DE2114658A1 - Lichtventil - Google Patents

Description

Anmelderin; · Stuttgart, den 24. März 1971 Research Frontiers '_p Incorporated ^r

31 Cain Drive
Plainview, N.T., V.St.Ao

Lichtventil

Die Erfindung bezieht sich auf ein Lichtventil mit einer eine Suspension kleinster Teilchen in einer Flüssigkeit enthaltenden Zelle , die Vorder- und Rückwandabschnitte aufweist, deren Abstand im Verhältnis zu den Dimensionen dieser Wandabschnitte in der jeweiligen Wandebene klein ist, und mit Einrichtungen zum Erzeugen eines magnetischen oder elektrischen Feldes in der sich zwischen den Wandabschnitten befindenden Suspension, deren Teilchen·eine von der Stärke des elektrischen oder magnetischen Feldes abhängige, den Transmissionsgrad der Zelle bestimmende Orientierung haben.

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Lichtventile dieser Art sind seit vielen Jahren bekannt. Gewöhnlich werden für solche Lichtventile Suspensionen von Herapathit in einer geeigneten Flüssigkeit bevorzugt, obwohl auch Suspensionen anderer Stoffe Verwendung finden· Allgemein sollen die Teilchen eine solche Form haben, daß sie in einer Ausrichtung einen größeren Anteil des Lichtes auffangen als in einer anderen» Demnach sind nadeiförmige, stabförmige, bandförmige oder flockenförmige Teilchen brauchbar· Die Teilchen können in verschiedenster Weise lichtabsorbierend oder lichtreflektierend, polarisierend, doppeltbrechend, metallisch oder nichtmetallisch usw. sein· Außer Herapathit können noch viele andere Stoffe verwendet werden, wie beispielsweise Graphit, Glimmer, Granatrot, Aluminium, Per^odide schwefelsaurer Alkaloidsalze usw. Vorzugsweise werden dichroitische, doppeltbrechende oder polarisierende Kristalle verwendet·

Die Stoffe werden in feinster Verteilung, also mit kleinsten Teilchen verwendet und in einer Flüssigkeit dispergiert, in der die Teilchen nicht löslich sind und die eine geeignete Viskosität aufweist. Um die Stabilität der Suspension zu unterstützen, kann vorteilhaft ein Schutzkolloid verwendet werden, um eine Agglomeratbildung oder ein Absetzen der Teilchen zu verhindern·

Eine Suspension, die mit Erfolg verwendet worden ist, macht von nadeiförmigen Herapathit-Teilchen, Isopentylacetat als flüssiges Suspensionsmittel und Nitrocellulose als Schutzkolloid Gebrauch· Weichmacher wie Dibutylphthalat wurden ebenfalls in der Suspension verwendet, um deren Viskosität zu erhöhen·

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Zum Ausrichten der Teilchen können sowohl elektrische als auch magnetische Felder benutzt werden, obwohl die Anwendung elektrischer Felder häufiger ist. Zur Erzeugung eines elektrischen Feldes werden Flächenelektroden auf einem Paar einander gegenüberliegender Wände der Zelle angeordnet und es wird an sie ein elektrisches < Potential angelegt. Die Elektroden können von dünnen, durchsichtigen, leitenden Beschichtungen auf den Innenseiten der Vorder- und Rückwand der Zelle gebildet werden, wodurch eine ohmsehe Zelle gebildet wird, in der die Elektroden mit der Suspension in Kontakt stehen. Es ist auch bekannt, die Elektroden mit einer dünnen Schicht eines durchsichtigen Materials wie Glas zu überdecken, um die Elektroden zu schützen. Solche dünnen Glasschichten bilden dielektrische Schichten zwischen Elektroden und der Suspension und es können diese Zellen als kapazitive Zellen bezeichnet werden. Um die Seilchen in der Suspension auszurichten, wurden den Elektroden Gleichspannungen, Wechselspannungen oder gepulste Spannungen zugeführt. Wenn die Spannung abgetrennt wird, nehmen die Teilchen' wegen der Brownschen Bewegung eine willkürliche, ungerichtete Lage ein·

Gewöhnlich sind die Vorder- und Rückwände der Zelle durchsichtig und bestehen beispielsweise aus Glas- oder Kunststoff scheiben. Ohne angelegtes Feld hat die Zelle wegen der willkürlichen Orientierung der Teilchen einen geringen Transmissionsgrad für Licht und befindet sich demnach im geschlossenen Zustand· Wenn ein Feld angelegt wird, werden die Teilchen ausgerichtet und es befindet sich die Zelle im offenen oder lichtdurchlässigen Zustand. Anstatt

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lichtdurchlässig kann die Rückwand der Zelle auch reflektierend sein. In solchem Fall wird das Licht absorbiert, wenn an der Zelle kein Feld anliegt, die Zelle also ausgeschaltet ist, und es wird reflektiert, wenn die Zelle mit einem Feld beaufschlagt, also eingeschaltet ist. Diese grundsätzliche Wirkungsweise kann abgewandelt werden, indem lichtreflektierende anstatt lichtabsorbierende Teilchen verwendet werden·

In solchen Zellen besteht ein erhebliches Problem in der Agglomeration der Teilchen, Wenn Schutzkolloide auch dazu geeignet sind, die Agglomeration der Teilchen im Ruhezustand der Zelle zu reduzieren oder zu vermeiden, so nimmt doch die Tendenz zur Agglomeration beim Gebrauch der Zelle erheblich zu. Je nach der Art der verwendeten Suspension sowie der angewendeten Spannung und Frequenz kann sich eine Agglomeration nach Sekunden, Minuten oder Stunden des Betriebs der Zelle bemerkbar machen. Sobald eine Agglomeration eingetreten ist, hat sie die Tendenz, mehr oder weniger vollständig fortzubestehen, auch wenn die Anregungsspannung abgeschaltet worden ist.

Eine solche Agglomeration beeinträchtigt in erheblichem Maße die Nützlichkeit solcher Lichtventile, denn sie bildet Inhomogenitäten in der Suspension und führt demgemäß zu einer von Stelle zu Stelle unterschiedlichen Licht-Transmission. Außerdem vermindert eine solche Agglomeration das Verhältnis der optischen Dichte im geschlossenen Zustand zur optischen Dichte im offenen Zustand. Weiterhin kann die Dichte im geschlossenen Zustand abnehmen·

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Die Möglichkeit, daß sich die Teilchen in der Suspensionsflüssigkeit absetzen, wurde bereits vorstehend erwähnt^ In dieser Hinsicht wurde bereits versucht, der Suspension ständig neue Teilchen zuzuführen oder die abgesetzten Teilchen aufzurühren und in der Suspension neu zu verteilen. Weitere Versuche gingen dahin, einen leichten Strom oder Fluß von Teilchen innerhalb des Behälters zu erzeugen, um eine gleichbleibende Suspension zu gewährleisten· Wenn solche Maßnahmen auch dazu beitragen mögen, ein Absetzen der Teilchen zu verhindern, kann Jedoch trotzdem während des Gebrauches der Zelle eine Agglomeration stattfinden«, Weiterhin kann die mit solchen Maßnahmen verbundene Turbulenz die Eigenschaften der Zelle erheblich beeinträchtigen·

Endlich ist vorgeschlagen worden, zur Vermeidung der Agglomeration von Teilchen der Suspension höhere Frequenzen zu verwenden, als bisher Anwendung gefunden haben. Obwohl die Verwendung hoher Frequenzen zur Vermeidung der Agglomeration wirksam ist, ist sie mit einem erheblichen Leistungsverbraüch in der Hochfrequenz-Lei stungs quelle verbunden und es kann die Leistungsquelle sehr kostspielig werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Agglomeration zu vermeiden und gleichzeitig die Verwendung eines großen Frequenzbereiches zu ermöglichen, einschließlich der Netzfrequenz, so daß der Bedarf für kostspielige Leistungsquellen vermieden ist·

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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Zelle mit einer Einrichtung zum Umwälzen der Suspension und Erzeugen einer im wesentlichen laminaren, stetigen Strömung der Suspension zwischen den Wandabschnitten versehen ist_e

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Zelle zu diesem Zweck mit Einlassen und Auslässen versehen und es ist an diese Ein- und Auslässe eine Pumpe angeschlossen, so daß Leitungen gebildet sind, die an voneinander entfernten Stellen an die Zelle angeschlossen sind und ein Umwälzen der Suspension durch die Leitungen und die Zelle ermöglichen·

Innerhalb der Zelle sind Vorkehrungen getroffen, die gewährleisten, daß die Suspension durch den aktiven Bereich der Zelle in einer stationären, turbulenzfreien, im wesentlichen laminaren Weise hindurchströmt. Jegliche Turbulenz oder ein deutlich ungleichförmiger Fluß hat nachteilige Wirkungen, die im einzelnen noch erläutert werden. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, den angestrebten gleichförmigen Fluß der Suspension zu gewährleisten·

Vorteilhaft wird die Strömungsgeschwindigkeit so gewählt, daß bei der speziellen Suspension und unter den verwendeten Arbeitsbedingungen die Suspension die Zelle durchläuft, bevor eine merkliche Agglomeration stattfindet. Um jedoch eine Zunahme der Größe von Agglomeraten infolge des wiederholten Durchlaufs durch die Zelle zu

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vermeiden, kann die Suspension dispergierenden Kräften ausgesetzt sein, während sie durch das System umgewälzt wird, um alle Agglomerate zu zerstören, die sich gebildet haben könnten·

Es hat sich außerdem herausgestellt, daß das Umwälzen der. Suspension nicht nur eine Agglomeration verhindert, sondern auch die Zeit reduziert, welche die Zelle "benötigt, um ihren Transmissions zustand nach Aufheben des angelegten Feldes zu ändern· Gewöhnlich nimmt die Durchsichtigkeit der Zelle beim Aufheben des angelegten Feldes ab, so daß das Umwälzen der Suspeneion die Schließzeit der Zelle reduziert·

Es wurde ferner festgestellt, daß die Suspension das die Zelle durchdringende Licht partiell polarisiert, wenn das Anregungsfeld aufgehoben wird. Daher wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Zelle mit einer im wesentlichen senkrecht zum Weg des die Zelle durchdringenden Lichtes angeordneten Polarisationsfolie versehen, deren Polarisationsrichtung im wesentlichen senkrecht zu der Strömungsrichtung der Suspension in der Zelle steht. Auf diese Weise kann eine deutliche Erhöhung der Schließgeschwindigkeit der Zelle beim Aufheben des angelegten Feldes erzielt werden.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind zwei Zellen in Richtung des die Zellen durchdringenden Lichtes derart hintereinander angeordnet, daß die Strömungs· richtungen der Suspensionen in den beiden Zellen wenigstens annähernd senkrecht aufeinanderstellen. Auch durch eine solche Anordnung wird die Schließgeschwindigkeit

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erhöht und es kann ein größeres Verhältnis der Dichten bei geschlossenem und bei offenem Zustand erzielt werden, als mit einer einzigen Zelle und einer Polarisationsfolie möglich ist.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert wird. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden« Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Lichtventiles bekannter Art, das nach der Erfindung ausgestaltet werden kann,

Figo 2 und 5 Querschnitte durch eine ohmsche und eine kapazitive Zelle bekannter Art,

Figo 4 Einzelheiten zur Veranschaulichung des geschlossenen und des offenen Zustandes der Zellensuspension,

Fig. 5 äie Ansicht eines Lichtventiles mit einer Umwälzeinrichtung nach der Erfindung,

Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie 6-6 durch das Licht ventil nach Fig. 5,

Fig. 7 einen Schnitt ähnlich Fig. 6 durch eine Zelle anderen Aufbaues,

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Fig· 8 eine Ansicht der Zelle eines weiteren Lichtventils nach der Erfindung,

Fig. 9 einen Schnitt längs der Linie 9-9 durch die Zelle nach Fig. 8,

Fig. 10 die schematische Darstellung eines eine Zelle und eine Polarisationsfolie umfassenden Lichtventile s nach der Erfindung,

Fig. 11 die schematische Darstellung eines zwei Zellen umfassenden Lichtventiles nach der Erfindung,

Fig. 12 einen Schnitt längs der Linie 12-12 in Fig. durch eine weitere Ausführungsform der Zelle eines Lichtventiles nach der Erfindung und

Fig. 13 einen Schnitt längs 'der Linie 13-13 durch die Zelle nach Fig. 12.

Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich, weist ein Lichtventil 10 zwei Glasscheiben 11 und 12 auf, die auf ihren Innenseiten mit durchsichtigen, leitenden Belägen 13 und versehen sind· Die leitenden Beläge "bilden Flächenelektroden zum Anlegen einer Anregungsspannung an die ZeIIe₀ Die Glasscheiben sind durch eine Leiste 15 getrennt, die an den Rändern der Glasscheiben angeordnet und mit den Glasscheiben fest verbunden ist, um eine Kammer oder Zelle zu bilden, in der sich eine Suspension feinster Teilchen in Flüssigkeit befindete Nachdem die Suspension eingebracht worden ist, wird die Zelle dicht verschlossen. Die leitenden

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Beläge 13 und 14 sind mit einer geeigneten Leistungsquelle 17 verbünden· Daß die Suspension in der Zelle 16 mit den leitenden Belägen 13 und 14 in Berührung steht, kann diese Zelle als ohmsche Zelle bezeichnet werden.

Die Zelle nach Fig. 3 ist der Zelle nach Fig. 2 ähnlich und es sind einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der Zelle nach Fig. 3 sind jedoch dünne, durchsichtige Schichten 18 und 19, beispielsweise aus Glas, über die Flächenelektroden 13 und 14 gelegt, so daß die leitenden Beläge vor der Suspension geschützt sind. Sa die Schichten 18 und 19 aus einem dielektrischen Material bestehen, sind die Elektroden effektiv mit der Suspension in der Kammer 16 kapazitiv gekoppelt.

Fig. 4a veranschaulicht den geschlossenen oder undurchsichtigen Zustand des Lishtventiles 10. Hier sind winzige nadeiförmige Teilchen 21 in willkürlicher Orientierung dargestellt. Ein auf das Lichtventil 10 einfallender, durch Pfeile 22 angedeuteter Lichtstrahl wird im wesentlichen unterdrückt.

Fig. 4b zeigt den offenen oder lichtdurchlässigen Zustand des Ventiles 10. Hier sind infolge des Anliegens eines elektrischen Feldes die Teilchen 21 so ausgerichtet, daß ihre Hauptachsen auf den Wandflächen senkrecht stehen. In diesem Zustand unterbrechen die Teilchen sehr viel weniger Licht als in dem willkürlichen Zustand, der in Fig« 4a dargestellt ist. Infolgedessen passiert ein beträchtlicher Anteil des Lichtstrahles 22 die Zelle, wie es durch die Pfeile 23 angedeutet ist·

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Ein Lichtventil, dessen Zelle nach der Erfindung mit einer Einrichtung zum Umwälzen der Suspension versehen ist, ist in den Fig. 5 und 6 dargestellt« Die Zelle 31 ist in drei Abschnitte unterteilt, nämlich einen aktiven Abschnitt A sowie Einlaß- und Auslaß-Abschnitte B und C₀ Die Vorderwand 32 und die Rückwand 33 der Zelle 31 Gestehen aus Glas und sind in dem aktiven Bereich A an · ihren Innenseiten mit leitenden Belägen 34· bzw. 35 versehen, die Flächenelektroden bilden. Nach Wunsch können die Flächenelektroden durch dünne Glasschichten geschützt sein, wie es anhand Fig. 3 erläutert worden ist. In dem aktiven Bereich haben die mit den Elektroden 34· und 35 versehenen parallelen Wandabschnitte einen Abstand, der im Vergleich zu den Dimensionen dieser Wandabschnitte in der jeweiligen Wandebene klein ist. Auf diese Weise wird die Suspension im Bereich zwischen diesen Wandabschnitten auf eine dünne Schicht 36 begrenzt. Vorzugsweise wird die oben behandelte Herapathit-Suspension verwendet. In den Fig, 5 und 6 sowie auch in den folgenden Figuren wurde auf die Darstellung der Suspension durch eine Punktierung verzichtet, um Verwirrungen zu vermeiden. Die parallelen Flächenelektroden 34· und 35 sind mit einer Leis.tungs quelle 37 verbunden·

Anstatt die Suspension innerhalb der Zelle einzuschließen, sind gemäß der Erfindung an die Endabschnitte 41 und 4-2 der Zelle Einlaß- und Auslaßrohre 38 und 39 angeschlossen. Eine Pumpe 4-3 wälzt die Suspension während des Betriebes durch die Zelle ständig um. Es wurde mit Erfolg eine Rotationspumpe verwendet, jedoch können bei Bedarf auch Pumpen anderer Art verwendet werden. Vorzugsweise wird

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in dem Umwälzsystem ein Reservoir 44 vorgesehen. Das Reservoir bildet zugleich einen Wärmeaustauscher zum Abkühlen der Suspension in Anwendungen, bei denen Lichtstrahlen hoher Intensität benutzt werden, ermöglicht das Entweichen von Luft- oder Gasblasen, gleicht unterschiedliche Wärmeausdehnungen in verschiedenen Teilen des Systems aus und ermöglicht die Verwendung eines großen Volumens der Suspension, so daß ein Betrieb über lange Zeiten hinweg ohne wesentliche Beeinträchtigung ermöglicht wird«,

Es hat sich als wichtig erwiesen, in dem aktiven Bereich der Zelle, d.h. im Bereich der dünnen Schicht 36 zwischen den Elektroden 34 und 35 einen stetigen und im wesentlichen laminaren Fluß der Suspension herzustellen« Wenn in diesem Bereich eine turbulente Strömung existiert, unterliegt die Lichtdurchlässigkeit der angeregten Zelle Schwankungen. Daher ist, wie in !ige 6 dargestellt, der Abstand zwischen den Vorder- und Rückwänden der Zelle in den Einlaß- und Auslaßbereichen 41 und 42 wesentlich größer als der Abstand zwischen den Wandabschnitten im aktiven Bereich 36. Daher klingen bei geeigneter Durchflußgeschwindigkeit Turbulenzen im Bereich der Mündung des Rohres 38 in die Kammer 41 ab, "bevor die Suspension den benachbarten Rand des aktiven Bereiches der Zelle erreichte Der Abstand zwischen den Vorder- und Rückwänden im Auslaßbereich 42 ist ebenfalls wesentlich erhöht® Gewisse Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeit im aktiven Bereich 36 können in der Praxis toleriert werden, solange die Strömung noch ausreichend glatt ist<

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Es versteht sich, daß der Abstand der Wandabschnitte in dem aktiven Bereich 36 sehr klein sein kann, beispielsweise in der Größenordnung von 0,5 bis 0,8 mm, und daß der Abstand der Wände im Bereich der Abschnitte 41 und 42 ein Vielfaches dieses Abstandes betragen kann, um den gewünschten glatten Fluß der Suspension im aktiven Bereich 36 zu erzielen. Es wäre unpraktisch, diese Relationen in der Zeichnung richtig darzustellen·

Fig. 7 veranschaulicht einen anderen Weg zur Erzeugung einer glatten, im wesentlichen laminaren Strömung im aktiven Bereich 36 der Zelle, Auch hier ist der Abstand der leitenden Beläge 34 und 35 im Vergleich zu den seitlichen Dimensionen stark übertrieben· Die Einlaß- und Auslaßrohr 38 und 39 haben einen erheblichen Abstand von dem aktiven Bereich 36, so daß auch hier die ursprüngliche Turbulenz auf annehmbare Werte abklingen kann, bevor die Suspension den aktiven Bereich 36 erreicht, so daß die Strömung im aktiven Bereich 36 glatt und im wesentlichen laminar ist. Der Abstand der Rohre 38 und 39 zu den Einlaß- und Auslaßrändern 44 und 45 des aktiven Bereiches kann sehr viel größer sein als dargestellt, um die gewünschte glatte Strömung zu erzielen. Auch können die Rohre 38 und 39 bei Bedarf in die einander gegenüberliegenden Wände 32 und 33 der Zelle eingesetzt sein.

Die Fig. 8 und 9 veranschaulichen eine andere Konstruktion zur Erzeugung einer glatten, im wesentlichen laminaren Strömung in dem aktiven Bereich 36. Hier sind Leitstege und 52 zwischen den Einlaß- und Auslaßrohren 38 bzw. 39 und den entsprechenden Rändern 44 bzw. 45 des aktiven

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Bereiches 36 angeordnet. Die Leitstege erstrecken sich "bis zu den Leisten 53 an den einander gegenüberliegenden Rändern der Zelle. Die Höhe der Leitstege ist etwas geringer als der Abstand der Zellenwände, so daß schmale Durchlässe 5^· und 55 entstehen, durch die die Suspension hindurchfließen kann. Wenn im Einlaßbereich die Suspension durch das Einlaßrohr 38 in die Zelle gelangt, muß sie über den Leitsteg 51 hinweg durch den schmalen Durchgang 54- hindurchfließen, bevor sie den aktiven Bereich 36 " erreicht. Infolgedessen wird Jede Turbulenz unterdrückt. Im Auslaßbereich muß die Suspension über den Leitsteg 52 hinweg den schmalen Durchgang 55 passieren, bevor sie das Auslaßrohr 39 er^sicht, so daß die im wesentlichen laminare Strömung im oberen Abschnitt des aktiven Bereiches 36 nicht wesentlich beeinträchtigt wird. Bei Bedarf kann die Zelle unterhalb und oberhalb der Leitstege 51 und 52 ausgedehnt werden, so daß die Räume 56 und 57 zur Eliminierung von Turbulenzen und Förderung eines glatten Flusses im aktiven Bereich 36 ein größeres Volumen erhalten·

Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 5 bis 9 sind die Einlaß- und Auslaß-Abschnitte gleich ausgebildet, weil angenommen wird, daß hierdurch die glatte, im wesentlichen laminare Strömung, wie sie für den aktiven Bereich 36 gewünscht wird, gefordert wird. Es versteht sich jedoch, daß diese beiden Abschnitte bei Bedarf auch ungleich ausgebildet werden können und verschiedene Kombinationen von Einlaß- und Auslaßkonstruktionen Anwendung finden können·

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Beim Betrieb geschlossener Zellen, wie sie in den Fig. 1 bis 3 dargestellt sind, ist die Öffnungszeit der Zellen sehr kurz, da die Teilchen beim Anlegen eines elektrischen Feldes sehr schnell ausgerichtet werden· Die Schließzeit ist dagegen sehr viel größer· Es hat sich gezeigt, daß bei der Verwendung einer fließenden Suspension eine verkürzte Schließzeit erzielt wird· Es wird angenommen, daß das Verkürzen der Schließzeit auf eine Beschleunigung der Desorientierung der Teilchen aus ihrem ausgerichteten Zustand zurückzuführen ist, die beim Aufheben der angelegten Spannung durch das Fließen der Suspension bedingt ist· Auch wird das Streuen von Licht an der Zelle durch das Fließen reduziert.

Es hat sich weiterhin als möglich herausgestellt, die Schließgeschwindigkeit bedeutend zu erhöhen, indem eine Folie aus polarisierendem Material in den Weg des die Zelle durchdringenden Lichtes gebracht wird. Das polarisierende Material kann sich entweder vor oder hinter der Zelle befinden. Die Polarisationsrichtung soll senkrecht zu der Strömungsrichtung der Suspension gerichtet sein· Eine entsprechende Anordnung ist in Fig. 10 dargestellt, in der die Richtung der Flüssigkeitsstromes durch einen Pfeil 61 und die Polarisationsrichtung der Polarisationsfolie 62 durch einen Doppelpfeil 63 angedeutet ist. Als Polarisationsrichtung soll hier die Richtung des magnetischen Vektors der Lichtstrahlung verstanden werden, so daß die Polarisationsfolie 62 derart orientiert ist, daß sie den polarisierten Anteil des die Zelle 31 passierenden Lichtes unterdrückt.

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Es wird angenommen, daß beim Aufheben der Anregungsspannung die laminare Strömung der Suspension die Tendenz hat, die asymmetrischen Teilchen mehr oder weniger in der Strömungsrichtung auszurichten, so daß das Licht, das die Zelle während des Schließvorganges durchdringt, partiell polarisiert wird« Wie dem auch sei, es wurde festgestellt, daß durch Einbringen einer polarisierenden Folie mit richtiger Orientierung in den Weg des die Zelle durchdringenden Lichtes Schließgeschwindigkeiten erzielt werden können, die um ein Mehrfaches größer sind als die Schließgeschwindigkeiten, die ohne die Verwendung einer polarisierenden Folie beobachtet werden konnten_e

Die Verwendung einer Folie aus polarisierendem Material vermindert die Lichtmenge, welche die polarisierende Folie durchdringt, wenn die Zelle im offenen Zustand ist. Infolgedessen kann das Verhältnis der Lichtdurchlässigkeit bei offenem Zustand zur Lichtdurchlässigkeit bei geschlossenem Zustand vermindert werden. Diese Tatsache braucht jedoch bei manchen Anwendungen nicht nachteilig zu sein und kann durch das schnellere Schließen mehr als aufgehoben werden.

Fig. 11 zeigt eine Anordnung, mit der ein schnelles Schließen ohne bedeutende Verminderung des Durchlässigkeitsverhältnisses möglich ist· Bei der Anordnung nach Fig. 11 sind zwei von der Suspension durchflossene Zellen 31 und 31' derart hintereinander angeordnet, daß die Strömungsrichtungen in den Zellen miteinander einen rechten Winkel bilden· Demnach tritt die Suspension

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in die Zelle 31 durch, das Einlaßrohr 38 ein und durchfließt diese Zelle in senkrechter Richtung zum Auslaßrohr 39· Das Auslaßrohr 39 ist über eine Leitung 65 mit dem Einlaßrohr 38' der Zelle 31* verbunden, so daß die Suspension die Zelle 31' in horizontaler Richtung zum Auslaßrohr 39* durchfließt· Die beiden Zellen sind an eine gemeinsame Leistungsquelle 37 angeschlossen· Im offenen Zustand der Zelle ist der Transmissionsgrad durch die Anordnung geringer als für eine einzige Zelle, weil das Licht nacheinander zwei Zellen durchlaufen muß· Das gleiche gilt jedoch auch dann, wenn die Zellen geschlossen sind· Infolgedessen bleibt das Verhältnis der Transmissionsgrade bei offener und geschlossener Anordnung im wesentlichen die gleiche wie für eine einzelne Zelle. Beim Schließen der Zellen ist jedoch nach dem Aufheben der Anregungsspannung die polarisierende Wirkung der einen Zelle senkrecht zu der polarisierenden Wirkung der anderen Zelle gerichtet, wodurch die Schließgeschwindigkeit erhöht wird·

Bei den Anordnungen nach den Fig. 10 und 11 stehen die Polarisationsrichtungen senkrecht aufeinander, um den maximalen Effekt zu erzielen« Bei Bedarf können von 90° abweichende Winkel verwendet werden. Es versteht sich außerdem, daß die Richtung des Lichtes zwischen der Zelle und der Polarisationsfolie in Fig· 10 oder zwischen den Zellen in Fig. 11 durch Spiegel, Prismen usw. und auch die Orientierung der Komponenten in geeigneter Weise geändert werden kann, so daß die effektiven Winkel die hier beschriebenen sind.

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Die Fig. 12 und 13 zeigen eine weitere Ausführungsform einer durchströmten Zelle, die wie die Zelle nach den Fig. 8 und 9 von Leitstegen Gebrauch macht, jedoch einen kompakteren Aufbau aufweist. Hier finden Leitstege 71 und 72 Verwendung, die sich von oben nach unten verjüngen· Wie dargestellt, ist der Abstand der Oberseite jedes Leitsteges von der Vorderwand 32 gleichförmig, obwohl auch dieser Abstand längs des Steges eine Änderung erfahren könnte. Wenn berücksichtigt wird, daß die Oberseiten der Leitstege der Vorderwand 32 sehr dicht gegenüberstehen und der Abstand nur einige hundertste! Millimeter beträgt, verursacht die größere Breite der Leitstege an dem in F.;.-. 12 oberen Rand der Zelle einen größeren Strömungswiderstand als am unteren Hand der Zelle· Demgemäß fließt die Suspension, die am Einlaß in die Zelle gelangt, nach unten und auch seitlich über den Leitsteg 71 hinweg. Di© Änderung des Strömungswiderstandes längs des keilförmigen Leitsteges hat eine vergleichmäßigende Wirkung auf den Fluß in Horizontalrichtung in dem Bereich 36 zwischen den Elektroden 34· und 35· Die keilförmigen Stege 71 und 72 können kurz vor dem unteren Hand der Zelle enden, so daß in den Bereichen 73 offene Kanäle in der vollen Dicke der Zelle bleiben, die das Herausfließen der Suspension aus den unteren Ecken fördern·

In Fig. 12 bezeichnet der¹gepunktete Bereich 35 die untere Flächenelektrode. Wie ersichtlich, erstreckt sich die Elektrode nicht vollständig bis zum oberen und zum unteren Hand der Zelle. Die Strömungsgeschwindigkeit längs des oberen und des unteren Bandes der

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Zelle kann etwas geringer sein als in den anderen Bereichen, weshalb diese Bereiche der Zelle aus dem aktiven Bereich ausgeschlossen werden· Bei Bedarf können die Ecken der Zelle abgerundet werden, um den Fluß zu begünstigen·

Wie aus den Pig· 5 fcis 9». 12 und 13 deutlich wird, umfassen die speziellen Umwälzeinrichtungen Leitungen, die an die entsprechenden Zellen an voneinander entfernten Stellen angeschlossen sind, und Mittel zur Erzeugung eines Umlaufes der Flüssigkeit durch die Zelle und die Leitungen·

Wie oben angegeben, hängt die Zeit, die für eine merkliche Agglomeration benötigt wird, von der speziellen verwendeten Suspension sowie der Spannung und Frequenz der Leistungsquelle ab· Während in manchen Fällen eine Agglomeration in Sekunden oder Minuten bemerkbar wird, können in anderen Fällen Stunden vergehen, bevor eine Agglomeration störend wird. Eine solche Agglomeration führt zu Inhomogenitäten in der Suspension, die die Brauchbarkeit des Lichtventiles ernsthaft beeinträchtigen können. Auch kann das dichte Verhältnis zwischen geschlossenem und offenem Zustand bedeutend reduziert werden und es kann insbesondere das Ventil im geschlossenen Zustand weniger lichtundurchlässig sein·

Es ist zweckmäßig, eine solche Fließgeschwindigkeit zu wählen, daß ein gegebenes Volumen der Suspension die Zelle durchfließt, bevor eine Agglomeration sichtbar wird· Selbst dann kann noch eine gewisse Agglomeration

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eingeleitet werden, deren Ausmaß zunimmt, wenn der Betrieb der Zelle fortgesetzt wirde Demgemäß ist es wünschenswert, jegliche Agglomeration zu beseitigen, die innerhalb der Zelle stattgefunden hat, bevor der entsprechende Anteil der Suspension die Zelle erneut erreicht. Demgemäß ist anzustreben, die Suspension während des Umwälzens außerhalb der Zelle dispergierenden Kräften auszusetzen und dadurch jegliche existierenden Teilchengruppen aufzubrechen. Solche dispergierenden Kräfte können durch die Reibung zwischen den zusammengeballten Teilchen und den Wänden der Rohre oder Gefäße, durch die die Suspension fließt, erzeugt werden, indem enge Öffnungen oder Hindernisse verwendet werden oder die Suspension stark gerührt wird. Häufig kann die Flüssigkeitspumpe dazu benutzt werden, eine ausreichende Turbulenz und Scherkräfte zu erzeugen, welche die vorhandenen Agglomerate aufbrechen. Wenn erforderlich, können jedoch auch, wie oben behandelt, zusätzliche Maßnahmen getroffen werden· Es sei darauf hingewiesen, daß die Fließgeschwindigkeit durch die Zelle durch Anlegen des elektrischen Feldes etwas vermindert wird· Diese Tatsache sollte bei der Wahl der Gesamtfließgeschwindigkeit in Rechnung gestellt werden.

Obwohl Lichtventile der beschriebenen Art gewöhnlich für sichtbares Licht verwendet werden, kann es unter Verwendung geeigneter Suspensionen auch möglich sein, den Durchtritt gleichartiger elektromagnetischer Strahlungen, beispielsweise im Infrarot- und Ultraviolettbereich, zu steuern. Weiterhin ist es möglich, anstelle von gleichförmigen Flächenelektroden im aktiven Bereich

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der Zelle Elektroden zu verwenden, die Muster aufweisen, so daß sie eine gewünschte Darstellung liefern. Es ist auch nicht erforderlich, daß das Licht die Zelle von vorn nach hinten durchdringt, sondern es kann die hintere Wand reflektierend ausgebildet sein, um einen Spiegel mit veränderbarem Reflexionsvermögen zu schaffen. Es versteht sich, daß der Ausdruck "Lichtventil" alle diese verschiedenen Anwendungsarten umfaßt·

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Claims (1)

1. - 22 -

   Pat entansprüche

   Lichtventil mit einer eine Suspension kleinster Teilchen in einer Flüssigkeit enthaltenden Zelle, die Vorder- und Rückwandabschnitte aufweist, deren Abstand im Verhältnis zu den Dimensionen dieser Wandabschnitte in der jeweiligen Wandebene klein ist, und mit Einrichtungen zum Erzeugen eines magnetischen oder elektrischen Feldes in der sich zwischen den Wandabschnitten befindenden Suspension, deren Teilchen eine von der Stärke des elektrischen oder magnetischen Feldes abhängige, den Transmissionsgrad der Zelle bestimmende Orientierung haben, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle (51) niit einer Einrichtung (58, 591 4-3) zum Umwälzen der Suspension und Erzeugen einer im wesentlichen laminaren, stetigen Strömung der Suspension zwischen den Wandabschnitten (32, 33) versehen ist·

   2· Lichtventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Umwälzen der Suspension an die Zelle (31) angeschlossene Leitungen (58 und 39)» die die Suspension dem Bereich (36) zwischen den Wandabschnitten (32 und 53) an einem Rande (44) zuführen und von dem entgegengesetzten Rand (45) dieses Bereiches (56) wieder abziehen, und eine Pumpe (45) zum Erzeugen eines Stromes der Suspension in diesen Leitungen (58 und 59) umfaßt,

   5· Lichtventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (58, 59» 45) zum Umwälzen der Suspension Mittel zum Dispergieren von Agglomeraten der Teilchen der Suspension umfaßt.

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   4·. Lichtventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle (31) mit einer im wesentlichen senkrecht zum Weg des die Zelle durchdringenden Lichtes angeordneten Polarisationsfolie (62) versehen ist und die Polarisationsrichtung (63) der Folie (62) mit der Strömungsric.htung (61) der Suspension in der Zelle (31) einen Winkel "bildet.

   5· Lichtventil nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsrichtung (63) zu der Strömungsrichtung (61) der Suspension wenigstens annähernd senkrecht steht·

   6. Lichtventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Zellen (31 und 31') in Richtung des die Zellen durchdringenden Lichtes hintereinander angeordnet sind und die Strömungsrichtung der Suspension in der einen Zelle (31) niit der Strömungsrichtung der Suspension in der anderen Zelle (31¹) einen Winkel bildet.

   7. Lichtventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsrichtungen der Suspensionen in den "beiden Zellen (31 und 31') wenigstens annähernd senkrecht aufeinanderstellen.

   8. Lichtventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu beiden Seiten der von den Wandabschnitten (32 und 33) begrenzten strömenden Schicht der Emulsion Elektroden (34· und 35) zur Erzeugung eines elektrischen Feldes angeordnet sind und

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   von den' an den Rändern des von den Wandabschnitten "begrenzten Bereiches angeordneten Einlassen (38) und Auslassen (39) wenigstens einer im Abstand Von dem Bereich (36) zwischen den Elektroden (34- und 35) angeordnet ist, um die Ausbildung einer laminaren Strömung in diesem Bereich (36) zu unterstützen.

   9· Lichtventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Wandabschnitten (32 und 33) im Bereich (41 bzw. 42) der Einlasse (38) und/oder Auslässe (42) größer ist als im Bereich (36) zwischen den Elektroden (34 und 35).

   10. Lichtventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Zelle zwischen äejp. Einlaß (38) und/oder dem Auslaß (39) der Einrichtung zum Umwälzen der Suspension und dem vom Feld durchsetzten Bereich (36) je ein Leitsteg (51 bzw. 52) angeordnet ist, der sich wenigstens annähernd über die ganze Länge des dem Einlaß (38) bzw. Auslaß (39) benachbarten Rand (44 bzw. 45) des vom Feld durchsetzten Bereiches (36) erstreckt und dessen Höhe geringer ist als der Abstand zwischen den Wandabschnitten (32 und 33) an dieser Stelle.

   11. Lichtventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Einlaß (38) bzw. Auslaß (39) an einem Ende des entsprechenden Randes des vom Feld durchsetzten Bereiches (36) befindet und die Breite des zugeordneten Leitsteges (71 bzw. 72) von dem dem Einlaß (38) bzw. Auslaß (39) benachbarten Ende in Richtung auf das andere Ende hin abnimmt.

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