CN101163841A - 具有可变棱镜的管状天棚照明屋顶 - Google Patents

Abstract

模制天棚照明的顶盖(21)的内表面使其具有可变棱镜，可变棱镜引导较小角度的光进入天棚照明管并且反射掉某些大角度的光，从而可以在一天的整个过程实现比较恒定的光输出。棱镜是通过一系列圆形的平行凹槽(44)构造出来的，顶盖(21)的靠近顶点(40)的凹槽的横截面积不同于顶盖的靠近周边(42)的凹槽的横截面积。

Description

具有可变棱镜的管状天棚照明屋顶

技术领域

本发明涉及天棚照明。

背景技术

天棚照明用于以愉悦和节能的方式照明建筑物。管状天棚照明，例如由本授让人制造的管状天棚照明，通常具有一个屋顶安装的透明顶盖或圆屋顶、从圆屋顶向下延伸进入建筑物到达天花板的传光管组件、在天花板覆盖管的底部的一个光漫射板。在美国专利No.5099622中公开了一种获得商业成功的管状天棚照明的例子，美国专利No.5099622转让给与本发明相同的受让人，并且在这里参照引用了这个专利。本受让人所有的属于各种天棚照明技术的其它专利公开在如下的美国专利中：RE36496(具有反射器的圆屋顶)、6219977(圆变方的适配器)、和5896712(具有圆形槽的圆屋顶)，在这里参照引用了所有这些专利。

正如大家承认的，天棚照明设计的难点是，不管在一天的什么时间，都要能提供尽可能恒定的光输出。这是难以实现的，因为在早上和傍晚太阳处在小角度，与中午太阳是大角度相比，较少的光进入天棚照明。的确，在设计天棚照明当中，为了使在早上和傍晚光的收集和通过量最大，最终得到的天棚照明在中午可能就要过度照明房间，所谓的“热斑”(可能使来自天棚照明的光发生不期望的聚焦的房间区域)在中午是特别突出的。于是，本发明的愿望就是，不管在一天的什么时间，都要实现更加恒定的光输出，并且当光向下从管传播到房间里还要使光充分地混合以避免出现“热斑”。记住这些关键要点，从而可以提供本发明。

发明内容

一种管状天棚照明包括一个透明的圆屋顶和从圆屋顶垂下的一个天棚照明管。顶盖形成有一个可变棱镜，可变棱镜可以将小角度的光引入天棚照明管并且反射掉某些大角度的光以便在整个白天实现更加恒定的光输出。

在某些实施例中，棱镜是通过一系列圆形的平行凹槽建立起来的，靠近顶盖顶点的凹槽的横截面积不同于靠近顶盖周边的凹槽的横截面积。凹槽可以模注在顶盖的内表面里。顶盖的非棱镜部分，例如它的外表面，以第一角度折射光，棱镜以不同于第一角度的第二角度折射光。

有关非限制性实施例的一个较大的特点是，靠近顶点的至少一个凹槽的横截面积确定了大致相同长度的连续平面，靠近周边的至少一个凹槽的横截面积确定了连续的长面和短面。短面的取向通常垂直于顶盖的外表面。如果期望的话，顶盖的底部周边的内侧边缘可以在径向与天棚照明管的外表面分隔开。

在另一方面，照明系统包括一个透明的天棚照明顶盖、一个光漫射器、和在顶盖和漫射器之间可延伸的一个管状结构。所说顶盖形成有第一对棱镜面、和与第一对棱镜面结构形状不同的第二对棱镜面。成对的棱镜面之一比另一对棱镜面更加靠近顶盖的顶点。在某些实施方案中，一对棱镜面彼此相对地收敛会聚，以便在它们之间确定一个凹槽，每个棱镜面都是圆形的并且平行于顶盖的周边。

在下一方面，天棚照明的顶盖包括一个透明体，所说透明体具有：外表面、内表面、顶点、与顶点相对的一个开放的周边。透明体形成有第一对相对收敛的平面，用于确定第一横截面形状。还有，透明体形成有第二对相对收敛的平面，用于确定与第一横截面形状不同的第二横截面形状，其中的一对平面比另一对平面更加靠近顶点。

参照附图可以更加清晰地理解本发明在结构和操作方面的细节，附图中类似的参考数字指的是类似的部件。

附图说明

图1是管状天棚照明的部分剖面图中的侧视图；

图2是非限制性的顶盖的透视图；

图3是在管上的顶盖的侧视图，示意地表示在早上和傍晚可能发生的小角度的太阳光线；

图4是顶盖的侧视图，表示图3中表示细节的圆“B”中凹槽的横向截面的形状；

图5是顶盖的侧视图，表示图3中表示细节的圆“A”中凹槽的横向截面的形状；

图6是顶盖的侧视图，示意地表示在中午可能发生的大角度的太阳光线；

图7是顶盖的侧视图，表示图6中表示细节的圆“B”中凹槽的横向截面的形状；

图8是顶盖的侧视图，表示图6中表示细节的圆“A”中凹槽的横向截面的形状。

具体实施方式

首先参照附图1，其中表示按照本发明制造的一个典型的非限制性的管状天棚照明，总体用10表示之，用于利用天然的太阳光的照明，在一般表示为16的建筑物内的内部房间12有一个天花板表面14，例如干墙、吸声砖、等。图1表明，建筑物16有一个屋顶18和用于支撑屋顶18和天花板表面14的一个或多个托梁20。

如图1所示，天棚照明10包括一个安装在刚性的硬塑料屋顶上的顶盖21，顶盖21例如可由丙烯酸类或聚碳酸酯或玻璃制成。顶盖21是光学透射性的，最好是透明的，下面还将进一步讨论有关顶盖的细节。

顶盖21可以借助于环状金属防水板22安装到屋顶18上，防水板22通过本领域公知的装置固定到屋顶18上。金属防水板22可以针对屋顶18的倾斜适当地倾斜，以便在图中所示的通常垂直的直立取向啮合并夹紧顶盖21。

如图1中进一步所示，一般表示为24的一个内反射性的金属管组件从顶盖21向下垂下。组件24可以连接到防水板22上。管组件24延伸到内部房间12的天花板14。在某些实施例中，管组件24向下引导进入管组件24的光到一般表示为26的光漫射器组件，光漫射器组件26设置在房间12内并且安装到天花板14或者安装到托梁20上。

管组件24可以由金属如铝合金制成，或者，管组件24可由纤维或塑料或其它合适的材料制成。借助于例如电镀、阳极处理(anodizing)、金属化塑料膜涂层、或者其它合适的措施可以使管组件24的内部成为反射性的。在一个非限制性的实施例中，通过使管组件24的内表面与由3M(Minnesota Mining and Manufacturing)制造的多层聚合薄膜进行叠层，可以使管组件24的内部成为反射性的。单层的这种薄膜是透明的，但是当将几百层薄膜对齐定位在一起并且随后与管组件24的内表面叠层的时候，这种组合具有强烈的反射性。

在一个实施例中，管组件24可由单个管构成。然而，如图1所示，如果期望的话，在非限制性的实施方案中，管组件24可以包括多个分段，每个分段的内部都是反射性的。具体来说，管组件24可以包括一个上管28，上管28与防水板22啮合并且由顶盖21覆盖。管组件24还可以包括一个上中间管30，上中间管30邻接上管28，并且如果期望的话，在弯管接头31处可相对于上管28倾斜一个角度。而且，管组件24还可以包括一个下中间管32，下中间管32与上中间管30可滑动地啮合以便在管组件24中吸收热应力。还有，下管34可邻接下中间管32并且在弯管接头35处与下中间管32接合，下管34的底部由漫射器组件26覆盖。拐弯35相对于建筑物16适当地倾斜，以使管组件24把屋顶安装的顶盖21连接到安装天花板的漫射器组件26上。应该理解，如果需要，按照本领域中公知的原理，可以用胶带覆盖各个管之间的一些接合部。

现在参照附图2，如图所示，顶盖21可以是通常的半球形的，并且可以确定一个封闭的顶点40和一个与顶点40相对的通常是圆形的周边42。然而，应该理解，还可以按照另一种方式将顶盖设计成圆筒形的，它的侧边是直的，它的顶部是平直的或者是弯曲的。可以将顶盖构造成具有一个连续的弯曲形状或者一系列弯曲的和平直的侧边。因此，尽管在图2中所示的周边42是圆形的，但周边42还可以是椭圆的、长方形的、或者多边形的。

图2表明，在顶盖21上形成一个棱镜图案，最好是通过将棱镜图案模制到顶盖21的内表面里，当然，在一个不太优选的实施例中，棱镜还可以在外表面里。如在下面比较详细描述的那样，在一个实施例中，棱镜可以通过圆形凹槽44构成，圆形凹槽44平行于周边42，圆形凹槽44由横向截面最好是平直的相对的平面确定，当然，在某些实施例中，它们的横向截面也可以是弯曲的。如下面要进一步公开的，凹槽44的深度和间距(pitch)可以是变化的。虽然图2表示的是每个凹槽都是完整的圆形，并且顶盖的整个内表面刻有凹槽，但是凹槽44可以是部分圆形的和/或可以没有延伸过顶盖的整个高度，即，棱镜可以覆盖整个顶盖或者只覆盖它的一部分。进而，虽然图中所示的凹槽44的取向如纬度线所示，然而，凹槽44的取向还可以是其它方式的，例如，如经度线所示，按照下面进一步提出的原理，在这种情况下的每个凹槽的间距和/或深度和/或横截面形状都随它的长度适当变化。在任何情况下，如果期望的话，如图3所示，为了提高性能，在周边42的顶盖直径范围可以从管外径的100％到150％或者更大，顶盖高度的范围是从管直径的26％或更小的最小值到管外径的100％或更大的一个最大值。因此，周边42的内部边缘可以在径向与管的外表面隔开。

现在返回到棱镜，按照本发明的原理，顶盖21形成有一个可变棱镜，可变棱镜可以引导小角度的光进入天棚照明管24并且可以反射掉某些大角度的光，从而可以在一天的整个过程实现比较恒定的光输出。按照图2所示的典型的非限制性实施例，靠近顶盖顶点40的凹槽44的横截面积不同于靠近周边42的凹槽44的横截面积。凹槽44可以由相对的面46、48确定。

交叉参照图3-5，进入圆屋顶的小角度的光(例如20度)，由于入射角度差和空气与聚合物的折射率差异，被平面的外表面向下反射。

如图3-5所示，在早上和傍晚，太阳光从小角度进入顶盖，例如太阳相对于水平面的纬度为20度。下面的表1提供非限制性棱镜形态结构相对于本例的一个表格。(注解：除非另有说明，这里的角度都是以水平面为基准的)。

表1

顶盖部分	顶盖的内表面角度“α”(度)	通过顶盖外表面的非棱镜折射后的光的角度“β”(度)	较低棱镜面(与垂直面)的棱镜角度“γ”(度)	通过棱镜面增加的(add’l)折射“δ”(度)	光束的总方向变化(度)
						B(图4)	61	23(3度折射)	10	4	7
A(图5)	22.5	38(18度折射)	20	7	25

记住上述的表格并且观看图3-5，现在可以认识到，在所示的为了说明的典型实施例中，进入顶盖上部(即，在细节“A”)的实际上所有的小角度的太阳光，如果没有本发明，都通过顶盖传播而不会进入管内，但是，若利用如图所示的棱镜安排，则会进入管内，借此增加了管的有效孔径。而且，由于这里所示的棱镜的非限制性的结构，在管内的反射损耗以及在漫射器内的透射损耗在小的太阳升高时都会减小。具体来说，正如这里可以理解的那样，减小到管开口的表面的入射角，将会减小管内下行的反射次数。

现在参照图6-8，图6-8表示太阳光以大角度(如60度)进入顶盖，就像在中午发生的情况，在较大的太阳光角度的光入射角β的变化是明显的，这是因为角度较大并且外顶盖表面折射的缘故。要说明的是，靠近顶点40的凹槽44可以由相对的面46、48确定，相对的面46、48可能是相互会聚靠拢的，并且彼此可能具有大体上相同的长度，大致确定了等腰三角形的侧边。与此相反，靠近周边42的凹槽44可能由相应的长面50和短面52确定，长面基本上确定一个正三角形的斜边，短面确定底边，它的取向通常垂直于顶盖的外表面。

在图7中，在长面50的光以锐角向下折射到管的外边。相反，在短面52的光的入射角超过了折射的临界角，并且在管的一个小角度发生完全的内反射(TIR)。在图8中，靠近圆屋顶的顶点入射光受到两个面46、48的完全的内反射，其结果是，光被向下引入管内(在46)和放弃(rejected)(在48)。

顶盖的设计要能从太阳纬度为10度到50度有效地向下折射光到管的开口。超过50度，可以使外表面和棱镜面的角度能够从管反射掉光或者以一系列角度向管下折射光，最好如图7、8所示。太阳光俘获效率的这种减小补偿了增加的有效面积和有关大的太阳光角度的太阳光强度，以维持平均的内部照明。光的多个角度还消除了与强的直射太阳光有关的眩光、热斑、色像差。这还极大地减小了在管内的焦点处与留在管内的可燃材料有关的火灾的危险。虽然为了简单明了起见图中只表示出两个分开的凹槽横截面积“A”和“B”，但是应该理解，凹槽的横截面积可以递增的变化，从凹槽到凹槽都有所变化，从图4所示的形态结构变化到图5所示的形态结构。

虽然在这里表示和详细描述的特定的具有可变棱镜的管状天棚照明屋顶完全能够实现本发明的上述目的，但是还应该理解，它是本发明的当前优选的实施例，并且因此是本发明广义地考虑的主题的代表，本发明的范围完全包括对于本领域的普通技术人员来说可以变为显而易见的其它的实施例，并且因此不是别的，而是所附的权利要求书限制本发明的范围，其中除非另有明确说明，提到的单一的元件不打算只指“一个，并且只有一个”，而是“一个或多个”。而且，对于设备或方法而言，没有必要解决试图由本发明解决的每一个问题，因为每一个问题都由本发明的权利要求书所包括。进而，在本说明书中公开的任何元件、部件、或者方法步骤都不打算献给公众，不管是否在权利要求书中明显列出该元件、部件、或者方法步骤。在这里，权利要求书中的元件都不被认为是在35U.S.C.112，第6段的规定之内，除非这个元件使用术语“用于...的装置”明显地列出或者在方法权利要求的情况下这个元件被列为“步骤”而不是“动作”。如果在这里没有明显的定义，所给出的权利要求的项目指的是所有的普通的公众熟悉的含义，这个含义与本说明书和文献历史并不矛盾。

Claims (11)

1.一种管状天棚照明，包括：

透明顶盖(21)；和

从顶盖(21)垂下的天棚照明管(24)，其中顶盖(21)形成有可变棱镜，可变棱镜引导相对较小角度的光进入天棚照明管并且反射掉某些相对来说较大角度的光，从而可以在一天的整个过程实现比较恒定的光输出。

2.权利要求1的天棚照明，其中：棱镜是通过一系列圆形的平行凹槽(44)构造出来的，顶盖(21)的靠近顶点(40)的凹槽(44)的横截面积不同于顶盖(21)的靠近周边(42)的凹槽(44)的横截面积。

3.权利要求1的天棚照明，其中：顶盖(21)是由丙烯酸类或聚碳酸酯或玻璃制成的，并且是透明的。

4.权利要求1的天棚照明，其中：棱镜模制到顶盖(21)的内表面里。

5.权利要求1的天棚照明，包括一个防水板(22)，它将顶盖(21)耦合到管(24)上。

6.权利要求2的天棚照明，其中：顶盖(21)的非棱镜部分以第一角度折射光，棱镜以第二角度折射光。

7.权利要求2的天棚照明，其中：靠近顶点(40)的至少一个凹槽(44)的横截面确定长度近似相等的连续面(46、48)，靠近周边(42)的至少一个凹槽(44)的横截面确定连续的长和短面(50、52)。

8.权利要求7的天棚照明，其中：短面(52)的取向通常垂直于顶盖(21)的外表面。

9.权利要求1的天棚照明，其中：顶盖(21)的底部周边(42)的内侧边缘与管(24)的外表面径向间隔开。

10.一种照明系统，包括：

透明的天棚照明顶盖(21)；

光漫射器(26)；

在顶盖(21)和漫射器(26)之间可延伸的管状结构(24)，其中顶盖(21)形成有第一对棱镜面(46、48)和第二对棱镜面(50、52)，第二对棱镜面(50、52)具有与第一对棱镜面(46、48)不同的形态结构，一对棱镜面比另一对棱镜面更加靠近顶盖(21)的顶点(40)。

11.用于天棚照明的顶盖(21)，包括：

具有外表面、内表面、顶点(40)、和与顶点(40)相对的开放的周边(42)的一个透明体，透明体形成有第一对相对会聚的面(46、48)，第一对面确定第一横截面形状，透明体形成有第二对相对会聚的面(50、52)，第二对面确定与第一形状不同的第二横截面形状，一对面比另一对面更加靠近顶点(40)。

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