CN102459778A - 具有带棱镜的圆顶和圆筒部分的天窗盖 - Google Patents

具有带棱镜的圆顶和圆筒部分的天窗盖 Download PDF

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Abstract

一种天窗盖(21)，具有形成有多个棱镜元件(54)的上部圆顶部分(38)和从圆顶部分(38)的开放边缘(40)向下延伸而终止于开放下端(46)的下部圆筒状部分(36)，其中光线能够透过所述开放下端(46)。圆筒状棱镜环(48)抵着圆筒状部分(36)的表面(50)而定位，并承载被配置成用于折射光线的棱镜(54)。

Description

具有带棱镜的圆顶和圆筒部分的天窗盖
I.发明领域
本发明大体涉及天窗盖。
II.发明背景
简言之，管状天窗诸如美国专利号5,896,713和6,035,593中所提到的那些包括安装在建筑物的屋顶和天花板之间的管组件，所述两个美国专利和本发明一样均由相同的受让人拥有，且所述两个美国专利均在此通过引用并入。管组件的顶端由屋顶安装盖(roof-mounted cover)覆盖，而管组件的底端由天花板安装扩散板(ceiling-mounted cover)覆盖。利用这种组合，建筑物外部的自然光直接通过管组件进入建筑物的内部以照明内部。
发明概述
本发明已认识到，为了优化光穿过盖的传输，可以在盖上使用棱镜，以增加光线通透量并使全天的光线通透量均衡。但是正如本文还认识到的，棱镜的配置不应该使盖的制造过度地复杂化。
因此，天窗组件包括天窗管道(skylight shaft)和覆盖管道的顶端的天窗盖。盖包括圆筒状部分和与圆筒状部分一体形成并从圆筒状部分延伸至封闭顶点的圆顶部分。圆顶部分形成有棱镜线(prism line)。圆筒状棱镜环限定圆筒状部分的轴向段。
在示例性的实施方案中，棱镜环在环的外表面上形成有棱镜凹槽，所述棱镜环抵着轴向段的内表面而定位。凹槽可以垂直于棱镜环的轴线且棱镜环可完全地限定轴向段。
如果需要，则盖的圆筒状部分可包括与第一轴向段邻接的第二轴向段，且第二轴向段并未并置有棱镜。圆顶部分可以是球形的形状或可以呈现一些其它的封闭形式，诸如锥体。
在一些执行方式中，圆顶部分形成有第一棱镜元件和第二棱镜元件，第二棱镜元件与第一棱镜元件在圆顶部分上交替并限定圆顶部分。第一棱镜元件可以界定例如58°的第一棱镜角，而第二棱镜元件可以界定例如60°的第二棱镜角。
在另一个实施方案中，天窗盖包括界定开放边缘、与开放边缘间隔开的封闭顶点以及在开放边缘和封闭顶点之间的连续的壁的上部圆顶部分，该连续的壁包围开放边缘至封闭顶点之间的所有空间。多个棱镜元件被配置成是完全地限定壁的封闭圆形物(circle)，并被定向成与开放边缘平行。下部空心圆筒状部分从圆顶部分的开放边缘向下延伸而终止于光线能够透过的开放下端。圆筒状棱镜环抵着圆筒状部分的表面而定位。棱镜环承载被配置成用于折射光线的棱镜。
在另一个实施方案中，天窗包括界定上端和下端的管组件、覆盖下端的扩散器组件以及盖组件，该盖组件覆盖上端并允许光线通过盖组件进入管组件。盖组件具有带有棱镜的上部圆顶以及在圆顶和管组件之间延伸的带有棱镜的下部圆筒。
参照附图可最好地理解本发明的关于其结构和操作两方面的细节，其中同样的参考数字指同样的部分，且其中：
附图简述
图1是图示出盖的环境的示例非限制性天窗的部分截面的侧视图；
图2是沿着图1中线2-2所见的盖的剖面图；
图3是沿着图1中线2-2所见的盖的圆顶部分的一个实施方案的壁的节段的更详细的剖面图；
图4是由图2中的圈4-4所标示的圆顶部分的细节；以及
图5是由图2中的圈5-5所标示的圆筒状部分的细节。
优选实施方案详述
首先参考图1，显示了利用自然光来照明建筑物(通常标示为16)中具有天花板清水墙14的内部房间12的按照本发明所制造的管状天窗(通常标示为10)。图1显示出建筑物16具有屋顶18以及支撑屋顶18和天花板清水墙14的一个或多个托梁20。
如图1所示，天窗10包括刚性硬质的塑料或玻璃屋顶安装盖21。盖21是光学传输的并优选是透明的。以下进一步讨论盖21。
盖21可以通过环状金属遮雨板22而安装于屋顶18，环状金属遮雨板22通过本领域中熟知的方法而附接于屋顶18。金属遮雨板22可针对屋顶18的斜面适当地倾斜，以在所示的大体垂直的竖直方向接合并托住盖21。
如图1另外所示的，内部反射的中空金属管道组件(通常标示为24)与遮雨板22相连接。组件24的截面可以是圆筒形的、矩形的、三角形的，等等。因此，虽然在本文中不时地使用单词“管”，但是应该理解的是本发明的原理不限于管本身。
管道组件24延伸至内部房间12的天花板14。按照本发明，管道组件24将进入管道组件24的光线向下地引向光线扩散器组件(通常标示为26)，所述光线扩散器组件26设置于房间12中并安装于如在以上提到的’593专利中所描述的天花板14或托梁20。
管道组件24可以由金属诸如铝或钢的合金制成，或管道组件24可以由塑料或其它合适的材料制成。管道组件24的内部通过例如电镀、阳极处理、金属化塑料薄膜涂层或其它合适的方法来提供反射。
在一个实施例实施方案中，管道组件24由单个管道形成。然而，如图1所示，如果需要的话，管道组件24可包括多个段，按照本原理多个段中的每一个段是内部反射的。特别地，管道组件24可包括与遮雨板22接合并由盖21覆盖的上管道28。此外，如果需要的话，管道组件24可包括与上管道28邻接并在弯头31处相对于管道28倾斜的中上管道30。另外，管道组件24可包括与中上管道30可滑动地接合的用于吸收管道组件24中的热应力的中下管道32。并且，下管道34可以与中下管道32邻接并在弯头35处连接中下管道32，且使下管道34的底部由扩散器组件26覆盖。弯头35针对建筑物16适当地倾斜，以便管道组件24将屋顶安装盖21连接于天花板安装扩散器组件26。应该理解的是，在适当的情况下，按照本领域已知的原理，可以机械地紧固并用胶带覆盖管道之间的一些接头。
如图2所示，盖21可包括圆筒状部分36和圆顶部分38。圆顶部分38可以与圆筒状部分36一体地形成，并可以从开放边缘40延伸至与开放边缘40间隔开的封闭顶点42，形成连续的壁44。圆顶部分38可以是球形的形状，或可以呈现一些其它的封闭形式，诸如锥体。圆筒状部分36可以是中空的，且可以从开放边缘40向下延伸而终止于光线能够透过的开放下端46。
盖21还可以包括限定圆筒状部分36的轴向段50的圆筒状棱镜环48。在一些实施方案中，这种棱镜环48与圆筒状部分36不是整体的。在包括棱镜环48的实施方案中，棱镜环48可以限定圆顶21的全部圆筒状部分36。可选择地，如图2所示，棱镜环48可以限定圆筒状部分36的第一轴向段50，但不限定与第一轴向段50邻接的第二轴向段52。
圆顶部分38可以形成有棱镜元件(通常标示为54)，棱镜元件54可以具有棱镜线，该棱镜线被蚀刻在圆顶部分38中、模铸在圆顶部分38中、或以其它方式与圆顶部分38一体形成或附接于圆顶部分38。棱镜元件通过捕获盖21外部产生的光线并且将光线向下集中使得光线通过开放边缘40、穿过包括圆筒状部分36和棱镜环48中任何一个或两者的实施方案中的圆筒状部分36和棱镜环48、并进入管组件24中来增加光线通透量。棱镜线54可以被定向成与开放边缘40平行，并可完全地限定以同心圆形物形式的圆顶部分38。以下更详细地描述示例性的棱镜线54。
在一些实施方案中，棱镜环48本身可以承载被配置成用于折射光线的棱镜(通常标示为56)。这些棱镜56可包括棱镜环48的外表面58上的棱镜凹槽56，且当环处于平坦结构中时棱镜56可以是线性的，且因此当环48被弯曲成所示的圆筒状结构时棱镜56形成环圈。棱镜环48的外表面58可以抵着圆筒状部分36的轴向段50的内表面60而定位。棱镜凹槽56可以与棱镜环48的轴线垂直，即，可以与开放下端46平行，或可以以其它方式定向。这些棱镜56与圆顶部分38的一些实施方案中的棱镜元件相似之处是在于：其从圆顶21的外部捕获光线并将光线向下集中至管组件24中，从而增加光线通透量。
图3更加详细地描述了圆顶部分38的壁44的一个实施方案的一部分的截面，其中壁44形成有棱镜元件54。在这个实施例中，壁44的内表面60形成有多个棱镜元件54。所有棱镜元件54可具有相同的棱镜角(通常标示为62)，但在可选择的实施方案中，不是所有棱镜元件54具有相同的棱镜角62。图3显示了后一种类型的一个实施方案。在这个实施例中，圆顶部分38的壁44形成有第一棱镜元件54a和与第一棱镜元件54a交替的第二棱镜元件54b。第一棱镜元件54a可以界定例如58°的第一棱镜角62a，而第二棱镜元件54b可以界定例如60°的第二棱镜角62b。然而，根据外部圆顶表面的斜度可以采用其它棱镜角。圆顶部分的外表面可以是弯曲的。
图4和5分别提供了对圆顶部分和圆筒状部分的关于给定太阳高度的角度的另外的细节。
考虑以上描述，现在可以理解，本原理的示例性实施方案提供了高双折射角而没有使天窗盖的圆筒状部分弯曲或成形(超出其圆筒状形状)，也维持了用于阳光收集的大的有效面积。以上提供的实施例在制造上比其它天窗盖相对更简单，并允许更大范围的棱镜角。
还可以理解的是，圆顶部分和棱镜环部分的棱镜角可以被设计成提供这样一种对于太阳的入射角，该入射角最大化太阳高度辐射的范围，这对于捕获光线并向下折射光线是所希望的。其还可以被设计成基于所希望的光线走向来提供对第二表面折射或反射的适当的入射角。这通过空气/聚合物(低至高指数)界面而被促进。这种圆顶和棱镜环可以被制成单一折射指数聚合物，且棱镜环可被共挤塑或铸造在具有更高折射指数的另一种聚合物材料上。得到的第二界面还可提供另外的光线折射。由于聚合物/空气(高至低指数)界面，因而棱镜环的平面状的/平坦的内表面可继续向下折射光线。
圆筒状部分可以与各种形状的圆顶(正方形的、多边形的、椭圆形的，等等)一起使用以捕获低角度阳光。利用合适的透明聚合物可达到大于.9∶1的纵横比(垂直高度比对水平光阑(horizontal aperture))。
除了关于在低太阳高度角处增加天窗的光阑的好处以外，圆筒状部分还可被设计成减小更高日照角处的可获得的光阑，以阻止过度照亮空间和使空间过热。下表利用两个不同的普里阿摩斯角度(priam angle)来说明这个概念。在图5中说明了50°实施方案。较大的棱镜角(70°)实施方案允许阳光进入管直到60°的太阳高度，而50°实施方案使阳光收集限制至50°的太阳高度：(自水平面的棱镜角)
Figure BDA0000123196920000061
TLR＝总的内部反射，无光线从圆顶进入管/天窗。
这种圆筒圆顶的顶部可以是光亮的圆顶或具有多种棱镜概念设计的带棱镜的圆顶。由于上空阳光的较高的传输和对开放天空的大光阑，光亮的圆顶应用在高度弥漫的气候中是有利的。由于大的初始折射角的宽基极(wide base)，带棱镜的圆顶将进一步增强圆筒圆顶收集阳光的直接射线。
圆筒部分的几何形状也可变化且不依赖于平行边。因此圆筒部分的壁可以是严格的圆筒状的或从基底向内或向外轻微地逐渐变细以允许更加紧凑的包装和船运中更小的空间，这是因为多个圆顶可以嵌套在一起。
因此，圆筒状部分在垂直的/接近垂直的平面上收集光线，以对光线收集提供更加高的纵横比。代替在圆顶内部制造棱镜，上述棱镜环可以有利地用于向下折射光线而不减小圆顶直径/收集面积。由于高至低的指数连接(index junction)，棱镜环的平面状的后侧提供了极好的向下折射。利用具有1.49-1.65范围内的折射指数的塑料聚合物，圆顶的圆筒状部分可被设计成具有超过.9的纵横比。
以下说明了示例性实施方案与常规的光亮的圆顶的计算机模拟比较，其比较了在不同太阳高度处用光亮的21英寸直径开口与用相同直径和23英寸高度的示例性实施方案收集的阳光的量(以流明为单位)。
  太阳高度(°)   光亮的圆顶   示例性实施方案的圆顶
  20   6850   13880
  30   9790   15840
  40   13831   17150
  50   15670   12750
  60   18280   10480
  70   20030   7270
如上所示，随着接近中午的较高太阳角处的光线/热量的有利的减少而实现了在早上和晚上时分用于改善照明的在低太阳高度处光线收集的有利的大的增加。关于常规的天窗盖的另外的好处包括沿管向下的相对更少的反射、因此更少的损失、对于管的基底处的扩散器的更小的入射角、因此更高的光传输效率以及全天更均匀的照明量。
虽然本文详细地显示并描述了特别的具有带有棱镜的圆顶和圆筒部分的天窗盖，但是应该理解的是，由本发明所包括的主题仅由权利要求限制。

Claims (21)

1.一种天窗组件，包括：
至少一个天窗管道(24)；
覆盖所述管道的顶端的天窗盖(21)，所述盖包括：
圆筒状部分(36)；
圆顶部分(38)，其与所述圆筒状部分(36)一体形成并从所述圆筒状部分(36)延伸至封闭顶点(42)，所述圆顶部分(38)形成有棱镜线(54)；以及
圆筒状棱镜环(48)，其限定所述圆筒状部分(36)的轴向段(50)。
2.根据权利要求1所述的组件，其中所述棱镜环(48)在抵着所述轴向段(50)的内表面(60)而定位的所述环(48)的外表面(58)上形成有棱镜凹槽(56)。
3.根据权利要求2所述的组件，其中所述凹槽(56)垂直于所述棱镜环(48)的轴线。
4.根据权利要求1所述的组件，其中所述棱镜环(48)完全地限定所述轴向段(50)。
5.根据权利要求1所述的组件，其中所述轴向段(50)是第一轴向段且所述盖的所述圆筒状部分(36)还包括与所述第一轴向段(50)邻接的第二轴向段(52)，所述第二轴向段(52)并未并置有所述棱镜环(48)。
6.根据权利要求1所述的组件，其中所述圆顶部分(38)是球形的形状。
7.根据权利要求1所述的组件，其中所述圆顶部分(38)不是球形的。
8.根据权利要求1所述的组件，其中所述圆顶部分(38)形成有第一棱镜元件(54a)和第二棱镜元件(54b)，所述第一棱镜元件(54a)与所述第二棱镜元件(54b)在所述圆顶部分(38)上交替并限定所述圆顶部分(38)，所述第一棱镜元件(54a)界定第一棱镜角且所述第二棱镜元件(54b)界定与所述第一棱镜角不同的第二棱镜角。
9.根据权利要求8所述的组件，其中所述第一棱镜角是58°且所述第二棱镜角是60°。
10.一种天窗盖，包括：
上部圆顶部分(38)，其界定开放边缘(40)、与所述开放边缘(40)间隔开的封闭顶点(42)以及在所述开放边缘(40)和所述封闭顶点(42)之间的连续的壁(44)，所述壁(44)包围所述开放边缘(40)至所述封闭顶点(42)之间的所有空间，多个棱镜元件(54)被配置成是完全地限定所述壁(44)的封闭圆形物并被定向成与所述开放边缘(40)平行；
下部空心圆筒状部分(36)，其从所述圆顶部分(38)的所述开放边缘(40)向下延伸而终止于光线能够透过的开放下端(46)；以及
圆筒状棱镜环(48)，其抵着所述圆筒状部分(36)的表面而定位并承载被配置成用于折射光线的棱镜(54)。
11.根据权利要求9所述的盖，其中所述棱镜环(48)的棱镜(54)与所述开放下端(46)是平行的。
12.根据权利要求9所述的盖，其中所述圆顶部分(38)和所述圆筒状部分(36)相互成一体，且所述棱镜环(48)与所述圆筒状部分(36)不是整体的。
13.根据权利要求9所述的盖，其中所述棱镜环(48)抵着所述圆筒状部分(36)的上段(50)的内表面而定位，所述圆筒状部分(36)的下段(52)远离所述上段(50)延伸，所述棱镜环(48)不抵着所述下段(52)设置。
14.根据权利要求9所述的盖，其中所述圆顶部分(38)是球形的形状。
15.根据权利要求9所述的盖，其中所述圆顶部分(38)不是球形的。
16.根据权利要求9所述的盖，其中所述圆顶部分(38)形成有第一棱镜元件(54a)和第二棱镜元件(54b)，所述第一棱镜元件(54a)与所述第二棱镜元件(54b)在所述圆顶部分(38)上交替并限定所述圆顶部分(38)，所述第一棱镜元件(54a)界定第一棱镜角且所述第二棱镜元件(54b)界定与所述第一棱镜角不同的第二棱镜角。
17.根据权利要求15所述的盖，其中所述第一棱镜角是58°且所述第二棱镜角是60°。
18.一种天窗，包括：
界定上端和下端的管组件(24)；
覆盖下端的扩散器组件(26)；
盖组件(21)，其覆盖上端并允许光线通过所述盖组件(21)而进入所述管组件，所述盖组件包括带有棱镜(54)的上部圆顶(38)以及在所述圆顶(38)和所述管组件之间延伸的带有棱镜(54)的下部圆筒(36)。
19.根据权利要求18所述的天窗，其中所述圆顶(38)形成有第一棱镜元件(54a)和第二棱镜元件(54b)，所述第一棱镜元件(54a)与所述第二棱镜元件(54b)在所述圆顶(38)上交替并限定所述圆顶(38)，所述第一棱镜元件(54a)界定第一棱镜角且所述第二棱镜元件(54b)界定与所述第一棱镜角不同的第二棱镜角。
20.根据权利要求18所述的天窗，其中所述第一棱镜角是58°且所述第二棱镜角是60°。
21.根据权利要求19所述的天窗，包括圆筒状棱镜环(48)，所述圆筒状棱镜环(48)抵着所述圆筒(36)的表面而定位并且承载被配置成用于折射光线的棱镜(54)以形成所述下部圆筒的棱镜。
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