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Lichtdurchlässiges Wandelement,
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insbesondere Fenster Die Erfindung betrifft ein lichtdurchlässiges
Wandelement, insbesondere Fenster, bestehend aus einem festen Rahmen und einem darin
verschwenkbar angeordneten beweglichen Rahmen, in dem eine lichtdurchlässige, anisotropische
Scheibe eingesetzt ist.
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Derartige Wandelemente, insbesondere handelt es sich dabei um Fenster,
aber auch um Türen und sonstige lichtdurchlässige Wandelemente, werden bereits in
vielgestaltiger Form für die Belichtung und teilweise auch Belüftung von Wohn-und
Arbeitsräumen eingesetzt, wobei anisotrope, lichtdurchlässige Scheiben die Sonnenstrahlung
mit ihren wärmenden Anteilen (Infrarotbereich) weitgehend ungehindert in das Rauminnere
hindurchlassen, andererseits aber die Abstrahlung von Wärmeenergie in umgekehrter
Richtung aus dem Fenster oder dem Wandelement heraus weitgehend verhindern.
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Derartige "anisotrope" Glasscheiben sind bekannt und dienen heute
bereits dazu, die Sonnenenergie als zusätzliche Heizenergiequelle zu nutzen.
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Insbesondere zählt das Fenster seit jeher zu einem bedeutsamen Bauteil
in der Architektur. Wegen der bisher derartigen transparenten bzw. transluzenten
Bauteilen anhaftenden thermischen Nachteile gegenüber lichtundurchlässigen (opaken)
massiven Wandteilen wird ihre Verwendung innerhalb von Baufassaden jedoch stark
eingeschränkt.
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Durch die Entwicklung von lichtdurchgängigen Bauelementen mit verbesserten
Wärmedämmwerten (Wärmedurchgangskoeffizient k = 1,2 W/m2K) ist jedoch der isothermische
Nachteil nur noch im beschränktem Maße vorhanden. Berücksichtigt man zusätzlich
die durch ein transparentes oder transluzentes Element einfallende solare Energiestrahlung,
erweisen sich Isoliereinheiten zur Wärmedämmung bezüglich der Energiebilanz in der
Heizperiode gegenüber massiven Wandelementen als gleichwertig, teilweise sogar als
überlegen, insbesondere dann, wenn man davon ausgeht, daß durch einen temporären
zusätzlichen Wärmeschutz, wie beispielsweise Rolläden o. dgl., die Energiebilanz
noch günstiger werden kann.
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Nun mag es allgemein gelingen, die gesamte Energiebilanz eines lichtdurchgängigen
Bauteils durch stark dämmende Isolierglaseinheiten und durch zusätzliche temporäre
Dämmeinrichtungen an die hochgedämmten Wandteile anzugleichen, und zwar nicht zuletzt
durch maximale Nutzung der Energiedurchlässigkeit der tranparenten Flächen für die
solare Einstrahlung, doch hat man dadurch noch keineswegs die zentrale thermische
Problematik von lichtdurchlässigen Elementen voll gelöst.
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Ein hoher Gesamtenergiedurchlaßgrad (g), der im Sinne der passiven
Nutzung der Solarenergie für die Gebäudeheizung zweckdienlich ist, führt nämlich
in den Sommermonaten und bereits in den Übergangsmonaten je nach Lage der verglasten
Fläche zu übermäßiger Aufwärmung des Gebäudes.
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Um die Wohnbehaglichkeit der mit großen Verglasungsflächen ausgestatteten
Räume zu erhalten, bedarf es dann klimaregelnder Anlagen oder teilweise auch aufwendiger
Abschattungseinrichtungen für die Verglasungsflächen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, hier eine Abhilfe zu schaffen und das
lichtdurchlässige Wandelement der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern,
daß diese Wandelemente selbst, also insbesondere die Fenster- oder Verglasungselemente
so auszugestalten, daß sie selbst in der Lage sind, in der Heizperiode bei einem
geringen Wärmedurchgangswert nach außen den vollen Nutzen der solaren Einstrahlung
zur Kompensation der Verluste auszuschöpfen, bei gleichzeitiger zureichender Dämmung
solarer Energieeinstrahlung in den Sommermonaten, um so auch im Sommer erträgliche
bzw. sogar komfortable Raumklimata zu schaffen.
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Gelöst wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs,
also im wesentlichen dadurch, daß einerseits Funktionsgläser zu einem anisotropen
Isolierglassystem angeordnet werden, und insbesondere auch dadurch, daß diese Isolierglaselemente
in ein Rotationsrahmensystem eingebaut werden.
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In diesem Zusammenhang seien einige Grundüberlegungen zum Verständnis
der Wirkungsweise derartiger Rotationsfenstersysteme gegeben:
Der
Wärmedämmwert einer Isolierglasscheibe, die als Zweischeiben oder Mehrscheibeneinheit
ausgebildet sein kann, wird für die Ermittlung des Gebäudewärmebedarfs wie bei massiven
Bauteilen oder Dämmstoffen als Wärmedurchgangskoeffizient (k-Wert) zum Ausdruck
gebracht. Dieser Wert repräsentiert den Wärmeenergiefluß in Watt durch eine von
der Dicke und Material jeweils definierten Trennwand pro , multipliziert mit der
Temperaturdifferenz zwischen Außen- und Innenraum.
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Für ein transparentes oder transluzentes Isolierscheiben-System erweist
sich zunächst die Maximierung des k-Wertes stets als vorteilhaft. Dies gilt sowohl
für die Winter- als auch für die Sommerperiode, da der Wärmeenergiefluß in Richtung
des kälteren Potentials fließt.
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Für die Ermittlung des tatsächlichen Gebäudewärmeverbrauchs ist bei
transparenten bzw. transluzenten Außenwandelementen darüber hinaus ein Faktor für
den Wärmegewinn durch Sonneneinstrahlung in Ansatz zu bringen.
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Die Durchlässigkeit. von lichtdurchgängigen Elementen für solarbedingte
Energiestrahlung wird als Gesamtenergiedurchlaßgrad (G) gekennzeichnet. Dabei ist
für das Verständnis der Funktionsweise der anisotropen Isolierglaselemente wichtig,
sich zu vergegenwärtigen, daß dieser G-Wert additiv sowohl die durch ein mehrscheibiges
Element unmittelbar transmittierte solarbedingte Energiestrahlung erfaßt als auch
die von der inneren Scheibe raumseitig aufgrund des absorbierenden Energiepotentials
abgegebene Strahlungswärme.
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Die neuen, erfindungsgemäßen Fenster- und transparent bzw.
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transluzente Brüstungs- und Wandelemente zeichnen sich durch einen
grundsätzlichen materiellen und funktionellen Aufbau aus. Sie setzen sich aus zwei
Scheiben zusammen.
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Anstelle der äußeren Transparentscheibe kann auch ein transluzentes,
anstelle der in Winterstellung raumseitigen Absorptionsscheibe auch ein opakes Flächenelement
treten.
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Insgesamt handelt es sich dabei um hochwärmedämmende Isolierelemente
mit möglichst geringem k-Wert. Bei transparenten Fensterelementen wird von einem
k-Wert von k = 1,3 W/m2 K ausgegangen. Bei Brüstungs- und Wandelementen kann durch
zusätzliche Ausbildung einer mittleren ~Scheibe" als hochdämmendes transluzentes
Flächenelement ein k-Wert von k = 0,8 - 0,5 W/m2K erreicht werden.
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Während für Scheibe (1) - in Winterstellung außenseitig -die Forderung
nach einer hohen Energiedurchlässigkeit über das gesamte solare Spektrum, also sowohl
für den sichtbaren Bereich als auch für den UV- und nahen IR-Bereich, gilt, weist
Scheibe (2) - in Winterstellung zur Raumseite gewandt - Absorptionseigenschaften
auf, und zwar bevorzugt im nahen IR-Bereich, also außerhalb des sichtbaren Spektrums
der Solarstrahlung.
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Ein wesentliches Merkmal der Absorptionsscheibe (2) ist deren Ausrüstung
mit einer Low-Emissiv-Schicht auf der nach innen zugewandten Seite (Oberfläche (3)
in Winterstellung).
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Die Bedeutung und schließlich der Nutzen dieses Aufbaus der Isolierglaselemente
kommt in vollem Umfang durch Anwendung des Rotationsprinzips zum Tragen. Die bezeichneten
Fenster-, Brüstungs- und Wandelemente sind um eine Mittelachse um 1800 rotierbar.
Die anisotrope thermische Funktionalität wird durch diese Rotation bewirkt.
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In den Wintermonaten bzw. in der Heizperiode ist die Absorptionsscheibe
raumseitig zugewandt. Für den Wärmedurchgang zählt die gesamte Isolierglasscheibeneinheit.
In Anbetracht der gegebenen Low-Emissiv-Beschichtung eines
Scheibenzwischenraums
von jeweils 16 mm und einer Edelgasfüllung des Scheibenzwischenraums wird dabei
ein k-Wert von etwa 1,3 W/m2 erreicht. Dieser k-Wert gilt selbstverständlich vorteilhafterweise
auch für die Sommerposition.
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Für den solarbedingten Gesamtenergiedurchlaßgrad gilt in Winterstellung
der Isolierglaselemente zunächst der jeweilige G-Wert der hochtransparenten Außenscheibe.
Hier ist rechnerisch von dem G-Wert eines Klarglases auszugehen.
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Der von der dem Innenraum zugewandten Absorptionsscheibe (2) absorbierte
Anteil der durch die davorliegenden Scheiben einfallenden solaren Energie wird bedingt
durch die Low-Emissiv-Beschichtung der Außenfläche der Absorptionsscheibe als langwellige
Wärmestrahlung fast ausschließlich raumseitig abgeführt.
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Die Anordnung der Low-Emissiv beschichteten Absorptionsscheibe - während
der Heizperiode rauminnenseitig - hat darüber hinaus eine Reihe von weiteren thermischen
Vorteilen, auf die noch einzugehen sein wird.
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Bei gleichem k-Wert des Scheibensystems erreicht man in der Sommerposition
durch die der "Sonne" zugewandten Absorptionsscheibe einen bemerkenswerten Vorteil.
Je nach Absorptionscharakteristik bzw. Absorptionsleistung dieser Scheibe wird der
überwiegende Anteil solarbedingter Energieeinstrahlung von dieser Scheibe festgehaltén.
Die absorbierte Energie wird in der Folge der an der Innenseite aufgebrachten Low-Emissiv-Beschichtung
nicht raumseitig, sondern nach außen abgestrahlt oder von den Außenluft konvektiv
abgeführt.
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Unter Berücksichtigung der überproportionalen Reduktion der solaren
Einstrahlung durch Abhängigkeit der Reflektions-und
Absorptionsanteile
der einzelnen Scheiben vom Einstrahlwinkel der Sonne wird bei sommerlichen Ausrichtungen
bereits bei hellen Absorptionsgläsern mit Transmissionswerten im sichtbaren Bereich
von ca. 70% ein G-Wert von 0,20 zu erreichen sein.
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Um bei einem Zwischenscheiben-Isolierglaselement k-Werte der oben
genannten Größenordnung zu erhalten, bedarf es an sich keineswegs einer Absorptionsscheibe
auf der dem Raum zugewandten Seite des Isolierglaselementes. Die innenseitig mit
einer Low-Emissiv-Beschichtung ausgestattete partiell absorbierende Scheibe hat
- wie bereits erläutert - in erster Linie die Funktion der Wärmedämmung in den Sommermonaten,
dann allerdings in außenseitiger Position.
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Von thermischer Bedeutung ist sie jedoch auch in der Winterposition,
also in raumzugewandter Position. Gegenüber einer hochtransparenten Klarglasscheibe
weist sie eine Reihe von für die Energiebilanz des Raumes und für dessen thermische
Behaglichkeit erwähnenswerte Vorteile auf.
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Die neuen Fenstersysteme sehen Absorptionsgläser mit einer Transmission
von mindestens 70% für den sichtbaren Bereich des Sonnenspektrums vor, bei Absorptionswerten
von über 50% des solaren Energiespektrums.
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Dabei ergeben sich folgende Vorteile: 1. Eine solche Scheibe absorbiert
nicht nur ca. 50% der in den Raum einfallenden Solarstrahlung. Gleichfalls werden
auch ca. 50% der durch Reflektion beispielsweise an weißen Gardinen und Vorhängen
sowie an hellen Wänden und Inneneinrichtungen wieder durch das Fenster austretenden
solaren Strahlungsanteile des sichtbaren Bereichs als auch des nahen IR-Bereichs
absorbiert.
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Für Klarglas ist diese Strahlung durchlässig. Infolge
der
Low-E-Schicht auf der äußeren Oberfläche wird auch diese zusätzliche absorbierte
Energie als langwellige Wärmestrahlung in den Raum zurückgeworfen. Sie kommt der
Energiebilanz des Raumes zugute. Von besonderem Nutzen ist ohne Zweifel dieser Effekt
bei gegenüber-oder über Eck liegenden Fensterflächen.
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2. Der Nutzungsgrad der durch Fensterflächen eintretenden Solarstrahlung
ist in erheblichem Maß abhängig von der Speicherfähigkeit und Speicherkapazität
des Raumes.
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Als effiziente Speicher kommen hier in erster Linie die den Raum
einhüllenden Seitenwände und die Raumdecke in Betracht. Die einfallende Sonneneinstrahlung
trifft im Falle einer Klarverglasung nur selten, und wenn, dann partiell und auch
nur temporär auf diese Flächen auf. In der Regel wird die Sonneneinstrahlung von
nicht emittierenden Raumeinrichtungsgegenständen absorbiert. Die Wände werden dann
über die erwärmte Luft überwiegend konvektiv, d. h., mit geringem Wirkungsgrad aufgeheizt.
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Die von einer Low-E-beschichteten Absorptionsscheibe aufgenommene
solare Energie wird breitflächig voll als Wärmestrahlung an den Raum abgegeben.
Infolge der gegebenen Raumgeometrie erfolgt ein effizienter Strahlungsaustausch,
insbesondere mit gegenüberliegenden Wänden.
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3. Die Low-E-beschichtete Absorptionsscheibe auf der raumzugewandten
Seite eines Isolierglaselementes hat stets, sowohl bei Tageslicht als auch bei künstlicher
Beleuchtung, eine höhere Temperatur als eine Klarglasscheibe. Bei Isoliergläsern
mit einem k-Wert von k = 1,3 W/m2K ist selbst bei niedrigen Außentemperaturen bereits
bei Einfall von diffuser Solarstrahlung mit einer Scheibentemperatur gleich oder
höher als die der
Raumluft und gleichfalls die der Wandflächen
zu rechnen. Insofern wird ein solches Fenster nicht zu einem "Strahlungsloch" sondern
einer "Strahlungsquelle'i für raumseitige Wärmestrahlung.
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4. Bei direkter Sonneneinstrahlung kann eine Erwärmung der Absorptionsscheibe
bis über 500 C erfolgen. Das Fenster übernimmt dann die Funktion einer großflächigen
aktiven Strahlungsquelle für milde Wärmestrahlung (Kachelofen-Effekt).
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Die bisher diskonfortablen Fenster zonen können so voll genutzt werden.
Zum Komfort des fensternahen Raumes trägt weiterhin die durch die Absorptionsscheibe
bedingte Minderung der Blendwirkung durch zu helle Sonneneinstrahlung bei, und auch
die Minderung von Unbehaglichkeit durch Auftreffen direkter solarer Einstrahlung
auf unbedeckte Hautpartien. Eine solche Unbehaglichkeit wird insbesondere durch
Strahlungsbanden im nahen IR-Bereich hervorgerufen. Von den zur Anwendung gelangenden
Absorptionsscheiben werden diese Strahlungsbanden überproportional selektiv absorbiert.
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Wesentlich für den Fortfall von unbehaglichen Fensterzonen ist auch
die infolge des Temperaturgleichgewichtes zwischen der Scheibenoberfläche und der
Raumluft nicht mehr gegebene konvektive Kaltluftströmung.
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In diesem Zusammenhang sei auch insbesondere auf die absolute Fugendichtigkeit
der Rahmenkonstruktion des Rotationsflügels und die Vermeidung von Kältebrücken
durch den Rahmenwerkstoff Holz hinzuweisen.
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Der insgesamt dadurch bedingte Zugewinn an nutzbarer Raumfläche -
wozu auch der-Fortfall von Heizungselementen
beiträgt - dürfte
insbesondere für Büro- und Krankenhausräui':ie bedeutsam sein. Zieht man zusätzlich
im Falle der Ausbildung geschoßhoher Fensterflächen noch die Reduktion massiver
Wandvolumina in Betracht, so kann der zu erzielende Flächengewinn von beachtlicher
ökunomischer Größe sein.
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5. Schließlich stellen Absorptionsscheiben infolge der gegebenen Masse
und der Wärmeträgheit des Werkstoffes Glas eine gewisse Speicherkapazität bereit.
Wegen der großen Oberfläche solcher Scheiben ist die Speicherfähigkeit über der
Zeit eng begrenzt und für eine eventuelle Phasenverschiebung zur Nachtzeit hin ungeeignet.
Sie reicht jedoch aus, kurzfristige Schwankungen der Einstrahlungsintensitäten etwa
bei teilbedecktem Wolkenhimmel, zu kompensieren.
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Anhand von Berechnungen läßt sich zeigen, daß die Rotationsfensterelemente
nach dem neue-n System bereits bei diffuser Einstrahlung einen k-Wert (effektiv)
von annähernd Null erreichen. Für die Ost-, West- und Südfassaden werden negative
k-Werte (effektiv) erreicht, also bei solarer Einstrahlung Wärmegewinne erzielt.
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Sie werden somit zu energieneutralen Flächen, die über die ganze Heizperiode
gemittelt praktisch keine Energieverluste mehr ausweisen.
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Damit sind derartige transluzenten Brüstungs- und Wandelemente mit
temporärem Wärmeschutz praktisch als energieneutrale Fläche jedem opaken Wand- oder
Fassadenelement dämmtechnisch überlegen. Mit einer Lichttransmission von ca. 50%
tragen sie zu Tageslichthelligkeit des Raumes bei.
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In Ost-, West- und Südausrichtung sind sie außerdem geeignet, in der
Heizperiode entsprechend des Ausmaßes solarer Einstrahlung einen erheblichen Beitrag
zum Wärmehaushalt eines Gebäudes zu leisten.
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Neben der oben geschilderten Wirkung des Wandelementes, also insbesondere
des Fensters als ein lichtdurchgängiges Bauelement, kommen als Forderungen zur Erreichung
einer hohen Wohnqualität dieses Bauwerkes und zu einem gesunden Leben im Bauwerk
noch folgende weitere Forderungen hinzu: Neben der ausreichenden Belichtung des
Innenraums muß eine wirksame Raumlüftung gegeben sein, andererseits ist Fugendichtigkeit,
Wärme- und Schallschutz von Bedeutung, gleichfalls aber auch die einfache Bedienung
und bequeme Reinigung eines Fensters.
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Neben einem möglichst hohen Lichanfall soll das Fenster (oder auch
andere transparente bzw. transluzente Brüstungs- und Wandelemente) auch einen hohen
Wärmedämmwert aufweisen. Darüber hinaus soll das Fenster in der eingangs bereits
geschilderten Weise als "Solarkollektor" in der Heizperiode dienen und so zur günstigen
Wärmebilanz des Raumes beitragen, in dem der '@Treibhauseffekt" von verglasten Flächen
genutzt wird. Die eingangs geschilderte energetisch effiziente Lösung erreicht man
mit Hilfe von Isolierglaselementen, die eine anisotrop-funktionale Scheibenanordnung
besitzen, welche in Rotationsfensterflügel eingebaut werden. Ergänzt man dies durch
Einrichtungen für einen hochdämmenden temporären Wärmeschutz, wirken solche transparenten
oder transluzenten Fenster-, Brüstungs- und Wandelemente an Nordfassaden fast thermisch
neutral. An Ost- West-, insbesondere aber an Südfassaden tragen sie in der Heizperiode
zur Raumerwärmung bei. Je nach Flächenanteil und je nach Struktur des Bauwerkes
sind durch Elemente dieser Art erhebliche Heizkostenersparnisse infolge der Reduktion
des Wärmebedarfs in den Wintermonaten und insbesondere infolge der Verkürzung der
Heizperiode zu erzielen.
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Durch Rotation des Fensterflügels wird andererseits in den Sommermonaten
aufgrund der Anisotropie der Isolierglaselemente
ein wirksamer
Schutz gegenüber übermäßig einfallender Sonnenstrahlung erreicht. Je nach selektiver
Absorbtionscharakteristik der Scheiben fallen Werte für den solaren GesamtenergieDurchlassungsgrad
von nur g = 10 bis 30% an.
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Es sei nun näher auf die konstruktive Ausführung der Rotationsfenster-,
Brüstungs- und Wandelemente nach dem erfindungsgemäßen System eingegangen.
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Die für die thermische Funktion der erfindungsgemäßen Elemente notwendige
Rotation der Isolierglaselemente könnte auch durch Wende-Fensterflügel realisiert
werden, so ausgeführt als Anschlagflügel gegen einen entsprechend ausgebildeten
Stock des Blendrahmens. Bei dieser Bauart erreicht man die Rotation durch einen
randseitig gelagerten Drehflügel, dessen Drehachse in einer Laufschiene in gegenüberliegenden
Positionen geführt wird.
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Die Rotations-Fensterflügel nach dem erfindungsgemäßen System weichen
konstruktiv von den heute generell üblichen Flügel-Fenstersystemen, die randseitig
gelagert oder aufgehängt umlaufend an die Zarge des Stocks anschlagen, ab.
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Es handelt sich bei diesen Fenster-, Brüstungs- und Wandelementen
um einen Flügelrahmen aus rechteckigen Profilleisten, der analog einer Drehtür um
die vertikal oder horizontale Mittelachse ohne Anschlag im Rahmenstock rotierbar
gelagert ist. Die Abdichtung geschieht über umlaufend im Rahmenstock bzw. im Blendrahmen
gelagerte Profilleisten, die über eine entsprechende Beschlagmechanik in eine gleichfalls
umlaufende Nut des Flügelrahmens eingreifen.
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Gegenüber den konventionellen Fenster-Flügelsystemen mit Randanschlag
und seitlicher Aufhängung ergeben sich bei dieser Bauart eine Reihe von Vorteilen:
1.
Unter statischen Gesichtspunkten erweist sich die Lagerung eines Flügelrahmens im
Blendrahmen, entlang seiner Mittelachse, der einer Lagerung entlang einer Seitenachse
oder gar der Aufhängung am Blendrahmen entlang der Seitenachse als überlegen. Während
bei einer mittelachsigen Lagerung die Kräfte symmetrisch an einem Punkt aufgenommen
werden, stellt ein seitlich gelagerter oder aufgehängter Flügelrahmen stets ein
Hebelsystem dar, mit die geometrisch Struktur des Rahmens tangierenden Kräften.
Zur Stabilisierung bzw. Versteifung der Rahmenstruktur sind dann stets höhere Wandstärken
der aufwendigere Profilierungen notwendig. Die diffizile, vielwandige Profilierung
heutiger Kunststoff- und Aluminiumfensterflügelrahmen sind ein beredtes Beispiel
dafür. Auch die Lage- und Aufhängebeschläge müssen unter den gegebenen Bedingungen
erhebliche Kräfte aufnehmen.
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2. An den Blendrahmen anschlagende Flügel-, Kipp- oder Wendefenster
benötigen, um eine zureichende Dichtigkeit des Falzes zu erreichen, eine hohe Passförmigkeit.
Eine optimale Dichtigkeit über der gesamten Rahmenfläche ist praktisch nur über
aufgesetzte Dichtungsprofile aus dauerelastischen Werkstoffen zu erreichen. Die
Abdichtung des Fensterflügels gegen den Blendrahmen ist dagegen bei dem erfindungsgemäßen
Rotations-Flügelfenster ein im wesentlichen - von der Beschlagsmechanik her - mit
relativ einfachen Mitteln zu lösendes Problem.
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3. Aufgrund der genannten statischen und mechanischen Bedingungen
ist sowohl der Flügelrahmen als auch der Blendrahmen bei den von dem erfindungsgemäß
konzipierten Rotations-Fenstersystemen aus in der geometrischen Form einfacherem
und "leichteren" Profilen zu gestalten.
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4. Neben den eingangs beschriebenen thermischen und den oben genannten
mechanischen Vorteilen, die einen erheblichen
Einfluß auf die Kosten
haben können, sollte noch auf einen besonderen Nutzen des Rotationsfensters hingewiesen
werden, der durch das Rotationsprinzip generell anfällt: Ein solches Fenster kann
beidseitig bei voller Verriegelung von der Raumseite her gereinigt werden. Wie hoch
dieser Vorteil bei großflächiger Verglasung an mehrgeschossigen Gebäuden und Hochhäusern
zu werten ist, zeigt der Trend zu kostenaufwendigen, allerdings nicht verriegelbaren
Wendefenstern, bzw. die Entwicklung von allein auf diesen Zusatznutzen ausgerichteten
Fenstersystemen für Hochhäuser. Die erfindungsgemäß konzipierten Fenster-, Brüstungs-
und Wandelemente sind als hochwirksame thermische, lichtdurchlässige Fassadenelemente
anzusprechen, die hohe Wirtschaftlichkeit bei vertretbaren Anschaffungs- und tragbaren
Unterhaltungskosten aufweisen sollen. Der Werkstoff Holz bietet sich für die Rahmenkonstruktion
insbesondere ohne den Aspekt der für diese Systeme geforderten hohen Wärmedämmfunktion
an.
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Gegenüber Fensterprofilen aus Kunststoff und Aluminium - die freilich
auch benutzt werden können - haben sich Holzfensterprofile vom thermischen Nutzen
her als überlegen und von den Kosten her als wettbewerbsfähig erwiesen, trotz der
bisher nicht geübten Montageproduktions von in Großserie vorgefertigten Strangprofilrahmenleisten.
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Die für das Rotationsfenster nach dem erfindungsgemäßen System konzipierten
Profile für den Flügel- und den Blendrahmen eignen sich wegen ihres einfachen Querschnittaufbaus
insbesondere für Großserienfertigung als laufende Strangprofile. Wegen des einfachen
Querschnittes der Profilleisten ist sowohl bei einem Aufbau der Profile aus massiven
Kanthölzern als auch bei verleimten Binderkonstruktionen von geringeren Querschnittsverlusten
auszugehen. Mäßigere Toleranzanforderungen, die keine Nachbearbeitung nach dem Zusammenbau
erforderlich machen, dürften gleichfalls zur Minderung der Kosten gegenüber heutigen
Holzfensterkonstrukionen beitragen. An die Qualität der verwendeten Hölzer
sind
allerdings besondere Anforderungen zu stellen, und zwar in Anbetracht der Tatsache,
daß beide Seiten des Flügelrahmens alternativ wetterseitig ausgesetzt sind, die
eine Seite sukzessiv einem sommerlichen Klima, die andere Seite einem winterlichen
Klima. Eventuell wird es erforderlich sein, entsprechend der unterschiedlichen klimatischen
Beanspruchungen spezifische Oberflächenvergütungen an den Profilseiten vorzunehmen
bzw. unterschiedliche Schichthölzer bei einer Verbinderkonstruktion anzuwenden.
Vorteilhaft wären eventuell auch aufgesetzte Aluminiumschutzprofile oder generell
im Strangverfahren aufextrudierte Kunststoffüberzüge.
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Bisher war eine rationelle Anwendung solcher Holzveredelungstechniken
im Fensterbau wegen der gegebenen Produktionsweisen, nämlich der Einzelfertigung
von einer unübersehbaren Vielfalt von Rahmenprofilen nicht durchsetzbar.
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Unter dem Aspekt der Großserienfertigung standardisierter Holzprofile
im Fensterbau könnte auch ein Aufbau des Profils aus einem vielschichtig verleimten
Holzblock durchsetzbar sein. Ein solches Profil hätte nicht nur Vorteil bezüglich
Material- und Kosteneinsparung, sondern vor allen Dingen auch mechanische Vorteile,
so daß eine höhere Biegesteifigkeit und Verwindungsfestigkeit, insbesondere bei
extremer klimatischer Beanspruchung, sich ergibt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.
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Es zeigt: Fig. 1 in einer schematischen Darstellung die Arbeitsweise
des erfindungsgemäßen lichtdurchlässigen Wandelementes (Fensters) in Winterposition
und in Sommerposition;
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform
eines als Fenster ausgebildeten erfindungsgemäßen lichtdurchlässigen Wandelements,
gesehen von innen; Fig. 3 eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linien 111/111
der Fig. 2 zur Erläuterung des oberen Horizontalrahmenteils; Fig. 4 eine vergrößerte
Schnittansicht entlang der Linien IV/IV der Fig. 2 zur Darstellung des unteren horizontalen
Rahmenteils; Fig. 5 eine vergrößerte Schnittansicht längs der Linien V/V der Fig.
2 zur Darstellung eines der (identisch aufgebauten) vertikal verlaufenden Rahmenteile.
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In Fig. 1 ist schematisch dargestellt, wie ein erfindungsgemäßes lichtdurchlässiges
Wandelement in seiner Winterposition (links) bzw. Sommerposition (rechts) arbeitet.
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Schematisch dargestellt sind jeweils zwei mit Abstand zueinander angeordnete
Glasscheiben 12 bzw. 14, die zwischen sich einen mit Luft oder Edelgas gefüllten,
wärmeisolierenden Abstand 18 bilden, wobei die eine Glasscheibe 14 einen zum Luftspalt
18 gerichteten Belag 16 trägt, der in an sich bekannter Weise in der einen Richtung,
nämlich dann, wenn die Sonnenenergie aus Luft auf diese Schicht auffällt, diese
Energie weitgehend durchläßt, in umgekehrter Richtung jedoch, siehe die rechte Seite
der Fig. 1, nur verhältnismäßig wenig Sonnenenergie aus der Schicht austreten läßt,
sondern stattdessen zur Aufwärmung der Glasscheibe führt, die dann ihre Wärmeenergie
durch Konvektion und Sekundäremission nach außen wieder abgibt.
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Von der in Winterposition bei einem Einfallswinkel von 300 einfallenden
Sonnenenergie A (gerichtete und diffuse Energie
sind mit 100% angenommen)
wird in der ersten Scheibe 12 ein Anteil von 8% durch Energiereflektion (gerichtet
und diffus) nach außen wieder zurückgestrahlt. Ein weiterer Anteil geht durch Konvektion
und Sekundäremission nach außen verloren, wobei dieser Anteil je nach Material schwankt.
Der aus der Scheibe 12.in den Luftraum 18 austretende Energieanteil beträgt dann
a = 82% bei einer ersten Glasart bzw. 90% bei einer zweiten Glasart.
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An der zweiten Scheibe 14 mit der Schicht 16 wird wiederum ein Teil
reflektiert und ein weiterer Teil von der Glasscheibe absorbiert, so daß aus der
Glasscheibe 14 als direkt gerichtete Strahlung (direkte Energietransmission e) bei
der ersten Glasart 36% und bei der zweiten Glasart 40% zur Verfügung stehen, während
über Konvektion und Sekundäremission nach innen (qi) weitere 30% bzw. 35% gewonnen
werden. Der gesamte Energiedurchgang g beträgt die Summe von e und qi also ca. 66%
bzw. 75%, woraus sich für die Energiereflektion sowie die Konvektion und Sekundäremission
nach außen (F = pe + qa) von 34 bzw. 25% ergibt.
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In der Sommerposition findet sich die Scheibe 14 mit der Beschichtung
16 an der Außenseite,#während die Scheibe 12 an der Innenseite angeordnet ist, wobei
durch den höheren Sonnenstand ein Einfallswinkel von 609 vorausgesetzt wird.
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Wiederum wird eine Gesamtsonnenenergie von 100% eingestrahlt, und
der wegen des größeren Einfallswinkels 16 % zurückgestrahlt werden. Infolge der
Beschichtung 14 wird außerdem ein ganz erheblicher Anteil der Sonnenenergie in der
Scheibe 16 absorbiert, so daß aus der Scheibe 16 nur noch ein Anteil von 30% der
ursprünglich 100% Sonnenenergie austritt und zur zweiten Scheibe 12 gelangt, wo
wiederum ein Anteil reflektiert und ein zweiter Anteil absorbiert wird, so daß letztlich
aus der Scheibe 12 in den Innenraum nur noch durch direkte Energietransmission 20%
und durch Konvektion und Sekundäremission nach innen 2% eindringen, so
daß
sich ein Gesamtenergiedurchgang nach innen von 22% ergibt (bzw. bei der anderen
Glasart von 24%). Entsprechend wird über Energiereflektion sowie Konvektion und
Sekundäremission nach außen 78% abgegeben, wobei sich dieser Wert aus dem Wert pe
= 16% und dem Wert qe (Konvektion und Sekundäremission nach außen) von 62% ergibt.
(Für die andere Glasart wären die entsprechenden Werte F = 76% und qe = 60%).
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In der Sommerposition beträgt der gesamte Energiedurchgang in den
Innenraum somit nur noch 1/3 gegenüber der Winterposition.
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In Fig. 2 ist ein lichtdurchlässiges Wandelement in Form eines Fensters
dargestellt, das die Bezugszahl 20 trägt und aus einem festen Rahmen 22 und einem
darin verschwenkbar angeordneten beweglichen Rahmen 24 besteht, in welchen beweglichen
Rahmen 24 eine lichtdurchlässige, anisotrope Scheibe 26 gemäß dem Aufbau der Fig.
1 eingesetzt ist.
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Der innere Rahmen 24 ist um eine vertikal verlaufende Mittelachse
28 im festen Rahmen 22 drehbar angeordnet, derart, daß die anisotrope Scheibe 26
wahlweise mit der die Beschichtung 16 aufweisenden Glasscheibe 14 zum Innenraum
hin (Winterposition) oder nach außen (Sommerposition) angeordnet werden kann.
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Der Beschlag ist dabei derart ausgebildet, daß mit Hilfe eines Griffhebels
oder einer ähnlichen Einrichtung 30 der schwenkbare Rahmen 24 aus einer verriegelten
Stellung mit dem festen Rahmen 22 herausgeschoben werden kann, wobei die Verriegelung
vorzugsweise durch eine Nutfederanordnung gemäß der noch zu erläuternden Schnittansicht
der Fig. 4 erfolgen kann, aber auch auf andere Art verwirklicht werden könnte, wonach
das Fenster aus seiner dargestellten geschlossenen Stellung in eine geöffnete Stellung
gebracht werden kann, in
der beispielsweise eine Zwangslüftung
erfolgt. Die maximale Öffnung ist erreicht, wenn der schwenkbare Rahmen 24, also
der eigentliche Fensterflügel senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 2 steht. Dreht
man den Fensterflügel 24 über diese 90°-Stellung hinaus in die 1800-Stellung, liegt
die bisher innen gewesene Scheibe außen und das Fenster kann durch erneute, in umgekehrte
Richtung gehende Betätigung des Griffhebels 30 wieder in eine abgesenkte Position
gebracht werden, in der das Fenster verriegelt ist.
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In Fig. 4 ist eine Schnittdarstellung entlang der Linien IV/IV der
Fig. 2 wiedergegeben, die in genaueren Einzelheiten die die Verschwenkbarkeit ermöglichende
Beschlageinrichtung am unteren Teil des Fensters deutlich werden läßt. Deutlich
zu erkennen ist wiederum der feste Rahmen 22, hier im Querschnitt dargestellt, welcher
feste Rahmen in geeigneter Weise in der Wand eines Gebäudes nach bekannten Baurichtlinien
angeordnet ist.
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Der feste Rahmen 22 besitzt eine vorspringende, einen abgestumpften
Konus im Querschnitt bildende Leiste 32, die die Feder" der weiter oben erwähnten
Nutfederverbindung bildet.
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Eine entsprechend ausgebildete Nut 34 verläuft in dem schwenkbaren
Rahmen 24. Durch das Gewicht des schwenkbaren Rahmens 24 drückt sich die "Feder"
32 in die "Nut" 34 und blockiert dadurch den schwenkbaren Rahmen 24 gegenüber Drehbewegung
um die Drehachse 28. Die beiden Rahmen 22 bzw.
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24 sind hier aus Holz gefertigt, können aber alternativ auch aus anderem
Material, wie Metall oder Kunststoff, wie in der Fenstertechnik bekannt, hergestellt
sein. Jedoch ist Holz als besonders günstig anzusehen.
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In der Fig. 4 ist auch zu erkennen, wie der durch den Griffhebel 30
betätigbare Beschlag ausgebildet sein kann. Zu erkennen ist ein Metallring 36 (oder
Metallleiste), der bündig mit der "Nut" abschließt und der eine Drehlagerfläche
mit
einem weiteren Ring 40-bildet, auf dem der Rahmen 24 bei angehobenem Fenster aufruhen
kann. Der Ring 40 kann über einen Stift 42 o. dgl. fest in dem Holz des Rahmens
24 verankert sein. In ähnlicher Weise ist der Ring 36 (oder eine entsprechende Leiste)
über eine Rohrkonstruktion 44 (oder mittels Schrauben) im Holz des Rahmens 22 festgelegt.
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In der Rohrkonstruktion 44 befindet sich auch eine Exenteranordnung
46, die über eine Betätigungswelle 48 von dem hier nicht dargestellten Griff 30
betätigbar ist. Der Exenter 46 ermöglicht eine Axialverschiebung einer Schwenkwelle
50, die den Ring 36 und den Ring 38 durchdringt und den Schwenklagerbolzen für die
Verschwenkung um die Achse 28 bildet. Gleichzeitig liegt in nicht näher dargestellter
Weise die Schwenkwelle 50 in dem Stift 42 in der Weise fest, daß beim Verschwenken
des Griffhebels 30 und Hochschieben der Schwenkwelle 50 der Rahmen 24 über den Ring
40 soweit angehoben wird, daß die untere Fläche 52 des Rahmens 24 oberhalb der Drehlagerfläche
bzw. der damit identischen horizontalen Fläche der "Feder" 32 zu liegen kommt, so
daß in dieser Stellung nunmehr der Rahmen 24 um die Achse 28 gedreht werden kann.
Es sind dabei Konstruktionen für den Beschlag denkbar, die eine Festsetzung des
Rahmens 24 in jeder beliebigen Zwischenstellung ermöglichen, durch entsprechende
Verschwenkung des Griffhebels 30, wie dem Durchschnittsfachmann geläufig.
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Der obere Rahmen 24 besitzt die üblicherweise vorhandene Nut 54 zur
Aufnahme einer Doppelglasscheibe 26 gemäß Fig. 1 (hier nicht dargestellt), wobei
ebenfalls in üblicher Weise mit einer Befestigungsleiste 56 gearbeitet werden kann,
die hier noch eine Aussparung 58 zur Aufnahme von Abdichtmaterial zeigt.
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In der unteren Fläche 52 des Rahmens 54 ist eine schmale Nut 60 zu
erkennen, die entweder eine Regenabtropfnase bildet, oder aber zur Aufnahme einer
Dichtung 62 dienen kann, wie
auf der rechten Seite in Fig. 4 zu
erkennen. Falls eine derartige Dichtung 62 vorgesehen wird, muß der Beschlag den
oberen Rahmen 24 soweit anheben können, daß die untere Fläche 64 (im entlastetem
Zustand) der Dichtung 62 noch oberhalb der Fläche 38 liegt, so daß auch bei vorhandener
Dichtung 62 eine freie Verschwenkbarkeit des Rahmens 24 gegeben ist.
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Alternativ könnte die Dichtung 62 aber auch im unteren Rahmen 22 angeordnet
werden.
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Daß als Ring 36 bezeichnete Bauteil kann auch eine Leiste sein, die
sich über die ganze Fensterlänge erstreckt, um so eine bessere Formschlüssigkeit
zu gewährleisten.
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Fig. 3 läßt die vergrößerte Schnittansicht längs der Linien 111/111
gemäß Fig. 2 erkennen, also den oberen vertikalen Bereich der beiden Rahmen 22 bzw.
24.
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Zwischen den beiden Rahmen findet sich ein Abstand 66, der die Aufwärtsverschiebung
des beweglichen Rahmens 24 mit Hilfe des Griffhebels 30 in der oben beschriebenen
Weise bezüglich des festen Rahmens 22 ermöglicht. Der dadurch entstehende Luftspalt
an der oberen Kante des Fensters 24 wird durch Klappen 68 bzw. 70 verschlossen,
die um eine Achse 72 bzw. 74 verschwenkbar sind. In der dargestellten Verschlußstellung
dichten sie den (rechts dargestellten) Innenraum wie auch den (links dargestellten)
Außenraum gegen den Luftspalt 76 ab. Die Abdichtwirkung kann durch entsprechende
Dichtungsleisten 78, 80 noch verstärkt werden.
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Diese Dichtungen, die hier nur an der Innenseite vorgesehen sind,
können entsprechend auch an der Außenseite angeordnet werden.
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Die Klappen 68, 70 sind mit entsprechenden Scharnieren 84 am festen
Rahmen 22 schwenkbar angelenkt und können zum Zwecke
des Öffnens
und Verschwenkens des Innenrahmens 26 um die Achse 28 soweit weggeklappt werden,
daß sie eine Wegschwenkbewegung des beweglichen Rahmens 24 ermöglichen. Bei dieser
Wegschwenkbewegung bildet die Fläche 86 der Klappen 68 bzw.
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70 mit den entsprechenden Flächen 88 des festen Rahmens 22 einen Winkel
von 900 oder weniger. Durch die Linien 90, 92 werden Befestigungsmittel angedeutet,
mit der das Scharnier 84 an der Klappe 86 bzw. am Rahmen 22 befestigt ist.
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Die Klappe 90 besitzt, da sie an der Außenseite des Fensters angeordnet
ist, noch eine Regennase 94. Die Wegschwenkbewegung der Klappen 68, 70 kann durch
entsprechende Beschlageinrichtungen, die mit dem Betätigungshebel 30 in Verbindung
stehen, automatisch dann erfolgen, wenn der bewegliche Rahmen 24 angehoben wird.
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Alternativ kann aber auch eine Federeinrichtung vorgesehen werden,
die die Klappen 68, 70 ständig in die dargestellte Stellung drücken, die aber so
nachgiebig sind, daß sie beim Verdrehen des beweglichen Rahmens 24 nachgeben und
eine freie Drehbarkeit des Rahmens 24 ermöglichen, wobei die Klappen automatisch
in ihre dargestellte Stellung zurückfallen, wenn der Fensterflügel eine seiner beiden
Ruhestellungen einnimmt.
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Die vertikalen Rahmengrenzen zwischen dem festen Rahmen 22 und dem
verschwenkbaren Rahmen 24 können so gestaltet werden, daß sie in geschlossener Stellung
dicht aneinander liegen und dadurch ausreichende Dichtheit bewirken, ggf.
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unterstützt durch Gummidichtungen oder Bürstendichtungen.
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Günstiger und bei der hier dargestellten Ausführungsform vorgesehen
ist dagegen eine Konstruktion, die gleichzeitig eine Belüftung bei geschlossenem
Fenster ermöglicht. Zu diesem Zweck sind zwischen dem festen Rahmen 22 und dem schwenkbaren
Rahmen 24 im geschlossenen Zustand Abstände 98
vorgesehen, die
einen Entlüftungsschlitz bilden, der von einer vertikalen Klappe 100 schließbar
ist. Diese vertikale Klappe ist mit Scharnieren 82 am vertikalen Teil des festen
Rahmens 22 schwenkbar angelenkt und besitzt einen Versohlußgriff 102, mit der die
Klappe 100 am oberen und unteren Ende über entsprechende ausschiebbare Riegelstifte
in den horizontalen Rahmenteilen des festen Rahmens 22 verriegelt werden können.
Zur besseren Abdichtung sind außerdem Dichtungsprofile 104, 106 in der in Fig. 5
erkennbaren Anordnung vorgesehen.
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Diese Klappen 100 sind nur an der Innenseite vorgesehen, während die
Außenseite einen freien Spalt 108 zeigt, der allerdings durch eine Anordnung 110
ergänzt sein kann, die ein Lüftungsgitter sein kann, das das Eindringen von Schlagregen
unterbindet und unter Umständen auch eine Fliegengazeabtrennung aufweist, wodurch
beispielsweise im Sommer die Klappen 100 zur Lüftung auch bei geschlossenem Fenster
geöffnet werden können, ohne daß Insekten in das Zimmer innere eindringen können.
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Der bewegliche Rahmen 24 kann eine zusätzliche rippenartige Dichtung
112 aufweisen, die entweder mit dem Teil 110 oder aber mit der Klappe 100 in Wirkverbindung
tritt und eine zusätzliche Abdichtmöglichkeit bietet.