[發(fā)明專利]光注入器元件

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201580064534.3
• 申請(qǐng)日: 2015-11-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107250854A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-10-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: A·L·A·弗里德里徹;G·路易斯;M·艾菲
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: A·L·A·弗里德里徹;休伊特控股
• 主分類號(hào): G02B6/00
• 分類號(hào): G02B6/00;C12M1/00
• 代理公司: 北京派特恩知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11270
• 代理人: 馬芬,姚開(kāi)麗

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及通用照明領(lǐng)域，尤其涉及用于集約且持續(xù)培養(yǎng)光合微生物的照明領(lǐng)域。

背景技術(shù)

現(xiàn)有技術(shù)中已知許多照明元件，諸如例如發(fā)光管或氖管、熒光管或發(fā)光二極管(或LED)。

特別地，LED具有根據(jù)郎伯剖面(profil lambertien)，即以波瓣形式的能量發(fā)射圖。LED沿垂直于其發(fā)射面的主方向發(fā)射最大能量流，并且該能量流隨著遠(yuǎn)離該主方向而減少。

此外，LED具有發(fā)射錐，該發(fā)射錐的立體角通常被限定為90°。因此，LED不會(huì)在相對(duì)于主方向具有較大傾角(尤其超過(guò)45°)的方向上發(fā)射能量。以這種方式，當(dāng)LED被例如安裝在房間的天花板上來(lái)主要垂直發(fā)射光時(shí)，LED不能水平照亮，因而降低了室內(nèi)的照明質(zhì)量。這樣的照明質(zhì)量會(huì)給用戶造成舒適度問(wèn)題，因此需要增加照明系統(tǒng)來(lái)糾正該缺陷。

然而，使用多個(gè)LED(LEDs)具有相當(dāng)大的優(yōu)點(diǎn)，尤其是在使用LED的持續(xù)時(shí)間內(nèi)、特別地當(dāng)LED不發(fā)熱時(shí)，多個(gè)LED提供準(zhǔn)恒定的大量光輸出。

與LEDs不同的是，熒光管或氖管沿所有徑向方向、甚至當(dāng)熒光管或氖管安裝為天花板燈時(shí)沿水平方向產(chǎn)生能量發(fā)射。

然而，這種照明元件具有遠(yuǎn)低于LEDs的光輸出，并且它們的光強(qiáng)度隨時(shí)間而衰減。此外，這種照明元件經(jīng)常發(fā)生閃爍，并且會(huì)特別令用戶感到厭煩。

在用于集約培養(yǎng)光合微生物、尤其是微藻類的特定領(lǐng)域，重要的是，照明元件所發(fā)射的能量流盡可能在所述照明元件的所有發(fā)射方向上均勻，以提高所述微藻類的產(chǎn)量。

可以理解的是，事實(shí)上，一般來(lái)說(shuō)產(chǎn)量直接取決于培養(yǎng)微藻類的光生物反應(yīng)器的體積中的照明質(zhì)量。所有生物流體必須用最佳的平均能量正確照亮，該最佳的平均能量取決于微藻類的特性。因此，光源和生物流體之間的界面必須最大可能地使生物流體的有效體積(bain，巴思)最大化。

概括來(lái)說(shuō)，明顯的是，在濃度d大約為每升1克的情況下，光在λ＝0.5cm的深度被吸收。對(duì)于1m³、光照表面為1m²(1m2的平面光源)的反應(yīng)器而言，生物流體的相對(duì)體積將僅為1/200m³。理想的反應(yīng)器會(huì)使得照亮體積等于反應(yīng)器的體積。更一般地，反應(yīng)器的品質(zhì)因素可以由以下關(guān)系式來(lái)限定：Q＝Sλ/V0，其中，S是在體積為V0的反應(yīng)器中的照亮面積(恰當(dāng)功率下)，λ為光的穿透深度。

Ve是分布在反應(yīng)器中的中照明元件的體積，則質(zhì)量產(chǎn)量M可以由以下關(guān)系式來(lái)表達(dá)：M＝(V0–Ve)d(其中，d是每單位體積的微藻類的質(zhì)量)。

這兩個(gè)關(guān)系式必須同時(shí)最大化。

為此，文獻(xiàn)WO2011/080345提出了例如包括管狀光導(dǎo)的光注入器元件，在該光導(dǎo)的末端放置有LED。該LED被拋物線狀或圓錐形、或者將LED在軸向方向上發(fā)射的大角度光線發(fā)送回注入器的任何其他形式的反射鏡包圍。

此外，注入器元件的光導(dǎo)在其連接到LED的一側(cè)的端處被反射鏡覆蓋，該反射鏡的不透明度隨著遠(yuǎn)離光源而減小。換言之，該金屬反射鏡全在注入器元件的上端部分，然后變得逐漸半透明，最終消失。事實(shí)上，沒(méi)有這些反射鏡，給定LED的郎伯能量發(fā)射剖面，則管沿其側(cè)壁發(fā)射的能量的量會(huì)隨著遠(yuǎn)離LED而指數(shù)遞減，其結(jié)果是光能基本上不存在于注入器元件的上端部分中。因此，可以理解的是，使用這種反射鏡是有必要的，以使注入器元件盡可能沿管發(fā)射最均勻的能量。

該文獻(xiàn)還提出了在光導(dǎo)與LED相對(duì)的末端處放置反射鏡，以沿注入器元件的光導(dǎo)發(fā)送回直接源自LED或在沿相對(duì)于發(fā)射的主方向具有小角度的方向上反射的光束，從而補(bǔ)償隨著遠(yuǎn)離LED而增加的能量損耗。該反射鏡例如為圓錐形、半球狀或者拋物線形、或者甚至更復(fù)雜的形狀。

目前，這種反射鏡的使用引進(jìn)了對(duì)反射鏡所反射的能量流的顯著吸收，這還導(dǎo)致了有效能量的損耗，導(dǎo)致注入器元件局部發(fā)熱，最終導(dǎo)致生物流體(巴思)發(fā)熱。

事實(shí)上，考慮到反射鏡具有良好的質(zhì)量并且發(fā)射0.8μm波長(zhǎng)的光，則5％的光能在所述反射鏡上的發(fā)射過(guò)程中被吸收了。因此，如果只存在對(duì)待重新定向光束的單次反射并且如果這些光束表示例如50％的光通量，則可以吸收2.5％的光能。

目前，尤其是在反射鏡包圍LED的情況中，相對(duì)于發(fā)射的主方向具有最大角度的光束被反射多次。與注入器元件的截面(幾十平方毫米(mm²)的表面)相比，對(duì)大發(fā)射面積的LED而言這種效果更強(qiáng)。因此，甚至在采用良好質(zhì)量的反射鏡時(shí)，仍可以觀察到大于10％的能量吸收。