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Die
Erfindung betrifft den Transport von sichtbarem Licht durch Begrenzungen,
wie z. B. durch Wände, Dächer, Fassaden oder Gehäuse,
sowie Ummantellungen und Umhüllungen von Geräten, Sensoren,
Reaktoren etc., die Innen- von Außenräumen trennen.
Die Begrenzungen haben dabei die Aufgabe, Innenräume von
Gebäuden, Bauwerken, oder das Innere von Geräten,
Sensoren, Reaktoren oder auch Fahrzeugen, Schiffen vor Nässe,
Kälte, Solarstrahlung, mechanischen Einwirkungen, wie z. B.
Explosionen, Erdbeben, Wirbelstürmen, elektromagnetischer
und radioaktiver Strahlung oder auch chemischen Einflüssen
wirksam zu schützen. Die optische Verbindungstechnik stellt
ebenfalls ein Anwendungsgebiet der Erfindung dar.
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Die
einfachste Variante von lichtdurchlässigen Begrenzungen
in Gebäuden und Bauwerken sind Fenster mit lichtdurchlässigen
Gläsern, Glasbausteine, translu zente Fassaden mit Blend-,
Sonnen- und Wärmeschutz (
D. Christoffers, P. Kneser,
U. Schramm, „Saisonale Abschattung von transparent gedämmten
Wänden mit Prismenschichten", Forschungsverbund
Sonnenenergie „Themen 97/98", S. 63).
Photochrome und thermochrome Sonnenschutzsysteme verringern die
Lichttransmission mit zunehmender störender Sonneneinstrahlung
(A. Seeboth, J. Kriwanek, D. Lötsch, „Thermochrome Polymerfolie
und Verfahren zu deren Herstellung”,
DE 103 39 442.7 ). Elektrisch gesteuerte
Fenster, z. B. durch Nutzung der Elektrochromie, gestatten eine Steuerung
der Licht-Transmission, um z. B. eine unnötige Erwärmung
von Innenräumen zu vermeiden (
A. Georg, Hell oder
dunkel? Schaltbare Verglasung, Glas und Rahmen (2005), Juni, 22).
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Durch
Einlagerung lichtleitender Fasern in Feinbeton erhält man
lichtdurchlässigen Beton, mit dem man Räume erhellen
kann und der sich durch eine große Festigkeit auszeichnet
(Lichtdurchlässiger Beton wird serienfähig, bau
Stoff Partner 11/06, 15). Von Nachteil sind dabei die aufwändige
Technologie zu seiner Herstellung, sein großes Gewicht
und der geringe Schallschutz. Es gibt auch die Möglichkeit,
durch Anwendung von Hohllichtleitern und Lichtschächten
Licht von außen in Werkhallen, Treppenhäuser zu
führen (
A. Rosemann, Beleuchtungskonzepte mit Hohllichtleitern,
Licht 7/8 (2000) Pflaum Verlag, S. 690; A. Goetzberger,
Anordnung für Lichtleitsystem,
EP 08 10 409 B1 ). Das Licht
wird dabei durch eine Glaskuppel auf dem Dach eines Gebäudes
aufgefangen und durch Hohllichtleiter bzw. Lichtschächte
in seine Innenräume geleitet.
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In
der
EP 08 75 724 A2 werden
Lichttrichter zur Sammlung und Leitung von Solarstrahlung zu Beleuchtungs zwecken
beschrieben. Es handelt sich dabei um konstruktiv sehr aufwändige
und auch sehr teure Vorrichtungen, deren Einsatz nur speziellen Anwendungsfällen
vorbehalten bleibt.
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Die
US 6,969,186 B2 beschreibt
die elektromagnetisch verträgliche Durchleitung von Licht
durch die Gehäusevorderseite eines Gerätes mit
Lichtröhren. Die beanspruchte Vorrichtung ist konstruktiv sehr
kompliziert aufgebaut und ihre Herstellung kostenaufwändig.
Bei ihrer Anwendung können nur relativ kleine Flächen
ausgeleuchtet werden.
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In
der
US 4,696,547 wird
ein Fenster ebenfalls mit elektromagnetischer Abschirmwirkung beschrieben.
Dabei befindet sich zwischen den Fensterscheiben eine transparente
und elektrisch leitende Flüssigkeit mit Abschirmfunktionen.
Das beanspruchte Prinzip ist in der Praxis kaum nutzbar, weil die
Herstellung der Bauelemente sehr kostenintensiv ist. Bei der Verwendung
von Lichtleitern auf Basis von Glas- und Kunststofffasern zum Transport
von Licht durch Gehäuse in Geräten ist die Schnittstelle zwischen
dem lichterzeugenden Bauelement und dem Lichtleiter problematisch,
da an dieser Schnittstelle erhebliche Lichtverluste auftreten (
EP 1 426 802 A2 ).
Zum anderen sind Durchbrüche in den Begrenzungen einzubringen,
um die Lichtleiter in die Begrenzungen hindurchzuführen,
mit erheblichen Nachteilen für die Abdichtung und Stabilität
der Begrenzungen.
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In
der
US 5,146,620 geht
es um den wassergeschützten Lichtaustritt aus einem Gerät
mittels einer lichtleitenden Dichtung. Durch die angewandte technische
Lösung findet keine optimale Einkopplung und Lichtleitung
des Lichtes einer Leuchtdiode statt. Bei der Hindernisbefeuerung
von Windkraftanlagen müssen in die Rotorblätter
eine größere Anzahl von Durchbrüchen
eingebracht werden, die lichtdurchlässige Elemente tragen
und das Licht vom Inneren der Rotorblätter nach außen
transportieren (
EP
1 236 892 A1 ). Die angebrachten Durchbrüche haben
den Nachteil, dass sie die Stabilität der Rotorblätter
bei extremen Windstärken erheblich beeinträchtigen.
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Die
bisherigen technischen Lösungen der Versorgung von Bauwerken
mit Tageslicht haben den Nachteil, dass die dabei verwendeten optisch
durchlässigen Begrenzungen Schutz vor starken mechanischen,
thermischen elektromagnetischen (elektromagnetische Abschirmung),
radioaktiven und chemischen Einwirkungen nur unvollständig
oder nicht bieten, technologisch sehr aufwändig und zu
teuer sind. In optischen Geräten und Bauelementen spielt
der Lichtdurchgang durch Begrenzungen ebenfalls eine wichtige Rolle.
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Ausgehend
hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches
Bauelement anzugeben, das eine indirekte Beleuchtung eines Innenraumes
ermöglicht. Ebenso ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Vorrichtung anzugeben, die ein erfindungsgemäßes
Bauteil mit umfasst.
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Diese
Aufgabe wird bezüglich des Bauteils mit den Merkmalen des
Patentanspruches 1, bezüglich der Vorrichtung mit den Merkmalen
des Patentanspruches 12 gelöst. Mit Patentanspruch 14 werden
Verwendungszwecke des Bauteils angegeben. Die weiteren abhängigen
Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
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Erfindungsgemäß wird
somit ein Bauelement bereitgestellt, das ein optisch transparentes
Substrat, das zwei gegenüberliegende Oberflächen,
eine Lichteintrittsoberfläche sowie eine Lichtaustrittsoberfläche
aufweist, sowie mindestens ein jeweils auf der gegenüberliegenden
Oberfläche des Substrats angeordnetes optisch diffus reflektierendes
Segment umfasst, wobei die beiden Segmente versetzt zueinander angeordnet
sind.
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Die
Erfindung zeichnet sich durch die Vorteile aus, dass kostengünstige
und einfach herstellbare optische Bauelemente bereitgestellt werden,
die eine Transmission von Licht durch lichtundurchlässige
Begrenzungen, wie z. B. Fassaden, Decken, Dächer, Gehäuse
und Ummantelungen von Geräten, Sensoren und Reaktoren,
Umhüllungen von Fahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen etc.
gestatten, ohne die Schutz- und Abschirmfunktionen der Begrenzungen zu
beeinträchtigen. Das durch die Begrenzungen transmittierte
Licht kann dabei je nach Anwendungsfall spektral gefiltert, in seiner
Wellenlänge gewandelt und homogen flächig abgestrahlt
werden und für Beleuchtungs- und Messzwecke geeignet sein.
Die Funktionen der Begrenzungen bieten dabei hinsichtlich Brandschutz,
Wärme- und Schalldämmung, Explosions- und Strahlenschutz
sowie hinsichtlich Schutz vor Erdbebeneinwirkungen, Meereswellen und
auch vor chemischen Einflüssen volle Gewährleistung.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Substrat
einen dekadischen Absorptionskoeffizient von kleiner 2·103 cm–1 auf
und besteht bevorzugt aus einem Material, ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus Glas, Quarzglas, eisenarmem Glas und/oder
Kunststoffen, insbesondere Acrylglas, Polycarbonaten, Polyestern,
Polyvinylchlorid oder optisch transparenten Polymeren.
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Weiter
ist es von Vorteil, wenn die Lichteintritts- und/oder die Lichtaustrittsoberfläche
des Substrats oberflächenbehandelt ist, bevorzugt entspiegelt
und/oder strukturiert ist, insbesondere prismatische, sphärische
und/oder linsenähnliche Strukturen aufweist.
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Die
Abstrahlung des Lichtes in den Innenraum funktioniert besonders
effizient, wenn die lichtaustretenden Oberflächen (Bezugszeichen 5 in 1)
nicht glatt, sondern strukturiert sind, damit das unter den unterschiedlichen
Winkeln auf die Oberfläche 5 auftreffende Licht
das Glassubstrat verlassen kann. Als Strukturierung eignen sich
z. B. prismatische, sphärische oder auch andere linsenähnliche Strukturen,
die in ihren dreidimensionalen Abmessungen im Bereich zwischen 100 λ und
1000 λ liegen, wobei λ die maximale Wellenlänge
des eingestrahlten Lichtes ist. Wichtig ist dabei, dass durch die Strukturierung
die lichtaustretende Oberfläche nicht trübe wird
und ihre Transmission voll erhalten bleibt und der Lichtaustritt
von der Wellenlänge des sichtbaren Lichtes nicht abhängig
ist.
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Weiterhin
ist es von Vorteil, die lichteintretende Oberfläche 4 des
optisch transparenten Substrates ebenfalls zu strukturieren, um
den Lichteintritt von diffuser und nicht senkrecht zur Oberfläche
eintretender Strahlung zu erleichtern. Die notwendige Strukturierung
wird realisiert, indem man Acrylglassubstrate bei ca. 110°C
mit einem Prägestempel unter einem Gewicht prägt.
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Bevorzugte
Dicken des Substrates liegen dabei zwischen 0,5 und 10 cm, bevorzugt
zwischen 1 und 5 cm, besonders bevorzugt zwischen 1 und 3 cm.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist auf den
gegenüberliegenden Oberflächen des Substrats jeweils
eine Mehrzahl optisch diffus reflektierender Segmente angeordnet,
wobei die Segmente alternierend angeordnet sind. Unter einer alternierenden
Anordnung wird verstanden, dass die Segmente in Projektionsrichtung
auf das Substrat zumindest nicht zur Gänze zur Deckung
gelangen.
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Weiter
bevorzugt ist es, wenn das mindestens eine erste Segment (d. h.
das auf der einen Seite des Substrates angeordnete Segment) eine
Breite B1 und das mindestens eine zweite Segment (d. h. das auf
der gegenüber liegenden Seite des Substrates angeordnete
Segment) eine Breite B2 aufweist, wobei der Abstand L des Mittelpunktes
bei B1/2 des jeweils einen ersten Segments zum Mittelpunkt bei B2/2
jeweils eines zweiten Segments L = ½·(B1 + B2)·x
beträgt, wobei 0,5 ≤ x ≤ 1, bevorzugt
0,9 ≤ x ≤ 1 ist.
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Die
Breiten B1 bzw. B2 des jeweils ersten und zweiten Segmentes liegen
dabei bevorzugt unabhängig voneinander zwischen 1 und 1000
mm.
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Vorteilhafte
Dicken der Segmente liegen dabei zwischen 0,1 mm und 5 mm.
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Als
Materialien, die für die Segmente in Frage kommen, können
bevorzugt Materialien verwendet werden, die eine diffuse Reflektivität
von mindestens 95% im sichtbaren Spektralbereich aufweisen. Insbesondere
kommen hierbei Materialien, wie beispielsweise poröses
Teflon; Reflektorfarben, wie z. B. Bariumsulfat, Titandioxid, z.
B. vom Typ Rutil, enthaltende Reflektorfarben; Aluminiumpasten;
Siliciumnitrid; Kerami ken; Leuchtstoffe; anorganische Pigmente;
fluoreszierende Stoffe, insbesondere Fluoreszenzfarbstoffe auf Basis
von Naphthalimiden, Stilbenen und/oder Styrylen; und/oder phosphoreszierende
Stoffe, insbesondere Phosphore auf Basis der Seltenerdmetallen,
dotierte Phosphate, Silikate, Germanate, Oxide, Sulfide, Oxysulfide,
Selenide, Sulfoselenide, Vanadate, Niobate, Arsenate, Tantalate, Wolframate,
Molybdate, Halogenate, Nitride, Borate, Aluminate, Gallate, oder
Halogenide in Frage.
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Bevorzugt
liegen dabei die Leuchtstoffe, anorganischen Pigmente, fluoreszierenden
Stoffe und/oder phosphoreszierenden Stoffe in einer Kunststoffmatrix
dispergiert vor, bevorzugt mit einem Feststoffgehalt der jeweiligen
Materialien bezogen auf die Kunststoffmatrix von mindestens 50 Gew.-%.
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Weiter
ist es vorteilhaft, wenn das mindestens eine erste Segment und/oder
das mindestens eine zweite Segment auf einer dem Substrat abgewandten
Oberfläche über Aufbauten verfügt, bevorzugt
ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus wärme-
und/oder schallisolierenden Materialien, Metallen, Mauerwerk, Holzaufbauten
und/oder Stahlkonstruktionen.
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Erfindungsgemäß wird
ebenso eine Vorrichtung bereitgestellt, die eine einen inneren Raum
umschließende Begrenzung umfasst, wobei zumindest ein Teil
der Begrenzung als Bauelement, wie es zuvor beschrieben wurde, ausgestaltet
ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung
im inneren Raum mindestens einen Detektor.
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Das
zuvor genannte erfindungsgemäße Bauteil kann beispielsweise
als lichtdurchlässige Begrenzung von Bauten, Schiffen,
Vorrichtungen, Reaktoren oder Detektoren; insbesondere in Dächern, Wänden,
Abdeckungen von Verkehrswegen oder Abdeckungen von Tunneln, verwendet
werden.
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Die
vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungen
sowie der beigefügten Figuren näher erläutert,
ohne die Erfindung auf die speziellen Parameter zu beschränken.
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Erfindungsgemäß wird
die oben angegebene Aufgabe gelöst, indem sehr gut lichtleitende
optisch transparente Substrate (vorzugsweiser dekadischer Absorptionskoeffizient
kleiner 2 × 10–3 cm–1) z. B. aus Glas und/oder Kunststoff
(z. B. optisch hochwertiges Acrylglas, für die Lichtleitung
geeignetes Quarzglas oder eisenarmes Glas hoher optischer Transmission,
das auch bei der Abdeckung von Solarzellen zunehmend Verwendung
findet, aber auch für Spezialanwendungen Polycarbonate,
Polyester, Polyvinylchlorid und weitere optisch transparente Polymere)
mit optisch diffus reflektierenden Segmenten definierter Anordnung
und Abmessung auf gegenüberliegenden Oberflächen
geschaffen werden. Zu diesem Zweck werden gemäß 1 auf
die großflächigen Oberflächen eines optisch
transparenten Substrates 1 diffus reflektierende Beschichtungen 2 und 3 definierter
Materialzusammensetzung segmentartig aufgebracht, die abwechselnd
dem Außenraum der Begrenzung (lichteintretende Oberfläche 4 des
Glassubstrates 1) bzw. ihrem Innenraum (lichtaustretende
Oberfläche 5 des transparenten Substrates 1)
zugewandt sind. Fällt Licht 7 aus dem Außenraum
(z. B. Solarstrahlung) auf die vorzugsweise entspiegelte Oberfläche 4 des
Substrates 1, durchdringt es das Sub strat und wird auf
seiner Rückseite 5 durch die dort befindlichen
segmentartig aufgebrachten diffus reflektierenden Beschichtungen 2 gestreut.
Im Falle eines durch die diffus reflektierenden Beschichtungen realisierten
Lambertschen Reflektors wird infolge der Streuung bzw. diffusen Reflexion
der größte Teil des einfallenden Lichtes nicht
zurückreflektiert, sondern durch Totalreflexion innerhalb
des Glassubstrates isotrop verteilt, bis es durch Vielfachreflexionen
auf das auf seiner entgegen gesetzten Oberfläche 4 befindliche
diffus reflektierende Nachbarsegment 3 trifft und von dort
aus dem Glassubstrat reflektiert und in den Innenraum flächig
abgestrahlt wird (Strahlung 8). Zur Vervollständigung
der erfindungsgemäßen Bauelemente werden auf die
diffus reflektierenden Beschichtungen 2 und 3 wahlweise
wärme- und/oder schallisolierende Materialien 6,
z. B. aus Styropor, geschäumtem Polyurethan, etc., oder
Metalle zur elektromagnetischen Abschirmung aufgebracht, die gemeinsam
mit den segmentartig beschichteten Glassubstraten die erfindungsgemäßen
optischen Bauelemente darstellen. Um die Schutzfunktionen der erfindungsgemäßen
Bauelemente zu erhöhen, ist es von Vorteil, wenn sich die
auf den optischen Substraten befindlichen diffus reflektierenden
Schichten 2 und 3 leicht überlappen,
z. B. in einer Größe von z. B. 10% ihrer Breiten
B1 und B2.
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Je
nach Anwendungsfall liegt die Breite B1 und B2 der diffus reflektierenden
Segmente im Bereich zwischen 1 mm und 1000 mm und die Dicke D2 der
diffus reflektierenden Beschichtungen 2 und 3 zwischen
0,1 mm und 5 mm. Bei der Wahl von D2 kommt es darauf an, dass die
Transmission der diffus reflektierenden Beschichtungen für
maximalen Lichtdurchgang kleiner 0,01% ist, damit das gesamte einfallende
Licht diffus in das op tische Substrat reflektiert werden kann. Statt
der diffus reflektierenden Beschichtungen können auch diffus
reflektierende Formkörper, z. B. aus porösem Teflon,
auf die Glassubstrate aufgebracht werden, die gleichzeitig eine wärme-
und schallisolierende Funktion ausüben. An die diffus reflektierenden
Segmente werden hinsichtlich ihres Reflexionsvermögens
hohe Anforderungen gestellt. Geeignet sind dafür solche
Materialien, die einen Reflexionsgrad von vorzugsweise mindestens 95%
im sichtbaren Spektralbereich aufweisen, da aufgrund der vielfachen
Reflexionen an den diffus reflektierenden Segmenten zu hohe optische
Verluste auftreten. Hinsichtlich der optischen Verluste durch Vielfachreflexionen
sind dickere Substrate den dünneren Substraten vorzuziehen,
da die Anzahl der Reflexionen, mit der die optischen Verluste exponentiell ansteigen,
umgekehrt proportional der Dicke D1 des Substrates ist. Insbesondere
haben die durchgeführten Experimente gezeigt, dass der
Quotient aus zurückgelegtem mittleren Lichtweg L und der
Dicke D1 des Substrates den Zahlenwert 50 nicht überschreiten
sollte. In diesem Fall sollte bei einem zurückzulegenden
Weg des Lichtes von 100 cm eine Dicke des Substrates von 2 cm möglichst
nicht unterschritten werden. Grundsätzlich gilt, bei kleineren
Lichtwegen sind auch kleinere Substratdicken möglich, während mit
zunehmenden Lichtwegen auch die Substratdicken ansteigen müssen,
beispielsweise bis zu 50 mm. Neben porösen Teflonmaterialien,
die nahezu 99% Reflektivität aufweisen, verwendet man für
die diffus reflektierenden Segmente vorzugsweise Reflektorfarben
auf Basis von stark streuenden Bariumsulfat- und/oder Titandioxid-Partikeln
(vom Typ Rutil), dispergiert in einem Kunststoffbinder mit einem
Volumenanteil von mindestens 50%. Aufgedruckte Aluminiumpasten,
kombiniert mit Siliziumnitrid-Schichten und spezielle Ke ramiksubstrate,
Leuchtstoffe und weitere anorganische Pigmente sind ebenfalls geeignet.
In Erfüllung der Aufgabenstellung für die erfindungsgemäßen
Bauelemente werden die verwendeten diffus streuenden Materialien
bevorzugt zusätzlich mit Phosphoren – die gleichzeitig
als Diffusoren wirken – und Fluoreszenzmaterialien versehen,
die die UV-Strahlung des Sonnenlichtes absorbieren und in sichtbare
Strahlung umwandeln. Verwendung finden dabei beispielsweise Phosphore
auf Basis von mit Selten-Erden und Metallen dotierten Phosphaten, Silikaten,
Germanaten, Oxiden, Sulfiden, Oxysulfiden, Seleniden, Sulfoseleniden,
Vanadaten, Niobaten, Arsenaten, Tantalaten, Wolframaten, Molybdaten,
Halogenaten, Nitriden, Boraten, Aluminaten, Gallaten und Halogeniden
(z. B. Leuchtstoffe der Fa. Litec LLL, Eu2+-dotierte
Silikate (S440 und FA593)) und/oder Fluoreszenzfarbstoffe auf Basis
von Naphthalimiden, Stilbenen, Styrylen u. a. Durch die Ergänzung
der diffus streuenden Materialien mit Stoffen, die UV-Strahlung
absorbieren und gleichzeitig spektral wandeln, wird zum einen eine
Lichtverstärkung des sichtbaren Lichtes erreicht, zum anderen
wird schädliche UV-Strahlung am Durchtritt durch die Begrenzungen
gehindert. Bei geeigneter Wahl der Phosphore und Fluoreszenzmaterialien
ist es möglich, das in den Innenraum abgestrahlte Licht
spektral zu beeinflussen, z. B. mit einem erhöhten Blau– oder Rotanteil,
indem die verwendeten Phosphore und Fluoreszenzmaterialien bevorzugt
in diesen Spektralbereichen emittieren, mit Vorteil für
beabsichtigte physiologische und technische Wirkungen der Strahlung.
Bei der Verwendung von Acrylglas als Substratmaterial werden aufgrund
der Oberschwingungsbanden des Acrylglases im Spektralbereich von
750 bis 1000 nm große Anteile des nahen infraroten Spektralbereiches
gefiltert und somit eine unerwünschte Erwärmung
durch das durchgehen de Licht verhindert.
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In
einer weiteren Variante für die Erfindung werden die segmentartig
beschichteten Glassubstrate in ein segmentartig aufgebautes Mauerwerk
oder eine Stahlkonstruktion, die als Begrenzungswände 6 dienen,
gemäß 2 integriert. Das Mauerwerk
bzw. die Stahlkonstruktion sind dabei im Bereich der beschichteten
Glassubstrate mit Öffnungen versehen, die abwechselnd dem
Außen- bzw. Innenraum zugewandt sind und die gestatten,
dass Licht aus dem Außenraum in das Glassubstrat eintritt
und infolge Totalreflexion dort weiter geleitet wird, um durch die
dem Innenraum zugewandten Öffnung in den Innenraum auszutreten
mit gleichem Wirkprinzip, wie in 1 beschrieben.
Durch die Existenz des Mauerwerkes bzw. der Stahlkonstruktion bietet
die erfindungsgemäße Vorrichtung sowohl einen
effizienten Lichtdurchgang als auch umfassenden Schutz gegenüber starken
mechanischen Einwirkungen, wie beispielsweise hohe Drücke,
Explosionen, Wirbelstürme, Erdbeben u. a.
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Durch
Anwendung der in 1 und 2 dargestellten
optischen Bauelemente ist es z. B. möglich, lichtdurchlässige
Begrenzungen für Produktionshallen und andere technische
Einrichtungen zu realisieren, die den von Maschinen, Fahrzeugen
und anderen technische Vorrichtungen hervorgerufenen Lärm
stark minimieren. Die erfindungsgemäßen optischen
Bauelemente können auch effizient als Lärmschutz
zur Abdeckung von Autobahnen (z. B. als Autobahntunnel) und anderen
Verkehrswegen eingesetzt werden. Dadurch werden wesentliche Mengen an
Lichtenergie zur Beleuchtung der Verkehrstunnel eingespart, da die
erfindungsgemäßen optischen Bauelemente – integriert
in die Tunnel – ausreichend Tageslicht in die Tunnel transportieren.
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Weiterhin
wird bei der Anwendung der Erfindung grundsätzlich flächenhaft
eingestrahltes Licht durch lichtundurchlässige Begrenzungen,
wie z. B. Decken, Wände, Gehäuse etc. geleitet
und innerhalb oder außerhalb der Begrenzungen flächenhaft
diffus abgestrahlt. Das durch die Begrenzungen hindurch geleitete
Licht kann effizient für Beleuchtungs- und Messzwecke verwendet
werden. Da bei der Anwendung der Erfindung zur Durchleitung von
Solarstrahlung den diffus reflektierenden Schichten ein Leuchtstoff
bzw. ein Fluoreszenzfarbstoff zugesetzt wird, der UV-Strahlung in
sichtbares Licht wandelt, kann der Anteil des durchgeleiteten sichtbaren
Lichtes in Innenräume noch wesentlich erhöht werden.
Dieser Verstärkungseffekt hat insofern eine Bedeutung,
als die UV-Strahlung im Sonnenlicht stets zunimmt. Andererseits
wird bei der Verwendung von Acrylglas für die Glassubstrate
die nahe Infrarotstrahlung weitgehend weggefiltert, so dass nicht
gewünschte Erwärmungen der Innenräume
vermieden werden mit besonderer Relevanz für die Energieeinsparung
bei Klimaanlagen im Falle starker Solareinstrahlung. Die erfindungsgemäßen
Vorrichtungen haben weiter den Vorteil, dass die Funktionen der
Begrenzungen für den Lichtdurchgang von den Funktionen
der Begrenzungen hinsichtlich Schutz vor Kälte, Wärme,
Schall, mechanischen Einwirkungen, hervorgerufen durch Erdbeben,
Wirbelstürmen, Meereswellen etc., vor radioaktiver Strahlung,
hohem Druck, elektrischen und magnetischen Feldern konstruktiv getrennt
sind. Dabei gibt es keinen direkten Lichtdurchgang durch Fenster
in den Begrenzungen, sondern das Licht wird durch die als flächenhafte
Lichtleiter wirkenden segmentartig beschichteten Glassubstrate horizontal
innerhalb oder außerhalb der Begrenzung gelenkt.
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Wie
aus der 2 hervorgeht, enthalten die Begrenzungswände
einen horizontalen Spalt, in den die als Lichtleiter wirkenden Glassubstrate
geschoben und an den Begrenzungswänden befestigt werden.
Dabei können die Begrenzungswände durch die Wahl
ihrer Materialien (z. B. Stahl, Blei, etc.) so gestaltet werden,
dass sie z. B. hohen Drücken und Temperaturen, radioaktiver
Strahlung und elektrischen sowie magnetischen Feldern und weiteren Einwirkungen
standhalten, bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Funktion des
Lichtdurchganges. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen
können mit großem Vorteil angewendet werden, wenn
es um lichtdurchlässige Wände und Decken mit hohem Schall-,
Wärme- und Kälteschutz geht. In diesem Fall werden
die Befestigungswände aus Beton, Holz oder Stein gefertigt
und nach bekannten Methoden mit Schall- und thermisch isolierenden
Materialien, z. B. aus Styropor, geschäumtem Polyurethan
etc. versehen, mit dem Ergebnis relevanter Energieeinsparung. Bei
der Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen
in Schiffen z. B. ist es günstig, die Begrenzungswände
aus einem Metall anzufertigen, so dass sie auch starke Meereswellen
aushalten. Auf diese Weise kann man auf Schiffen partiell lichtdurchlässige
Wände schaffen, die selbst bei schwerem Sturm das Schiff
schützen. In Erdbebengebieten und Gebieten, wo Wirbelstürme
herrschen, kommt es ebenfalls auf mechanisch sehr stabile Begrenzungskonstruktionen
für Gebäude und andere Einrichtungen an. Mit der
Anwendung der Erfindung können diese stabilen Begrenzungskonstruktionen
lichtdurchlässig realisiert werden, ohne ihre Schutzfunktionen
zu beeinträchtigen. Wenn die in der Erfindung verwendeten
Begrenzungswände mit speziellen Metallen beschichtet oder
z. B. mit dicken Bleischichten versehen werden, dann sind lichtdurchlässige
Wände bzw. Be grenzungen mit hohem Schutz vor elektrischen
und magnetischen Feldern (EMV-Schutz) sowie radioaktiver Strahlung
realisierbar.
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Eine
weitere vorteilhafte Anwendung der erfindungsgemäßen
Bauelemente besteht in der wärmegedämmten Eintragung
von Solarenergie in Gebäude, Gewächshäuser,
Tierställe etc. durch die Strahlungseinkopplung gemäß 1.
Das erfindungsgemäße Bauelement lässt
sich z. B. auch auf schlecht gedämmte Fassaden aufbringen
und sorgt dort für einen solaren Energieeintrag in die
Gebäude mit einem hohen Potential an Energieeinsparung.
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Ausführungsbeispiel 1
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Zur
zusätzlichen Beleuchtung eines Treppenhauses wird gemäß 3 eine
Dachkonstruktion gewählt, die als Lichttor und Oberlicht
funktioniert. Dazu wird ein Glassubstrat mit einer Abmessung von 2
m × 3 m und der Dicke von 40 mm als Deckenelement verwendet.
Die nach außen weisende Oberfläche des Glassubstrates
ist im Abstand von jeweils 50 cm zum Glasrand mittig mit einem Segment
von 1 m × 3 m mit einer diffus reflektierenden Kunststoffschicht 3 der
Dicke von 500 Mikrometern versehen, während die zum Treppenhaus
zeigende Glasoberfläche in ihren beiden Randbereichen ebenfalls
mit diffus reflektierenden Segmenten 2 versehen ist. Zur Realisierung
eines ausreichenden Wärme- und Schallschutzes sind die
nach außen und innen gerichteten diffus reflektierenden
Beschichtungen mit bekannten Wärme- und/oder Schallschutzmaterialien 6 der
Dicke von z. B. 10 cm bedeckt, so dass es keinen direkten Durchgang
von Wärme, Schall und Kälte durch das Deckenelement
geben kann. Das segmentartig beschichtete Glassubstrat kann auch
in eine Betonkon struktion mit Öffnungen integriert werden
(siehe 2). Als diffus reflektierende Beschichtungen für
das Glassubstrat verwendet man Bariumsulfat- und Titandioxid-Streupartikel
in einer Acrylatmatrix mit einem Volumenanteil von mindestens 50% und
einem Zusatz von 5 Gew.-% (bezogen auf die Masse des Matrixmaterials),
Phosphoren auf Basis von Europium-dotierten Silikaten vom Typ S440
und FA 593 der Fa. Litec LLL GmbH, die das UV-Licht der Solarstrahlung
wirksam in sichtbares Licht wandeln und gleichzeitig lichtstreuende
Eigenschaften aufweisen. Die zusätzliche Beleuchtung durch
das Deckenelement erfolgt, indem Sonnenlicht zunächst auf
die nicht beschichteten Oberflächen des Glassubstrates auftritt,
es durchdringt und an seiner Rückseite an den Beschichtungen 2 diffus
reflektiert wird und durch Totalreflexion zu der diffus reflektierenden
Beschichtung 3 gelangt, um von dort in das Treppenhaus
reflektiert zu werden. Die realisierte zusätzliche Beleuchtung
durch das erfindungsgemäße Deckenelement spart
Strom ein, bietet Schallschutz und schützt das Gebäude
vor Kälte und Wärme. Das beim optischen Bauelement
verwendete ebene Glassubstrat kann auch als Kuppel oder zylinderförmig gestaltet
sein.
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Ausführungsbeispiel 2
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In
der 4 ist der Querschnitt einer quadratischen Sicherheitsbox
(100 × 100 mm) dargestellt, die es gestattet, Licht in
einen gesicherten Raum 12 zu transportieren, dort zu detektieren
und die entsprechenden Signale zu verarbeiten und zu speichern.
Zu diesem Zweck wird in dem gesicherten Raum 12 eine entsprechende
Detektor- und Elektronikeinheit installiert. Die Sicherheitsbox
besteht aus einer festen Wandung 11, z. B. aus Stahl und
Keramik gefertigt, die die installierte Gerätetechnik vor äußeren
Einwirkun gen, wie z. B. hohem Druck und/oder hoher Temperatur oder
auch elektromagnetischen Feldern schützt. Falls Blei in
die Wandung integriert wird, ist auch ein radioaktiver Schutz möglich.
Im Außenraum entstehende und nachzuweisende Lichterscheinungen
(z. B. Blitze, Flammen, Licht aus elektrischen Entladungen und aus
chemischen Reaktionen) werden als Strahlung 7 über
das flächenhafte optische Substrat 1 in den gesicherten
Raum 12 eingekoppelt. Als Substrat 1 wird dabei
ein thermisch und mechanisch stark beanspruchbares anorganisches
Glas verwendet, das zur Lichteinkopplung mit den diffus reflektierenden
Beschichtungen 2 und 3 versehen ist. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung hat den Vorteil, dass auf einer beliebig großen
als Antenne wirkenden Fläche Lichtstrahlung aufgenommen und
in den geschützten Raum transportiert werden kann. Umgekehrt
ist es auch möglich, in der Sicherheitsbox entstehende
Strahlung gesichert in den Außenraum zu leiten. Zu diesem
Zweck wird in der Sicherheitsbox als Gerätetechnik z. B.
ein chemischer Reaktor statt Elektronik installiert. Die während
einer chemischen Reaktion in der Sicherheitsbox entstehende Strahlung
trifft innerhalb der Box auf das optische Substrat 1 und
wird durch das Substrat über die Beschichtungen 2 und 3 in
den Außenraum geleitet.
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Die
in 4 dargestellte Sicherheitsbox ist auch geeignet,
Laserimpulse hoher Leistung (oberhalb Giga-Watt-Bereich) sicher
nachzuweisen. Der Laserimpuls trifft auf die unbeschichtete Oberfläche des
Substrates 1 der Sicherheitsbox, durchdringt das Substrat,
wird durch die Beschichtung 2 gestreut und gelangt durch
Lichttransport zur Beschichtung 3, von der das gestreute
Laserlicht gedämpft und stark aufgefächert auf
die Nachweiselektronik im Innenraum 12 gelangt. Der Vorteil
der erfindungsgemäßen Nachweisvorrichtung besteht
darin, dass durch die Stahlumhüllung 11 die Nachweiselektronik
vor starken elektrischen Feldern, wie sie bei Laserimpulsen sehr
hoher Leistung auftreten, geschützt ist und die Laserimpulse
durch die Wahl der Abmessungen der Lichteintritts- und -austrittsflächen
stark aufgefächert werden kann. Auf diese Weise können
extrem starke Laserimpulse einer Messung leicht zugänglich
gemacht werden mit relativ geringen Kosten hinsichtlich der verwendeten
Apparatur und Messtechnologie.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10339442 [0002]
- - EP 0810409 B1 [0003]
- - EP 0875724 A2 [0004]
- - US 6969186 B2 [0005]
- - US 4696547 [0006]
- - EP 1426802 A2 [0006]
- - US 5146620 [0007]
- - EP 1236892 A1 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - D. Christoffers,
P. Kneser, U. Schramm, „Saisonale Abschattung von transparent
gedämmten Wänden mit Prismenschichten”,
Forschungsverbund Sonnenenergie „Themen 97/98”,
S. 63 [0002]
- - A. Georg, Hell oder dunkel? Schaltbare Verglasung, Glas und
Rahmen (2005), Juni, 22 [0002]
- - A. Rosemann, Beleuchtungskonzepte mit Hohllichtleitern, Licht
7/8 (2000) Pflaum Verlag, S. 690 [0003]