具有反射结构表面的天窗管的制作方法

专利名称：具有反射结构表面的天窗管的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及天窗。
背景技术：
在专利号为5,896,713和6,035593的美国专利中公开了管状天窗，这两个专 利都属于同一受托人，也是本发明的受托人，两个专利都在这里被联合参考。两 个天窗都可以使用在专利号为5,896,712的美国专利中公开的天窗覆盖物，该专利 也属于同一受托人，也是本发明的受托人，该专利也在这里被联合参考。这些发 明代表了本领域的前沿，且其中的一个或多个已经取得了商业上的成功。
简单地说，如上所述的管状天窗包括安装在屋顶和建筑物天花板之间的管装 置。管装置的顶端被安装在屋顶的圆顶或覆盖物所覆盖，比如上述'712专利中公 开的覆盖物，而管装置的底端被安装在天花板上的扩散板所覆盖。采用这种结构， 建筑物外部的自然光直接通过管装置进入建筑物内部来进行内部照明。
管状天窗使用近乎完全镜面反射表面来在管内从屋顶到内部天花板向下传递 光。"镜面"意味着，如果管侧是平行的且保持镜面反射表面，那么反射的阳光 直线光束在其沿着管向下反射的时候保持接近平行的光束。
本发明意识到，阳光是基于天/年的时间、讳度以及管开口平面的位置而以各 种入射角进入管中的。尽管管的位置固定，直线光束的阳光在其进入管中的时候 是以大约相同的仰角沿着管的周边向下反射的。这里可以理解，这将导致以下一 些不希望的缺点。首先，平行的阳光光束可在沿着管向下的各个位置上集中于焦 点上，导致潜在的危险过热点，特别是在存在易燃物品的情况下可导致火灾。其 次，在管的底层的扩散体上导致不均匀的照明，因为光束的周边路径加上焦点可 导致扩散体的局部和不均匀的照明。此外，直线光束穿过扩散体的棱镜可导致波 长的分离，并在内部投射出彩虹。
因此，本发明做了以下重要的观察。直线阳光光束以管的大致形状从镜面反 射可产生过热点，这是不安全的，并由于不均匀的照明而降低了产品的性能。这
里可进一步理解，简单的减少管的镜面导致光传播的减少。同样的，在管的上部 安装扩散体来引导强光和过热点，由于这个额外的扩散体的传播损失和由于光的 传播而导致的增加的反射而降低了整个系统的性能。此外，使用随机图案的反射 体来试图弥补上述缺点将导致半球形的光扩散，这可能将超过50%的光沿着管回 投反射，从而再一次降低了性能。在考虑上述观察之后，这里提供了本发明。

发明内容
天窗管的内部形成有结构，该结构改变阳光光束角度来防止焦点的形成，禾口/ 或混合光线来均匀的对底部扩散体进行照明并消除强光和颜色分离，和/或控制光 线的方向来防止向后反射和过度的反射。
因此，在第一个方面，天窗装置具有透明的覆盖物和天窗管基层，该管基层 从所述覆盖物延伸出去，通过所述管基层将光传递进入该覆盖物。在管基层上形 成表面不规则体。该表面不规则体可以是凹坑或纵向铍褶。
在某些实例中，所述管基层为金属的，且该管基层被磨光来提供反射表面， 而不需要任何反射薄膜结合到该装置上。在其它的实例中，所述管基层为金属的， 在所述管基层的内表面上直接汽相淀积反射金属，来使得装置内部具有反射性， 而不需要将粘合剂结合到该装置上。在另外的其它实例中，所述管基层为反射薄 膜的，金属物质汽相淀积到该薄膜上或者多层反射聚合体组合物结合到该基层上。
当所述表面不规则体为纵向皱褶的时候，各个皱褶界定了中线和相对的边缘， 在第一皱褶的边缘的横向切线之间形成有第一角度。同样的，在第二铍褶的边缘 的横向切线之间形成有不同于第一角度的第二角度。第一和第二皱褶交替围绕在 管基层的圆周上，且其横截面可为V形或U形。
当所述表面不规则体为凹坑的时候，各个凹坑界定了中心和外围，外围的切 线相对于中心的切线形成一个不大于2度的角度。
在另一个方面，天窗装置包括透明的覆盖物和天窗管基层，该管基层从所述 覆盖物延伸出去，通过所述管基层将光传递进入该覆盖物。在管基层上形成表面 不规则体。在这个方面，所述管基层为金属的，在所述管基层的内表面上直接淀 积反射金属，来使得装置内部具有反射性，而不需要将粘合剂结合到该装置上。
在另一个方面，天窗装置包括透明的覆盖物和天窗管基层，该管基层从所述 覆盖物延伸出去，通过所述管基层将光传递进入该覆盖物。在管基层上形成表面
不规则体。在这个方面，所述管基层为金属的，且该管基层被磨光来提供反射表 面，而不需要任何反射薄膜结合到该装置上。
在另一个方面，天窗装置包括透明的覆盖物和天窗管基层，该管基层从所述 覆盖物延伸出去，通过所述管基层将光传递进入该覆盖物。在管基层上形成表面 不规则体。在这个方面，所述管基层为反射薄膜的，金属物质汽相淀积到该薄膜 上。
在另一个方面，天窗装置包括透明的覆盖物和天窗管基层，该管基层从所述 覆盖物延伸出去，通过所述管基层将光传递进入该覆盖物。在管基层上形成表面 不规则体。在这个方面，所述管基层为反射薄膜的，该反射薄膜包括多层反射聚 合体组合物。
参考附图，可以最好的理解本发明的细节，以及其结构和实施，其中相同的 附图标记表示类似的部分，且其中


图1为本发明的管状天窗局部横截面侧视图； 图2为具有用于减少焦点的纵向皱褶的管透视图； 图3为图2中所示管内部的侧向正视图； 图4为图2中所示管的俯视图5为图4中圆圈"5"中管周围的局部放大图6为具有用于减少焦点的凹坑的另 一种管的透视图7为图6中所示管的俯视图8为图7中沿线8-8所示的管的局部放大图；以及 图9为图8中圆圈"9"中凹坑的局部放大图。
具体实施例方式
首先参考图l，为根据本发明制成的管状天窗，通常用IO表示，采自然光用 于照明，在通常用16表示的建筑物中的房间12内部具有天花板14。图1所示为， 建筑物16具有屋顶18和一个或多个托梁20，该托梁20支撑所述屋顶18和天花 板14.
如图1所示，天窗10包括刚性硬塑料或玻璃材料的安装在屋顶上的覆盖物
21。该覆盖物21具有导光性，优选的是为透明的。在一个实施例中，该覆盖物
21可以是上述，712专利中公开的覆盖物。或者，该覆盖物21可以是其它合适的 覆盖物，比如市场上可以买到的本受托人的商标名为"Solatube"的覆盖物。
该覆盖物21可通过类似环状的金属防水板22而安装到屋顶18上，该防水板 22通过现有技术中已知的方式连接到屋顶18上。该金属防水板22的角度设置成 大致符合屋顶18的斜面，以如图所示的通常垂直定位的方式结合并支撑该覆盖物 21。
进一步如图l所示，内反射空心管装置，通常用24表示，连接到防水板22 上。该装置24的横截面可以是圆形、矩形、三角形等等。因此，当这里有时用到 "管"这个词的时候，可以理解，本发明的原理本质上并不限定于圆柱形，除非 有另外的规定。
该管装置24延伸到房间12内部的天花板14。根据本发明，该管装置24将 进入管装置24的光向下引导至光扩散装置，该光扩散装置通常用26表示，布置 在房间12内，安装到天花板14上，或者安装到上述'593专利中所述的托梁20上。
该管装置24可以采用金属制成，比如铝合金或钢，或者也可以采用塑料或者 其它合适材料制成。管装置24的内部可以通过比如电镀、阳极化处理(anodizing)、 金属塑料薄膜涂层(metalized plastic film coating)或其它合适的方式来涂布成具 有反射性质的。在一个优选实施例中，通过在管装置的内表面层压有由Minnesota Mining Manufacturing (3M)制造的多层聚合薄膜，该管装置24内部涂布成具有 反射性质。单层这样的薄膜是透明的，但是当数百层贴合在一起，然后热压到管 装置24内表面上的时候，其联合起来就具有镜面反射效果。
因此，在非限制性的实例中，该管可以由金属基层，比如铝或钢来构成，并 使用粘合剂将反射薄膜粘附到管上。该管基层也可以由黏合有反射薄膜的聚合体 构成。
另一种选择是，如果管是金属的，可以将管基层磨光来形成反射表面，或者 将高反射性的金属比如银或铝蒸汽直接淀积到管基层上，而不需要单独的粘合剂。
在其它的实例中，反射膜本身可以用作管基层。在这样的实例中，金属以蒸 汽形式淀积到薄膜表面上。或者，薄膜可以包括反射性的多层聚合体组合物。
在一个优选实施例中，该管装置24是由单个的管构成的。然而，如图l所示， 如果需要的话，该管装置24可以包括多个部分，根据本发明的原理，各个部分都
是内部具有反射性的。特别的，管装置24可以包括上管28，接合到防水板22上， 被覆盖物21覆盖。同样，管装置24可以包括上中管30，与上管28接触，如果 需要的话，可以相对于弯管31形成一角度。此外，管装置24可以包括下中管32， 如果需要的话，该下中管32可以与上中管31滑动接合，来用于吸收管装置24 中的热压力。同样， 一下管34可以与下中管32接触，在弯管35处与下中管32 连接，扩散装置26覆盖下管34的底部。弯管35的角度设置成符合建筑物16， 使得管装置24将安装的屋顶的覆盖物21连接到安装在天花板上的扩散装置26。 可以理解，根据本领域公知常识，合适的是，管之间可靠的连接可以是机械固定 的，并覆盖有包带(tape)。
总之，该管装置24在其部分或全部内表面上形成表面不规则体来反射光，使 得形成过热点的机会最小，而仍然使得光通过量最大。该表面不规则体可以是在 本受托人的这里联合参考的美国专利2003/0061775中描述的那些表面不规则体， 或者这里公开的皱褶或凹坑。
特别的，图2至图5所示为空心管40，该空心管40可以用作图1中所示的 任一个管或管的部分，并在其整个长度和圆周上形成线性纵向皱褶42，可以理解， 该皱褶42可以仅仅形成于管40的部分长度和/或圆周上。最好是如图5所示，该 皱褶42的横截面可以是V形的，另一种选择是，其横截面可以是U形的。
通常，各个皱褶可以在小于180度大于1度的范围内变化，优选的是，该角 度范围是大于120度，来使得反射最小化。同样，这个角度可以绕着管变化，而 在光到达底部扩散体之前提供更多的光混合量，马上参考图5将会更加清楚这一 点。
除了控制光的传播特征之外，当基层为金属的时候，该皱褶42也允许基层更 容易弯曲，而从板状形成圆柱形，同时由于这种几何结构增大了惯性力矩，从而 增大了管40的横向强度。这两种特征使得小直径的管组装更容易，同时由于强度 增大而减少了填料(caliper)金属的使用。
如图5所示，重点参考其优选的非限制性细节，各个皱褶42界定了中线44 和相对的边缘46、 48，如图所示，相邻皱褶的相邻边缘互相连接。为了说明起见， 图5中的中线44界定为皱褶的一部分，从边缘径向插入，从而形成凹的铍褶，本 领域技术人员可以很容易的理解，这个结构也可以是相反的，也就是，中线可以
界定为皱褶的径向突出部分，从而形成凸的皱褶。
总之，图5所示为在各个皱褶的边缘46、 48的横向切线之间形成有角度ou 当刍皮褶为如图所示的V形的时候，该横向切线为如图所示的中线44到各个边缘 46、 48的横向尺寸中延伸的单一直线，也就是，角度a为"V"的角度。进一步 如图5所示，奇数皱褶可具有第一角度a，比如120度，而偶数皱褶可形成第二 角度，比如125度，奇数皱褶和偶数皱褶交替围绕在管40的圆周上。这种几何结 构导致，如图所示，在边缘48的法线50和相邻中线44的法线52之间形成2.5 度的角度，而在中线44的法线52和下一个连续中线44的法线54之间形成5度 的角度。
作为皱褶的另一种选择，图6至图9所示为具有凹坑的空心管60，该空心管 60可以用作图1中所示的任一个管或管的部分。特别的，该空心管60在其整个 长度和圆周上形成有凹坑62，可以理解，该空心管60可以仅仅形成于管60的部 分长度和/或圆周上。
凹坑62可以为任何合适的形状，比如高尔夫球凹坑的无数形状中的一种，比 如球形、椭圆形、抛物线形、双曲线形等等。在图9中所示的最好的非限制性实 施例中，各个凹坑62具有凹的(或者凸的，根据透视图，也就是向外或向内)类 似碟子的形状，并因此可形成这样的形状，该形状被认为是球形或抛物线形或其 它表面遍布曲线的碗状的一样(very)的底部。
因此，在所示的非限制性实例中，各个凹坑62界定了中心64和优选的圆形 外围66。外围66的切线68相对于中心64的切线70形成一个不大于2度的角度 P(为给出更好的方案，请看图5中的角度p，中心64的切线70已经偏移到中心 62的右边)。因此，中心64和外围66之间的径向尺寸距离优选的小于半英寸(<0.5 英寸，或者小于大约1.25厘米)。通过将角度p限制为小于2度，防止了低仰角 (low elevation)太阳光的损失。通过将中心64和外围66之间的径向尺寸距离限 制为小于半英寸，防止了过度的反射，否则将最终导致阳光被回投反射，并被反 射到覆盖物(dome) 21夕卜，从而降低管60的光通过量。
在非限制性实施例中，可以以任何合适的方式形成上述皱褶和/或凹坑。在一 个非限制性实例中，可采用压花辊子来形成或摹制(pattern)金属管、或反射薄 膜，或粘合剂。在另一个非限制性实例中，可在挤压或涂布模子中将金属管、或 反射薄膜，或粘合剂挤压或涂布成所需的轮廓。还有，可在模型工具中将金属管、
或反射薄膜，或粘合剂塑造成所需的图案。
虽然这里展示并详细说明了特别的具有反射结构表面的天窗管，但是本发明 并不受除了所附权利要求之外的任何限制。
权利要求
1、一种天窗装置，包括透明覆盖物(21)；以及至少一个天窗管基层(24、40、60)，从所述覆盖物(21)延伸出去，通过所述管基层(24、40、60)将光传递进入该覆盖物(21)；至少一个表面不规则体(42、62)，形成于管基层(24、40、60)上，该表面不规则体(42、62)从凹坑(62)和纵向皱褶(42)组成的组中选择。
2、 根据权利要求1所述的装置，其中，所述管基层(24、 40、 60)为金属的， 该管基层(24、 40、 60)被磨光来提供反射表面，而不需要任何反射薄膜结合到 该装置上。
3、 根据权利要求1所述的装置，其中，所述管基层(24、 40、 60)为金属的， 在所述管基层(24、 40、 60)的内表面上直接淀积反射金属，来使得装置内部具 有反射性，而不需要将粘合剂结合到该装置上。
4、 根据权利要求l所述的装置，其中，所述管基层(24、 40、 60)为反射薄 膜的，金属物质汽相淀积到该薄膜上。
5、 根据权利要求1所述的装置，其中，所述管基层(24、 40、 60)为反射薄 膜的，该薄膜包括多层反射聚合体组合物。
6、 根据权利要求l所述的装置，包括多个由纵向皱褶(42)形成的表面不规 则体，各个皱褶(42)界定了中线(44)和相对的边缘(46、 48)，在第一皱褶 的边缘的切线之间形成有第一角度，在第二铍褶的边缘的切线之间形成有第二角 度，该第一角度和第二角度不相同。
7、 根据权利要求6所述的装置，其中，第一皱褶和第二皱褶交替围绕在管基 层(24、 40、 60)的圆周上。
8、 根据权利要求6所述的装置，其中，所述皱褶的横截面为V形。
9、 根据权利要求6所述的装置，其中，所述皱褶的横截面为U形。
10、 根据权利要求1所述的装置，包括由多个凹坑(62)形成的多个表面不 规则体，各个凹坑(62)界定了中心(64)和外围(66)，外围(66)的切线(68) 相对于中心(64)的切线形成一个不大于2度的角度。
全文摘要
通过几种方式使得天窗管基层(24、40、60)形成内部具有反射性。为了限制焦点的形成，该焦点在光穿过管的时候可导致过热点，该管基层(24、40、60)形成具有凹坑(62)或纵向皱褶(42)。
文档编号E04D13/03GK101175891SQ200680001177
公开日2008年5月7日 申请日期2006年8月7日 优先权日2006年5月22日
发明者保罗·雅斯特尔, 大卫·W·里利 申请人:索乐图国际公司