stand
der Technik und einer erfindungsgemäßen Sonnenschutzvorrichtung,
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4 Sonnenstandsdiagramm
bei 48 ° nördlicher
Breite mit Funktion für
Winkelbereiche, in denen die Totalreflexionsbedingungen erfüllt sind.
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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.
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Entlang der z-Richtung verändert sich
die Struktur nicht.
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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 β 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 β 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.
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Bei einem gleichschenkligen rechtwinkligen Dreieck
beträgt
der Winkel zwischen den rechtwinkligen Seitenschenkeln und der Grundlinie
45°. Der Winkel α zwischen
der ersten Seite des Trapezoids und der glatten Oberfläche der
Sonnenschutzvorrichtung beträgt
bei Ausführungsbeispielen,
bei denen ein gleichschenkliges rechtwinkliges Dreieck um einen
Winkel β angestellt
wird, daher stets 45° + β. Im weiteren
wird stets nur der Winkel β angegeben,
wobei unmittelbar auf den Winkel α =
45°+ β geschlossen
werden kann.
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Bereits während der Fabrikation der erfindungsgemäßen Sonnenschutzvorrichtung
ist der Winkel β 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 β und geeignete Wahl eines Materials
mit einem geeigneten Brechungsindex fast jeder gewünschte Ausblendbereich
erreicht werden.
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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 θ entspricht
dem Winkel zwischen der Normalen auf der glatten Oberfläche der
Sonnenschutzvorrichtung und den auf die Oberfläche einfallenden Sonnenstrahlen.
Der Winkel Φ enstspricht
dem Azimutwinkel, der sich ständig
im Verlauf eines Tages durch die Sonnenwanderung ändert. Auf
beide Winkel wird in den weiteren Figuren noch eingegangen.
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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.
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Demgegenüber sieht 2b den Fall vor, daß der Sonnenstand sehr niedrig
ist, wie es beispielsweise in der Winterzeit der Fall ist. Hierbei
treffen die Son nenstrahlen 4 unter einem kleinen Einfallswinkel θ 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.
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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.
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Die
3a und
b stellen Transmissionsdiagramme der in
Abhängigkeit
des Einfallswinkels θ 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
Funktionsver lauf 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.
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Im Unterschied zu der bekannten Sonnenschutzvorrichtung
weist die erfindungsgemäße Sonnenschutzvorrichtung
unter Einarbeitung eines Winkels β 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.
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In 4 ist
ein Sonnenstandsdiagramm dargestellt, dessen Abszisse den Sonnenazimutwinkel θ 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.
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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.
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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.