Способ и система для предотвращения обрастания поверхностей - RU2661995C2
Код документа: RU2661995C2
Чертежи
Описание
Область техники
Изобретение относится к способам предотвращения обрастания, обычно называемого предохранением от обрастания, поверхностей и к устройствам для выполнения этих способов. В частности, раскрытие относится к способам и устройствам для предохранения от обрастания корпусов судов.
Уровень техники
Биообрастание или биологическое обрастание представляет собой накопление микроорганизмов, растений, водорослей и/или животных на поверхностях. Организмы биообрастания являются очень разнообразными и выступают далеко за пределы прикрепления ракушек и морских водорослей. В соответствии с некоторыми оценками свыше 1700 видов, содержащих свыше 4000 организмов, ответственны за биообрастание. Биообрастание подразделяют на микрообрастание, которое включает в себя образование биопленки и бактериальную адгезию, и макрообрастание, которое представляет собой прикрепление более крупных организмов. Кроме того, соответственно особенностям химии и биологии, которыми определяются, осаждение каких организмов исключается, эти организмы классифицируют на типы, относящиеся к жесткому или мягкому обрастанию. Организмы известкового (жесткого) обрастания включают в себя ракушки, образующие корку мшанки, моллюски, полихеты и другие трубчатые черви, и полосатые мидии. Примерами организмов неизвесткового (мягкого) обрастания являются морские водоросли, гидроиды, водорослевая и биопленочная слизь. Эти организмы совместно образуют сообщество обрастания.
При некоторых обстоятельствах биообрастание создает значительные проблемы. Прекращается работа механизмов, засоряются впуски воды и возникает повышенное сопротивление корпусов судов. Поэтому тема предохранения от обрастания, то есть процесса удаления или предотвращения образования обрастания, хорошо известна. В промышленных процессах для регулирования биообрастания можно использовать биодиспергаторы. В менее контролируемых окружающих средах организмы уничтожают или отгоняют нанесением покрытий с использованием биоцидов, термическими обработками или импульсами энергии. Нетоксичные механические стратегии, в соответствии с которыми предотвращают нападение организмов, включают в себя выбор материала или покрытия со скользкой поверхностью или создание топологий наномасштабных поверхностей, подобных коже акул или дельфинов, на которой точки закрепления являются исключительно плохими.
Краткое изложение
Биообрастание корпусов судов, показанное на фиг. 1, приводит к сильному возрастанию лобового сопротивления и поэтому повышается потребление топлива. По имеющимся оценкам повышение потребления топлива на 40% можно отнести за счет биообрастания. Поскольку крупные нефтяные танкеры или транспортирующие контейнеры суда потребляют ежедневно топливо стоимостью до 200000 евро, значительные снижения затрат возможны при использовании эффективного способа предохранения от обрастания.
В этой заявке представлен подход, основанный на оптических способах, в частности, с использованием ультрафиолетового (УФ) света. Хорошо известно, что большая часть микроорганизмов погибает, оказывается неактивной или неспособной размножаться при «достаточном» ультрафиолетовом свете. Этот эффект большей частью определяется суммарной дозой ультрафиолетового света. Типичная доза для уничтожения 90% некоторых микроорганизмов составляет 10 мВт-ч/м2, подробности содержатся в нижеследующих абзацах, относящихся к ультрафиолетовому свету, и на соответствующих чертежах.
Ультрафиолетовый свет в общем случае
Ультрафиолетовый (УФ) свет представляет собой часть электромагнитного света, ограниченную нижним пределом длины волны видимого спектра и диапазоном рентгеновского излучения. По определению спектральный диапазон ультрафиолетового света находится между 100 и 400 нм (1 нм=10-9 м) и этот свет невидим для глаз человека. В соответствии с классификацией Международной комиссии по освещению спектр ультрафиолетового света подразделяется на три диапазона:
Ультрафиолетовый свет спектра А (длинноволновая часть) от 315 до 400 нм.
Ультрафиолетовый свет спектра В (средневолновая часть) от 280 до 315 нм.
Ультрафиолетовая свет спектра С (коротковолновая часть) от 100 до 280 нм.
В реальности многие фотобиологи часто говорят о кожной реакции, являющейся результатом воздействия ультрафиолетового света, как о взвешенном воздействии при длине волны выше и ниже 320 нм и таким образом, предлагают альтернативное определение.
Сильное бактерицидное действие создается ультрафиолетовым светом в коротковолновом диапазоне спектра С. В дополнение к этому эритема (покраснение кожи) и конъюнктивиты (воспаления слизистых оболочек глаза) также могут вызываться светом этого вида. Вследствие этого при использовании бактерицидных ламп ультрафиолетового света важно проектировать системы с учетом исключения утечки ультрафиолетового света спектра С и следовательно, исключения этих воздействий. В случае погруженных источников света поглощение ультрафиолетового света водой может быть достаточно сильным и утечка ультрафиолетового света спектра С не будет создавать проблем для людей выше поверхности жидкости.
Само собой разумеется, что человек должен избегать воздействия ультрафиолетового света спектра С. К счастью, делать это относительно просто, поскольку он поглощается большей частью продуктов и даже стандартное плоское стекло поглощает по существу весь ультрафиолетовый свет спектра С. Исключениями являются, например, кварц и политетрафторэтилен (ПТФЭ). И в этом случае по счастливой случайности ультрафиолетовый свет спектра С большей частью поглощается омертвевшей кожей, поэтому эритема может ограничиваться. В дополнение к этому ультрафиолетовый свет спектра С не проходит через очки; тем не менее конъюнктивиты могут возникать, хотя и временно, но они являются чрезвычайно болезненными; то же самое справедливо относительно действия эритемы.
При воздействии ультрафиолетового света спектра С следует соблюдать осторожность, чтобы не превышалась норма порогового значения. На фиг. 2 показаны эти значения для большей части спектра ультрафиолетового света согласно Международной комиссии по освещению. Для практических целей в таблице 1 приведены в зависимости от времени предельные пороговые значения (ППЗ) эффективной плотности излучения при облучении человека ультрафиолетовым светом согласно Американскому конгрессу государственных и промышленных гигиенистов (АКГПГ). Здесь следует отметить, что при длинах волн излучения меньше 240 нм из кислорода воздуха образуется озон О3. Озон является токсичным и высокоактивным; поэтому следует принимать меры предосторожности для исключения воздействия его на людей и некоторые материалы.
Генерация и характеристики коротковолнового ультрафиолетового света
Наиболее эффективным источником для генерации ультрафиолетового света спектра С является ртутная газоразрядная лампа низкого давления, в которой в среднем 35% входной мощности преобразуется в мощность ультрафиолетового света спектра С. Излучение генерируется почти исключительно при 254 нм, то есть достигаются 85% максимального бактерицидного действия (фиг. 3). Трубчатые люминесцентные ультрафиолетовые (ТЛУФ) лампы низкого давления фирмы Philips имеют колбу из специального стекла, которое отфильтровывает излучение, образуемое озоном, в этом случае ртутную линию 185 нм. Спектральное пропускание этого стекла показано на фиг. 4 и распределение спектральной интенсивности этих трубчатых люминесцентных ультрафиолетовых ламп приведено на фиг. 5.
Для различных бактерицидных трубчатых люминесцентных ультрафиолетовых ламп фирмы Philips электрические и механические свойства идентичны их световым эквивалентам для видимого света. Это позволяет им работать аналогичным образом, то есть при использовании электронной или магнитной балластной или стартерной цепи. Для всех ламп низкого давления имеется зависимость между рабочей температуры лампы и отдачей. В лампах низкого давления резонансная линия при 254 нм является наибольшей при некотором давлении паров ртути в разрядной трубке. Это давление определяется рабочей температурой и оптимизируется при температуре стенки трубки 40°С, соответствующей окружающей температуре около 25°С. Кроме того, следует осознавать, что на отдачу лампы влияет поток воздуха (принудительный или естественный), действующий на лампу, так называемый фактор охлаждения. Читателю следует обратить внимание на то, что для некоторых ламп при увеличении воздушного потока и/или снижении температуры может возрастать бактерицидное действие. Это обнаруживается в лампах с высокой отдачей (ВО), то есть лампах с большей мощностью, чем обычная для их линейного размера.
Ультрафиолетовый источник второго вида представляет собой ртутную лампу среднего давления, в данном случае при более высоком давлении энергетические уровни возбуждаются в большем количестве, создавая больше спектральных линий и континуум (рекомбинированное излучение) (фиг. 6). Следует отметить, что кварцевая колба пропускает ниже 240 нм, так что озон может образовываться из воздуха. Преимуществами источников среднего давления являются:
- высокая плотность мощности;
- большая мощность, приводящая к меньшему количеству ламп, чем ламп низкого давления, используемых при одном и том же применении; и
- меньшая чувствительность к окружающей температуре.
Лампы должны работать так, чтобы температура стенок находилась между 600 и 900°С и температура пинча не превышала 350°. Силу света этих ламп можно регулировать аналогично лампам низкого давления.
Кроме того, можно использовать лампы с диэлектрическим барьерным разрядом (ДБР). Эти лампы могут создавать очень сильный ультрафиолетовый свет при различных длинах волн и при высоких эффективностях преобразования электрической энергии в оптическую.
Кроме того, бактерицидные дозы, перечисленные выше, можно легко получать при использовании существующих дешевых ультрафиолетовых светодиодов небольшой мощности. Обычно светодиоды можно заключать в относительно небольшие корпусы и они потребляют меньше энергии, чем источники света других видов. Светодиоды можно изготавливать для излучения (ультрафиолетового) света различных заданных длин волн, а рабочие параметры их, прежде всего выходную мощность, можно регулировать с высокой степенью точности.
Основная идея, лежащая в основе настоящего раскрытия, заключается в покрытии значительной части защищаемой поверхности для поддержания свободной от обрастания предпочтительно всей защищаемой поверхности, например корпуса судна, слоем, который излучает бактерицидный свет, в частности ультрафиолетовый свет.
Соответственно, согласно прилагаемой формуле изобретения в этой заявке предложены способ предохранения от обрастания защищаемой поверхности, а также осветительный модуль и система для предохранения от обрастания защищаемой поверхности.
Способ содержит предоставление предохраняющего от обрастания света и излучение предохраняющего от обрастания света в направлении от защищаемой поверхности, в котором по меньшей мере часть света распределяют по значительной части защищаемой поверхности с помощью оптической среды до излучения в направлении от защищаемой среды. В вариантах осуществления способ содержит излучение предохраняющего от обрастания света от по существу плоской поверхности излучения оптической среды. В вариантах осуществления в способе используют световод для распределения света по значительной части защищаемой поверхности и световод содержит силиконовый материал и/или кремнеземный материал УФ-класса, в частности кварц. Способ предпочтительно выполнять в то время, когда защищаемая поверхность по меньшей мере частично погружена в жидкую окружающую среду.
Осветительный модуль для предохранения от обрастания защищаемой поверхности содержит по меньшей мере один источник света для генерации предохраняющего от обрастания света и оптическую среду для распределения предохраняющего от обрастания света от источника света. По меньшей мере один источник света и/или оптическая среда могут быть по меньшей мере частично расположены в, на и/или вблизи защищаемой поверхности для излучения предохраняющего от обрастания света в направлении от защищаемой поверхности. Предпочтительно, чтобы осветительный модуль был выполнен с возможностью излучения предохраняющего от обрастания света в то время, когда защищаемая поверхность по меньшей мере частично погружена в жидкую окружающую среду. В варианте осуществления оптическая среда представляет собой световод, содержащий силиконовый материал и/или кремнеземный материал УФ-класса.
Кроме того, осветительный модуль для предохранения от обрастания защищаемой поверхности может быть выполнен в виде фольги для наложения на защищаемую поверхность, при этом фольга содержит по меньшей мере один источник света для генерации предохраняющего от обрастания света и листовую оптическую среду для распределения предохраняющего от обрастания света по фольге. В вариантах осуществления фольга имеет толщину порядка от пары миллиметров до нескольких сантиметров. В вариантах осуществления фольга по существу не ограничена в любом направлении, перпендикулярном направлению толщины, для получения по существу крупной фольги, имеющей размеры порядка десятков или сотен квадратных метров. Размер фольги может быть значительно ограничен в двух ортогональных направлениях, перпендикулярных направлению толщины фольги, для образования предохраняющей от обрастания плитки; в другом варианте осуществления размер фольги значительно ограничен только в одном направлении, перпендикулярном направлению толщины фольги, для образования удлиненной полосы предохраняющей от обрастания фольги.
Независимо от того, расположен ли осветительный модуль в, на и/или вблизи защищаемой поверхности или образован как отдельная фольга, он содержит поверхность излучения для излучения предохраняющего от обрастания света из оптической среды в окружающую среду и поверхность наложения, противоположную поверхности излучения, для приложения или монтажа осветительного модуля к защищаемой поверхности. В предпочтительном варианте осуществления поверхность излучения осветительного модуля является по существу плоской с тем, чтобы исключались ямки и зазубрины, которые могут становиться местами начала обрастания, и с тем, чтобы исключались выпуклости для ограничения величины сопротивления, создаваемого структурой, наложенной на защищаемую поверхность. Преимущество по существу плоской поверхности в сравнении с поверхностью, содержащей зазубрины и выпуклости или имеющей значительную шероховатость, заключается в том, что микроорганизмам более трудно прикрепляться к по существу плоской поверхности, особенно в сочетании с эффектами сопротивления в жидкой окружающей среде, чем к шероховатой поверхности, или в ямках, имеющихся в указанной поверхности. В этой заявке термин «по существу плоская» применительно к поверхности излучения обозначает поверхность, маскирующую или затемняющую толщу источников света и проводных соединений, помещенных в осветительный модуль или прикрепленных к нему. Кроме того, термин «по существу плоская» может относиться к маскированию или затемнению некоторых конструкционных неравномерностей защищаемой поверхности, благодаря чему улучшаются характеристики сопротивления защищаемой поверхности в жидкой окружающей среде. Примерами конструкционных неровностей защищаемой поверхности являются сварные швы, заклепки и т.д. Термин «по существу плоская» можно выразить количественно как вариацию средней толщины осветительных модулей меньше чем 25%, предпочтительно меньше чем 10%. Поэтому для «по существу плоской» необязательно требуется шероховатость поверхности, соответствующая чистовой машинной обработке.
В предпочтительном варианте осуществления осветительный модуль содержит двумерную сетку источников света для генерации предохраняющего от обрастания света и оптическую среду, выполненную с возможностью распределения по меньшей мере части предохраняющего от обрастания света от двумерной сетки источников света по оптической среде для создания двумерного распределения предохраняющего от обрастания света, выходящего с поверхности излучения света осветительного модуля. Двумерная сетка источников света может быть расположена в мелкоячеистой проволочной структуре, структуре с плотной упаковкой, структуре рядов/столбцов или любой другой подходящей регулярной или нерегулярной структуре. Физическое расстояние между соседними источниками света в сетке может быть фиксированным по сетке или может быть переменным, например как функция выходной мощности света, необходимой для получения эффекта предохранения от обрастания, или как функция местоположения осветительного модуля на защищаемой поверхности (например, местоположения на корпусе судна). Преимущества образования двумерной сетки источников света заключаются в том, что предохраняющий от обрастания свет может генерироваться близко к областям, защищаемым облучением предохраняющим от обрастания светом, и в том, что снижаются потери в оптической среде или световоде, и в том, что повышается равномерность распределения света. Предпочтительно, чтобы в общем случае предохраняющий от обрастания свет был равномерно распределен по поверхности излучения; при этом уменьшается или даже предотвращается недостаточное освещение областей, в которых в ином случае может возникать обрастание, вместе с тем одновременно уменьшаются или предотвращаются потери энергии при избыточном освещении других областей большим количеством света, чем это необходимо для предохранения от обрастания.
В предпочтительных вариантах осуществления источники света представляют собой ультрафиолетовые светодиоды. По меньшей мере один ультрафиолетовый светодиод или сетка ультрафиолетовых светодиодов может быть заключена в непроницаемую для жидкости оболочку. В вариантах осуществления по меньшей мере один ультрафиолетовый светодиод или сетка ультрафиолетовых светодиодов может быть объединена с оптической средой. Множество ультрафиолетовых светодиодов могут быть образованы в виде сетки и электрически соединены в последовательной/параллельной мелкоячеистой проволочной структуре (как будет пояснено ниже). Светодиоды и соединения мелкоячеистой проволочной сетки могут быть герметизированы покрытием с высоким пропусканием и прикреплены к оптической среде или непосредственно встроены в оптическую среду. В других вариантах осуществления сетка ультрафиолетовых светодиодов может содержаться в слое электронной ткани, которая включена в смоляную структуру. В некоторых вариантах осуществления ультрафиолетовые светодиоды могут быть корпусированными светодиодами, и в этом случае они уже могут включать в себя оптические элементы для распределения света, излучаемого от корпусов светодиодов, в широком угле излучения. В других вариантах осуществления ультрафиолетовые светодиоды могут быть светодиодными кристаллами, обычно не содержащими оптических элементов, значительно более тонкими, чем корпусированные светодиоды. Например, светодиодные кристаллы могут быть подобраны и помещены на поверхность оптической среды (предпочтительно на поверхность наложения, но также подходит поверхность излучения вследствие небольшого размера компонентов, которые почти не будут мешать функции излучения света указанной поверхности), электрически соединены способом печати проводящей пастой и в заключение светодиодные кристаллы и соединения могут быть герметизированы тонким слоем/покрытием оптической среды или любым другим защитным слоем для наложения осветительного модуля на защищаемую поверхность. Различные варианты осуществления встроенных источников света позволяют налаживать серийный выпуск продукции согласно представленной технологии предохранения от обрастания в виде фольги для наложения на корпус судов.
Система для предохранения от обрастания защищаемой поверхности может содержать множество осветительных модулей, раскрытых в этой заявке, предназначенных для размещения на защищаемой поверхности с тем, чтобы создавать предохраняющий от обрастания свет по существу по всей площади защищаемой поверхности.
Силиконовые материалы могут обеспечивать оптическое пропускание ультрафиолетового света с небольшими потерями по сравнению с потерями в других материалах. Речь идет, в частности, о свете с более короткой длиной волны, например ультрафиолетовом свете с длинами волн меньше 300 нм. Особенно эффективная группа силиконовых материалов представляет собой, или по меньшей мере содержит, так называемые метилсиликоны, соответствующие общей химической формуле CH3[Si(CH3)2O]nSi(CH3)3, где, как принято в органической химии, n обозначает любое подходящее целое число. Силиконовые материалы этого вида имеют хорошие характеристики пропускания ультрафиолетового света при небольших потерях, по меньшей мере по сравнению с характеристиками других силиконовых материалов. Кроме того, силиконовые материалы являются гибкими и упругими, так что они являются устойчивыми, долговечными и способными противостоять сжатию, например, связанному с ударами, столкновениями и т.д. объектов с поверхностью, например с ударом судна о пирс. Кроме того, они могут ослаблять деформацию наружной обшивки судна, возникающую вследствие флуктуации температуры, ударов волн по корпусу, изгиба судна при накате ветровых волн и вертикальной качке и т.д. Силиконовые материалы также могут быть наложены и образованы поверх структур поверхности: сварных швов, заклепок и т.д., в или на поверхности. Кроме того, силиконовые материалы склонны хорошо сцепляться с металлами и красками, так что на протяжении поверхности образуется защитное покрытие. Очевидно, что прозрачные силиконовые материалы позволяют считывать нижележащие знаки (например, цветные символы), покрытые силиконовым материалом. Кроме того, в них обычно используют водный репеллент, и они могут снижать трение и сопротивление. С другой стороны, силиконы могут быть сделаны очень гладкими для уменьшения сцепления организмов биообрастания со слоем и для снижения трения относительно потока воды, тогда как с другой стороны, материал можно тонко структурировать с тем, чтобы имитировать кожу акулы, что также известно, для снижения трения в воде при достаточной скорости относительно окружающей воды. Следует отметить, что структурированная поверхность оптической среды, в частности световода, может вызывать нарушение условий полного внутреннего отражения и вместе с этим обуславливать выход света из световода, который в ином случае захватывается и передается с помощью полного внутреннего отражения. Таким образом, выход света может быть надежно локализован.
Кремнезем УФ-класса имеет очень низкое поглощение ультрафиолетового света и поэтому очень хорошо подходит в качестве материала оптической среды и световода. Кроме того, относительно крупные объекты можно изготавливать, используя относительно небольшие фрагменты или доли кремнезема УФ-класса и/или совместно с так называемым плавленым кварцем, при сохранении свойств пропускания ультрафиолетового света в случае крупного объекта. Доли кремнезема, включенные в силиконовый материал, защищают силиконовый материал. В таком сочетании доли кремнезема могут создавать прозрачные для ультрафиолетового света рассеиватели в другой оптической среде из силиконового материала для (пере) распределения света через оптическую среду и/или для содействия выходу света из световода. Кроме того, частицы кремнезема и/или частицы другого твердого полупрозрачного для ультрафиолетового света материала могут усиливать силиконовый материал. В частности, могут использоваться хлопьевидные частицы кремнезема, также в высокой концентрации, до 50%, 70% или даже при более высоких процентных содержаниях кремнезема в силиконовом материале, которые образуют прочный слой, который может противостоять ударам. Считается, что по меньшей часть оптической среды или световода может быть снабжена частицами кремнезема УФ-класса, имеющими изменяющуюся по пространству плотность, в частности хлопьями, по меньшей мере частично включенными в силиконовый материал для, например, изменения оптических и/или структурных свойств. В данном случае «хлопья» обозначают объекты, имеющие размеры по трем осям декартовой системы координат, при этом два из трех размеров могут взаимно отличаться, однако каждый значительно больше, например в соответствии с множителем 10, 20 или значительно более высоким, например в соответствии с множителями, численно равными сотням, чем третий размер.
Согласно вариантам осуществления в частях оптической среды, близких к поверхности излучения, предназначенной для излучения предохраняющего от обрастания света из оптической среды, плотность частиц кремнезема УФ-класса в силиконовом материале может повышаться изнутри оптической среды к поверхности излучения оптической среды, так что на или вблизи поверхности излучения создается относительно высокая плотность частиц кремнезема. Хотя можно использовать более или менее сферические и/или случайной формы частицы, хлопья кремнезема субмиллиметровой длины, например с типичными размерами до нескольких микрометров, можно располагать столь близко друг к другу, чтобы под действием очень локальных сил, таких как точечные удары заостренных объектов и/или локализованные удары тупых объектов, включая царапания, задирания поверхности и т.д., хлопья имели некоторую, хотя бы только небольшую, степень свободы перемещения в гибком силиконе, чтобы они сами могли несколько перегруппировываться, рассеивая энергию ударов и снижая повреждение световода в целом. Таким образом, может быть достигнут баланс свойств, следствием которого будет устойчивый и до некоторой степени деформируемый слой, к тому же все еще обеспечивающий заданные оптические качества. В варианте осуществления доля силиконового материала в оптической среде постепенно изменяется от около 100% (то есть, имеется по существу чистый силиконовый материал) до ниже чем около 5% (преимущественно имеется кремнезем) от одной стороны оптической среды к противоположной стороне.
Следует отметить, что можно использовать частицы, в частности хлопьевидные частицы, из другого материала, а не кремнезема, например из стекла или слюды. Такие другие материалы также могут служить рассеивателями предохраняющего от обрастания света. Кроме того, можно использовать смеси частиц различных материалов, которые могут быть смесями полупрозрачных, непрозрачных и/или оптически активных частиц. Составы таких смесей могут изменяться по световоду, например, для регулирования коэффициента пропускания предохраняющего от обрастания света световодом, в частности, если в некоторых частях используются плохо пропускающие свет частицы в относительно больших количествах.
При изготовлении оптической среды можно образовывать ряд слоев из силиконового материала, при этом каждый может иметь иной состав, характеризующийся количеством и/или плотностью частиц кремнезема. Слои могут быть очень тонкими и по меньшей мере некоторые могут быть нанесены способом «мокрым по мокрому», то есть нанесением силиконового материала на слой в жидкой или желатиноподобной форме, который должен затвердевать до получения заданного слоя, но в котором последующий слой наносят на предшествующий слой до полного затвердевания предшествующего слоя. Таким образом, создается хорошее сцепление между слоями, а в конечном продукте различные слои могут быть почти не выраженными и может быть достигнуто постепенное изменение состава. Различные слои могут быть образованы подходящим способом и/или нанесены распылением слоев материала. Слоистый материал можно образовывать любой надлежащей толщины с хорошим качеством. Отметим, что оптическая среда, которая образует значительную часть поверхности осветительного модуля, может быть прикреплена к защищаемой поверхности любым подходящим способом, включая приклеивание. Силиконовые материалы склонны к проявлению сильного сцепления с керамикой, стеклянными и металлическими материалами и поэтому распыление или намазывание силиконового материала представляет собой очень удобный способ образования и прикрепления оптической среды к подложке. Кроме того, напыляемой и/или намазываемой оптической среде можно легко придавать различные заданные формы, например в соответствии с ватерлинией, особыми знаками и/или формами поверхности. Способ наслоения может также облегчать ориентирование частиц в силиконовом материале, например расположение хлопьев в основном параллельно направлению протяженности слоя и поверхности, покрытой слоем.
Согласно другому аспекту осветительного модуля оптическая среда содержит пространства, например каналы, которые заполнены газом и/или чистой жидкостью, например водой, для направления света посредством этого и соответствующий способ содержит распределение по меньшей мере части света через такие пространства в оптической среде. Обнаружено, что оптическое прохождение ультрафиолетового света через газообразное вещество, в частности воздух, обычно значительно лучше, чем прохождение света через твердое вещество, которое может, даже если считается полупрозрачным или прозрачным до некоторой степени, иметь потери на поглощение до нескольких процентов на миллиметр. Чистая жидкость создает небольшое рассеяние, может хорошо пропускать ультрафиолетовый свет и может также обеспечивать структурную устойчивость полостей в оптической среде в отличие от заполнения пространств газом. Обнаружено, что вода, прежде всего пресная вода, имеет относительно высокий и подходящий удельный коэффициент пропускания ультрафиолетового света. Загрязнение и/или поглощение ультрафиолетового света можно также и/или дополнительно снижать, если использовать дистиллированную, деионизированную и/или иную очищенную воду. Следовательно, можно считать особенно выгодным пропускание света через пространство, заполненное газом и/или жидкостью. Для распределения света по защищаемой поверхности предпочтительно, чтобы пространство, заполненное газом и/или жидкостью, было хорошо определенным и каналы могли быть образованы в оптической среде. Свет, который в конечном счете достигает стенок каналов, может входить в оптическую среду и излучаться из оптической среды в направлении от защищаемой поверхности и в жидкую среду с получением предохраняющего от обрастания света. Оптической средой, в которой обозначены воздушные каналы, которая сама является довольно прозрачной для предохраняющего от обрастания света, дополнительно гарантируется, что, если оптическая среда даст течь и жидкая окружающая среда будет входить в оптическую среду, генерируемый предохраняющий от обрастания свет все-таки будет должным образом пропускаться через оптическую среду. Каналы могут иметь изменяющийся диаметр. Локализованные участки каналов или карманов могут быть образованы участками стенок, задающими и охватывающими отдельные (намного) большие объемы, чем соответствующие размеры частей и/или толщины стенок, например, как в упаковочном продукте, продаваемом под торговым названием «воздушно-пузырьковая пленка».
В конкретном варианте осуществления такая газосодержащая оптическая среда содержит силиконовый материал, в котором обозначены заполненные газом и/или жидкостью каналы и/или другие пространства; силиконовые материалы могут иметь определенную форму для образования сложных структур. Дополнительные преимущества силиконовых материалов с дополнительными объектами или без них, такими как частицы кремнезема, изложены выше.
В варианте осуществления каналы и/или другие пространства образованы путем формирования двух противоположных слоев силиконового материала, поддерживаемых на заданных расстояниях относительно участков стенок и/или стоек из силиконового материала, определяющих расстояние, например воздушный промежуток, между слоями. Такие участки стенок и/или стойки могут служить центрами рассеяния для (пере) распределения света через (каналы) оптической среды и/или для направления света из заполненного газом и/или жидкостью пространства (пространств) в силиконовый материал. Это облегчает локализацию излучения света из оптической среды в жидкую окружающую среду при использовании предохраняющего от обрастания света.
По меньшей мере часть предохраняющего от обрастания света, излучаемого одним или несколькими источниками света, может быть распределена в направлении, имеющем составляющую, по существу параллельную защищаемой поверхности или по существу параллельную поверхности наложения фольги, когда осветительный модуль образован как фольга. Это способствует распределению света в пределах значительных расстояний на протяжении защищаемой поверхности или поверхности наложения фольги и это содействует получению надлежащего распределения интенсивности предохраняющего от обрастания света.
Преобразующий длину волны материал может содержаться в оптической среде и по меньшей мере часть предохраняющего от обрастания света может генерироваться путем фотовозбуждения преобразующего длину волны материала для излучения предохраняющего от обрастания света на другой длине волны. Преобразующий длину волны материал может быть получен в виде преобразующего с повышением длины волны фосфора, квантовых точек, нелинейных сред, таких как одно или несколько фотонных кристаллических волокон и т.д. Поскольку потери на поглощение и/или рассеяние в оптической среде для света других длин волн, преимущественно более длинноволнового, чем ультрафиолетовый свет, менее выражены в оптических средах, она может быть энергетически более эффективной при генерации отличающегося от ультрафиолетового света и передаче его через оптическую среду и при генерации ультрафиолетового предохраняющего от обрастания света на заданном месте использования или вблизи него (то есть, излучения от поверхности в жидкую окружающую среду). К тому же или как вариант, по меньшей мере один источник света может содержать по меньшей мере один светодиод или органический светодиод, лампу с диэлектрическим барьерным зарядом и/или лампу с разрядом в парах металла (например, ртутную лампу). Подходящий предохраняющий от обрастания свет находится в диапазоне длин волн ультрафиолетового или голубого света от 220 нм до около 420 нм, в частности длин волн короче чем около 300 нм, например от около 240 нм до около 280 нм.
В вариантах осуществления оптическая среда содержит распределитель света, расположенный перед по меньшей мере одним источником света, для генерации предохраняющего от обрастания света, для распределения по меньшей мере части предохраняющего от обрастания света, излучаемого по меньшей мере одним источником света в направлении, имеющим составляющую, по существу параллельную защищаемой поверхности. Примером распределителя света может быть «противолежащий» конус, расположенный в оптической среде и на месте, противолежащем по меньшей мере одному источнику света, при этом противолежащий конус имеет участок поверхности, находящийся под углом 45° к перпендикуляру к защищаемой поверхности, для отражения света, излучаемого источником света, перпендикулярно указанной поверхности в направлении, по существу параллельном указанной поверхности. В вариантах осуществления оптическая среда содержит световод, расположенный перед по меньшей мере одним источником света, для генерации предохраняющего от обрастания света, при этом световод имеет поверхность ввода света для ввода предохраняющего от обрастания света от по меньшей мере одного источника света и поверхность вывода света для вывода предохраняющего от обрастания света в направлении от защищаемой поверхности; световод содержит световодный материал, имеющий более высокий показатель преломления, чем показатель преломления жидкой окружающей среды, так что по меньшей мере часть предохраняющего от обрастания света распространяется через световод с помощью полного внутреннего отражения в направлении, по существу параллельном защищаемой поверхности, до вывода на поверхности вывода. Некоторые варианты осуществления могут содержать оптическую среду, в которой объединены распределитель света и световод, или элементы распределения света вместе с элементами направления света включены в оптическую среду. В вариантах осуществления распределитель света и/или световод нанесены в виде покрытия на защищаемую поверхность. В других вариантах осуществления распределитель света и/или световод образованы в форм-факторе фольги для наложения на защищаемую поверхность.
Вариант осуществления системы для предотвращения обрастания может содержать:
- ряд ультрафиолетовых светодиодов для генерации предохраняющего от обрастания света;
- распределитель света для распределения предохраняющего от обрастания света от светодиодных точечных источников по защищаемой поверхности; и при этом
- световод для дальнейшего направления/распределения предохраняющего от обрастания света может быть распределен по поверхности, световод содержит тонкий слой силиконового материала, прозрачного для ультрафиолетового света, с частицами кремнезема или без них или одним или несколькими участками, покрытыми кремнеземом.
Когда по существу вся защищаемая поверхность покрыта предохраняющей от обрастания, излучающей свет оптической средой, значительно снижается рост микроорганизмов в этой среде. Поскольку микроорганизмы погибают на поверхности излучения оптической среды, корпус непрерывно очищается с помощью водного потока вдоль корпуса, который переносит остатки от судна, и микроорганизмы не имеют никаких шансов стать обрастанием на корпусе.
Преимущество предложенных в настоящее время решений заключается не в том, что микроорганизмы погибают после сцепления и укоренения на поверхности обрастания, как это бывает в случае известных покрытий, рассеивающих ядовитые вещества, а в том, что предотвращается укоренение микроорганизмов на поверхности обрастания. Это более эффективно для активного уничтожения микроорганизмов непосредственно перед или сразу после контакта их с поверхностью обрастания по сравнению с световой обработкой для удаления существующего обрастания вместе с крупными структурами микроорганизмов. Эффект может быть аналогичен эффекту, возникающему при использовании наноповерхностей, которые являются столь гладкими, что микроорганизмы не могут закрепляться на них.
Поскольку небольшое количество световой энергии требуется для уничтожения микроорганизмов на начальной стадии укоренения, система может работать в режиме непрерывного предоставления предохраняющего от обрастания света на большой поверхности без экстремальных требований к электропитанию.
Сетка светодиодов, образующая осветительную поверхность, может быть снабжена средством аккумулирования энергии, таким как, например, встроенные солнечные элементы, небольшими турбинами, работающими в воде, пьезоэлектрическими элементами, работающими на волнах давления, и т.д.
Некоторые преимущества предложенной в настоящее время технологии включают в себя сохранение поверхности чистой, снижение затрат на антикоррозионную обработку, уменьшение потребления топлива судном, снижение продолжительности технического обслуживания корпусов, снижение эмиссии СО2, уменьшение использования токсичных веществ в окружающей среде и т.д. Кроме того, преимущество заключается в том, что сама по существу плоская и гладкая поверхность излучения света не добавляет сопротивления и даже может дополнительно снижать сопротивление в результате заделывания существующих неровностей (заклепок, сварных швов и т.д.) защищаемой поверхности под оптической средой.
Признаки, раскрытые в контексте осветительного модуля, описанного в настоящем раскрытии, могут также иметь соответствующий этап процесса в способе предохранения от обрастания защищаемой поверхности, и наоборот, без конкретного упоминания в описании. Соответствующие признаки обычно будут создавать один и тот же технический эффект.
Раскрытые способ и осветительный модуль могут быть применены для предотвращения обрастания корпусов судов, но они применимы для всех морских объектов, включая стационарные (трубопроводы, морские станции и т.д.) и/или подвижные морские объекты (подводные лодки и т.д.). Кроме того, раскрытое решение для предохранения от обрастания может быть применено к объектам, работающим на водных путях, в каналах или озерах и, например, также в аквариумах.
Краткое описание чертежей
На чертежах:
фиг. 1 - вид корпуса судна, подвергнутого обрастанию;
фиг. 2 - график, показывающий предельные пороговые значения (ППЗ) для ультрафиолетового света согласно Американскому конгрессу государственных и промышленных гигиенистов (АКГПГ);
фиг. 3 - график, показывающий спектр бактерицидного действия различных биологических материалов в зависимости от длины волны света;
фиг. 4 - график, показывающий спектр пропускания стекол различных видов;
фиг. 5 - столбчатая диаграмма, показывающая относительное распределение спектральной мощности типичных трубчатых люминесцентных ультрафиолетовых (ТЛУФ) ламп низкого давления фирмы Philips;
фиг. 6 - столбчатая диаграмма, показывающая относительное распределение спектральной мощности газоразрядных ламп среднего давления фирмы Philips (с высокой отдачей и бактерицидных);
фиг. 7 - поперечное сечение осветительного модуля со световодом;
фиг. 8 - иллюстрация общей концепции световода, используемого в вариантах осуществления;
фиг. 9(а)-9(b) - виды реализованного планарного световода согласно варианту осуществления;
фиг. 10(а)-10(b) - виды клиновидного световода согласно вариантам осуществления;
фиг. 11(а)-11(b) - виды прямо освещаемого световода согласно вариантам осуществления;
фиг. 12 - вид варианта осуществления, содержащего перераспределяющий отражатель и преобразующий длину волны материал;
фиг. 13 - вид световода, содержащего газонаполненные каналы;
фиг. 14 - вид варианта осуществления, содержащего распределенные включенные хлопья; и
фиг. 15 - вид мелкоячеистой проволочной сетки согласно варианту осуществления.
Подробное описание вариантов осуществления
Хотя раскрытие пояснено и рассмотрено подробно на чертежах и в приведенном выше описании, такие пояснение и рассмотрение следует считать иллюстративными или примерными, а не ограничивающими; раскрытие не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления. Кроме того, следует отметить, что чертежи являются схематическими, не обязательно выполненными в масштабе, и что подробности, которые не требуются для понимания настоящего изобретения, могут опускаться. Термины «вверх», «вниз», «ниже», «выше» и подобные относятся к вариантам осуществления в соответствии с чертежами, если не оговорено иное. Кроме того, элементы, которые являются по меньшей мере идентичными или которые выполняют по меньшей мере идентичную функцию, обозначаются одной и той же позицией.
На фиг. 7 показано поперечное сечение осветительного модуля 1 согласно основному варианту осуществления, содержащего множество источников 3 света (в данном случае светодиодов бокового излучения, при этом свет излучается главным образом с боковой поверхности светодиода и более или менее параллельно поверхности), заключенных в непроницаемую для жидкости оптическую среду 5 с направлением через оптическую среду по меньшей мере части света 9, излучаемого от источников 3 света, с помощью полного внутреннего отражения, при этом оптическая среда также снабжена оптическими структурами 7 для рассеяния света 9 и направления света 9 из оптической среды 5 к объекту 11, являющемуся мишенью для света (организму биообрастания). Оптическая среда 5 обычно продолжается в двух измерениях значительно дальше, чем в третьем измерении, так что светом обеспечивается объект, подобный двумерному. Оптические структуры 7 для рассеивания света 9 могут быть распространены на один или несколько участков материала оптической среды, возможно, на всю протяженность его, при этом на таких участках распределение может быть большей частью равномерным или локализованным. Центры рассеяния с различными структурными свойствами могут быть объединены для получения, помимо оптических, также структурных характеристик, таких как сопротивление износу и/или удару. Подходящие рассеиватели содержат непрозрачные объекты, но также могут использоваться преимущественно полупрозрачные объекты, например небольшие воздушные пузырьки, стекло и/или кремнезем; необходимое условие заключается только в том, что изменение показателя преломления должно происходить на используемой длине волны (используемых длинах волн).
Принцип направления света и распределения света по поверхности хорошо известен и широко применяется в различных областях техники. В данном случае принцип применяется к ультрафиолетовому свету для решения задачи предохранения от обрастания. Следует отметить, что идея использования поверхности, например корпуса судна, автономно освещаемой ультрафиолетовым светом, является несомненно иным решением, чем современные и общепринятые, относящиеся к предохранению от обрастания решения, которые основаны на гладких покрытиях, химикатах, очистке, программном обеспечении для регулирования скорости судна и т.д.
Полное внутреннее отражение относится к одному способу пропускания света через оптическую среду, которую в этом случае часто называют световодом. Для поддержания условий полного внутреннего отражения показатель преломления световода должен быть выше, чем показатель преломления окружающей среды. Однако (частично) отражающие покрытия световода и/или отражательные свойства защищаемой поверхности, например корпуса судна, также можно использовать для определения условий направления света через оптическую среду.
В некоторых вариантах осуществления оптическая среда может быть расположена относительно защищаемой поверхности, например корпуса судна, таким образом, что небольшой воздушный промежуток оказывается введенным между оптической средой и защищаемой поверхностью; ультрафиолетовый свет может распространяться даже лучше, при меньшем поглощении, в воздухе, чем в оптической среде, даже в случае, когда эту оптическую среду проектируют как световодный материал. В других вариантах осуществления газонаполненные каналы, например воздушные каналы, могут быть образованы в силиконовом материале. Кроме того, может быть образована матрица из отдельных газонаполненных карманов, например, в виде регулярной структуры, подобной прямоугольной или сотовой структуре, или в виде нерегулярной структуры. Вместо заполнения газом (например, воздухом) каналы и/или карманы можно по меньшей мере частично заполнять пропускающей ультрафиолетовый свет жидкостью, например пресной и/или очищенной водой. В случае, когда защищаемая поверхность, которая покрыта такой оптической средой, подвергается воздействию удара, например, при соударении судна со стенкой, небольшие карманы могут смягчать, перераспределять энергию удара и следовательно, защищать поверхность, при этом заполненные жидкостью карманы могут быть более стойкими при деформировании, чем воздушные карманы, которые могут легче прорываться.
Поскольку большая часть материалов имеет (очень) ограниченный коэффициент пропускания ультрафиолетового света, следует быть внимательным при проектировании оптической среды. Несколько конкретных признаков и/или вариантов осуществления, которые специально разработаны в этой связи, перечислены ниже:
- Для минимизации расстояния, которое свет проходит в оптической среде, можно выбирать относительно небольшой шаг светодиодов небольшой мощности.
- Можно использовать полую структуру, например мат из силиконового каучука с прокладками, которые удерживают его на небольшом расстоянии от защищаемой поверхности. Этим создаются воздушные каналы, по которым ультрафиолетовый свет может распространяться с высокой интенсивностью (воздух является очень прозрачным для ультрафиолетового света). Использование газонаполненных каналов, снабженных такими структурами, позволяет осуществлять распределение ультрафиолетового света на протяжении значительных расстояний в оптической среде из материала, который в ином случае будет слишком сильно поглощать ультрафиолетовый свет, чтобы быть полезным для предохранения от обрастания. Аналогично этому можно образовывать отдельные карманы.
- Можно выбирать специальный материал с высокой прозрачностью для ультрафиолетового света, подобный некоторым силиконам или (плавленому) кварцу УФ-класса. В вариантах осуществления этот специальный материал может использоваться только для образования каналов, чтобы свет распространялся на большую часть расстояния; для остальной поверхности может использоваться более дешевый/более стойкий материал.
Дальнейшие варианты осуществления раскрываются на сопровождающих чертежах, при этом основная проблема заключается в освещении большой поверхности предохраняющим от обрастания светом, предпочтительно ультрафиолетовым светом, но с использованием точечных источников света. Типичная задача заключается в распространении света от точечных источников света к освещаемой поверхности. Более подробно:
- Площадь защищаемой поверхности типичного контейнерного судна составляет ~10000 м2.
- Типичный светодиодный источник имеет площадь ~1 мм2. То есть, в 1010 раз меньше.
- С учетом необходимых уровней мощности могут потребоваться около 10 светодиодов на каждый квадратный метр.
- Это означает, что свет должен распространяться от одного светодиода на протяжении ~1000 см2.
- В качестве другого граничного условия принимается, что решение должно быть тонким (иметь порядок величины 1 см), например, исходя из таких соображений, как:
- Возможность добавления решения в качестве покрытия судна.
- Отсутствие повышения сопротивления вследствие повышенного размера поперечного сечения судна.
- Поддержание ограниченных затрат на (объемный) материал.
Поэтому предложено использовать оптическую среду, в частности, большей частью планарный световод. В одном типичном измерении световод имеет толщину от около 1 мм до около 10 мм. С учетом оптических свойств реальный предел размера по другим направлениям отсутствует; в частности, если нет множества источников света, принимают меры против спада интенсивности света на всем протяжении световода вследствие частичного вывода света и, возможно, потерь (на поглощение).
В данном случае принимается во внимание, что подобные оптические задачи решаются в конструкциях светодиодных задних подсветок телевизоров, хотя равномерность интенсивности излучаемого света является менее строгой при предохранении от обрастания, чем в случае светодиодных задних подсветок телевизоров. На фиг. 8 показан осветительный модуль 1 с источниками 3 света и световодом 5 с дополнительным верхним слоем 13. На фиг. 9a-9b показаны практические примеры принципа, показанного на фиг. 8, и показаны осветительные модули 1 со светодиодными источниками 3, которые расположены вдоль края 15 световода 5 и которые инжектируют свет в световод 5. Структура рассеивателей, например белые пятна краски или небольшие царапины/впадины, отводит свет с соответствующих мест, в данном случае обычно равномерно (фиг. 9b), так что получается желаемое, например обычно равномерное, распределение освещения окружающей среды.
На фиг. 10(а) показана структура светодиодной задней подсветки телевизора, в которой использован клиновидный световод 5(а), при этом свет от источника 3 света инжектируется в световод 5(а) сбоку. Световод 5(а) снабжен структурой рассеивающих объектов 7, таких как пятна краски или царапины, на стороне, обращенной к отражающей подложке 17. Клиновидная форма позволяет отводить большее количество света к верхнему концу. Призменные листы 19 и жидкокристаллическая панель 21, которые ориентируют поляризационные состояния света и образуют цвета видимого света, представляют собой признаки, которые могут быть опущены в контексте предохранения от обрастания.
На фиг. 10(b) показан другой клиновидный световод 5(b), который сам имеет структурированную сторону для рассеивания и перераспределения света в световоде 5(b) и вне его.
В плоском световоде и клиновидном световоде используется принцип направления света на значительное расстояние, по существу параллельно поверхности излучения. Варианты, показанные на фиг. 11(a)-11(b) (см. ниже), известны как прямо освещаемая оптическая среда; в данном случае один или несколько светодиодов и/или других источников света находятся позади, например рассеивателя, и излучают свет непосредственно к освещаемому объекту, например к организму биообрастания.
В освещаемой сбоку оптической среде, часто называемой световодом, таком, как световоды, показанные на фиг. 8-10(b), сторона оптической среды освещается одним или несколькими источниками света относительно сильно и на отдалении от источника (источников) света интенсивность света в световоде обычно является более равномерной, возможно, определяемой рассеивателями (фиг. 9(a)-9(b)).
Короче говоря, различие между концепциями бокового освещения и прямого освещения заключается в том, что в ситуациях прямого освещения свет распространяется на незначительное расстояние параллельно поверхности излучения. В результате интенсивность света обычно намного выше непосредственно перед источниками света. Фактически, распределение света не достигается. Поэтому в решении с прямым освещением можно ожидать большее изменение интенсивности между областями непосредственно перед источником (источниками) света и областью в стороне от них.
На фиг. 11(а) и 11(b) показаны осветительные модули 101(а), 101(b) в поперечном сечение (сравните с фиг. 7), содержащие источники 3 света и оптическую среду 105(а), 105(b), имеющую поверхность 23 излучения. Волнистыми линиями I(a) и I(b) показаны профили интенсивности света, излучаемого с поверхностей излучения, и видно, что при более толстой оптической среде 105(b) (фиг. 11(b)) будет автоматически обеспечиваться лучшая равномерность света на поверхности 23 излучения, чем при более тонкой оптической среде 105(а) (фиг. 11(а)), в остальном имеющей идентичную конструкцию.
Однако в представленном случае такие относительные изменения интенсивности не обязательно должны быть заслуживающей внимание проблемой. Кроме того, устройства прямого освещения потенциально также обладают способностью регулирования локальных изменений интенсивности, которую можно использовать для создания временных и пространственных изменений интенсивности. Поэтому оптическая структура, предлагаемая в этой заявке, является относительно простой. В соответствии с эмпирическим правилом при высоком уровне интенсивности излучения света толщина оптической среды в конфигурации прямого освещения обычно приблизительно равна шагу светодиодов. Если шаг светодиодов равен 10 см, следствием этого эмпирического правила может быть оптическая среда, которая имеет толщину около 10 см, которая больше желаемой. Однако требования относительно равномерности излучения света для поставленной в настоящее время задачи предохранения от обрастания не соответствуют требованиям относительно по существу равномерного освещения и следовательно, более тонкий слой можно использовать в сочетании с таким шагом светодиодов.
Дополнительные идеи и решения существуют для получения лучшей равномерности в более тонкой оптической структуре, такие как введение рассеивателей и/или отражателей или других распределителей света непосредственно перед одним или несколькими источниками света.
На фиг. 12 показано (на левой стороне) включение в оптическую среду 5 распределителя света в виде отражающего конуса 25 с вершиной, обращенной к источнику 3 света. Он направляет свет 9 в направлении, имеющем составляющую, по существу параллельную поверхности 27, защищаемой от обрастания. Если конус 25 не является ни полностью отражающим, ни светонепроницаемым, некоторая часть света от источника света будет проходить через него и создавать тени, приводящие к пониженному или неэффективному предохранению от обрастания.
Кроме того, на фиг. 12 показан (на правой стороне) преобразующий длину волны материал, который содержится в оптической среде 5. Показанный вариант осуществления выполнен с возможностью генерации по меньшей мере части предохраняющего от обрастания света путем фотовозбуждения преобразующего длину волны материала светом от источника 30 света, при этом свет 31 имеет первую длину волны и побуждает преобразующий длину волны материал излучать предохраняющий от обрастания свет 9 на другой длине волны из оптической среды 5 в окружающую среду Е. Распределение преобразующего длину волны материала в оптической среде 5 может быть изменяющимся по пространству, например, в соответствии с (ожидаемыми) распределениями интенсивности света (различных длин волн) в оптической среде 5.
На фиг. 13 показана оптическая среда 205, содержащая первый слой 233, второй слой 235 с множеством стенок 237 и стоек 238 между ними, которые разделяют первый и второй слои 233, 235 и образуют газонаполненные каналы 239. Оптическая среда 205 может использоваться точно так же, как любая из других оптических сред, показанных в этой заявке.
На фиг. 14 показан участок объекта 300, подлежащего защите от биообрастания, содержащий поверхность 301 объекта, например корпуса судна, снабженный оптической средой 302, содержащей включенные хлопьевидные частицы 303. (На чертежах источники света опущены). Обычно хлопья 303 распределены параллельно друг другу и с повышением плотности от поверхности 301 объекта наружу к поверхности 304 излучения.
На фиг. 15 показан вариант осуществления, основанный на мелкоячеистой проволочной сетке, где ультрафиолетовые светодиоды 3 расположены в сетке и соединены в ряды параллельных соединений. Как показано в левой нижней части фиг. 15, светодиоды могут быть закреплены в узлах пайкой, приклеиванием или любым другим известным способом образования электрического соединения для присоединения светодиодов к мелкоячеистым проволочным сеткам 4. В каждом узле можно помещать один или несколько светодиодов. Можно реализовывать возбуждение постоянным током или переменным током. В случае постоянного тока светодиоды устанавливают так, как показано в правой нижней части (а) из фиг. 15. Если используют переменный ток, то применяют соединение светодиодов в антипараллельной конфигурации, показанной в правой нижней части (b) из фиг. 15. Специалисту в данной области техники известно, что в каждом узле можно использовать больше одного соединения светодиодов в антипараллельной конфигурации. Фактический размер мелкоячеистой проволочной сетки и расстояние между ультрафиолетовыми светодиодами в сетке можно регулировать путем растягивания структуры гармоники. Мелкоячеистую проволочную сетку можно помещать в оптическую среду, в которой при желании можно располагать параллельную сетку рассеивающих элементов, показанных на фиг. 12.
Помимо применения для предохранения от обрастания корпусов судов предполагаются следующие альтернативные применения и варианты осуществления:
- Раскрытие можно применять в самых различных областях техники. Почти любой объект, вступающий в контакт с природной водой, будет со временем подвергаться воздействию биообрастания. Оно может замедлять, например, водозабор воды в опреснительных установках, блокировать трубопроводы насосных станций или даже покрывать стенки и дно открытого бассейна. Во всех этих применениях будет получена выгода от предложенных в настоящее время способа, осветительных модулей и/или системы, то есть от эффективного тонкого дополнительного поверхностного слоя, который предохраняет от биообрастания всю площадь поверхности.
-Хотя ультрафиолетовый свет является предпочтительным решением, также предполагаются другие длины волн. Отличающийся от ультрафиолетового свет (видимый свет) также является эффективным для предохранения от биообрастания. Типичные микроорганизмы менее чувствительны к свету, отличающемуся от ультрафиолетового, чем к ультрафиолетовому свету, но намного более высокую дозу можно создавать в видимом спектре на единицу входной мощности, прикладываемой к источникам света.
- Ультрафиолетовые светодиоды представляют собой идеальный источник для тонких светоизлучающих поверхностей. Однако также можно использовать другие ультрафиолетовые источники, а не светодиоды, такие как ртутные лампы низкого давления. Форм-фактор этих источников света является совершенно иным; большей частью источник является намного более крупным. Это приводит к другим оптическим конструкциям для распределения всего света от одного источника по большой площади. Однако концепция направления света, рассмотренная в этой заявке, не изменяется. Кроме того, можно создавать значительный вклад света с заданными длинами волн и/или с сочетаниями длин волн.
Вместо использования тонкого слоя, который излучает ультрафиолетовый свет наружу в направлении от защищаемой поверхности, чтобы исключать биообрастание, потенциально биообрастание также можно удалять приложением ультрафиолетового света снаружи в направлении к защищаемой поверхности. Например, направлением ультрафиолетового света на корпус судна или поверхность, содержащую подходящую оптическую среду, как описанную. Поэтому отдельная оптическая среда, излучающая предохраняющий от обрастания свет в направлениях к защищаемым поверхностям и от них, даже может быть более эффективной.
Концепции не ограничены описанными выше вариантами осуществления, которые могут изменяться рядом способов в пределах объема формулы изобретения. Например, при использовании света, в частности ультрафиолетового света, в качестве средства предохранения от обрастания можно получать интересную потенциальную возможность в других областях техники. Она уникальна в том смысле, что на большой площади можно получать непрерывную защиту 24/7. Заявленное изобретение представляет особый интерес для корпуса судов, но также может быть применено в плавательных бассейнах, на водоочистных станциях и т.д. Помимо воды биообрастание может возникать и должно обрабатываться в других жидких окружающих средах, например в маслах, соляных растворах и/или жидкостях в других сферах, включая пищевую промышленность.
Элементы и аспекты, рассмотренные для или относительно конкретного варианта осуществления, могут быть соответственно объединены с элементами и аспектами из других вариантов осуществления, если ясно не указано иное.
Реферат
Изобретение относится к способу и устройству предохранения от обрастания поверхности в то время, когда указанная поверхность по меньшей мере частично погружена в жидкую окружающую среду, в частности, к предохранению от обрастания корпусов судов. Согласно способу предоставляют предохраняющий от обрастания свет (9) и предоставляют оптическую среду (5) в непосредственной близости к защищаемой поверхности, при этом оптическая среда (5) имеет поверхность излучения. Распределяют по меньшей мере часть предохраняющего от обрастания света (9) через оптическую среду (5) в направлении, по существу параллельном защищаемой поверхности. Излучают предохраняющий от обрастания свет (9) от поверхности излучения оптической среды (5) в направлении от защищаемой поверхности. Предохраняющий от обрастания свет (9) излучают посредством по меньшей мере одного источника света, встроенного в оптическую среду (5) для размещения на защищаемой поверхности. Технический результат: оптическая среда распределяет предохраняющий от обрастания свет по защищаемой поверхности большой площади, что увеличивает мощность света без необходимости в наличии большого источника питания, способствует более эффективному переносу световой энергии. 4 н. и 19 з.п. ф-лы, 18 ил., 1 табл.
