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DE8807959U1 - Optische Vorrichtung, insbesondere für Tageslicht-Beleuchtungssysteme

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Priority date: 1988-06-21
Filing date: 1988-06-21
Publication date: 1988-08-11

Description

Optische Vorrichtung, insbesondere für Tages Iicht-BeIeuchtungssysteme

Die Neuerung bezieht sich auf eine optische Vorrichtung, insbesondere für Tageslicht-Beleuchtungssysteme nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Der normale Einfall von Tageslicht durch Fenster führt bekanntlich zu einer sehr ungleichmäßigen Beleuchtung des Raumes. Die Beleuchtungsstärke ist in Fensternähe am größten und nimmt mit zunehmender Raumtiefe überproportional ab. In Fensternähe können störende Blendungen auftreten, während ab einer gewissen Raumtiefe auch tagsüber Kunstlicht erforderlich ist, wenn z.B. in Büroräumen Arbeiten ausgeführt

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werden mC;ssen. Durch Vergrößerung der Fensterflächen sowie eine Optimierung ihrer Lage im Hinblick auf den Hauptlichttinfall können größere Raumtiefen noch ausreichend beleuchtet werden. Da das natürliche Licht, insbesondere das direkte Sonnenlicht einen hohen Infrarotanteil enthält., kann es mit den Schwankungen des Lichteinfal Is aber zu erheblichen Temperaturschwankungen in den beleuchteten Räumen kommen, die als unangenehme KIima Schwankungen erfahren werden.

Is sind bereits sogenannte Tages Iichtsyst erne bekannt geworden, bei dener₍ Prismenplatten als Fensterscheiben bzw. vor den Fensteröffnungen angeordnet werden, die die direkte Sonneneinstrahlung ausblenden und nur das diffuse Tageslicht ge- «treut hindurchlassen (Prospekt Siemens A6 "Tages I ichtsyst em"). Cegebenenfa I I s zusätzlich an der Decke angeordnete Reflektoren-Systeme sollen der Vergleichmäßigung der Beleuchtung dienen, tin derartiges System ist z.B. aus der DE-OS 29 36 295 bekannt geworden.

Nachteilig bei dem bekannten Tages Iichtsystem ist, daß die Prismenplatten undurchsichtig sind. Der Verzicht auf die stärkste Lichtquelle, nämlich das Sonnenlicht, beschränkt das bekannte Tageslichtsystem suf tiie Nutzung des Zenitlich Die Kapazität eines solchen Systems ist daher notw-e?!," weise beschränkt.

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Der Neuerung Liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Voi— richtung zu schaffen, mit der zu BeLeuchtungszwecken Licht einer punktförmigen Lichtquelle, z.B. der Sonne auf einfache Weise aufgefangen und zu einem entfernten Ort gelenkt werden kann, und zwar auch dann, wenn die Lichtquelle ihre relative Lage ändert.

Diese Aufgabe wird neuerungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1 gelöst.

Die neuerungsgemäße Vorrichtung sieht einen optischen Körper vor, bei dem in einer scheibenförmigen Anordnung eine Reihe von in der Ebene des Körpers ineinander liegenden, stufenweise angeordneten Reflektorflächen vorgesehen ist. Die Reflektorflächen werden von jeweils zwei Parabeln begrenzt, wobei die Achsen der einzelnen Parabeln annähernd auf einer Linie und deren Scheiteln auf einer Seite einer Achse liegen, die annähernd senkrecht auf dem scheibenartigen Körper steht. Ferner fallen die Brennpunkte der Parabeln annähernd zusammen. Die Reflektorflächen sind in Lichtung von der Achse fort unterschiedlich geneigt. Außerdem haben sie eine unterschiedliche Neigung entlang dem parabelförmigen Verlauf. Die Neigung ist derart, daß der Neigungswinkel der einzelnen Reflektorflächen von der Achse ausgehend radial nach außen zunimmt. Der Neigungswinkel der einzelnen Ref lektorfIächen nimmt jedoch mit dem Abstand vom Scheitel ab. Mit den auf diese Weise definierten Reflektorflachen wird ein Reflektorkörper erhalten, der von einer punktförmigen Lichtquelle aus gesendetes Licht in einem Brennpunkt bün-

delt, der im Abstand zum scheibenförmigen Körper Liegt. Im Gegensatz z.B. zu einem Parabolreflektor ist die Ei nf al Isn'chtung des Lichtes nicht in Richtung der Achse des Paraboloiden, sondern in einem spitzen Winkel zur Achse des optischen Körpers, z.B. von 45°. Es versteht sich, daß dieser Winkel abhängig ist von dem Neigungsverlauf der einzelnen Reflektorflächen. Umgekehrt können die Neigungen entsprechend einem gewünschten Einfallswinkel gewählt werden. Der neuerungsgemäße optische Körper läßt außerdem ein sektorartiges Fenster frei, das z.B. durch die Parabel der innersten Reflektorfläche begrenzt sein kann. Das Fenster kann auch von einem Schlitz gebildet sein, der entsprechend der Drehung des optischen Körpers in Relation zum Sonnenstand gekrümmt ist. Wird nun dem Brennpunkt ein Umlenkspiegel, beispielsweise ein Parabolspiegel zugeordnet, wird das im Brennpunkt gebündelte Licht zurück durch das Fenster des optischen Körpers hindurchgeworfen.

Ein in der beschriebenen Weise aufgebauter optischer Körper kann z.B. vor einem Fenster angeordnet und zur Reflexion des Sonnenlichts in das Gebäudeinnere dienen, wobei das Licht vorzugsweise gegen die Decke gerichtet wird. In diesem FjLL ist der Reflexionsspiegel nach einer Ausgestaltung der Neuerung vorzugsweise als Kaltlichtspiegel ausgebildet, so daß eine Aufheizung des beleuchteten Raumes durch von der Sonnenstrahlung kommende Sonnenstrahlen vermieden wird.

Bei stationärer Anordnung des neuerungsgemäßen optischen Körpers erfolgt naturgemäß nur bei einem einzigen Sonnenstand die

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beschriebene Bündelung des Sonnenlichts und dementsprechend seine Reflexion z.B. in ein Gebäude hinein. Der neuerungsgemäße optische Körper kann jedoch der Sonnenbewegung nachgefahren werden, ohne daß hierzu eine besondere um zwei
orthogonale Achsen bewegbare Lagerung notwendig wäre. Vielmehr kann nach einer Ausgestaltung der Neuerung der optische Körper um die erwähnte senkrechte Achse drehbar gelagert und mit Hilfe eines Motorantriebs antreibbar sein. Nach einer
Ausgestaltung der Neuerung kann der Antriebsmotor ein Schrittmotor sein. Neuerungswesentlich ist, daß das Nachfahren der Sonnenbewegung bei dem neuerungsgemäßen optischen Körper ausschließlich durch die Drehung um die eine Achse stattfinden kann, was, z.B.. mit Hilfe des Schrittmotors, und einer konstruktiv einfachen Lagerung problemlos bewältigt werden kann. Z.B. kann ein einfacher Sensor die Sonnenstellung ermitteln und über eine entsprechende Steuerungsschaltung den Antrieb des optischen Körpers steuern. Es ist jedoch auch denkbar,
die Steuerung über eine programmierbare Uhr durchzuführen,
da die Sonnenbewegung für die jeweilige Uhrzeit beim jeweiligen Datum vorausberechnet werden kann. Vorzugsweise ist jedoch die Anordnung des optischen Körpers nicht starr, vielmehr kann die Achse des vertikalen Körpers auch in einer vertikalen Ebene verschwenkt werden, um eine Anpassung an die jeweiligen Jahreszeiten zu bewirken. Hierzu bedarf es keines

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besonderen Antriebs, wenngleich auch hierfür naturgemäß ein Schwenkantrieb eingesetzt werden kann.

Eine alternative Lösung der neuerungsgemäßen Aufgabe besteht in den Merkmalen des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 2. Danach weist ein scheibenartiger optischer Körper eine Reihe von ineinander liegenden Brechungselementen auf, di^ jeweils von zwei beabstandeten Parabeln begrenzt sind. Bezüglich der Anordnung der Parabeln besteht Übereinstimmung mit dem weiter oben beschriebenen optischen Körper. Die Brechungselemente lenken, vergleichbar einem Fresnelspiegel, das Licht der punktförmigen Lichtquelle zu einem Brennpunkt hinter dem optischen Körper. In diesem Brennpunkt kann wiederum ein Umlenkspiegel angeordnet werden. Wird z.B. der optische Körper vor einer Fensteröffnung angeordnet, befindet sich der Umlenkspiegel im Gebäudeinneren. Auch der als Brechurigskcrper wirkende optische Körper kann in der oben beschriebenen Weise zur Umlenkung des Somenlichts in ein Gebäude eingesetzt und in der oben beschriebenen Art und Weise der Sonnenbewegung nachgefahren werden.

Die Reflektorflächen bzw. die BrechungseI.*»«ente sind vorzugsweise nach einer weiteren Ausgestaltung der Neuerung von einzelnen Lamellen gebildet, die im Fall der Reflektorflächen z.B. von Metallblechen gebildet sein können. Vorzugsweise ist

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zwischen den Lamellen ein Spalt angeordnet. Die Vielzahl der Spalte im optischen Körper erlaubt z.B. wie bei einer nicht vollständig geschlossenen Jalousie den Durchblick durch die Fensteröffnung nach draußen. Außerdem ermöglichen sie den Durchtritt von diffusem Tageslicht, das selbstverständlich ebenfalls zur Beleuchtung herangezogen wird.

Die die Reflektorflächen bildenden Lamellen können ebenfalls aus einem durchsichtigen oder durchscheinendem Material bestehen, wobei die außen liegenden Flächen der Lamellen Spiegelwirkung haben. Bei einem derartig aufgebauten optischen Körper kann relativ viel Streulicht hindurchtreten, um zusätzlich zum direkt eingebrachten Sonnenlicht einen Gebäuderaum be leuchten .

Wird die neuerungsgemäße optische Vorrichtung als sogenanntes Tageslicht-Beleuchtungssystem eingesetzt, schützt es den fensternahen Bereich eines Raumes vor direkter Sonnereinstrahlung und lenkt diese in die Raumtiefe. Die Bewegungsbahn der Sonne kann ohne eine komplizierte Mechanik verfolgt werden. Der optische Körper ist flach, wobei seine Lamellen so gestellt sein können, daß die Sicht durch das Fenster nach außen erhalten bleibt. Diffuses Licht wird daher diffus in den Raum gelenkt. Die Verfolgung der Sonnenkurve erfolgt ausschließlich durch Drehung um eine Achse, wobei die Neigung der Achse

sich am Breitengrad des Einsatzortes und an der Jahreszeit orientiert. Bei einer derartigen Anwendung wird das Sonnenlicht zu Beleuchtungszwecken optimal genutzt mit einem Minimum an Wärmetransport. Die für die Vorrichtung zu verwendenden Bauteile sind leicht herstellbar und erfordern einen verhältnismäßig geringen Materialeinsatz. Abgesehen von Reinigungsarbeiten erfolgt der Betrieb wartungs frei. Die Energieversorgung des Motors kann gegebenenfalls durch Sonnenenergie

erfolgen. Die neuerungsgemäße vorrichtung kann vor Fassadenfenstern und auch Oberlichtfenstern angebracht werden.

Die neuerungsgemäße Vorrichtung ist jedoch keineswegs auf die Anwendung in Tages I ichtsystemen beschränkt. So kann sie beispielsweise in Verbindung mit Beleuchtungsobjekten innerhalb von Räumen verwendet werden. Das Sonnenlicht kann z.B. durch eine künstliche punktförmige Lichtquelle ersetzt werden. Ist diese stationär, ist auch eine Verdrehung des optischen Körpers nicht erforderlich; wird er

hingegen verdreht, können z.B. bestimmte dynamisch-optische Effekte erzielt werden.

Die Neuerung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Gebäude sowie den Fenstern zugeordnete schematisch dargestellte optische Vorrichtungen nach der Neuerung.

Fig. 2 zeigt perspektivisch eine Fassadenecke mit einer Reihe von optischen Vorrichtungen nach der Neuerung.

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Fig. 3 zeigt perspektivisch einen optischen Körper nach der Neuerung.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch eine optische Vorrichtung nach der Neuerung.

Fig. 5 zeigt verschiedene Schnitte durch einen der optischen Körper nach Fig. 2.

Bevor auf die in den Zeichnungen dargestellten Einzelheiten näher eingegangen wird, sei vorangestellt, daß jedes der beschriebenen Merkmale für sich oder in Verbindung mit Merkmalen der Ansprüche von neuerungswesentlicher Bedeutung sein kann.

In Fig. 1 ist ein Gebäude 10 im Schnitt gezeigt, mit mehreren Stockwerken, wobei Räume 11, 12 und 13 zu erkennen sind. Den Räumen 11 bis 13 sind Fensteröffnungen 14, 15, 16 zugeordnet. Jedem Fenster 14 bis 16 ist optische Vorrichtung 20 zugeordnet, die sich außerhalb vor der Fassade befindet. Jede Vorrichtung 20 weist einen optischen Körper 21, einen Parabolreflektor 22, eine Welle 23 und ein Lager 24 für die Welle 23 auf. Fig. 2 zeigt die Fassade des Gebäudes 10 mit einer Reihe von optischen Vorrichtungen 20, wobei der Aufbau des optischen Körpers andeutungsweise zu erkennen ist. Er besteht aus einer Reihe von in der Ebene des Körpers ineinander verschachtelten Lamellen 30, die jeweils

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von zwei Parabeln begrenzt sind. Die Scheitel der Parabeln liegen annähernd auf einer Achse, die mit der Achse der Parafceln zusammenfällt. Die Scheitel liegen auf einer Seite einer Senkrechten Achse durch den scheibenförmigen optischen Körper 21, die diesen Körper bei 31 durchdringt. Auf der gegenüberliegenden Seite ist von der innersten Parabel ein Fenster 32 freigelassen. In Fig. 3 sind die Lamellen 30 etwas deutlicher zu erkennen. In Verbindung mit Fig. 4 und 5 ist zu sehen, daß jede Lamelle 30 in ihrem parabeIförmigen Verlauf eine unterschiedliche Neigung bezüglich der Ebene des Körpers 20 aufweist. Die Neigung ist im Scheitelbereich am größten und nimmt zu den Enden hin kontinuierlich ab. Ferner ist zu erkennen, daß von der Achse ausgehend radial oder annähernd radial die Lamellen von innen nach außen eine zunehmende Neigung aufweisen. Die unterschiedliche Neigung läßt sich z.B. an Fig. 5 erkennen. Dort sind in übereinanderliegenden Reihen a bis h unterschiedliche Schnitte durch den optischen Körper 20 gezeigt. Die Reihe a gibt eiren Schnitt durch die 0 -Linie wieder, welche mit der Parabelachse zusammenfällt. Die nachfolgenden Reihen b bis h geben für Winkel von 15, 30, 45, 60, 75, 90 und 105° relativ zur Achse die Schnitte wieder. Bezüglich des Schnittes durch die Null-Linie (Reihe a) ist zu erkennen, daß die innerste Lamelle 30 eine Neigung von 24 aufweist, während die äußerste eine Neigung von 44 besitzt.

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Der parabelförmige Verlauf der einzelnen Lamellen 30, die
sich, wie zu erkennen, von innen nach außen vergrößern, sowie deren Steigung und Steigungsverlauf sind so gewählt, daß bei einer Einstrahlung eines Lichts von einer punktförmigen Lichtquelle in einem spitzen Winkel zur Ebene des optischen Körpers 20 eine Fokussierung in einem Brennpunkt vor dem optischen
Körper 20 erfolgt. Dieser Einfallswinkel kann beispielsweise etwa 45° betragen. Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch den optischen Körper 21 durch die beschriebene Null-Linie. Die untei— schiedliche Neigung der Lamellen 30 ist ebenfalls deutlich zu erkennen. Ein einfallender Sonnenstrahl ist mit 40 bezeichnet. Er wird von einer Lamelle 30 zum Brennpunkt 41 reflektiert,
der mit dem Brennpunkt des Parabolspiegels 22 zusammenfällt. Der Parabolspiegel 22, der ein Kaltlichtspiegel ist, reflektiert den Lichtstrahl 40 in Richtung des Strahls 42. Dieser
gelangt mithin durch das Fenster 32 und kann gegen die Decke eines der Räume 11, 12, 13 (Fig. 1) gelenkt werden zur Ausleuchtung im hinteren Bereich.

Die Lamellen 30 sind stufenartig angeordnet, so daß zwischen ihnen ein Spalt 43 verläuft. Werden die Lamellen 30 in einem größeren Abstand angeordnet, wird dadurch die Durchsicht durch den optischen Körper 21 ermöglicht sowie den noch größeren
Eintritt von Streulicht in das Innere des Gebäudes. Die Lamellen 30 können auch aus durchsichtigem oder durchsehennen-

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dem Material bestehen mit spiegelnder Oberfläche, so daß nur das entsprechend auf die Spiegelfläche auftretende Sonnenlicht reflektiert wird, Streulicht hingegen hindurchgelassen wird (semipermeabler Spiegel).

Der Parabolspiegel 22 ist an einer Stange 45 befestigt, d'»<s durch die Welle 23 hindurchgeführt ist, da der Parabolspiegel 22 die Rotation des optischen Körpers 21 nicht mitmacht. Die Rotation der Welle erfolgt mit Hilfe eines Schrittmotors, der in der Lageranordnung 24 angeordnet ist. Der Schrittmotor wird beispielsweise durch eine Zeituhr oder einen die Sonnenbahn verfolgenden Sensor gesteuert. Die Neigung der Welle 23 kann innerhalb einer vertikalen Ebene eingestellt werden, um die optische Vorrichtung dem Breitengrad des Einsatzortes bzw. der jahreszeitlich bedingten Veränderung der Sonnenbahn anzupassen.

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Claims

I I Ansprüche

1. Optische Vorrichtung, insbesondere für Tages Iicht-Beleuchtungssysteme, dadurch gekennzeichnet, daß ein optischer scheibenartiger Körper (21) vorgesehen ist, der eine Reihe von in der Körperebene ineinander liegenden, von jeweils zwei beabstandeten Parabeln begrenzten, Stufen bildenden Ref lektorfLachen aufweist, die alle annähernd den gleichen Brennpunkt haben und deren Achsen annähernd auf einer Linie und deren Scheitel auf einer Seite einer sich annähernd senkrecht zum optischen Körper (21) erstreckenden Achse (31) liegen, wobei die innerste Reflektorfläche ein Fenster (32) freiläßt, das auf der den Scheiteln gegenüberliegenden Seite der Achse (31) liegt, daß ferner die Reflektoi— flächen (30) zur Ebene des Körpers (21) geneigt sind, wobei der Neigungswinkel der einzelnen Ref lektorfLachen (30) von der Achse (31) ausgehend radial nach außen zunimmt, der Neigungswinkel der Reflektorflächen jedoch mit dem Abstand von ihrem Scheitel abnimmt dergestalt, daß von einer Punkt LichtqueLLe ausgehendes Licht in einem im Abstand zum optischen Körper (21) liegenden Brennpunkt (41) gebündelt wird, wenn die Einfa LLsrichtung des Lichtes einen vorgegebenen, annähernd spitzen Winkel zum optischen Körper (21) einnimmt und daß dem Brennpunkt (41) ein Umlenkspiegel (22), vorzugsweise ein Parabolspiegel, zugeordnet ist.

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2. Optische Vorrichtung, insbesondere für Tages Licht-Beleuchtungssysteme, dadurch gekennzeichnet, daß ein optischer scheibenartiger Körper vorgesehen ist, der eine Reihe von ineinander verschachtelten, von jeweils zwei beabstandeten ParabeLn begrenzten Stufen biLdenden BrechungseLementen aufweist, deren Achsen annähernd auf einer Linie und deren Scheitel auf einer Seite einer sich annähernd s^ikrecht durch den optischen Körper erstreckenden Achse Liegen, daß ferner die Brechungselemente zur Ebene des optischen Körpers geneigt sind, wobei der Neigungswinkel der einzelnen BrechungseLemente von der Achse ausgehend radial nach außen zunimmt, der Neigungswinkel der Brechungselemente jedoch mit dem Abstand von ihrem Scheitel abnimmt dergestalt, daß von einer Punkt LichtqueLLe ausgehendes Licht in einem Abstand hinter dem optischen Körper liegenden Brennpunkt gebündelt wird, wenn die EinfalIsrichtuig des Lichts einen annähernd spitzen vorgegebenen Winkel zum optischen Körper einnimmt und daß dem Brennpunkt ein Umlenkspiegel, vorzugsweise ein Parabolspiegel, zugeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Körper (21) um die senkrechte Achsr drehbar gelagert und vorzugsweise mittels eines anKuppeLbaren Motorantriebs antreibbar ist.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen von einem die Lage der Punkt IichtqueLIe erfassenden Sensor gesteuerten Antrieb, vorzugsweise Schrittmotor.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel (22) ein Kaltlichtspiegel ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Lagervorrichtung (24) für den optischen Körper (21) dergestalt, daß die Neigung der senkrechten Achse (31) in einer vertikalen Ebene verstellbar ist .

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel mit der Lagerung für den optischen Körper verbunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ref lektorf lachen von Lamellen (30) gebildet sind, die durch Stege miteinander verbunden und/oder die auf einem Trägerkörper angebracht sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen aus einem einteiligen Zuschnitt geformt sind.

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10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Reflektorflächen bzw. Brechungselementen Spalte vorgesehen sind für den Durchtritt von Streulicht.