DE3720092A1 - Licht- und mediendurchlaessige isolierplatte - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Ausgestaltung einer isolierenden Platte, die neben ihrer isolierenden Eigenschaft zur Dämmung von Wärme bzw. Kälte zusätzlich hohe Licht- und Mediendurchlässigkeit aufzuweisen hat. Sie kennzeichnet sich dadurch, dass sie aus einer Vielzahl von Faserbündeln besteht, deren Fasern in ihren Achsrichtungen annähernd senkrecht zur Plattenoberfläche verlaufen, mindestens an einem Ende des ein­ zelnen Bündels zusammengefasst sind, im übrigen Bündelbereich gegenseitigen Abstand aufweisen und deren zusammengefasste Enden in Abständen angeordnet sind.

Durch entsprechende Wahl von

• - Dimension der Faserbündel und
• - ihrer Anordnung zueinander

sind die Eigenschaften für Isolation, Licht- und Mediendurch­ lass in einem weiten Bereich variierbar.

Dazu Beispiele für zwei verschiedene Anwendungsfälle:

• 1. Eine neuartige Luftkollektoren-Konstruktion zur Gewinnung von Sonnenenergie verlangt Diaphragmaplatten, (die ober­ halb einer schwarzen Absorberfläche angeordnet sind), wo­ bei hinsichtlich lsolation möglichst niedrige K-Werte, hin­ sichtlich Lichtdurchlass möglichst hohe Durchlasswerte und hinsichtlich Mediendurchlass geringe Widerstandswerte ge­ fordert sind.
• Niedrige K-Werte können durch
  • - Einsatz von Faserbündeln grösserer Länge erreicht werden,
• hoher Lichtdurchlass bedingt
  • - geringen spezifischen Materialanteil (auf das Volumen der isolierenden Platte bezogen), z.B. durch Verwendung dünnwandiger Faserröhrchen (Kapillaren), und einen widerstandsarmen Mediendurchgang (in diesem Fall für Luft) erhält man ebenfalls durch
  • - geringen spezifischen Materialanteil, sowie durch
  • - ein weitmaschiges Gitter, auf dem die Diaphragmaplatte befestigt ist.
• 2. Lichtbänder oder Lichtkuppeln im Dachbereich bei Industrie­ hallen verlangen hohe Isolationswerte und - zur Erreichüng von Lichtstreuung - verminderten Lichtdurchgang, auf einen Mediendurchlass kann ganz verzichtet werden.
• In diesem Falle ist
  • - die Faserbündellänge gross zu wählen und
  • - der Faserabstand im fasergespreizten Bündelbereich klein zu halten, damit dort ein relativ dichtes Faserfeld vor­ liegt, das wiederum den Lichtdurchgang reduziert, aber die Lichtstreuung erhöht.
• In der Anordnung der Faserbündelenden ist hier ein medien­ dichter Abschluss der Plattenoberfläche (und der Platten­ kanten) vorzusehen. Dieser Abschluss hängt ab von der Faser­ bündelausgestaltung: Bei beidseitig zusammengefassten Faser­ bündelenden sind z.B. zwei Lochplatten aus klarsichtigem Material als Plattenoberfläche verwendbar, deren Löcher ge­ samthaft dürch Faserbündelenden verschlossen werden. Bei einseitig zusammengefassten Faserbündelenden ist der Bereich der gespreizten Faserbündelenden mit einer geschlossenen klarsichtigen Platte abzuschliessen.

In den nachfolgenden Figüren ist gemäss den beiden geschilderten Beispielen neben anderen erfindungsgemässen Ausgestaltungsmög­ lichkeiten der Aufbau derartiger Platten dargestellt.

Die Wahl des Fasermaterials, die Formgestaltung der Fasern, die Gestaltung der Faserbündel und ihre Anordnung ermöglichen eine weitere Variationsvielfalt zur Bestimmung der Platten­ eigenschaften.

Der jeweilige Anwendungsfall setzt hier Grenzen. So können Kunststoff-Fasern nicht mehr Verwendung finden in Fällen, die höhere Temperaturstandfestigkeiten verlangen, z.B. mehr als 100°C.

Dieser Fall tritt auf beim Betrieb von Luftkollektoren, die Heissluft von z.B. 150°C liefern. Hier ist die Verwendung von Glas für das Fasermaterial notwendig. Da Glas gegenüber Kunst­ stoff einen grösseren Wärmeleitkoeffizienten aufweist, ist bei gleicher Materialmenge pro m² Platte eine Verringerung der Isolationswirkung zu erwarten. Durch Reduzierung des Faser­ durchmessers oder im Falle von Kapillaren durch Reduzierung des Wandstärke/Durchmesser-Verhältnisses kann dieser Nach­ teil beseitigt werden.

Höhere Temperaturbeanspruchung zwingt auch dazu, bei der Wahl des Verbindungsmaterials am zusammengefassten Faserbündelende von Kunststoffmassen abzusehen und dagegen wasserglashaltige oder auch zementhaltige Produkte zu verwenden. Die zementhal­ tigen Massen verringern den Lichtdurchlass nur geringfügig, da man die Querschnittsfläche des zusammengefassten Bündelen­ des klein halten kann gegenüber der gespreizten Faser-Quer­ schnittsfläche des Bündels.

Die erfindungsgemässe Platten-Ausgestaltung lässt sich auch vorteilhaft einsetzen für passive Sonnenenergienutzung, z.B. als äussere Verkleidung von Mauerwerk. Hier können ebenfalls hohe Temperaturstandfestigkeiten notwendig werden, vor allem dort, wo keine Belüftung zur Kühlung des Mauerwerkes vorge­ sehen ist oder bei Ausfall einer solchen Belüftung während hoher Sonneneinstrahlung.

Von ganz grossem Vorteil ist die vorgeschlagene Platten­ ausführung bezüglich ihrer Preisgestaltung. Ihre Anwendung im Bausektor, noch viel mehr die im Energiesektor bei der Gewinnung von Heissluft aus Sonnenenergie, erfordert kosten­ günstige Herstellung und Verwendung billiger Grundmateria­ lien. Da der Einsatz für die genannten Anwendungsgebiete grossflächige Mengen verlangt, muss die Möglichkeit einer grossfabrikatorischen, automatisierten Fertigung solcher Produkte gegeben sein. Die Ausgestaltung der erfindungsge­ mässen Platte kann diese Forderüng erfüllen.

Es sei nachfolgend für das Beispiel eines aktiv arbeitenden Heissluftkollektors auf eine besonders kostengünstige Aus­ führungsart hinsichtlich Fertigung und Materialeinsatz hin­ gewiesen:

Ein Faserbündelband, wie es in Fig. 5 dargestellt ist, des­ sen Fasern in ihrer Achsrichtung quer zur Bandlänge verlau­ fen und an einer Bandkante untereinander mittels Silikon­ kautschuk zusammengefasst sind, ist mit dieser Bandkante auf einer gitterförmigen Unterlage in geregelter, abstands­ bildender Anordnung (z.B. als spiralige Wicklung) aufgeklebt, vorteilhafterweise ebenfalls mit Silikonkautschuk. Die andere Bandkante ist aus freistehenden, nicht zusammengefassten Fa­ sern gebildet, die durch ihre vorgegebene Spreizung die Ab­ stände zwischen der Bandwicklung praktisch überdecken. In Fig. 7 ist dies verdeutlicht.

Die Fasern bestehen aus handelsüblichen Glasvollfasern von ca. 20 µm Durchmesser, man kann dazu normales Rovingmaterial verwenden. Der Materialeinsatz ist denkbar klein und der Si­ likonanteil gering. An die Glasfaserqualität brauchen fast keine Anforderungen gestellt zu werden, Durchmesserschwan­ kungen von 10 % wirken sich in der Funktionsweise kaum aus. Fertigungstechnisch ist die Verarbeitung ab Roving voll automatisierbar, zumal ein Wickelvorgang, wie in diesem Bei­ spiel geschildert, zur Plattenbildung schnell und problem­ los vorgenommen werden kann.

Eine solche Diaphragmaplatte eignet sich für einfache Heissluftkollektoren sehr gut. Dort eingesetzt wird sie mit einer klarsichtigen Deckplatte versehen und unterhalb ihrer Gitterunterlage für die Abführung der dort entstan­ denen Heissluft abgestützt.

Das Ganze lässt sich auch in ähnlicher Form mit Glashohl­ fasern (bis Kapillarengrösse von mehreren mm Durchmesser) realisieren.

Es sei hier noch darauf hingewiesen, dass der erfindungs­ gemässen Platte auch noch die Funktion eines Wärmetauschers zugesprochen werden kann, wenn sie in Luftkollektoren zur Anwendung kommt. Die unter der Platte entstehende Wärme heizt die Fasern auf, die durchströmende Luft führt diese gespei­ cherte Wärme wieder ab, indem sie die Faseroberfläche um­ spült.

Die Wärmetauscherfunktion kann durch Wahl der Plattenpara­ meter (Fasermaterial, Faserdimension, Anordnung) stark vari­ iert werden.

Die folgenden Figuren verdeutlichen das oben Gesagte und stellen einige Beispiele der Ausführungsmöglichkeiten der erfindungsgemässen Platte dar. Der Uebersichtlichkeit we­ gen sind die Zeichnungen massstäblich verzerrt dargestellt.

Fig. 1 zeigt mehrere Faserbündel 1, deren Fasern an ihrem einen Ende 2 zusammengefasst sind. Dort stehen sie in ge­ regelten Abständen in Löchern 3 einer gelochten Platte 4, sodass die Achsrichtungen der Fasern praktisch senkrecht zur Plattenoberfläche verlaufen. Im übrigen Bündelbereich bilden die Fasern durch ihre gespreizte Anordnung 5 einen grösseren Bündelquerschnitt gegenüber dem zusammengefass­ ten Faserbündelende in der Lochplatte. Die Spreizung der Fasern kann durch natürliche Eigenbiegung jeder Faser ent­ standen sein, man kann sie auch künstlich durch mechanisches Verbiegen hervorrufen, schliesslich ist auch an elektro­ statische Aufladungsvorgänge zu denken, durch deren gegen­ seitige Abstosskräfte die Abstände zwischen den Fasern entstehen.

Die Fig. 1 zeigt eine gespreizte Bündelform dahingehend, dass die Bündel sich in ihrer grössten Querschnittsausdeh­ nung gerade berühren. Die zwischenliegenden Zwickel lassen für Licht und Medium völlig freien Zugang zur Plattenober­ fläche 4. Die Lochanordnung ist hier so getroffen, dass in den Zwickelbereichen freie, nicht mit Faserbündeln be­ setzte Löcher 3′ den verlangten Mediendurchlass ermöglichen. Das Anwendungsgebiet einer solchen Plattenkonstruktion wäre z.B. Gewinnung von Heissluft aus Sonnenenergie. Die Loch­ platte hat in diesem Fall eine schwarze Einfärbung. Ein­ treffendes Licht wandelt sich auf der Plattenoberfläche in Infrarotstrahlung um, die diffus in die Faserbündel zurück­ strahlt.

Unterhalb der Lochplatte ist zweckmässigerweise eine weitere, hier nicht gezeichnete, schwarze Platte angeordnet (ohne Löcher), damit das durch die freien Löcher hindurchtretende Licht ebenfalls auf eine schwarze Oberfläche trifft.

In der Fig. 2 sieht man einen gleichen Plattenaufbau wie in Fig. 1, jedoch ist hier die Faserspreizung 5 grösser. Sie geht soweit, dass die ganze Plattenoberfläche überdeckt ist. Sie ergibt auch einen annähernd gleichen Luftwider­ stand für die durchströmende Luft. Bei Beaufschlagung mit Licht wird die darunterliegende schwarze Lochplatte prak­ tisch gleichmässig beleuchtet.

Als Variante zu den Fig. 1 und 2 zeigt die Fig. 3 eine andere Faserbündel-Anordnung. Anstelle des zusammengefass­ ten Faserbündelendes ist hier das gespreizte Bündelende auf der Plattenunterlage 4 befestigt. Die Plattenunterlage 4 ist hier als relativ feinmaschiges Gitter ausgeführt. Die Be­ festigung kann durch Kleber vorgenommen sein. Es ist auch möglich, die Faserenden etwas durch das Gitter hindurchgrei­ fen zu lassen zwecks besserer Halterung (in der Fig. 3 nicht gezeichnet).

Die Fig. 4 zeigt ein Faserbündel 1′, welches an seinem zusammengefassten Ende 2 eine flache Formgebung aufweist. Zum anderen Ende 5 des Bündels sind die Fasern gespreizt, quer zur flachen Längsausdehnung des Bündels.

Das Bild 4 a stellt eine perspektivische Ansicht dar, 4 b eine Ansicht in Längsrichtung der flachen Formgebung und 4 c die Ansicht quer zum flachen Bündelende. Die flache Formgebung des einen Bündelendes kann durch entsprechende Matrixverfestigung, z.B. unter thermischer Aushärtung, er­ reicht werden.

In Fig. 5 ist ein Faserbündelband 1′′ dargestellt, wie es aus einer Vielzahl aneinandergereihter (in Fig. 4 gezeigter) Einzelbündel gebildet ist. Durch die Matrixverbindung sind die Einzelbündel übergangslos miteinander verbunden. Die Spreizung 5 ist wiederum quer zur Band-Längsausdehnung vor­ genommen.

Für Fig. 6 wurde eine Plattenausgestaltung gewählt, deren Aufbau durch Anordnung und Befestigung von Faserbündelbän­ dern 1′′ (gemäss Fig. 5) auf einer Lochplatte 4 gekenn­ zeichnet ist. Zwischen zwei Lochreihen 6 ist jeweils ein Band 1′′ z.B. mit Silikonkautschuk 7 in Abständen 8 ange­ klebt. Die Spreizung 5 der Fasern am oberen Bündelband- Ende ist hier im Bild so gross ausgebildet, dass sich dort die Fasern benachbarter Bündelbänder berühren.

Fig. 7 zeigt eine andere Variante einer Plattenkonstruktion. Wie in Fig. 6 sieht man hier die Anordnung von Faserbündel­ bändern 1′′, jedoch sind sie hier spiralig angeordnet auf einer gitterförmigen Unterlage 9. Die Befestigung kann an den Stellen 10 der Auflage der Bandunterkante auf den Gitter­ stäben vorgenommen sein (z.B. durch einen Klebstoff). Die Spreizung der Fasern ist gleich dem Abstand der Bündelbän­ der und überdeckt somit die gesamte Plattenfläche.

In Fig. 8 sind Faserbündel gezeigt, deren Fasern an bei­ den Bündelenden 11 zusammengefasst sind, im mittleren Bereich 5 sind sie gespreizt. Im Spreizbereich greifen die Fasern etwas ineinander. Die Bündelenden 11 sind in Löchern zweier gelochter Platten 4 befestigt. Die Platte 4, besteht aus klarsichtigem Material, z.B. Polymethacrylat, und ist damit lichtdurchlässig. Ihre Löcher sind durchwegs mit Bündelenden verschlossen und somit abgedichtet. Die Platte 4′′ ist eine schwarze Lochplatte, sie weist zwischen den eingeklebten Bündelenden zusätzliche Luftdurchtrittslöcher auf. Eine sol­ che Plattenkonstruktion ist einsetzbar z.B. für Solar-Heiss­ luftkollektoren.

Eine weitere Variante ist in Fig. 9 gezeigt. Zwischen zwei geschlossenen Platten 12′ und 12′′ aus Glas sind Faserbün­ del 1 angeordnet, ihre Enden sind an den Platten mittels Silikonkautschuk 7 befestigt (am gespreizten Faserbündel­ ende zweckmässigerweise an einem Silikonkautschuk-Film 7′). Die Distanzierung der Platten 12′ und 12′′ kann am Platten­ rand durch einen Rahmen gewährleistet sein (hier nicht dar­ gestellt).

Eine solche Plattenkonstruktion eignet sich als temperatur­ feste Isolierglasplatte z.B. für Shedverglasungen im In­ dustriehallenbereich.

Schliesslich weist Fig. 10 auf eine Ausgestaltungsmöglichkeit eines Faserbündels hin, dessen Fasern aus Kapillaren bzw. Hohlfasern bestehen. Infolge ihrer Steifigkeit ist es zweck­ mässig, durch fächerförmige Anordnung 5 eine Spreizung der Fasern zu erreichen. Hier ist das eine Bündelende mit Sili­ konkautschuk 7 fixiert. Fig. 10a zeigt den "Fächer" in An­ sicht, 10b den Schnitt entlang der Linie a-a in Fig. 10a. Die Addition mehrerer solcher "Faserfächer" 1′ ergibt ein Fa­ serbündel 1′′ im oben beschriebenen Sinne, dargestellt in Fig. 10c.

Claims (16)

1. Licht- und mediendurchlässige Isolierplatte, dadurch ge­ kennzeichnet, dass sie aus einer Vielzahl von Faserbün­ deln besteht, deren Fasern in ihren Achsrichtungen an­ nähernd senkrecht zur Plattenoberfläche verlaufen, min­ destens an einem Ende des einzelnen Bündels zusammen­ gefasst sind, im übrigen Bündelbereich gegenseitigen Ab­ stand aufweisen und deren zusammengefasste Enden in Ab­ ständen angeordnet sind.

2. Platte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbündel-Enden in Löchern einer gelochten Platte ste­ hen und ihre Anzahl geringer als die Lochzahl der Platte ist.

3. Platte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbündel-Enden auf einer gitterförmigen Plattenunter­ lage befestigt sind.

4. Platte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern an den zusammengefassten Bündelenden durch eine Matrix miteinander verbunden sind.

5. Platte nach Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbündel-Enden bei der Matrixverfestigung eine flache Formgebung erhalten.

6. Platte nach Ansprüchen 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbündel-Enden einer Vielzahl von Bündeln zu einem zusammenhängenden Band durch die Matrix verbunden sind.

7. Platte nach Ansprüchen 1, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeich­ net, dass das zusammenhängende Band an seiner matrixge­ bundenen Linie auf einer gitterförmigen Unterlage in ge­ regelter abstandsbildender Anordnung befestigt ist.

8. Platte nach Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die geregelte Anordnung aus parallel zueinander im Abstand stehender Bündelbandstücke gebildet ist.

9. Platte nach Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die geregelte Anordnung eine spiralige, abstands­ bildende Wicklung ist.

10. Platte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im übrigen Bündelbereich der durch den gegenseitigen Faser­ abstand gespreizte Bündelquerschnitt gegenüber dem zu­ sammengefassten Faserbündel-Ende mindestens die doppelte Ausdehnung hat.

11. Platte nach Ansprüchen 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die gespreizten Bündel sich an ihrer grössten Quer­ schnittsausdehnung gegenseitig berühren.

12. Platte nach Ansprüchen 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die gespreizten Bündel im Bereich ihrer grössten Querschnittsausdehnung mit ihren Fasern ineinandergreifen.

13. Platte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbündel an beiden Enden zusammengefasst sind und im Mittelbereich der Bündel die Fasern gespreizt sind.

14. Platte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern aus einem organischen lichtleitenden Material be­ stehen.

15. Platte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern aus einem anorganischen lichtleitenden Material be­ stehen, z.B. aus Glas.

16. Platte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern aus Glashohlfasern bzw. Glaskapillaren bestehen.