DE29601308U1

DE29601308U1 - Vorrichtung zum Versorgen eines Raumes mit blendfreiem, diffusem Sonnenlicht

Info

Publication number: DE29601308U1
Application number: DE29601308U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-01-26
Filing date: 1996-01-26
Publication date: 1996-04-11
Anticipated expiration: 2006-01-27
Also published as: DE59604835D1; JPH09218374A; EP0786623B1; ATE191269T1; EP0786623A1; US5802784A

Description

PATENTANWÄLTE

EUROPEAN PATENT ATTORNEYS ■

DIPL.-ING. BUSCHHOFF
DIPL.-ING. HENNICKE
DIPL.-ING. VOLLBACH

50672 KÖLN
KAISER-WILHELM-RING 24

AKTENZ.

REG.-NR. BITTE ANGEBEN

Fd 201

KÖLN, DEN

16.01.96he/si/

Anm. : Dr. Helmut Federmann, Holunderweg 17, D-51427 Bergisch Gladbach

Titel: Vorrichtung zum Versorgen eines Raumes mit blendfreiem, diffusem Sonnenlicht

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Versorgen eines Raumes mit blendfreiem, diffusem Sonnenlicht, mit mindestens einem in einer der Sonne zugekehrten Raum-Umgebungsfläche anzuordnenden Lichtlenkelement aus lichtdurchlässigem Material, das eine Einlaßfläche, eine Auslaßfläche und mindestens eine Leitgrenzfläche für Sonnenstrahlen aufweist und derart ausgebildet ist, daß es die auf die Einlaßfläche auftreffenden Sonnenstrahlen zerstreut und auf eine bestimmte Stelle des Raumes lenkt.

Arbeits- und Büroräume müssen möglichst gleichmäßig und so beleuchtet werden, daß die an ihrem Arbeitsplatz sitzenden oder stehenden Personen für ihre Arbeit genügend Licht zur Verfügung haben und nicht geblendet werden. Eine solche gleichmäßige und blendfreie Beleuchtung ist jedoch mit Sonnenlicht allein schwer zu erreichen, da die Sonne über den Lauf des Tages und in unterschiedlichen Jahreszeiten verschiedene Stellungen einnimmt und unter verschiedenen Höhenwinkeln und seitlichen Winkeln durch die Fenster in den zu beleuchtenden Raum einfällt.

Oftmals ist es auch erwünscht, nur bestimmte Stellen im Inneren eines Raumes, beispielsweise einen Maschinenplatz oder einen Arbeitstisch, den ganzen Tag lang gleichmäßig mit Sonnenlicht zu beleuchten, den übrigen Raum aber im Dämmerlicht zu lassen. Es ist dann notwendig, durch ein Dachfenster oder ein Oberlicht die über den Tag einfallenden Sonnenstrahlen auf die gewünschte Stelle zu lenken, jedoch gleichzeitig für eine gute Zerstreuung Und gleichmäßige Helligkeit über den Tag hinweg zu sorgen.

Um einen Raum gleichmäßig mit blendfreiem, diffusem Sonnenlicht zu versorgen, ist es bekannt, in einer der Sonne zugekehrten Raum-Umgebungsfläche als Fenster Glasblöcke vorzusehen, die horizontal angeordnete Prismen aufweisen, welche die in den Raum einfallenden Lichtstrahlen nach oben gegen die Decke lenken (DE-AS 1 084 212). Die hierdurch intensiv angestrahlte Raumdecke reflektiert dann diffus das empfangene Licht, die Helligkeitsverhältnisse im Raum werden aber hierdurch nicht gleichmäßiger. Außerdem wird die Helligkeit der Beleuchtung nicht gelenkt.

Um eine gleichmäßige, diffuse Beleuchtung zu erhalten, ist es aus der genannten Druckschrift auch schon bekannt, auf der Außenseite von mit waagerechten Prismen versehenen Hohlblöcken Vertikalrippen anzuordnen, welche die Lichtstrahlen in ihrer horizontalen Richtung ablenken und streuen, so daß die Lichtstrahlen nicht nur gegen die Decke gelenkt, sondern vorher auch teilweise in horizontaler Richtung umgelenkt werden, wodurch auch eine Streuung in horizontaler Richtung erfolgt.

Es ist auch bekannt, Oberlichter für Deckenbeleuchtung mit Sonnenlicht so auszubilden, daß die Lichtintensität bei sich ändernden Sonnenständen vergleichmäßigt wird (DE-AS 1 043 240) . Das Oberlicht oder Dachfenster besteht bei dieser bekannten Ausführung aus zwei im Abstand voneinander angeordneten Glasplatten, die auf ihren einander gegenüberliegenden Innenseiten parallele Prismen tragen. Die der Sonne zugekehrte Einleitplatte reflektiert unter steilem Winkel einfallende Sonnenstrahlen, während sie unter flachem Winkel einfallende Sonnenstrahlen durchläßt. Die dem Raum zugekehrte untere Ausleitplatte ist auf ihrer der Einleitplatte zugewandten Seite ebenfalls mit Prismen versehen, die die auftreffenden Sonnenstrahlen ablenken und hierdurch streuen.

Es sind auch Leuchtkörper mit prismatischer Lichtführung bekannt (DE-OS 34 30 191), bei dem Licht von einer zentralen Lichtquelle, beispielsweise von der Sonne, im Inneren eines langgestreckten Hohlkörpers geführt wird, dessen Umfangsflächen im wesentli-

O ·

• &phgr;··

chen in Oktatur liegen. Die Sonnenstrahlen werden im Inneren des hohlen Leuchtkörpers an dessen Innenwänden immer wieder total reflektiert und können an Stellen, wo die Oberflächenbeschaffenheit der Innenwände des Leuchtkörpers geändert ist, aus der lichtdurchlässigen Umfangswand austreten, so daß es möglich ist, die prismatische Lichtführung an bestimmten Stellen leuchten zu lassen.

Derartige Lichtführungen sind aufwendig und umständlich und eignen sich nur als Punktbeleuchtung, nicht aber zum Erfüllen eines Raumes mit blendfreiem, diffusem Sonnenlicht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs näher erläuterten Art so auszubilden, daß direkt einfallendes Sonnenlicht unabhängig vom jahreszeitlichen Sonnenstand so in einen Raum geleitet wird, daß bestimmte Stellen des Raumes, beispielsweise die Decke und der obere Teil der Wände des Raumes oder eine in diesem angeordnete Arbeitsfläche gleichmäßig und blendfrei und mit im wesentlichen gleicher Intensität über den Tag hinweg beleuchtet werden.

Diese Aufgabe wird mit der Erfindung dadurch gelöst, daß die Einlaßfläche und die Auslaßfläche des Lichtlenkelementes unter einem Winkel zueinander angeordnet und durch einen Mittelteil miteinander verbunden sind, in dem sich die Leitgrenzfläche befindet, die derart gekrümmt ist, daß die in verschiedenen, parallelen Ebenen in die Einlaßfläche eintretenden Sonnenstrahlen unter verschiedenen Winkeln mindestens einmal total reflektiert werden, bevor sie aus dem Lichtlenkelement austreten.

Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß alle in das Lichtlenkelement geordnet eintretenden, parallelen Sonnenstrahlen aus dem Lichtlenkelement ungeordnet, d.h. nicht parallel, aber in weitgehend gleichmäßiger Verteilung austreten, wobei die Lichtausbeute sehr hoch ist, da bei einer geeigneten Krümmung des Lichtlenkelementes in seinem Mittelteil auch bei unterschiedlich hohen Sonnenständen kaum Strahlen ausgekoppelt werden oder verlorengehen.

Durch die gebogene Ausbildung der Lichtlenkelernente kann die gewünschte Lichtlenkung auf kleinstem Raum durchgeführt werden. Die Lichtlenkelemente haben nur eine sehr geringe Länge von wenigen Millimetern und können leicht zwischen den Glasplatten eines Isolierglasfensters untergebracht werden. Es gibt deshalb keine Reinigungsprobleme und die Vorrichtung nach der Erfindung bleibt immer wirksam.

Das Lichtlenkelement kann ein gebogenes Mittelteil und mindestens ein geradliniges Endteil aufweisen, deren ümfangsflächen Leitgrenzflächen bilden. An diesen Leitgrenzflächen werden die aus dem gekrümmten Mittelteil kommenden Strahlen je nach ihrem Einfallswinkel totalreflektiert oder gebrochen. Die totalreflektierten Strahlen verbleiben im Lichtlenkelement und treten in einem begrenzten Winkelbereich aus der Auslaßfläche aus, während die gebrochenen Strahlen das Lichtlenkelement seitlich durch die Leitgrenzflache verlassen.

Um aus der Auslaßfläche nur Strahlen in einem begrenzten Winkelbereich austreten zu lassen, ist es notwendig, das die Auslaßfläche tragende Endteil an seiner Umfangsflache mit einer "Funktionsschicht" zu versehen. Diese "Funktionsschicht" besteht aus einem vorzugsweise glasklarem Material, dessen Brechzahl n_K auf die Brechzahl n_L des Lichtlenkmaterials derart abgestimmt ist, daß nur solche an der Leitgrenzfläche totalreflektierten Strahlen die Auslaßfläche verlassen, die in dem zu beleuchtenden Raum einen Lichtkegel bzw. ein Lichtprisma mit einem Öffnungswinkel &bgr; zwischen 60° und 72° erzeugen. Wird das die Auslaßfläche tragende Endteil so geneigt, daß die Unterkante dieses Lichtkegels oder Lichtprismas horizontal verläuft, wird nur der darüberliegende Raum nahezu vollständig mit blendfreiem Licht erfüllt.

Es ist zweckmäßig, auf der Außenseite der Funktionsschicht eine Absorptionsschicht anzuordnen, welche die an der Umfangsfläche aus dem Lichtlenkelement austretenden Sonnenstrahlen absorbiert. Hierdurch wird vermieden, daß Streulicht aus dem Lichtlenkele-

ment austritt und in Raumabschnitte gelangt, in denen es eine Blendung der im Raum arbeitenden Personen bewirken würde.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Funktionsschicht ein Klebstoff ist, mit dem mehrere Lichtlenkelemente miteinander oder mit einem Tragmittel verbindbar sind. Ein solches Tragmittel ist zweckmäßig eine lichtdurchlässige Folie, die beidseitig mit Klebstoff beschichtet ist und vollflächig auf den Umfangsflächen der miteinander zu verbindenden Lichtlenkelemente angebracht wird. Hierbei kann entweder der Klebstoff oder die Folie die Funktionsschicht sein, welche die vorstehend beschriebene Brechzahl n_K hat.

Die Absorptionsschicht kann auch ein lichtundurchlässiges, flächenhaftes Tragmittel sein, welches auf zwei aneinander gegenüberliegenden Flächen einen die Fläche vollständig bedeckenden Klebstoff trägt, mit dem zwei benachbarte Lichtlenkelemente an mindestens einem ihrer Endteile miteinander verbunden sind. Durch das Verkleben mehrerer Lichtlenkelemente mit dazwischen angeordneten, lichtundurchlässigen Absorptionsschichten wird verhindert, daß die aus den einzelnen Lichtlenkelementen austretenden Sonnenstrahlen in benachbarte Lichtlenkelemente übertreten und eine Streustrahlung verursachen.

Eine noch bessere Lichtausbeute wird erzielt, wenn das Lichtlenkelement auf der Außenseite der Funktionsschicht an seiner ebenen Unterfläche eine Reflektionsschicht und an seiner ebenen Oberfläche eine Absorptionsschicht aufweist. Die Reflektionsschicht kann durch eine in ihrem Querschnitt lichtdurchlässige, jedoch auf der Außenseite mit Aluminium bedampfte Kunststoffolie hergestellt werden, während die Absorptionsschicht von einer dünnen, lichtundurchlässigen Kunststoffolie gebildet wird. Beide Schichten werden mit Hilfe eines druckempfindlichen Kaltklebestoffes, der die Funktionsschicht bildet, blasenfrei auf die Oberfläche des Lichtlenkelementes aufgeklebt.

Das Lichtlenkelement aus lichtdurchlässigem Material kann aus Glas bestehen. Vorzugsweise besteht es jedoch aus einem thermoplastischen Kunststoff im Glaszustand, und zwar vorzugsweise aus Polycarbonät (PC), das eine Brechzahl von n^ = 1,586 hat. Werden mehrere Lichtlenkelemente aus Polycarbonät mit einem Adhäsionskleber auf Acrylbasis (Acrylat) verbunden, der die Wirkung der Funktionsschicht ausübt und eine Brechzahl von n^ = 1,491 hat, ergibt sich eine sehr große Apertur von ± 32,7° an der Auslaßfläche der Lichtlenkelemente, wodurch nahezu die gesamte Deckenfläche eines zu beleuchtenden Raumes ausgestrahlt wird.

Das Lichtlenkelement ist vorzugsweise eine langgestreckte, dünne Platte von im wesentlichen gleichbleibender Dicke, deren einer Längsrand die Einlaßfläche und deren anderer Längsrand die Auslaßfläche für die Sonnenstrahlen bildet und deren Mittelteil quer zu ihrer Längsachse gekrümmt ist. Derartige, langgestreckte Lichtlenkelemente können auf praktisch ganzer Länge einer Raum-Umgebungswand eingebaut werden und ein durchgehendes Lichtband erzeugen, welches die größtmögliche Lichtmenge aufnimmt und an die bevorzugten Stellen des Raumes weiterleitet.

Damit praktisch das ganze Jahr über alles Sonnenlicht aufgenommen und zur Raumbeleuchtung eingesetzt werden kann, ist das Lichtlenkelement vorzugsweise derart gekrümmt und in die Raum-Umgebungsfläche eingebaut, daß das Einfallslot auf die Einlaßfläche mit der Horizontalen einen Winkel einschließt, der dem größtmöglichen Höhenwinkel der Sonne bei dem über das Jahr mittleren Sonnenstand am Einbauort entspricht. Gleichzeitig schließt das Ausfallslot auf die Auslaßfläche des Lichtlenkelementes mit der Horizontalen einen Winkel ein, der dem größtmöglichen halben Öffnungswinkel (Apertur) des aus der Auslaßfläche austretenden Strahlenbündels entspricht. Hierdurch können nicht nur die im Sommer bei hohem Sonnenstand, sondern auch die im Winter bei niedrigem Sonnenstand einfallenden Sonnenstrahlen zu jeder Tageszeit in das Lichtlenkelement eintreten, wo sie weitergeleitet und zerstreut werden. Beim Austritt der Lichtstrahlen aus der Auslaßfläche bleibt der volle Strahlenkegel in dem gewünschten,

oberen Bereich des Raumes, da die Unterkante des Strahlenkegels mit der Horizontalen zusammenfällt.

Um eine ausreichende Lichtmenge in einen Raum zu leiten, werden zweckmäßig mehrere Lichtlenkelemente eingesetzt, die an mindestens einem ihrer Endteile dicht aneinanderliegen und im Bereich ihrer Leitgrenzflächen voneinander getrennt sind. Das Licht wird hierdurch von einem ganzen Stapel Lichtlenkelemente eingeleitet. Bei diesem Stapel sind die Leitgrenzflächen an den Endteilen von aneinander anliegenden Lichtlenkelementen durch beidseitig mit Klebstoff vollflächig beschichtete Absorptionsschichten und die Leitgrenzflächen an den Mittelteilen durch Luftspalte voneinander getrennt. Im Bereich der Mittelteile können die Lichtstrahlen dort nicht austreten, sondern werden vollständig totalreflektiert. Im Bereich der Endteile können einzelne Strahlen, die unter einem Winkel auf die Leitgrenzflächen auftreffen, der kleiner als der Grenzwinkel zwischen dem Material des Lichtlenkelementes und dem des Klebstoffes ist, aus dem Lichtlenkelement ausgeleitet werden. Sie verschwinden dann in der Absorptionsschicht und können hierdurch kein Streulicht erzeugen. Bei dieser Ausgestaltung können auch alle Lichtlenkplatten gleich dick sein und die gleiche Form haben, so daß eine wirtschaftliche Produktion möglich ist.

Damit viele Lichtlenkelemente zusammengefaßt und präzise übereinander gestapelt werden können, haben die Lichtlenkelemente an ihren die Einlaßfläche tragenden Endteilen rechtwinklig abstehende Nasen, mit denen aneinander anliegende Lichtlenkelemente übereinandergreifen. Hierdurch justieren sich die Lichtlenkelemente beim Aufbau des Stapels von selbst, und es ergibt sich ein exakter Aufbau der Vorrichtung, der eine optimale Lichtausbeute gewährleistet.

Ein Stapel von mehreren, aneinander anliegenden und ggf. miteinander verklebten Lichtlenkelementen kann zwischen zwei lichtdurchlässigen Scheiben eines Fensters derart angeordnet werden, daß die Auslaßflächen der Lichtlenkelemente gegen die zu beleuchtende Stelle des Raumes gerichtet sind. Für eine vollstän-

dige Raumbeleuchtung kann der Stapel im oberen Teil eines Fensters angeordnet werden, dessen unterer Teil bei direkter Sonneneinstrahlung abgedunkelt wird. Für die Beleuchtung eines einzelnen Arbeitsplatzes kann der Lichtlenkelement-Stapel in einem Oberlicht oder Deckenfenster angeordnet werden, so daß das Licht nach unten auf einen Arbeitsplatz fällt.

Durch Einbau eines Stapels von Lichtlenkelementen zwischen die Scheiben eines Fensters, beispielsweise eines Fensters mit Isolierverglasung, sind die Lichtlenkelemente vor Verschmutzung, UV-Bestrahlung und atmosphärischen Einflüssen geschützt, was sich positiv auf die Funktionssicherheit und die Gebrauchsdauer der Lichtlenkelemente auswirkt.

Um unterschiedliche Helligkeiten an verschiedenen Stellen des Raumes während eines Tageslaufes zu vermeiden, kann an der Auslaßfläche des Lichtlenkelementes ein Lichtstreumittel zur gleichmäßigen Verteilung der sich über den Verlauf eines Tages ändernden Richtung der ausfallenden Sonnenstrahlen vorgesehen sein. Hierbei ist zweckmäßig die Auslaßfläche des Lichtlenkelementes selbst als Lichtstreumittel ausgebildet. Es kann aber auch in Strahlenrichtung hinter der Auslaßfläche des Lichtlenkelementes eine profilierte Streuscheibe aus lichtdurchlässigem Material angeordnet sein.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn das Lichtstreumittel auf seiner Strahlenaustrittsseite eine Sinus-Wellenfläche mit geradlinigen, parallelen Wellen aufweist, deren Wellenlänge g etwa dem 3, 64-fachen der Amplitude a_o entspricht und deren Wellenscheitel senkrecht zu den Längsrändern des Lichtlenkelementes verlaufen. Bei einer solchen Ausbildung des Lichtstreumittels wird eine besonders gleichmäßige Verteilung des eingestrahlten Lichtes über den ganzen Tag erreicht.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung an Beispielen näher erläutert sind. Es zeigt:

Fig. 1 einen mit einer Vorrichtung nach der Erfindung gleichmäßig zu beleuchtenden Raum in schematischer Darstellung im Querschnitt;

Fig. 2 die Vorrichtung nach der Erfindung in einem Ausschnitt II der Fig. 1 in einer stark vergrößerten Darstellung;

Fig. 3 eines der in Fig. 2 dargestellten Lichtlenkeieiuente des Teilstapels in einem senkrechten Querschnitt, in dem der Strahlengang von unter einem Höhenwinkel von 20° einfallenden Sonnenstrahlen dargestellt ist in einem gegenüber Fig. 2 weiter vergrößerten Maßstab;

Fig. 4 zwei übereinander gestapelte Lichtlenkelemente mit Lichtstreumitteln an ihrer Auslaßfläche, in einem senkrechten Querschnitt;

Fig. 5 den Gegenstand der Fig. 4 in einer Teildraufsicht;

Fig. 6 einen mit einem Dachfenster oder Oberlicht versehenen Raum, bei dem eine Fußbodenfläche von einer in das Dachfenster eingebauten Vorrichtung nach der Erfindung beleuchtet wird, in einem vertikalen Teilschnitt und

Fig. 7 eine Einzelheit VII der Fig. 6 in einem stark vergrößerten Maßstab.

• ait·* · · t

An der Südseite eines mit Sonnenlicht zu beleuchtenden Raumes 10 ist in einer Raum-Umgebungsfläche, beispielsweise einer Außenwand 11/ ein Fenster 12 angeordnet, das sich über einen Teil oder über die ganze Länge des Raumes 10 erstrecken kann. Das Fenster ist ein Isolierglasfenster, dessen unterer Teil 12a aus zwei im seitlichen Abstand voneinander angeordneten lichtdurchlässigen Scheiben 13 und 14 besteht, vor denen außenseitig eine Jalousie 15 angeordnet ist, mit der der untere Teil 12a des Fensters 12 bei Sonnenschein abgedunkelt wird, die aber bis zum mittleren Rahmenholm 16 des Fensters 12 hochgezogen werden kann, wenn bei bedecktem Himmel Tageslicht auch durch den unteren Teil 12a des Fensters 12 eintreten soll.

Der obere Teil 12b des Fensters 12 enthält zwischen dem mittleren Rahmenholm 16 und dem oberen Rahmenholm 17 ebenfalls eine Isolierverglasung mit einer inneren Scheibe 13 und einer äußeren Scheibe 14, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Abstand von ungefähr 10mm haben, so daß sich zwischen den zwei lichtdurchlässigen Scheiben 13 und 14 ein Luftraum 18 ergibt. In diesem Luftraum 18 ist ein Stapel von mehreren, aneinander anliegenden Lichtlenkelementen 19 angeordnet, die sich über die ganze Länge des Fensters 12 erstrecken und im Querschnitt die in Fig. 2 dargestellte Form haben.

Die Lichtlenkelemente 19 bestehen aus einem festen lichtdurchlässigen Material und zwar bei der dargestellten Ausführungsform aus einem lichtdurchlässigen, thermoplastischen Kunststoff im Glaszustand, nämlich aus Polycarbonat (PC), das eine optische Brechzahl von n_L = 1,586 hat.

Wie man aus Fig. 2 erkennt, sind die Lichtlenkelemente 19 langgestreckte, dünne Platten, die auf ihrer ganzen Breite B eine im wesentlichen gleichbleibende Dicke d haben. Jedes Lichtlenkelement 19 besteht aus einem im wesentlichen geradlinigen, inneren Endteil 20, aus einem quer zur Längsachse des Lichtlenkelementes gekrümmten Mittelteil 21 und aus einem äußeren Endteil 22, der eine rechtwinklig abstehende Nase 23 aufweist. Die Lichtlenkelemente 19 liegen mit ihren Endteilen 20 bzw. 22 formschlüssig

aufeinander, wobei sie mit ihren Nasen 23 einander übergreifen. Da die Krümmung der Mittelteile 21 an der Oberseite der Lichtlenkelemente 19 stärker ist als an der Unterseite, bilden sich zwischen den übereinander gestapelten Lichtlenkelementen 19 im Bereich ihrer Mittelteile 21 Luftspalte 24.

Wie mehr im einzelnen aus Fig. 3 hervorgeht, trägt das äußere Endteil 22 eine Einlaßfläche 25 für die Sonnenstrahlen, die in parallelen Ebenen einfallen und von denen einige in Fig. 3 herausgegriffen und mit den Ziffern 1, 2, 3, 4 und 5 bezeichnet sind. Das geradlinige, innere Endteil 20 trägt an seinem Ende eine Auslaßfläche 26.

Da die Endteile 20 und 22 durch das gekrümmte Mittelteil 21 miteinander verbunden sind, schließen die zu der Längsmittelfläche 27 des Lichtlenkelementes 19 senkrechte Einlaßfläche 25 und die Auslaßfläche 26 einen Winkel &phgr; miteinander ein, der von der geographischen Breite des Einbauortes abhängig ist und bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel etwa 73° beträgt.

Man erkennt aus dem in Fig. 3 dargestellten Strahlengang der in parallelen Ebenen einfallenden Sonnenstrahlen 1, 2, 3, 4 und 5, daß diese unter einem angenommenen Höheneinfallwinkel &agr; = 20° zur Horizontalen auf die Einlaßfläche 25 des Lichtlenkelementes 19 auftreffen und von dort im Inneren des aus Polycarbonat bestehenden Lichtlenkelementes 19 weiterlaufen. Hierbei werden sie an der Grenzfläche 25 zwischen Luft und Polycarbonat zum Einfallslot hin gebrochen und treffen im Bereich des Mittelteiles 21 auf dessen gekrümmte, untere Umfangsfläche 28, die im folgenden auch als "Leitgrenzfläche" bezeichnet wird. An dieser Grenzfläche zwischen dem optischen dichteren Material des Lichtlenkelementes 19 und dem Luftspalt 24 wird jeder auftreffende Sonnenstrahl 1, 2, 3, 4 unter einem anderen Winkel &ggr;&igr;, &ggr;₂, &ggr;3 und Ji totalreflektiert, da die in übereinanderliegenden, parallelen Ebenen eintretenden Lichtstrahlen 1, 2, 3, 4 an nebeneinanderliegenden Stellen unter verschiedenen Winkeln auf die Leitgrenzfläche 28 auftreffen.

Während die Sonnenstrahlen 1 bis 4 nach ihrem Eintritt in das Lichtlenkelement 19 geradlinig bis zur unteren Umfangsfläche 28 laufen, treffen die in der obersten Ebene einfallenden Sonnenstrahlen 5 nach ihrem Eintritt in das Lichtlenkelement 19 zunächst auf die obere Umfangsfläche 29, wo sie unter einem Winkel §. reflektiert und zur gegenüberliegenden, unteren Umfangsfläche 28 geführt werden, an der sie abermals unter einem Winkel von &ggr;₅ ebenso totalreflektiert werden, wie die übrigen Sonnenstrahlen, die unmittelbar von der Einlaßfläche 25 zur unteren umfangsfläche 28 gelaufen sind.

Man erkennt, daß es vorteilhaft ist, wenn der Krümmungsradius R der unteren Umfangsfläche 28, an der die Sonnenstrahlen im Inneren des Lichtlenkelementes reflektiert werden, möglichst groß ist. Im vorliegenden Fall ist der Mittelteil 21 nach einem Kreisbogen gekrümmt und schließt tangential an die Endteile 20 und 22 an. Der Mittelteil könnte aber auch nach einer anderen Kurve gekrümmt sein.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, werden die an der Leitgrenzfläche 28 reflektierten Strahlen 1, 2, 3, 4 und 5 in den geradlinigen, inneren Endteil 20 weitergeleitet, wo sie auf eine ebene Oberfläche 30 oder auf eine ebene Unterfläche 31 treffen, die ebenfalls "Leitgrenzflächen" sind. Im Gegensatz zum Mittelteil 21, in dem alle Strahlen 1 bis 5 reflektiert und hierdurch umgelenkt und weitergeleitet werden, werden im Bereich des geradlinigen, inneren Endteiles 20 nur solche Strahlen 1, 2, 3 und 5 reflektiert und weitergeleitet, die unter einem Winkel auf die Leitgrenzflächen 30 und 31 auftreffen, der größer als der Grenzwinkel der Totalreflektion ist. Strahlen, die mit einem kleineren Winkel auf die ebenen Leitgrenzflächen 30 und 31 auftreffen, wie beispielsweise der Strahl 4, werden nicht reflektiert, sondern treten seitlich aus dem Lichtlenkelement aus und sind verloren.

Da nach der Erfindung die einfallenden Sonnenstrahlen nur in eijnen ganz bestimmten Teil des Raumes 10 geleitet werden sollen, nämlich bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel nur in das obere Drittel des Raumes, in dem dort arbeitende Menschen

nicht geblendet werden können, und weil in dieses obere Drittel möglichst viel Licht eintreten und dort von der Decke und den Umfangswänden des Raumes in dessen unteren Teil diffus reflektiert werden soll, müssen die Sonnenstrahlen an der Auslaßfläche 26 in einem möglichst großen Strahlenkegel austreten. Ideal wäre ein Austrittswinkel &bgr; von 90°, der jedoch nur mit hohen Lichtverlusten an den ebenen Leitgrenzflächen 30 und 31 zu erreichen ist. Sollen Lichtverluste weitgehend vermieden werden und sollen die untersten Sonnenstrahlen S_u des Strahlenprismas im Raum horizontal verlaufen, muß das geradlinige Endteil 20 des Lichtlenkelementes unter dem Winkel ß/2 gegen die Horizontale so geneigt sein, daß der Öffnungswinkel &bgr; zwischen 60° und 72° liegt. Um eine solche Apertur herzustellen, ist es erforderlich, die Leitgrenzflächen 30 und 31 des geradlinigen, inneren Endteiles 20 des Lichtlenkelementes 19 mit einer "Funktionsschicht" zu versehen, deren Brechzahl n_K auf die Brechzahl n_L des Materials des Lichtlenkelementes 19 so abgestimmt ist, daß nur solche Strahlen an der jeweiligen Leitgrenzfläche 30 bzw. 31 reflektiert werden, welche die Auslaßfläche 26 in einem Lichtkegel bzw. einem Lichtprisma verlassen, das einen Öffnungswinkel von &bgr; = 66° hat. Nach der Erfindung gelingt es, einen solchen Öffnungswinkel dann zu erreichen, wenn die "Funktionsschicht¹¹ eine Brechzahl n_K = 1,491 aufweist. Die "Funktionsschicht" an den Leitgrenzflächen 30 und 31 kann also nicht Luft sein.

Wie bereits oben erwähnt, liegen die übereinander gestapelten Lichtlenkelemente 19 mit ihren Endteilen 20 aufeinander. Sie sind hierbei mit einem Klebstoff 32 verbunden, der die "Funktionsschicht" bildet und sich zwischen den ebenen Oberflächen 30 und Unterflächen 31 der Endteile befindet und ein Adhäsionskleber auf Acrylbasis (Acrylat) ist. Dieser Klebstoff 32 hat eine optische Brechzahl n_K = 1,491 und befindet sich auf einem lichtundurchlässigen, flächenhaften Tragmittel 33, beispielsweise einer dünnen, schwarzen Kunststoffolie. Diese schwarze Kunststoffolie bildet eine Absorptionsschicht, in der aus dem inneren Endteil 20 an deren Leitgrenzflächen 30 und 31 ausgekoppelte Lichtstrahlen 4 absorbiert werden, so daß sie

nicht vagabundieren und nicht in benachbarte Lichtlenkelemente eintreten können.

Man erkennt, daß sich für alle Lichtstrahlen 1,2, 3 und 5, die an den Leitgrenzflächen 30 und 31 reflektiert werden und die Auslaßfläche 26 erreichen, eine numerische Apertur NA = sin ß/2

NA = i n^-n/ = 0,54

ergibt, die einem Öffnungswinkel von &bgr; = 2 · 33° = 66° entspricht.

Um zu erreichen, daß, wie in Fig. 1 dargestellt, Sonnenstrahlen nur das obere Drittel des Raumes 10 erreichen, müssen die untersten Sonnenstrahlen Su des aus der Auslaßfläche 26 des untersten Lichtlenkelementes 19 austretenden Strahlenprismas horizontal verlaufen. Die obersten Strahlen S₀ des aus der Auslaßfläche 26 des im Stapel obersten Lichtlenkelementen 19 austretenden Strahlenprismas erreichen dann die Decke des Raumes unter einem Winkel von 66° zur Horizontalen, so daß nahezu die gesamte Deckenfläche des Raumes 10 angestrahlt wird.

Nach der Erfindung wird der Winkel &agr; des Einfallslotes 34 auf die Einlaßfläche 25 für den jeweiligen Einbauort nach dem höchsten Sonnenstand im Jahresmittel festgelegt, also nach dem höchsten Höhenwinkel der Sonne am 21. März oder 23. September, der am 50. Breitengrad (z.B. in der Stadt Mainz) 40° beträgt (Fig. 1 und 2). Am 21. Juni ist dieser höchste Höhenwinkel der Sonne um 23,5° höher und am 21. Dezember um 23,5° niedriger. Hieraus ergibt sich, daß die höchsten Sonnenstände im Jahr in einem Winkelbereich von 47° schwanken und am 50. Breitengrad im Tagesverlauf, von der Horizontalen am Morgen beginnend, einen Höhenwinkel von 63,5° mittags erreichen können. Da das Sonnenlicht am 50. Breitengrad über das Jahr seine größten, für die indirekte Raumbeleuchtung nutzbaren Lichtstärken im vertikalen Winkelbereich zwischen 16,5° und 63,5° aufweist, wird das äußere Endteil 22 des Lichtlenkelementes 19 unter einem Winkel von 40° zur Horizontalen angeordnet, der den gesamten Höhenwinkelbereich halbiert.

Dieser Winkel muß natürlich bei Einbauorten anderer geographischer Breite anders sein, wenn auch dort über den ganzen Jahreslauf der maximale Lichteinfall ausgenutzt werden soll.

Man erkennt, daß es mit der beschriebenen Ausbildung und Anordnung der Lichtlenkelemente 19 möglich ist, das ganze Jahr hindurch die größtmögliche Lichtmenge einzufangen, die parallel in den äußeren Endteil 22 einfallenden Sonnenstrahlen durch mehrfache Totalreflektion im gebogenen Mittelteil 21 und gradlinigen Endteil 20 zu zerstreuen und in zerstreuter Form, aber in gleichmäßiger Verteilung an eine bestimmte Stelle 36 eines Raumes 10 zu leiten und hierdurch den ganzen Raum mit blendfreiem, diffusem Licht zu erfüllen. Man erkennt auch, daß die Lichtlenkelemente 19 leicht einzeln hergestellt und sicher übereinandergestapelt und verklebt im Luftraum 18 eines Isolierglasfensters untergebracht werden können, wo sie Umwelteinflüssen und der Verschmutzung entzogen sind, so daß ihre Wirksamkeit auch bei längerer Gebrauchsdauer nicht beeinträchtigt wird.

Um eine gleichmäßige Ausleuchtung des Raumes 10 auch über den Lauf eines Tages zu erreichen und der Wanderung der Sonne in horizontaler Richtung von Ost über Süd nach West Rechnung zu tragen, kann bei der in den Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungsform an der Auslaßfläche 26 der Lichtlenkelemente 19 ein Lichtstreumittel 37 vorgesehen sein, mit dem die über den Lauf eines Tages in verschiedener Richtung einfallenden Sonnenstrahlen gleichmäßiger verteilt werden. Dieses Lichtstreumittel 37 wird bei der Ausführungsform nach den Fig. 4 und 5 von der Auslaßfläche 26 selbst gebildet, indem der innere Längsrand 38 der Lichtlenkelemente 19 als Sinus-Wellenfläche 39 ausgebildet wird, die geradlinige, parallele Wellen 40 aufweist, deren Wellenscheitel 41 senkrecht zu den Längsrändern 38 des Lichtlenkelementes 19 verlaufen. Die Wellenlänge g der Sinus-Welle entspricht etwa dem 3,64-fachen der Amplitude a₀.

Durch eine derartige Wellenprofilierung der Auslaßflächen 26 werden die am Vormittag und am Nachmittag schräg einfallenden

Sonnenstrahlen zur Raummitte hingelenkt. Hierdurch wird eine gleichmäßige Ausleuchtung des Raumes 10 über seine ganze Länge erreicht.

Den gleichen Effekt kann man auch erreichen, wenn in Strahlrichtung hinter der Auslaßfläche 26 des Lichtlenkelementes 19 eine profilierte Streuscheibe aus lichtdurchlässigem Material angeordnet wird. Eine solche Ausführungsform ist in den Zeichnungen jedoch nicht dargestellt.

In den Fig. 6 und 7 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der Lichtlenkelemente 19 zwischen zwei Glasscheiben 13 und 14 eines Dachfensters 42 angeordnet sind. Diese Elemente lenken die auf ein Flachdach 43 fallenden Sonnenstrahlen 1, 2, 3 auf eine Stelle 36 am Boden 44 einer Fabrikhalle 45, um dort eine gleichmäßige Beleuchtung über den ganzen Tag zu erzielen.

Bei dieser Ausführungsform werden die inneren Endteile 20 der Lichtlenkelemente 19 mit ihren Auslaßflächen 26 unmittelbar oberhalb der inneren Glasscheibe 13 des Dachfensters 42 angeordnet, wobei die ebenfalls geradlinigen, langgestreckten äußeren Endteile 22 der Lichtlenkelemente 19 aneinander anliegen. Bei dieser Ausführungsform haben die inneren Endteile 20 einen etwas größeren Abstand voneinander, und es ist erforderlich, zwischen ihnen lichtabsorbierende, flächenhafte Tragplatten 33 anzuordnen, die auf ihren einander gegenüberliegenden Flächen 4 6 und 47 einen die "Funktionnschicht" bildenden Klebstoff 42 tragen, mit dessen Hilfe sie mit den Endteilen 20 der Lichtlenkelemente verbunden werden können. Sonnenstrahlen, die unter einem Winkel auf die Leitgrenzflächen auftreffen, der kleiner ist als der Grenzwinkel der Totalreflektion, werden, wie weiter oben beschrieben, in die Absorptionsplatten 33 gelenkt und dort absorbiert, während die mehrfach reflektierten, aus der Auslaßfläche 2 6 austretenden Lichtstrahlen in einem Lichtkegel mit einer Öffnungsweite von 66° auf den Boden 36 der Fabrikhalle geleitet werden.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen
Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern es sind mehrere Änderungen
und Ergänzungen möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise ist es auch möglich, Lichtlenkelemente nach der Erfindung fest in eine Mauer einzubauen, wenn keine besonderen Fenster vorgesehen sind. Ferner können die Lichtlenkelemente
nach der Erfindung nicht nur in Flachdächern, sondern
auch in Shed-Dächern eingebaut werden, und es ist auch möglich,
die Lichtlenkelemente anders zu gestalten, beispielsweise dem
Mittelteil eine andere Krümmung zu geben und den Winkel zwischen Einlaßfläche und Auslaßfläche zu verändern, um die Lichtlenkelemente dem jeweiligen Einbauort, d.h. der jeweiligen geographischen
Breite und deren Sonnengang anzupassen. Schließlich können auch andere feste, lichtdurchlässige Materialien wie Glas oder
glasähnliche Kunststoffe und hierzu geeignete Funktionsschichten verwendet werden, soweit deren Lichtbrechungszahlen günstig aufeinander abgestimmt werden können. Um die Lichtausbeute zu vergrößern,
ist es auch möglich, mindestens die geradlinigen, inneren Endteile 20 der Lichtlenkelemente 19 an ihren ebenen Unterflächen
mit einer Reflektionsschicht zu versehen, beispielsweise mit einer auf der Außenseite bedampften Kunststoffolie und nur
an der ebenen Oberfläche des inneren Endteiles 20 eine Absorptionsschicht vorzusehen. Hierdurch wird sichergestellt, daß jedenfalls an der unteren Leitgrenzfläche keine Lichtstrahlen austreten können, sondern daß dort auch unter einem steileren Winkel
auftreffende Strahlen zur oberen Leitgrenzfläche reflektiert
werden.

Claims

Ansprüche :

1. Vorrichtung zum Versorgen eines Raumes mit blendfreiem, diffusem Sonnenlicht, mit mindestens einem in einer der Sonne zugekehrten Raum-Umgebungsfläche anzuordnenden Lichtlenkelement aus lichtdurchlässigem Material, das eine Einlaßfläche, eine Auslaßfläche und mindestens eine Leitgrenzfläche für Sonnenstrahlen aufweist und derart ausgebildet ist, daß es die auf die Einlaßfläche auftreffenden Sonnenstrahlen zerstreut und auf eine bestimmte Stelle des Raumes lenkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßfläche (25) und die Auslaßfläche (26) des Lichtlenkelementes (19) unter einem Winkel (&phgr;) zueinander angeordnet und durch einen Mittelteil (21) miteinander verbunden sind, in dem sich die Leitgrenzfläche (28) befindet, die derart gekrümmt ist, daß die in verschiedenen parallelen Ebenen in die Einlaßfläche

(25) eintretenden Sonnenstrahlen (1, 2, 3, 4, 5) unter verschiedenen Winkeln (&ggr;&igr;, &ggr;₂, j3, Ja, Ys) mindestens einmal totalreflektiert werden, bevor sie aus dem Lichtlenkelement (19) austreten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtlenkelement (19) ein gebogenes Mittelteil (21) und mindestens ein geradliniges Endteil (20) aufweist, deren Umfangsflächen Leitgrenzflächen (28, 29, 30, 31) bilden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die Auslaßfläche (26) tragende Endteil (20) an seiner Umfangsfläche (30, 31) eine Funktionsschicht (32) aufweist, deren Brechzahl (n_K) auf die Brechzahl (n_L) des Materials des Lichtlenkelementes (19) derart abgestimmt ist, daß nur solche an der Leitgrenzfläche (30 bzw. 31) totalreflektierten Strahlen (1, 3, 5) die Auslaßfläche

(26) verlassen, die in dem zu beleuchtenden Raum (10) einen

Lichtkegel bzw. ein Lichtprisma mit einem Öffnungswinkel (ß) zwischen 60° und 72° erzeugen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß auf der Außenseite der Funktionsschicht (32) eine Absorptionsschicht (33) angeordnet ist, welche die an der Umfangsflache (30 bzw. 31) des Endteiles

(20) austretenden Sonnenstrahlen (4) absorbiert.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsschicht (32) ein Klebstoff (32) ist, mit dem mehrere Lichtlenkelemente (19) miteinander oder mit einem Tragmittel (33) verbindbar sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Tragmittel (33) eine lichtdurchlässige Folie ist, die beidseitig mit Klebstoff (32) beschichtet ist, wobei entweder der Klebstoff (32) oder die Folie (33) die Funktionsschicht ist, welche die Brechzahl (n_K) hat.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, -dadurch gekennzeichnet , daß das Lichtlenkelement (19) an seiner ebenen Unterfläche (31) auf der Außenseite der Funktionsschicht (32) eine Reflektionsschicht und an seiner ebenen Oberfläche (30) auf der Außenseite der Funktionsschicht (32) eine Absorptionsschicht aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Absorptionsschicht (33) ein lichtundurchlässiges, flächenhaftes Tragmittel (33) ist, welches auf zwei einander gegenüberliegenden Flächen (46, 47) einen Klebstoff (32) trägt, mit dem zwei benachbarte Lichtlenkelemente (19) an mindestens einem ihrer Endteile (20) miteinander verbunden sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtlenkelement (19) aus einem thermoplastischen Kunststoff im Glaszustand besteht.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß das Licht lenkelement (19) aus Polycarbonat besteht.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß der Klebstoff (32) ein Adhäsionskleber auf Acryl-Basis (Acrylat) ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtlenkelement (19) eine langgestreckte dünne Platte von im wesentlichen gleichbleibender Dicke (d) ist, deren einer Längsrand die Einlaßfläche

(25) und deren anderer Längsrand (38) die Auslaßfläche (26) für die Sonnenstrahlen (1, 2, 3, 5) bildet und deren Mittelteil (21) quer zu seiner Längsachse gekrümmt ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht lenkelement (19) derart gekrümmt und in die Raum-Umgebungsfläche (11) eingebaut ist, daß das Einfallslot (34) auf die Einlaßfläche (25) mit der Horizontalen einen Winkel (&agr;) einschließt, der dem größtmöglichen Höhenwinkel der Sonne bei dem über das Jahr mittleren Sonnenstand am Einbauort entspricht und daß das Ausfallslot (35) auf die Auslaßfläche (26) des Lichtlenkelementes (19) mit der Horizontalen einen Winkel (ß/2) einschließt, der dem größtmöglichen halben Öffnungswinkel (ß/2=Apertur) des aus der Auslaßfläche (26) austretenden Strahlenbündels entspricht.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, g e k e &eegr; n-

zeichnet durch mehrere Lichtlenkelemente (19), die an mindestens einem ihrer Endteile (20, 22) dicht aneinanderliegen und im Bereich ihrer Leitgrenzflächen (28, 29, 30, 31) voneinander getrennt sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitgrenzflächen {30, 31) an den Endteilen (20) von aneinanderanllegenden Lichtlenkelementen (19) durch beidseits vollflächig mit Klebstoff (32) beschichtete Absorptionsschichten (33) und die Leitgrenzflächen (28, 29) an den Mittelteilen (21) durch Luftspalte (24) voneinander getrennt sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtlenkelemente (19) an ihren die Einlaßflächen (25) tragenden Endteilen (22) rechtwinklig abstehende Nasen (23) aufweisen, mit denen aneinanderanliegende Lichtlenkelemente (19) übereinandergreifen.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet , daß ein Stapel von mehreren aneinanderanliegenden und gfls. miteinander verklebten Lichtlenkelementen (19) zwischen zwei lichtdurchlässigen Scheiben (13, 14) eines Fensters (12; 42) derart angeordnet sind, daß die Auslaßflächen (26) der Lichtlenkelemente (19) gegen die zu beleuchtende Stelle (36; 44) des Raumes (10) gerichtet sind.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet , daß ein Stapel von aneinanderanliegenden Lichtlenkelementen (19) zwischen zwei Scheiben (13, 14) eines Isolierglasfensters (12) fest angeordnet ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet , daß an der Aus laß fläche (26) des Lichtlenkelementes (19) ein Lichtstreumittel (37) zur gleichmäßigen Verteilung der sich über den Verlauf eines Tages an-

dernden Richtung der ausfallenden Sonnenstrahlen (1 bis 5) vorgesehen ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet , daß die Auslaßfläche (26) des Lichtlenkelementes (19) selbst als Lichtstreumittel (37) ausgebildet ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet , daß in Strahlenrichtung hinter der Auslaßfläche des Lichtlenkelementes eine profilierte Streuscheibe aus lichtdurchlässigem Material angeordnet ist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtstreumittel (37) auf seiner Strahlenaustrittseite (2 6) eine Sinus-Wellenfläche (39) mit geradlinigen, parallelen Wellen (40) aufweist, deren Wellenlänge (g) etwa dem 3,64-fachen der Amplitude (a₀) entspricht und deren Wellenscheitel (41) senkrecht zu den Längsrändern (38) des Lichtlenkelementes (19) verlaufen.