Биконоидный концентратор излучения Российский патент 2004 года по МПК F24J2/18 

Наиболее близким техническим решением является концентратор солнечного излучения, включающий световой коллектор, состоящий из совокупности фоконов с отрицательной кривизной поверхности. (Патент РФ № 2123158, 1994 г.)

Недостатком указанного концентратора является низкая эффективность концентрации излучения других источников, например осветительных ламп.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности концентрации излучения, создаваемого искусственными излучателями, такими как трубчатые осветительные лампы высокого и сверхвысокого давления (ВД и СВД), и изменение яркости создаваемого ими лучистого потока.

Техническая задача решается за счет того, что биконоидный концентратор излучения состоит из двух полых коноидов, соединенных между собой широкими торцами, причем один коноид является отражающим, а другой концентрирующим излучение. Внутренняя поверхность коноидов выполнена с отрицательной кривизной и покрыта хорошо отражающим излучение жаропрочным покрытием. Между отражающим и концентрирующим коноидами устанавливают светофильтры, позволяющие изменять параметры выходящего излучения. К узкому торцу концентрирующего коноида подключают жесткий или гибкий световод. Световоды выполняют в виде пустотелых труб или жгутов световолокна. Биконоидный концентратор излучения располагают в одном предусмотренном месте, а сконцентрированное излучение с помощью световодов подают в другое предусмотренное место, например для освещения и отопления внутренних помещений, подземных хранилищ, в том числе взрывоопасных газовых хранилищ, для плавления, сварки и других технологических операций с материалами и т.д. Биконоидный концентратор излучения может применяться для освещения шахт, а также других подземных помещений, в которых невозможно применение электропроводки. Особенно перспективным является применение предлагаемого концентратора для освещения участков дна морей и океанов, например при выполнении различных подводных работ, в случаях, когда применение электрических проводов затруднительно из-за высокого гидравлического давления на большой глубине. Световоды могут быть разделены на отдельные группы, которые применяются одновременно для выполнения различных функций, например одни световоды используются для освещения, а другие для производства, например, сварочных работ. Для устранения перегрева биконоидного концентратора излучения может применяться воздушное или водяное охлаждение.

На фиг. 1 изображен биконоидный концентратор излучения; на фиг.2 - ход лучей в биконоидном концентраторе излучения.

Биконоидный концентратор излучения 1 содержит две светонепроницаемые части, выполненные в виде двух коноидов: отражающего 2 и концентрирующего 3, соединенных между собой широкими торцевыми отверстиями 5, внутренняя поверхность каждого коноида имеет отрицательную или нулевую гауссову кривизну. Уравнение образующей имеет вид:

X=a Arcch a/y+(a²-y²)^1/2 (1)

Уравнение (1) носит название - трактриса, где а - параметр трактрисы. Х - текущая координата вдоль горизонтальной оси, у - текущая координата вдоль вертикальной оси. Параметр а=у при х=0. С увеличением значения х значение у→0 асимптотически. При вращении трактрисы вокруг оси х образуется полость вращения. Если полученную полость вращения ограничить секущими плоскостями, перпендикулярными оси х, то на концах полости вращения образуются два торца - большой и малый, сечением которых является круг. С увеличением значения х радиус малого торца уменьшается и может стремиться к нулю. Внутренняя поверхность тела вращения, ограниченная кривой 1, имеет строго отрицательную постоянную кривизну. В предлагаемом биконоидном концентраторе могут применяться и другие уравнения кривых, ограничивающих внутреннюю поверхность концентратора. Внутренняя поверхность коноидов полируется и покрывается жаропрочным покрытием с высоким коэффициентом отражения 6 или выполняется из жаропрочного материала, например титана, с полированной поверхностью. Вдоль геометрической оси собирающего коноида 2 установлена одна или несколько трубчатых ламп ВД или СВД 4 и этот коноид является отражающим излучение, так как отражает падающее на него световое излучение, создаваемое лампой. Трубчатые лампы имеют большую мощность от 5 до 100 кВт. При световой отдаче от 20 до 50 лм/Вт. Длина светящейся части лежит в пределах от 0,25 до 2 метров при диаметре колбы 5-50 мм. (См. М.М. Гуторов. Основы светотехники и источники света. М.: Энергия, 1968 г. с.358.).

Как видно из приведенных данных, трубчатые лампы обладают очень высокой световой отдачей, но имеют большую длину, достигающую 2 метров. Поэтому несмотря на высокую световую отдачу они не применяются в сочетании с параболическими отражателями прожекторов.

Широкий торец 5 отражающего коноида служит для направления излучения светового потока. Узкий торец 7 закрывают, например, плоским, выпуклым или вогнутым зеркалом. К широкому торцу отражающего коноида 2 присоединен широкий торец концентрирующего коноида 3. Между указанными торцами устанавливают необходимые светофильтры, обеспечивающие пропускание требуемого участка спектра. Например, использование предлагаемого концентратора для освещения требует применение фильтра, отсекающего тепловое излучение, а использование его для проведения сварочных работ - применение светофильтра, отсекающего световое излучение. Возможно применение фильтров, позволяющих выполнять другие функции, например преобразование падающего излучения во вторую или третью гармонику.

К узкому торцу 8 концентрирующего коноида 3 подключают световод. Световод может быть жестким или гибким. Жесткий световод выполняется в виде отрезка трубы, на внутреннюю поверхность которой наносят отражающее покрытие. Сечение световода может быть круглым, прямоугольным или другой формы. Гибкий световод изготовляют из стекловолокна. В отдельных случаях световод может быть комбинированным, т.е. содержать одновременно оба вида световодов, например внутри или с внешней стороны жесткого световода укладывают гибкий световод из световолокна. Длина световодов может достигать величины от нескольких сантиметров до нескольких тысяч метров. Диаметр световодов так же, как и размеры коноидов, могут быть различными.

Принцип работы биконоидного концентратора излучения показан на фиг. 2 и состоит в следующем. Трубчатая лампа или группа ламп устанавливается внутри отражающего коноида вдоль его геометрической оси. Для примера рассмотрим трубчатую лампу мощностью 10 кВт. Излучение, создаваемое этой лампой, распространяется во все стороны и попадает на внутреннюю поверхность отражающего коноида. После отражения от внутренней поверхности отражающего коноида излучение через его широкий торец поступает на широкий торец концентрирующего коноида. Пусть радиус широкого торца отражающего коноида R=0,5 м. Тогда площадь широкого торца S=3,14(0,5)²=0,785 м². Плотность светового потока, падающего на широкий торец концентрирующего коноида, равна П=Р/S=10⁴ Вт/0,785 м²=12738 Вт/м²=12,7 кВт/м². Учитывая, что плотность потока солнечного излучения, падающего на поверхность Земли, составляет 1,34 кВт/м², видим, что при концентрации светового излучения трубчатой лампы, отражающим коноидом, на входе широкого торца концентрирующего коноида плотность создаваемого светового потока превышает плотность потока солнечного излучения в 12,738/1,34=9,5 раза. Отражаясь от внутренней поверхности концентрирующего коноида, световой поток направляется к узкому торцу. Диаметр узкого торца концентрирующего коноида выбирается в зависимости от назначения биконоидного концентратора излучения. Если концентратор применяется для освещения, то диаметр узкого торца будет больше, чем в случае применения концентратора для плавления, сварки или резки материала.

Определим плотность светового потока на выходе узкого торца концентрирующего коноида. Пусть радиус узкого торца равен 0,5 см. Тогда площадь отверстия узкого торца равна 0,00008 м², а плотность светового потока на выходе узкого торца будет достигать 158750 кВт/м², что более чем в 100000 раз превышает плотность потока солнечного излучения. Такая плотность светового потока позволяет применять биконоидный концентратор излучения не только для дистанционного освещения, но и для технологических целей, например для плавления, испарения, сварки и резки различных материалов, в том числе металлов, пластмасс и т.д. Уменьшение радиуса отверстия узкого торца приводит к увеличению плотности выходящего из него светового потока. Полученный световой поток поступает в световод. Распространяясь вдоль световода, мощный световой поток подается в нужное место в требуемом виде, для чего к свободному концу световода присоединяют специальные насадки. Для освещения торец световода присоединяют к осветительным приборам, например прожекторам, плафонам и другим. Для плавления, испарения, сварки и резки различных материалов присоединяют фокусирующие устройства, например линзы, зеркала, фоконы, коноиды меньших размеров и другие устройства.

Биконоидный концентратор излучения может применяться для освещения и отопления различных помещений, например шахт, гаражей, заводов, складов, теплиц, действующих круглый год, и других объектов бытового и промышленного назначения. Особенно эффективным оказывается применение биконоидных концентраторов излучения в помещениях с взрывоопасной атмосферой, например шахт, или заводов, производящих взрывчатые вещества, а также для выполнения работ под водой, особенно на больших глубинах, где применение электропроводки затруднительно.

Использование: в народном хозяйстве биконоидный концентратор излучения может применяться для освещения и отопления различных помещений, например шахт, гаражей, заводов, складов, теплиц, действующих круглый год, и других объектов бытового и промышленного назначения. Использование предлагаемого концентратора возможно также для плавления металлов и проведения сварочных работ. Особенно эффективным оказывается применение биконоидных концентраторов излучения в помещениях со взрывоопасной атмосферой, например шахт, или заводов, производящих взрывчатые вещества, а также для выполнения работ под водой, особенно на больших глубинах, где применение электропроводки затруднительно. Сущность изобретения заключается в том, что биконоидный концентратор излучения состоит из двух светонепроницаемых частей, каждая часть выполнена в виде коноида, внутренняя поверхность которого является поверхностью отрицательной кривизны, которые соединены между собой широкими торцами, при этом узкий торец отражающего коноида закрывают зеркалом, а к узкому торцу собирающего коноида присоединяют световод с различными насадками. Световоды выполняют в виде полых труб различного сечения и длины или в виде световых волокон, собранных в жгуты, и присоединяют к узкому торцу концентрирующего коноида раздельно или одновременно. Внутреннюю поверхность коноидов покрывают жаропрочным зеркальным покрытием, а для понижения температуры применяют воздушное или водяное охлаждение. Для изменения спектрального состава излучения между отражающим и концентрирующим коноидами устанавливают различные светофильтры. Изобретение должно обеспечить повышение эффективности концентрации излучения искусственных излучателей. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Биконоидный концентратор излучения, состоящий из двух светонепроницаемых частей, каждая из которых выполнена в виде коноида, внутренняя поверхность которого является поверхностью отрицательной кривизны в соответствии с уравнением

X=a Arcch а/у + (a²-y²)^1/2,

где X, у - горизонтальная и вертикальная оси координат соответственно;

а - параметр трактрисы,

и соединенных между собой широкими торцами, при этом узкий торец отражающего коноида закрывают зеркалом, а к узкому торцу собирающего коноида присоединяют световод с различными насадками.