DE19728391A1

DE19728391A1 - Lichtleitplatten

Info

Publication number: DE19728391A1
Application number: DE19728391A
Authority: DE
Inventors: Volker Dr Benz; Michael Dr Meier-Kaiser; Michael Dr Mueller; Helmut Haering; Hans Lorenz; Volker Mende; Berthold Schoenig
Original assignee: Roehm GmbH Darmstadt
Current assignee: Roehm GmbH Darmstadt
Priority date: 1996-10-21
Filing date: 1997-07-03
Publication date: 1998-04-23
Also published as: KR100445215B1; TW357274B; DE59706331D1; ZA979413B; KR20000049080A

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Lichtleitplatten aus transparentem Kunststoff, die zur besseren Ausleuchtung von Räumen mittels Tageslicht dienen.

Aufgabe und Lösung

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 zugewandt.

Ein Problem bei der Ausleuchtung von relativ tiefen Räumen mit Tageslicht besteht darin, daß besonders bei steil stehender Sonne der hintere, fensterabgewandte Bereich der Räume nicht adäquat ausgeleuchtet ist [vgl. Fig. 1]. Dieser Umstand führt 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 Bezugszeichen:

S = Einfallendes Sonnenlicht
F = Fenster
T = Tür
H = Zone relativer Helligkeit
D = Zone relativer Dunkelheit.

Die vorliegende Erfindung hat sich nun zur Aufgabe gesetzt, hier Abhilfe zu schaffen. Zur Lösung des Problems werden sogenannte Lichtleitelemente eingesetzt. Diese Lichtleitelemente sammeln - über einen Teil der Fensterfläche - 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 in das Innere des Raums.

Fig. 2 stellt den in Fig. 1 abgebildeten Raum nunmehr ausgestattet mit dem erfindungsgemäßen Lichtleitelement in einem Teil der Fensterfläche dar. Das Bezugszeichen LLP steht für die Lichtleitplatte. Die übrigen Bezugs zeichen entsprechen denen in Fig. 1.

Um die gewünschte Umlenkung zu erzielen, wird eine Lichtleitplatte LLP mit folgendem Aufbau vorgeschlagen (Fig. 3):
In eine - in der Regel ebene - Platte aus transparentem Kunststoff A mit dem Brechungsindex n_A werden dünne Bänder, aus einem Kunststoff B mit dem Brechungsindex n_B eingefügt, vorzugsweise einextrudiert, mit der Maßgabe, daß Kunststoff A nicht mit Kunststoff B verträglich ist und Kunststoff a sich von Kunststoff B trennt. Diese Trennung wird durch das Vorhandensein einer Streckgrenze beim Kunststoff B begünstigt.

Als Kunststoff B kommen beispielsweise folgende Kunststoffe in Frage:
Fluorpolymere, wie beispielsweise thermoplastisch Fluorpolymere, wie beispielsweise das Produkt THV 500 G der Firma 3M,
Polypropylen-Typen, wie beispielsweise die Lupolen-Typen der BASF AG,
Polyethylen-Typen, wie beispielsweise die
Polyamid-Typen, wie beispielsweise die Vestamid-Typen der Hüls AG.

Durch beide, an sich unterschiedliche Merkmale, kann der Lichtleiteffekt erzielt werden. Die Trennfläche der Materialien bzw. der Materialübergang ist dabei dementsprechend entweder nur infolge des Unterschieds der Brechungsindices bemerkbar oder er ist - bei Bildung des Trennspalts - als spiegelnde Fläche sehr deutlich erkennbar.

Die einextrudierten Bänder aus dem Kunststoff B lösen sich während oder nach dem Erkalten von der Platte aus dem Kunststoff A und können aus dieser Platte leicht herausgezogen werden. Dies kann manuell oder durch eine Wickelvorrichtung erfolgen.

Die aus Kunststoff B bestehenden Bänder können sowohl senkrecht zur Plattenoberfläche als auch in einem Winkel γ < 90° zur Plattenoberfläche angeordnet sein.

Tritt ein Lichtstrahl auf eine Lichtleitplatte LPP der beschriebenen Art, so gelten an der Grenzfläche zwischen den Kunststoffen A und dem Luftspalt die Gesetze der Totalreflexion. Der Grenzwinkel der Totalreflexion α_G hängt nur von den Brechungsindices der beiden Kunststoffe ab.

α_G = arc sin n_A/n_B.

Für den Fall, daß sich der Kunststoff B vom Kunststoff A gelöst hat und damit ein Spalt zwischen den Bändern und der sie umgebenden Matrix vorliegt gilt:

α_G = arc sin n_A/1.

Ist der Winkel α_E, mit dem der Lichtstrahl auf die Grenzfläche auftritt kleiner als der Grenzwinkel α_G so erfolgt Totalreflexion (Fall I in Fig. 4). Der steil einfallende Lichtstrahl wird auf eine flachere Bahn oder nach oben abgelenkt. Durch Ersatz der in der DE 195 43 687.3 beschriebenen Kunststoffbänder aus dem Kunststoff B mit einem Kunststoff A unterschiedlichen Brechungsindex durch Luft erreicht man die maximal mögliche Differenz im Brechungsindex.

Ist der Winkel α_E größer als α_G (Fall II in Fig. 4), so tritt der einfallende Lichtstrahl durch die Grenzfläche hindurch. Da der bevorzugte Herstellungsmodus der Lichtleitplatten LLP die Koextrusion der Platte samt eingefügten dünnen Bändern ist, bieten sich in erster Linie koextrusionsfähige, transparente Thermoplasten an, die mit dem Kunststoff A der Platte unverträglich sind. Je größer der Brechungsindexunterschied ist, desto größer ist auch der Grenzwinkel α_G und damit die Wirksamkeit des Systems. Eine ausreichende Wirksamkeit des Systems auch bei kleinen Grenzwinkeln α_G kann durch Schrägstellen der Bänder aus Kunststoff (γ < 90°) erreicht werden. Durch die Schrägstellung der Bänder wird der Einfallswinkel auf die Grenzfläche α_E verkleinert (Fall II in Fig. 4).

Als derartige Kunststoffe A können beispielsweise Polymethylmethacrylat (PMMA und Copolymerisate) oder Polycarbonat (PC) eingesetzt werden, als Kunststoff B kommen die vorstehend erwähnten Polymere in Frage. Es hat sich bei Versuchen zur Herstellung von Lichtleiterplatten, wie sie obenstehend beschrieben wurden, gezeigt, daß noch ein weiteres Merkmal zu unerwarteten Lichtleitereffekten führt. Es wurde gefunden, daß bei Unverträglichkeit des Kunststoffes B mit dem Kunststoff A, wenn also das dünne Band aus dem Kunststoff B keine Haftung mit der Matrix, dem Kunststoff A hat und von diesem durch einen dünnen Spalt getrennt ist, die Lichtleitungswirkung erhöht wird. Die Ablösung des Kunststoffbandes aus dem Kunststoff B von dem Matrixpolymeren A ist optisch leicht zu erkennen: Das Kunststoffband scheint eine spiegelnde Oberfläche zu besitzen. Dies ist ein Zeichen, daß der dünne Spalt entlang der Oberfläche des Bandes eine ausgeprägte Totalreflexion hervorgerufen hat. Die Brechungsindizes von Luft und dem Matrix-Kunststoff A unterscheiden sich noch viel stärker, als die von Kunststoff B und dem Matrix-Kunststoff A, entsprechend der oben angegebenen Formel, was die hohe Totalreflexion erklärt.

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 füllt, nachdem sich der Kunststoff B vom Kunststoff A gelöst hat.

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 stärker 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% führen zum erfindungsgemäßen Effekt.

Bei Bildung des Trennspaltes zwischen den Kunststoffen A und B ist es unerheblich, ob die beiden Kunststoffe sich im Brechungsindex noch im anfangs beschriebenen Sinne unterscheiden. Der Brechungsindex von Kunststoff A kann bevorzugt höher, 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 Lichtleiteffekt zu bewirken. Die Breite des Trennspalts muß größer als 1 µm sein.

Die Dicke der Lichtleitplatten LLP liegt im allgemeinen im Bereich 2 bis 20 mm. Die eingefügten, vorzugsweise einextrudierten Bänder 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 Bänder aus dem Kunststoff B regelmäßig in gegenseitigen Abständen von 2 bis 40 mm in den Kunststoffplatten A angeordnet.

Die übrigen Abmessungen der Lichtleitplatten LLP werden zweckmäßig den Verglasungseinheiten insbesondere den Fenster- oder Türformaten angepaßt. Eine Beschränkung der Abmessungen bedingt durch die angewendete Extrusionstechnologie ist in der Regel nicht zu erwarten.

Die Herstellungstechnologie mittels Extrusion in einer Extrusionsanlage mittels Mehrmaterialdüse entspricht dem Stand der Technik (DE-A 43 26 232).

Die erfindungsgemäßen Lichtleitplatten LLP werden anhand der Fig. 3 erläutert. Dabei bedeuten die Bezugszeichen

Bezugszeichenliste

1

Lichtleitplatte LLP aus Kunststoff A

2

eingefügte dünne Bänder aus Kunststoff B

3

Abstand zwischen den durch das Herausziehen der Kunststoffe entstandenen Hohlräume

4

Hohlräume

Zur Halterung der erfindungsgemäßen Lichtleitplatten kann man sich an sich bekannter Halterungsprofile für Platten aus organ. Gläsern bedienen.

Vorteilhafte Wirkungen

Die erfindungsgemäßen Lichtleitplatten können mit Erfolg zur besseren Ausleuchtung von Räumen, u. a. Werkstätten, Sälen, Kellern, Gewölben, Schächten, gegebenenfalls auch Fahrzeugen wie Schiffen u. ä. eingesetzt werden. Ihre Anwendung kann nicht nur zur Energieersparnis sondern auch zur besseren ergonometrischen Gestaltung von Arbeitsräumen beitragen.

Claims

1. Lichtleitplatten aus transparenten Kunststoffen dadurch gekennzeichnet, daß in die aus einem transparenten Kunststoff A mit einem Brechungsindex n_A bestehenden Platten mehrere dünne Bänder aus einem Kunststoff B mit einem Brechungsindex n_B eingefügt sind, mit der Maßgabe, daß Kunststoff A und Kunststoff B miteinander unverträglich sind und daß die Bänder aus dem Kunststoff B aus der Platte entfernt werden.

2. Lichtleitplatten gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Kunststoff B bestehenden Bänder senkrecht zur Plattenoberfläche angeordnet sind.

3. Lichtleitplatten gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Kunststoff B bestehenden Bänder unter einem Winkel γ < 90° zur Plattenoberfläche angeordnet sind.

4. Lichtleitplatten gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffe A und B aus thermoplastischem Material bestehen.

5. Lichtleitplatten gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie nach dem Verfahren der Koextrusion hergestellt sind.

6. Lichtleitplatten gemäß den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie Dicken im Bereich 2 bis 30 mm besitzen.

7. Lichtleitplatten gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die bandförmigen Hohlräume eine Dicke von 0,05 bis 0,5 mm besitzen.

8. Lichtleitplatten gemäß den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Abmessungen den Formaten der bestehenden Verglasungseinheiten angepaßt sind.

9. Verglasungseinheiten enthaltend Lichtleitplatten gemäß den Ansprüchen 1-8.

10. Verfahren zur Herstellung der Lichtleitplatten gemäß den Ansprüchen 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß nach Koextrusion der Lichtleitplatten die dünnen Bänder aus dem Kunststoff B aus der Matrix aus dem Kunststoff A entfernt werden.

11. Lichtleitplatten nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunststoff A Polymethacrylat oder Polycarbonat ist.

12. Lichtleitplatten nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunststoff B ein mit Polycarbonat oder mit Polymethacrylat unverträglicher Kunststoff verwendet wird.

13. Lichtleitplatten nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunststoff B ein thermoplastisches Fluorpolymeres, ein Polypropylen, ein Polyethylen oder ein Polyamid verwendet wird.