DE3604269A1 - Anlage zum indirekten beleuchten von raumanlagen mit tageslicht - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zum indirekten Beleuchten von Raumanlagen mit Tageslicht gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Der steigende Bedarf an Wohn-, Geschäfts- und industriell genutzten Raumanlagen macht es erforderlich, auch von solchen Raumanlagen Gebrauch zu machen, die nicht direkt von Tageslicht erfaßt werden, so z.B. von Tief­ garagen, die nur mit einem hohen Aufwand an elektrischer Energie beleuchtbar sind. Dies gilt beispielsweise auch für schutzbedürftige, nicht von Tageslicht direkt be­ leuchteten Fertigungsstätten der Rüstungsindustrie wie auch für Schutzräume von Personen. Immer sind erhebliche Energiekosten erforderlich, deren Reduzierung mehr denn je ein Gebot der Stunde ist. Hinzukommt, daß das Seh­ vermögen der betreffenden Arbeitspersonen in künstlich beleuchteten Arbeits- und Geschäftsräumen auf die Dauer stark nachteilig beeinträchtigt und einhergehend damit natürlich auch ihre Arbeitsleistungen entsprechend herab­ gesetzt werden.

Anlagen zum indirekten Beleuchten von Gegenständen mit künstlichem Licht sind bereits bekannt. Für die Licht­ übertragung bedient man sich bekanntlich einer Faser­ optik, deren Grundelemente eine Lichtleitfaser ist, die aus einem hochbrechenden Glaskern und einem niedrig­ brechenden Glasmantel besteht. Durch Ausnutzung der Total­ reflektion an der Grenzfläche dieser beiden Medien wird Licht, das auf die Stirnfläche einer solchen Faser fällt, durch vielfache Reflektion an das Ende der Faser geführt, wo es wieder austritt und auf den zu beleuchtenden Gegen­ stand als Kaltlicht gelenkt werden kann, so z.B. in der Mikroskopie und Medizintechnik, wo viel Licht auf klein­ stem Raum benötigt wird oder beispielsweise am Arbeits­ platz, wo eine intensive, indirekte Beleuchtung von Arbeitsvorgängen verlangt wird, ohne daß dabei Mensch und Material durch Wärme belastet werden.

Durch Verwendung von optischen Gläsern mit sehr geringen Absorptionsverlusten kann das Licht mit einer solchen Faseroptik mit gutem Wirkungsgrad indirekt selbst für größere Entfernungen übertragen werden. Das Licht kann dabei in sehr einfacher Weise auf beliebig gekrümmten Bahnen oder um scharfe Ecken gezielt fortgeleitet werden.

Flexible Lichtleiter bestehen im allgemeinen aus einem Bündel flexibler Lichtleitfasern, die an den Enden gefaßt und miteinander verklebt sind. Die Stirnflächen davon sind geschliffen und optisch poliert. Zum Schutze gegen mechanische Beschädigungen befindet sich das Faser­ bündel in flexiblen Metall- oder Kunststoffschläuchen. Ein Lichtstrom kann durch diese flexiblen Lichtleiter in ein­ facher Weise und raumsparend zu beliebigen Stellen eines Raumes geleitet werden. Durch Zusammenführen zweier oder mehrerer solcher Faserbündel werden handelsübliche, mehr­ armige, flexible Lichtleiter beliebiger Form und Größe hergestellt. Für den ultravioletten und infraroten Spek­ tralbereich des Lichtes werden die Lichtleitfasern aus speziellen reinen Silikatgläsern hergestellt und zum besseren Schutz als Bündel in einem PVC-Schlauch geliefert. Derartige Bündel bestehen aus Lichtleitkabeln, die durch Ablängen und optische Bearbeitung der Enden zu einbau­ fertigen Kabellichtleitern weiter verarbeitet werden.

Derartige Lichtleitkabel haben sich seit langem in Kraftfahrzeugen und Haushaltsgeräten bewährt. Besonders bei ungünstigen Einbauverhältnissen oder zur Realisierung servicefreundlicher Lösungen bieten diese preiswerten Lichtleiter für die indirekte Beleuchtung große Vorteile, die mit Glühlampen allein nicht erreicht werden. Mit zwei­ armigen Lichtleitern aus Lichtleitkabeln lassen sich auf einfache Weise Reflexschranken herstellen, wobei durch einen Arm beleuchtet und das vom Objekt reflektierte Licht vom zweiten Arm zum Empfänger geleitet wird. Mehrarmige Lichtleiter dienen zur Darstellung von Leuchtpunkten in Anzeigetafeln.

Wo flexible Lichtleiter nicht erforderlich sind, können zur Lichtübertragung handelsübliche Lichtleitstäbe verwendet werden, bei denen es sich um starre, besonders robuste und langlebige faseroptische Konstruktionselemente handelt. Lichtleitstäbe können Licht aus Lichtquellen besonders leicht aufnehmen und optischen oder elektro­ optischen Bauelementen zuführen. Je nach Bauart des Stabes können sie im sichtbaren, infraroten und ultravioletten Spektralbereich eingesetzt werden. Lichtleitstäbe vom Faserstabtyp können beispielsweise zur Übertragung von Licht bei geringer Auflösung verwendet werden und bestehen beispielsweise aus etwa 3200 Glaslichtleitfasern, die in Parallellagen miteinander verschmolzen sind. Das Faser­ bündel wird hierbei von einem aufgeschmolzenen Glasmantel geschützt.

Damit wird deutlich, daß die beschriebenen handels­ üblichen Lichtleiter auch zur Lichtübertragung in Anlagen zum indirekten Beleuchten von Raumanlagen mit Tageslicht bestens geeignet sind.

Lichtleiter der vorgenannten Art können hierzu an Kunststoffplatten, wie sie von der Firma Bayer AG unter der Handeslbezeichnung "LISA" vertrieben werden, zur Lichtübertragung angeschlossen werden.

Diese LISA-Kunststoffe sind gefärbte, transparente, aber dennoch lichtsammelnde und -lichtleitende Polymere mit besonderen optischen Eigenschaften, wie beispielsweise aus den anwendungstechnischen Mitteilungen der Firma Bayer AG, Nr. 346/83 vom 15.07.1983 und Nr. 382/83 vom 01.10.1983, hervorgeht. Wie hier ausgeführt ist, absor­ bieren diese Kunststoffe direktes oder diffuses Licht aus der Umgebung, transformieren es zu länger-welligem Licht und emittieren dieses als Fluoreszenz. Nach den Gesetzen der Totalreflexion wird der überwiegende Teil des länger­ welligen Lichtes, z.B. in einer gefärbten Kunststoff­ platte, an die Kanten davon geleitet und dort abgegeben. Hierdurch wird eine ungewöhnlich hohe Kantenhelligkeit erreicht. Die lichtsammelnde Eigenschaft dieser Kunst­ stoffe erklärt sich aus der Tatsache, daß die Flächen, die Licht absorbieren, viel größer sind als die licht­ abstrahlenden Kanten.

Das Funktionsprinzip dieser Kunststoffe besteht im wesentlichen darin, daß ein Farbstoff in ihnen einen Teil des Lichtes im sichtbaren Bereich (400-700 nm) ab­ sorbiert und daß das verbleibende Restlicht dem Kunst­ stoff seine Farbe verleiht. Physikalisch gesehen beruht das Prinzip der Lichtsammlung und -leitung bei einer aus einem solchen Kunststoff gefertigten Platte also darauf, daß das einfallende Licht, beispielsweise Tageslicht, an der Plattenoberfläche des Kunststoffes gebrochen und vom Farbstoff absorbiert wird. Nach 10^-9 Sekunden wird die absorbierte Lichtenergie als Fluoreszenzlicht emittiert.

Die Emissionsstrahlung wird hierbei gleichmäßig über alle Raumrichtungen verteilt. Derjenige Teil, der auf die Grenz­ fläche Kunststoffplatte/Luft unter einem Winkel auftritt, der also kleiner als der Grenzwinkel der Totalreflexion ist, wird gebrochen und verläßt die Kunststoffplatte durch die Oberfläche. Die Reststrahlung wird total reflektiert, in der Kunststoffplatte gesammelt und bis zur Kante ge­ leitet.

Wie aus der genannten anwendungstechnischen Mit­ teilung Nr. 346/83 vom 15.07.1983 der Bayer AG ferner hervorgeht, erscheinen Kanten und präparierte Ober­ flächen dieser Kunststoffplatten immer heller als die Umgebung, wobei die Intensität des emittierten Lichtes abhängig ist von

• 1) der Intensität des Umgebungslichtes,
• 2) dem Verhältnis der Absorptions- zur Emissions­ fläche,
• 3) der Beschaffenheit der Oberfläche. Bei einer rauhen Oberfläche wird ein großer Teil des ein­ fallenden Lichtes reflektiert, so daß weniger Licht in die Kunststoffplatte gelangt. Ferner wird die Totalreflektion behindert, so daß die Lichtsammlung und -leitung gestört wird.

Kunststoffe der genannten Art werden von der Bayer AG gemäß ihrer anwendungstechnischen Mitteilung Nr. 451/83 vom 01.11.1983 bereits in 7 verschiedenen Farbbezeichnungen Blau, Grünblau, Grün, Gelb, Orange, Rot und Dunkelrot als gefärbtes lichtsammelndes oder lichtleitendes Polymer auf der Basis eines brandwidrig eingestellten Polycarbonats hergestellt. Eine Herstellung eines derartigen Kunst­ stoffes aus Polymethylmethacrylat (PMMA) und Cellulose­ proprionat mit etwa gleicher Farbskala ist ebenfalls mög­ lich. Diese Kunststoffe werden bevorzugt in Elektro- und
Elektronikgeräten, sowie im Beleuchtungssektor, insbe­ sondere bei brandwidrigen Teilen für Werbung und Dekoration, eingesetzt.

Gemäß dem anwendungstechnischen Informations­ blatt der Bayer AG, Nr. 434/83 vom 02.05.1983, können LISA-Kunststoffe auf der Basis von Polymethylmethacrylat (PMMA) auch in Solar-Energie-Anlagen als lichtsammelndes und -leitendes Polymer zum Einsatz kommen. Über eine spezielle Verwendung derartiger Kunststoffe in einer Lichtverteilungsanlage zum indirekten Beleuchten von Raumanlagen mit normalem Tageslicht ist hier nichts aus­ gesagt, so daß der Fachmann aus diesem Mitteilungsblatt keinerlei Anregungen für seinen Erfindungsvorschlag er­ hält.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bekannten Lichtleiter und die lichtsammelnden bzw. -leitenden Kunststoffpolymere in Form von Kunststoff­ platten so zu einer Tageslichtverteilungsanlage zu kombinieren, daß diese zum indirekten Beleuchten von Raumanlagen mit Tageslicht dienen kann, um auf diese Weise erhebliche Energiekosten einzusparen und eine augenlichtfreundliche Lichtquellenalternative zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kenn­ zeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 11.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß von Tageslicht nicht beauf­ schlagte Raumanlagen indirekt mit Tageslicht beleuchtet werden und dadurch erhebliche Energiekosten eingespart werden. Auch wird eine augenlichtfreundliche Licht­ quellenalternative mit dieser Anlage geschaffen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen vereinfachten Querschnitt eines Hauses mit der erfindungsgemäßen Anlage;

Fig. 2 ein Lichtleitkabel, wie es in der erfindungsgemäßen Anlage verwendet werden kann;

Fig. 2a ein mehrarmiges Lichtleitkabel als zweite Ausführungsform zum Verbinden des Lichtsammlers mit dem Lichtabstrahler in der erfindungsgemäßen Anlage, wie es gemäß Fig. 2 mit dem einarmigen Lichtkabel er­ folgt;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der Halterung des Lichtsammlers in einem Rahmen und

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht über eine Halteplatte zum Einschieben des aus einer Kunststoff­ platte bestehenden Lichtabstrahlers.

Fig. 1 zeigt zeigt einen vereinfachten Quer­ schnitt einer Wohnanlage mit einem Dach A, einer Dach­ kammer B, mit durch Tageslicht erhellbare Wohnräume C und mit einem nicht von Tageslicht beaufschlagten Keller­ raum D, der durch eine übliche Betondecke E von den Wohnräumen C abgetrennt ist. Auf dem Dach A ist ein aus einer gefärbten Kunststoffplatte, beispielsweise in Gelb oder Orange, bestehender Lichtsammler 1 befestigt, der mit mindestens einem flexiblen, faseroptischen Bau­ element 2 lichtleitend verbunden ist. Das handelsübliche faseroptische Bauelement 2 besteht zur Lichtübertragung aus einem handelsüblichen, flexiblen Lichtleitkabel 3 (Fig. 2), welches von einer Kunststoffhülle 4 (Fig. 2) umgeben ist und an seinem Ende eine Messinghülse 5 (Fig. 2) aufweist. Zum Anschließen mehrerer, aus Kunst­ stoffplatten bestehender Lichtsammler 1 kann das Licht­ leitkabel 3 auch mehrarmig ausgebildet sein. Das faser­ optische Bauelement 2 kann auch als starres Konstruktions­ teil zur besseren Lichtübertragung nicht nur im sicht­ baren, sondern auch im infraroten und ultravioletten Spektralbereich eingesetzt werden. Für diese Spektral­ bereiche des Lichtes werden die faseroptischen Bauelemente 2 aus speziellen reinen Silikatgläsern hergestellt. Faser­ optische Bauelemente dieser Art, auch Lichtleitstäbe genannt, werden von den SCHOTT Glaswerken in Mainz her­ gestellt. Es wird hierzu auf ihre Firmenschrift 7109/1dIV/81 hingewiesen. Wie die Fig. 1 ferner zeigt, wird das flexible faseroptische Bauelement 2 durch das Dach A, die Dachkammer B, die von Tageslicht erhellbaren Wohnräume C und die Decke E geführt, um dann an der Decke E des dunklen Kellerraums D mit einem ebenfalls aus Kunststoff bestehenden Lichtabstrahler 4 lichtleitend verbunden zu werden.

Die Lichtsammler 1 und die Lichtabstrahler 4 werden beispielsweise aus einem gefärbten, lichtsammelnden bzw. -abstrahlenden Kunststoffpolymeren auf der Basis eines brandwidrig eingestellten Polycarbonates, eines Polymethyl­ methacrylats (PMMA) oder eines Celluloseproprionats in den Fluorszenzfarben Blau, Grünblau, Grün, Gelb, Orange, Rot und Dunkelrot von der Firma Bayer AG unter der Handelsbezeichnung LISA-Kunststoffe hergestellt. Diese Kunststoffe (z.B. LISA KL 1-9400) haben sehr günstige mechanische Eigenschaften, so liegen beispielsweise ihre Reißfestigkeiten σ _R über 65 MPa und ihre Reißdehnungen ε _R bei 110%. Der E-Modul dieser Kunststoffe wird in anwendungstechnischen Mitteilungen dieser Hersteller­ firma (z.B. in Nr. 382/83) mit 2300 MPa und die Kugel­ druckhärte H 30 mit 110 N/mm² angegeben. Der thermische Längenausdehnungkoeffizient α liegt bei 65 K^-1×10^-6 und die Wärmeleitfähigkeit λ bei 0,21 W/Km. Der Lichtsammler 1 wird bevorzugt in den Farben Gelb und Orange ausgeführt.

Fig. 2 zeigt ein Lichtleitkabel 3, das von einer Kunststoffhülle 4 zum Schutz des Lichtleiters 3 umgeben ist und dessen Ende in einer Messinghülse 5 gefaßt ist. Die Fasern des Lichtleiters 3 sind verklebt und ihre Stirnseiten 8 a (Fig. 3) geschliffen sowie poliert.

Wie bereits zuvor beschrieben, sind Lichtleitkabel die Bauelemente der Faseroptik und weisen in der Regel flexible Lichtleiter auf, die aus einem hochbrechenden Glaskern und einem niedrigbrechenden Glasmantel bestehen. Ein Lichtstrom kann durch derartige flexible Lichtleiter einfach und raumsparend zu beliebigen Orten geleitet werden. Durch Zusammenführen zweier oder mehrarmiger Faserbündel werden mehrarmige Lichtleiter beliebiger Form und Größe hergestellt (siehe Fig. 2a). Querschnitte von Faserbündeln können gewandelt werden, um vorhandenes Licht optimal auszunutzen. Für Massenanwendungen werden Licht­ leitfasern in entsprechender Anzahl gemeinsam gezogen und in rationellen Fertigungsprozessen kontinuierlich mit einer Hülle aus PVC umspritzt. Weitere Einzelheiten über die Grundlagen der Lichtübertragung durch Faseroptik, die optischen Eigenschaften und die Anwendungen faseroptischer Bauelemente finden sich in einer Veröffentlichung von A. Jacobsen mit dem Titel "Die Lichtübertragung durch Faseroptik", erschienen in der Zeitschrift "Feinwerk­ technik und Meßtechnik", im Heft 3, 1975, S. 117-121 und auch als Druckschrift Nr. 7028d der Firma SCHOTT Glaswerke in Mainz. Lichtleiter bzw. Lichtleitkabel der beschriebenen Art werden insbesondere von den SCHOTT Glaswerken in Mainz hergestellt. Es wird in diesem Zusammenhang bei­ spielsweise auf ihre Firmenschriften 7104/1d X/80, 7116/2d VI/82 und 7128d VII/83 hingewiesen.

Fig. 2a zeigt ein mehrarmiges Lichtleitkabel 3 a, das durch die Metallhülse 5 gefaßt ist.

Wie die Fig. 3 zeigt, ist der Lichtsammler 1 in einem am Dach A befestigten Rahmen 6 mit Führungen 7 ge­ haltert, wobei der Rahmen 6 an seiner Oberseite 6 a für das Sammeln des Tageslichtes durch den Lichtsammler 1 fast in den Abmaßen des Lichtsammlers 1 offen ist. An seiner Unterseite kann der Rahmen 6 geschlossen oder ebenfalls offen sein, um wertvolles Material einzusparen. An Stirnseiten 8 a, 8 b (nicht gezeigt) des Lichtsammlers 1 ist das Lichtkabel 3 (nicht gezeigt) des faseroptischen Bauelementes 2, beispielsweise mittels Federklammern (nicht gezeigt) oder Steckverbindung (nicht gezeigt), lichtleitend anschließbar. Zum Befestigen des Rahmens 6 am Dach A können im Rahmen 6 vorgesehene Gewindebohrungen 9 verwendet werden.

In Fig. 4 ist eine Halteplatte 10 zum Einschieben des aus einer Kunststoffplatte bestehenden Lichtabstrahlers 4 gezeigt. Die Halteplatte 10 ist, wie der Rahmen 6 für den Lichtsammler 1, mit einer Führung 11 versehen. Das obere Teil 12 der Halteplatte 10 weist Gewindebohrungen 13 zur Aufnahme entsprechender Gewindebolzen auf, mit denen die Halteplatte 10 an der Decke E befestigt werden kann. In der Halteplatte 10 ist zentral eine Bohrung 14 für das Lichtkabel 3 (nicht gezeigt) vorgesehen, um dieses mit dem Lichtabstrahler 4 lichtleitend zu verbinden. Der Lichtabstrahler 4 wird bevorzugt in den Farben Gelb und Orange ausgeführt. Durch Abarbeiten (z.B. durch Ab­ schleifen) der oberen Deckschicht der Kunststoffplatte des Lichtabstrahlers 4 kann die lichtabgebende, fluores­ zierende Innenschicht der Kunststoffplatte des Licht­ abstrahlers 4 freigelegt werden, so daß die gesamte Abstrahlfläche zur indirekten Beleuchtung einer Raum­ anlage mit Tageslicht zur Verfügung steht.

Anstelle des Rahmens 6 in Fig. 3 zur Halterung des Lichtsammlers 1 sowie anstelle der Halteplatte 10 in Fig. 4 zur Aufnahme des Lichtabstrahlers 4 können auch andere Einrichtungen verwendet werden.

Um eine höhere Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Anlage zu erreichen, kann der Lichtsammler 1 in vorteilhafter Weise auch so gestaltet sein, daß die Lichtmenge nicht an allen Kanten, sondern an einer Stelle konzentriert austritt. Dies kann bspw. dadurch geschehen, daß die Kanten verspiegelt sind. An der Stelle, an der das Licht konzentriert aus dem Lichtsammler 1 austritt,wird es vom faseroptischen Bauelement 2 aufgenommen und zum Licht­ abstrahler 4 weitergeleitet. Hier erfolgt die Streuung und Abstrahlung des Lichts.

Claims (11)

1. Anlage zum indirekten Beleuchten von Raumanlagen mit Tageslicht, gekennzeichnet durch eine Kombination, bestehend aus einem Lichtsammler (1), einem faseroptischen Bauelement (2) und einem Licht­ abstrahler (4), wobei der Lichtsammler (1) in einer Ein­ richtung gehaltert und die Einrichtung an einem Ort einer Bauanlage mit der höchsten Tageslichteinstrahlung ange­ bracht ist, das faseroptische Bauelement (2) am Licht­ sammler (1) lichtleitend angeschlossen ist und das faser­ optische Bauelement (2) wiederum mit dem in einer weiteren Einrichtung angeordneten Lichtabstrahler (4), der in der zu beleuchtenden Raumanlage montiert ist, lichtleitend in Verbindung steht.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Halterung des Lichtsammlers (1) aus einem Rahmen (6) besteht.

3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Halterung des Lichtabstrahlers (4) aus einer Halteplatte (10) besteht.

4. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsammler (1) aus einer Kunststoffplatte her­ stellbar ist, die aus einem gefärbten, lichtsammelnden Polymeren, beispielsweise auf der Basis eines brandwidrig eingestellten Polycarbonats, eines Polymethylmethacrylats (PMMA) oder eines Celluloseproprionats, besteht.

5. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das faseroptische Bauelement (2) als flexibles Licht­ leitkabel (3) ausgebildet ist und von einer Kunststoff­ hülle (4) umgeben ist, wobei das Ende des Lichtleitkabels (3) eine Messinghülse (5) aufweist.

6. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das faseroptische Bauelement (2) ein starres Kon­ struktionsteil ist.

7. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtabstrahler (4) aus einer Kunststoffplatte herstellbar ist, die aus einem gefärbten, lichtleitenden bzw. -abstrahlenden Polymeren, beispielsweise auf der Basis eines brandwidrig eingestellten Polycarbonats, eines Polymethylmethacrylats (PMMA) oder eines Cellulosepro­ prionats, besteht.

8. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtleitkabel (3) mehrarmig ausgebildet ist.

9. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsammler (1) und der Lichtabstrahler (4) bevorzugt in den Farben Gelb und Orange ausgeführt sind.

10. Anlage nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die fluoreszierende Innenschicht der Kunststoffplatte des Lichtabstrahlers (4) freilegbar ist, so daß die gesamte Abstrahlfläche des Lichtabstrahlers (4) zur indirekten Be­ leuchtung zur Verfügung steht.

11. Anlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß an den Außenflächen des Lichtsammlers (1) Verspiege­ lungen angebracht sind, derart, daß das Licht an einer Stelle des Lichtsammlers (1) konzentriert austritt, an der das faseroptische Bauelement (2) lichtleitend angeschlossen ist.