WO1997019372A1 - Light-directing panels - Google Patents

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WO1997019372A1
WO1997019372A1 PCT/DE1996/002034 DE9602034W WO9719372A1 WO 1997019372 A1 WO1997019372 A1 WO 1997019372A1 DE 9602034 W DE9602034 W DE 9602034W WO 9719372 A1 WO9719372 A1 WO 9719372A1
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Volker Benz
Michael Meier-Kaiser
Michael Müller
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Röhm Gmbh
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21LIGHTING
    • F21SNON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S11/00Non-electric lighting devices or systems using daylight
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E06DOORS, WINDOWS, SHUTTERS, OR ROLLER BLINDS IN GENERAL; LADDERS
    • E06BFIXED OR MOVABLE CLOSURES FOR OPENINGS IN BUILDINGS, VEHICLES, FENCES OR LIKE ENCLOSURES IN GENERAL, e.g. DOORS, WINDOWS, BLINDS, GATES
    • E06B9/00Screening or protective devices for wall or similar openings, with or without operating or securing mechanisms; Closures of similar construction
    • E06B9/24Screens or other constructions affording protection against light, especially against sunshine; Similar screens for privacy or appearance; Slat blinds
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E06DOORS, WINDOWS, SHUTTERS, OR ROLLER BLINDS IN GENERAL; LADDERS
    • E06BFIXED OR MOVABLE CLOSURES FOR OPENINGS IN BUILDINGS, VEHICLES, FENCES OR LIKE ENCLOSURES IN GENERAL, e.g. DOORS, WINDOWS, BLINDS, GATES
    • E06B9/00Screening or protective devices for wall or similar openings, with or without operating or securing mechanisms; Closures of similar construction
    • E06B9/24Screens or other constructions affording protection against light, especially against sunshine; Similar screens for privacy or appearance; Slat blinds
    • E06B2009/2417Light path control; means to control reflection

Definitions

  • the invention relates to light guide plates made of transparent plastic which serve to better illuminate rooms by means of daylight
  • FIG. 1 represents a typical interior. The following reference numerals apply to FIG.
  • FIG. 2 shows the room depicted in FIG. 1 now equipped with the light-guiding element according to the invention in part of the window area.
  • the reference symbol LLP stands for the light-guide plate. The remaining reference symbols correspond to those in FIG. 1
  • thin bands made of a plastic B with the refractive index ne, are preferably extruded, with the proviso that ⁇ A is more wet, or that plastic B and plastic A have separated from one another by a separating gap.
  • the light-guiding effect can be achieved by means of both features, which are different per se.
  • the separating surface of the materials or the material transition is accordingly either noticeable only as a result of the difference in the refractive indices or is - when formed the separation gap - very clearly recognizable as a reflecting surface
  • the strips made of plastic B can be arranged both perpendicular to the plate surface and at an angle ⁇ ⁇ 90 ° to the plate surface
  • the incident light beam passes through the boundary surface. Since the preferred production mode of the light guide plates LLP is the coextrusion of the plate together with the thin strips inserted, there are primarily coextrusion-capable, transparent thermoplastics, whereby the above-mentioned condition >A> ne must be observed.
  • the difference ⁇ n is preferably at least 0.05. The greater the refractive index difference, the greater is the critical angle ⁇ G and thus the effectiveness of the system. A sufficient effectiveness of the system even at small critical angles ⁇ G can be achieved by tilting the plastic bands ( ⁇ ⁇ 90 °). By tilting the bands, the angle of incidence is reduced to the boundary surface ⁇ E (case II in Fig. 4)
  • Plastics A of this type Polymers such as polymethyl methacrylate (PMMA and copolymers) or polycarbonate (PC) can be used as plastics A of this type, while plastics B - provided that plastic A consists of polycarbonate - can also be fluorinated polymers as PMMA
  • the refractive index of plastic A can preferably be higher, but also the same or lower than that of plastic B total reflection caused by the separation point is strong enough to produce an impressive light-guiding effect.
  • the width of the separation gap must be greater than 1 ⁇ m
  • the thickness of the light guide plates LLP is generally in the range from 2 to 20 mm.
  • the inserted, preferably extruded, strips from the plastic B generally have a thickness of 0.05-0.5 mm and a width of 50 to 95% based on the Thickness of the plate consisting of A
  • the strips of plastic B are regularly arranged in the plastic plates A at mutual distances of 2 to 40 mm
  • the other dimensions of the light guide plates LLP are expediently adapted to the glazing units, in particular the window or door formats. A limitation of the dimensions due to the extrusion technology used is generally not to be expected
  • the light guide plates according to the invention can be successfully used to better illuminate rooms, including workshops, halls, basements, vaults, shafts, and possibly also vehicles such as ships. Their use can not only contribute to energy savings but also to better ergonomic design of work spaces

Abstract

The invention concerns light-directing panels made up of transparent plastic materials. The panel consists of a transparent plastic A in which several thin strips of another plastic B have been incorporated, plastic A and plastic B differing from each other in refractive index or in coefficient of thermal expansion.

Description

LICHTLEITPLATTENLIGHT GUIDES
BESCHREIBUNGDESCRIPTION
Gebiet der ErfindungField of the Invention
Die Erfindung betrifft Lichtleitplatten aus transparentem Kunststoff die zur besseren Ausleuchtung von Räumen mittels Tageslicht dienenThe invention relates to light guide plates made of transparent plastic which serve to better illuminate rooms by means of daylight
Aufgabe und LosungTask and slogan
Zu den ganz im Vordergrund stehenden Aufgaben der Technik gehört die Energieeinsparung bzw die Schonung der vorhandenen Ressourcen Die diesbezüglichen Untersuchungen haben sich neben der Einsparung fossiler Energieträger auch der Verminderung des Verbrauchs an elektrischer Energie zugewandtOne of the most important tasks in technology is to save energy or conserve existing resources. In addition to saving fossil fuels, the studies in this area have also turned to reducing the consumption of electrical energy
Ein Problem bei der Ausleuchtung von relativ tiefen Räumen mit Tageslicht besteht dann, daß besonders bei steil stehender Sonne der hintere, fensterabgewandte Bereich der Räume nicht adäquat ausgeleuchtet ist [vgl Fig 1 ] Dieser Umstand fuhrt dazu, daß Teile des Raums auch tagsüber schon mit Kunstlicht ausgeleuchtet werden müssen, was sowohl energetisch als auch ergonomisch von Nachteil ist Fig 1 stellt einen typischen Innenraum dar Für Fig 1 gelten die folgenden BezugszeichenA problem with the illumination of relatively deep rooms with daylight is that the rear area of the room facing away from the window is not adequately illuminated, particularly when the sun is steep [cf. FIG. 1]. This fact means that parts of the room are also lit with artificial light during the day must be illuminated, which is both energetically and ergonomically disadvantageous. FIG. 1 represents a typical interior. The following reference numerals apply to FIG
S = Einfallendes Sonnenlicht H = Zone relativer HelligkeitS = incident sunlight H = zone of relative brightness
F = Fenster D = Zone relativer DunkelheitF = window D = zone of relative darkness
T = TurT = door
Die vorliegende Erfindung hat sich nun zur Aufgabe gesetzt, hier Abhilfe zu schaffen Zur Losung des Problems werden sogenannte Lichtleitelemente eingesetzt Diese Lichtleitelemente sammeln - über einen Teil der Fensterflache - das Tageslicht und lenken es in die Tiefe des Raums oder gegen die Decke (Fig 2) Die Lichtleitelemente bewirken somit eine Umlenkung des von außen steil einfallenden Tageslichts Fig 2 stellt den in Fig 1 abgebildeten Raum nunmehr ausgestattet mit dem erfindungsgemaßen Lichtleitelement in einem Teil der Fensterflache dar Das Bezugszeichen LLP steht für die Lichtleitplatte Die übrigen Bezugs¬ zeichen entsprechen denen in Fig 1The present invention has set itself the task of remedying this problem. So-called light-guiding elements are used to solve the problem. These light-guiding elements collect daylight through part of the window surface and direct it into the depth of the room or against the ceiling (FIG. 2). The light-guiding elements thus redirect the daylight, which falls steeply from the outside FIG. 2 shows the room depicted in FIG. 1 now equipped with the light-guiding element according to the invention in part of the window area. The reference symbol LLP stands for the light-guide plate. The remaining reference symbols correspond to those in FIG. 1
Um die gewünschte Umlenkung zu erzielen, wird eine Lichtleitplatte LLP mit folgendem Aufbau vorgeschlagen (Fig 3)In order to achieve the desired deflection, an LLP light guide plate with the following structure is proposed (FIG. 3)
In eine - in der Regel ebene - Platte aus transparentem Kunststoff A mit dem Brechungsindex ΠA werden dünne Bander, aus einem Kunststoff B mit dem Brechungsindex ne eingefugt, vorzugsweise einextrudiert, mit der Maßgabe, daß ΠA großer nß ist, oder daß Kunststoff B und Kunststoff A sich durch einen Trennspalt voneinander abgelost haben Durch beide, an sich unter¬ schiedliche Merkmale, kann der Lichtleiteffekt erzielt werden Die Trenn¬ flache der Materialien bzw der Mateπalubergang ist dabei dement¬ sprechend entweder nur infolge des Unterschieds der Brechungsindices bemerkbar oder ist - bei Bildung des Trennspalts - als spiegelnde Flache sehr deutlich erkennbarIn a - usually flat - plate made of transparent plastic A with the refractive index ΠA, thin bands, made of a plastic B with the refractive index ne, are preferably extruded, with the proviso that ΠA is more wet, or that plastic B and plastic A have separated from one another by a separating gap. The light-guiding effect can be achieved by means of both features, which are different per se. The separating surface of the materials or the material transition is accordingly either noticeable only as a result of the difference in the refractive indices or is - when formed the separation gap - very clearly recognizable as a reflecting surface
Die aus Kunststoff B bestehenden Bander können sowohl senkrecht zur Plattenoberflache als auch in einem Winkel γ < 90° zur Plattenoberflache angeordnet seinThe strips made of plastic B can be arranged both perpendicular to the plate surface and at an angle γ <90 ° to the plate surface
Tritt ein Lichtstrahl auf eine Lichtleitplatte LPP der beschriebenen Art, so gelten an der Grenzflache zwischen den Kunststoffen A und B die Gesetze der Totalreflexion Der Grenzwinkel der Totalreflexion CXG hangt nur von den Brechungsindices der beiden Kunststoffe abIf a light beam strikes a light guide plate LPP of the type described, the laws of total reflection apply at the interface between plastics A and B. The critical angle of total reflection CXG only depends on the refractive indices of the two plastics
Figure imgf000004_0001
Figure imgf000004_0001
Für den Fall, daß sich der Kunststoff B vom Kunststoff A gelost hat und damit ein Spalt zwischen den Bandern und der sie umgebenden Matrix vorliegt giltIn the event that plastic B has become detached from plastic A and there is therefore a gap between the bands and the matrix surrounding them
CXG = are sin ΠA/1 Ist der Winkel CXE, mit dem der Lichtstrahl auf die Grenzflache auftritt kleiner als der Grenzwinkel αG, so erfolgt Totalreflexion (Fall I in Fig 4) Der steil einfallende Lichtstrahl wird auf eine flachere Bahn oder nach oben abgelenktCXG = are sin ΠA / 1 If the angle CXE with which the light beam appears on the boundary surface is smaller than the limit angle αG, total reflection takes place (case I in FIG. 4). The steeply incident light beam is deflected onto a flatter path or upwards
Ist der Winkel CXE großer als αG (Fall II in Fig 4), so tritt der einfallende Lichtstrahl durch die Grenzflache hindurch Da der bevorzugte Herstellungs¬ modus der Lichtleitplatten LLP die Koextrusion der Platte samt eingefugten dünnen Bandern ist, bieten sich in erster Linie koextrusionsfahige, transparente Thermoplasten an, wobei die o g Bedingung ΠA > ne zu beachten ist Der Unterschied Δn betragt vorzugsweise mindestens 0,05 Je großer der Brechungsindexunterschied ist desto großer ist auch der Grenzwinkel αG und damit die Wirksamkeit des Systems Eine ausreichende Wirksamkeit des Systems auch bei kleinen Grenzwinkeln αG kann durch Schragstellen der Bander aus Kunststoff (γ < 90°) erreicht werden Durch die Schragstellung der Bander wird der Einfallswinkel auf die Grenzflache αE verkleinert (Fall II in Fig 4)If the angle CXE is greater than αG (case II in FIG. 4), the incident light beam passes through the boundary surface. Since the preferred production mode of the light guide plates LLP is the coextrusion of the plate together with the thin strips inserted, there are primarily coextrusion-capable, transparent thermoplastics, whereby the above-mentioned condition >A> ne must be observed. The difference Δn is preferably at least 0.05. The greater the refractive index difference, the greater is the critical angle αG and thus the effectiveness of the system. A sufficient effectiveness of the system even at small critical angles αG can be achieved by tilting the plastic bands (γ <90 °). By tilting the bands, the angle of incidence is reduced to the boundary surface αE (case II in Fig. 4)
Als derartige Kunststoffe A können beispielsweise Polymethylmethacrylat (PMMA und Copolymerisate) oder Polycarbonat (PC) eingesetzt werden, als Kunststoff B kommen - sofern der Kunststoff A aus Polycarbonat besteht - PMMA desweiteren fluorierte Polymere infragePolymers such as polymethyl methacrylate (PMMA and copolymers) or polycarbonate (PC) can be used as plastics A of this type, while plastics B - provided that plastic A consists of polycarbonate - can also be fluorinated polymers as PMMA
Es hat sich bei Versuchen zur Herstellung von Lichtleiterplatten, wie sie obenstehend beschrieben wurden, gezeigt, daß noch ein weiteres Merkmal zu unerwarteten Lichtleitereffekten fuhrt Es wurde gefunden, daß bei Un¬ verträglichkeit des Kunststoffes B mit dem Kunststoff A wenn also das dünne Band aus dem Kunststoff B keine Haftung mit der Matrix, dem Kunst¬ stoff A hat und von diesem durch einen dünnen Spalt getrennt ist, die Licht- leitungswirkung erhöht wird Die Ablösung des Kunststoffbandes von dem Matrixpolymeren A ist optisch leicht zu erkennen Das Kunststoffband scheint eine spiegelnde Oberflache zu besitzen Dies ist ein Zeichen, daß der dünne Spalt entlang der Oberflache des Bandes eine ausgeprägte Total¬ reflexion hervorgerufen hat Die Brechungsindizes von Luft und dem Matrix- Kunststoff A unterscheiden sich noch viel starker, als die von Kunststoff B und dem Matrix-Kunststoff A, entsprechend der oben angegebenen Formel, was die hohe Totalreflexion erklartIt has been shown in tests for the production of light guide plates, as described above, that yet another feature leads to unexpected light guide effects. It was found that if the plastic B was incompatible with the plastic A, if the thin band from the Plastic B does not adhere to the matrix, which has plastic A and is separated from it by a thin gap, the light-guiding effect is increased. The detachment of the plastic tape from the matrix polymer A is easy to recognize optically. The plastic tape seems to have a reflective surface possess This is a sign that the thin gap along the surface of the strip has caused a pronounced total reflection. The refractive indices of air and the matrix plastic A differ much more than that of plastic B and the matrix plastic A, according to the formula given above, what the high total reflection explains
Es konnte bislang noch nicht festgestellt werden, ob der Spalt ursprünglich mit Luft gefüllt ist, oder mehr oder weniger luftleer ist Anzunehmen ist, daß der Spalt sich im Laufe der Zeit durch Nachdiffusion von Luft durch den Kunststoff A hindurch mit Luft fülltIt has not yet been possible to determine whether the gap is originally filled with air, or is more or less empty. It can be assumed that the gap fills with air through the diffusion of air through the plastic A over time
Die Ablösung der beiden Kunststoffe A und B voneinander wird durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten begünstigt Sie erfolgt beim Abkühlen der Extrusionsmasse Das Band sollte dabei bevorzugt starker schwinden als die Matrix, d h Kunststoff B sollte den höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen als Kunststoff A Bereits geringe Unterschiede im thermischen Ausdehnungskoeffizienten von > 0,001 % fuhren zum erfindungsgemaßen EffektThe separation of the two plastics A and B from each other is favored by different thermal expansion coefficients.This takes place when the extrusion mass cools.The strip should preferably shrink more than the matrix, i.e. plastic B should have the higher thermal expansion coefficient than plastic A Already slight differences in the thermal expansion coefficient of> 0.001% lead to the effect according to the invention
Bei Bildung des Trennspaltes zwischen den Kunststoffen A und B ist es unerheblich, ob die beiden Kunststoffe sich im Brechungsiπdex noch im anfangs beschriebenen Sinne unterscheiden Der Brechungsindex von Kunststoff A kann bevorzugt hoher, aber auch gleich oder niedriger sein als der von Kunststoff B Die durch Bildung des Trennpunktes hervorgerufene Totalreflexion ist auf jeden Fall stark genug, um einen eindrucksvollen Licht- leiteffekt zu bewirken Die Breite des Trennspalts muß großer als 1 μm seinWhen the separation gap between the plastics A and B is formed, it is irrelevant whether the two plastics differ in the refractive index in the sense described at the beginning. The refractive index of plastic A can preferably be higher, but also the same or lower than that of plastic B total reflection caused by the separation point is strong enough to produce an impressive light-guiding effect. The width of the separation gap must be greater than 1 μm
Die Dicke der Lichtleitplatten LLP hegt im allgemeinen im Bereich 2 bis 20 mm Die eingefugten, vorzugsweise einextrudierten Bander aus dem Kunststoff B besitzen in der Regel eine Dicke von 0,05 - 0,5 mm und eine Breite von 50 bis 95 % bezogen auf die Dicke der aus A bestehenden Platte Im allgemeinen sind die Bander aus dem Kunststoff B regelmäßig in gegenseitigen Abstanden von 2 bis 40 mm in den Kunststoffplatten A angeordnet Die übrigen Abmessungen der Lichtleitplatten LLP werden zweckmäßig den Verglasungseinheiten insbesondere den Fenster- oder Tur-Formaten angepaßt Eine Beschrankung der Abmessungen bedingt durch die angewendete Extrusionstechnologie ist in der Regel nicht zu erwartenThe thickness of the light guide plates LLP is generally in the range from 2 to 20 mm. The inserted, preferably extruded, strips from the plastic B generally have a thickness of 0.05-0.5 mm and a width of 50 to 95% based on the Thickness of the plate consisting of A In general, the strips of plastic B are regularly arranged in the plastic plates A at mutual distances of 2 to 40 mm The other dimensions of the light guide plates LLP are expediently adapted to the glazing units, in particular the window or door formats. A limitation of the dimensions due to the extrusion technology used is generally not to be expected
Die Herstellungstechnologie mittels Extrusion in einer Extrusionsanlage mittels Mehrmateπalduse entspricht dem Stand der Technik (DE-A 4 326 232)The production technology by means of extrusion in an extrusion system using multi-material balancing corresponds to the state of the art (DE-A 4 326 232)
Die erfindungsgemaßen Lichtleitplatten LLP werden anhand der Fig 3 erläutert Dabei bedeuten die BezugszeichenThe light guide plates LLP according to the invention are explained with reference to FIG. 3, where the reference symbols mean
(1 ) = Lichtleitplatte LLP aus Kunststoff A(1) = Light guide plate LLP made of plastic A
(2) = eingefugte dünne Bander aus Kunststoff B(2) = inserted thin strips of plastic B
(3) = Abstand zwischen den eingefugten dünnen Bandern(3) = distance between the inserted thin bands
Zur Halterung der erfindungsgemaßen Lichtleitplatten kann man sich an sich bekannter Halterungsprofile für Platten aus organ Glasern bedienenTo mount the light guide plates according to the invention, known support profiles for plates made of organ glasses can be used
Vorteilhafte WirkungenBeneficial effects
Die erfindungsgemaßen Lichtleitplatten können mit Erfolg zur besseren Ausleuchtung von Räumen, u a Werkstatten, Sälen, Kellern, Gewölben, Schachten, gegebenenfalls auch Fahrzeugen wie Schiffen u a eingesetzt werden Ihre Anwendung kann nicht nur zur Energieersparnis sondern auch zur besseren ergonometrischen Gestaltung von Arbeitsraumen beitragen The light guide plates according to the invention can be successfully used to better illuminate rooms, including workshops, halls, basements, vaults, shafts, and possibly also vehicles such as ships. Their use can not only contribute to energy savings but also to better ergonomic design of work spaces

Claims

ANSPRUCHEEXPECTATIONS
Lichtleitplatten aus transparenten Kunststoffen dadurch gekennzeichnet daß in die aus einem transparenten Kunststoff A mit einem Brechungsindex ΠA bestehenden Platten mehrere dünne Bander aus einem Kunststoff B mit einem Brechungsindex ne eingefugt sind, mit der Maßgabe daß ΠA großer ne ist, oder daß zwischen Kunststoff A und den Bandern aus Kunststoff B ein Trennspalt vorliegtLight guide plates made of transparent plastics, characterized in that several thin strips made of a plastic B with a refractive index ne are inserted into the plates consisting of a transparent plastic A with a refractive index ,A, with the proviso that ΠA is larger ne, or that between plastic A and the Banders made of plastic B have a separation gap
Lichtleitplatten gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Kunststoff B bestehenden Bander senkrecht zur Platten¬ oberflache angeordnet sindLight guide plates according to claim 1, characterized in that the strips consisting of the plastic B are arranged perpendicular to the surface of the plate
Lichtleitplatten gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Kunststoff B bestehenden Bander unter einem Winkel γ < 90° zur Plattenoberflache angeordnet sindLight guide plates according to claim 1, characterized in that the strips consisting of the plastic B are arranged at an angle γ <90 ° to the surface of the plate
Lichtleitplatten gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Kunststoffe A und B aus thermoplastischem Material bestehenLichtleitplatten according to claims 1 to 3 gekenn¬ characterized in that the plastics A and B consist of thermoplastic material
Lichtleitplatten gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß sie nach dem Verfahren der Koextrusion hergestellt
Figure imgf000008_0001
Light guide plates according to claims 1 to 4, characterized gekenn¬ characterized in that they are produced by the coextrusion process
Figure imgf000008_0001
Lichtleitplatten gemäß den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß sie Dicken im Bereich 2 bis 30 mm besitzen Lichtleitplatten gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die dünnen Bander eine Dicke von 0,05 bis 0,5 mm besitzenLight guide plates according to claims 1 to 5, characterized gekenn¬ characterized in that they have thicknesses in the range 2 to 30 mm Light guide plates according to claims 1 to 6, characterized gekenn¬ characterized in that the thin strips have a thickness of 0.05 to 0.5 mm
Lichtleitplatten gemäß den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß ihre Abmessungen den Formaten der bestehenden Verglasungseinheiten angepaßt sindLight guide plates according to claims 1 to 7, characterized gekenn¬ characterized in that their dimensions are adapted to the formats of the existing glazing units
Verglasungseinheiten enthaltend Lichtleitplatten gemäß den Ansprüchen 1 - 8 Glazing units containing light guide plates according to claims 1-8
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