CN102354021B - 一种空心太阳光传输光纤 - Google Patents
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Abstract
一种空心太阳光传输光纤，由内到外依次包括空心芯层、反射膜、石英包层、聚合物内层与聚合物外层，反射膜对太阳光的反射率为95%–99%，反射膜的折射率居于空心芯层、石英包层之间，石英包层的折射率小于聚合物内层的折射率，聚合物内层的折射率小于聚合物外层的折射率；石英包层为掺杂石英包层，石英包层中掺杂的物质是锗、氟、硼、磷或铝元素，聚合物内层为掺氟聚合物涂覆层，其制造材料为含氟的丙烯酸树脂，聚合物外层为硬聚合物涂覆层，其制造材料为掺入了碳或金属杂质的树脂材料，聚合物内层的硬度小于聚合物外层的硬度。本设计不仅输出损耗较小、能够实现长距离传输，而且在照明上的性价比较高、安全性较强。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳光传输光纤，尤其涉及一种空心太阳光传输光纤，具体适用于传输太阳光时产生照明效果。
背景技术
随着光纤技术的发展，太阳光照明技术也得到了迅速的发展，如跟踪太阳轨迹、最大限度汇聚太阳光的采光装置已经有大量的相关技术被公开和使用，但在以下两种场合，该类技术并不能起到太阳光照明的作用。
首先，由于人们工作和生活的需要，大量的办公楼、商场大楼、超市、地下设施、地下作业区域等位置，即使在白天，也需要长时间的照明，这需要消耗很多的电能，同时，这些区域又需要用遮阳设施对太阳进行阻挡，浪费了大量的太阳光资源，如果能够利用这些太阳光，将其直接收集并传输到需要照明的区域，将会节省大量的电能与光能。
其次，在大部分地下作业区域如各种矿工地，或者密封工作区域如船体中，由于常年只有灯光的照射，而无法被阳光照射，工作环境较差，有损工作人员的身体健康，如果能将阳光引入这些特殊的工作环境中，将会改善这些行业的工作环境，增强工作人员的身体健康状况，提高工作效率。
因此，利用传输光纤进行太阳光照明具有非常大的应用前景，但现有的太阳光传输光纤存在以下缺陷和不足：
1、采用塑料作为光纤的主要载体时，传输的损耗较大，无法实现长距离传输。
2、采用石英作为光纤的主要载体时，不仅传输成本很高，而且在传输的过程中，一根石英光纤只能对应一个出光点，如果需要照明的区域很大，则必须将大量的光纤集中成缆，此时，光纤成缆后的直径就会太粗，大大提高了施工困难，因而照明上的性价比较低，不利于进行照明。
中国专利授权公告号为CN101446664B，授权公告日为2010年11月24日的发明专利公开了一种中空石英塑料特种光纤，包括中间空气层、纯石英纤芯层a、聚合物内包层b、聚合物外包层c和外护层d，光传输部分为纯石英纤芯层a，纯石英层折射率 n1为1.44～1.45；内包层采用硅橡胶材料，折射率n2为1.36～1.37；外包层采用氟树酯，折射率n3为1.33～1.34，由此可计算出数值孔径约为0.512，而一般的光纤数值孔径不超过0.4。虽然该发明可以降低传输损耗，制备工艺简单，但其仍旧具有以下缺陷：首先，该发明是采用纯石英纤芯层a作为光传输部分，虽然与用塑料来传输光相比，通过纯石英纤芯层a来传输光能够降低损耗，但其损耗仍旧较大，毕竟太阳光在空气中传输的损耗只有在纯石英材料中传输的损耗的五分之一，因此该发明的损耗较大，不利于长距离传输；其次，该发明从内到外是纯石英纤芯层a、内包层、外包层，折射率不断增加，这种设计会大大降低光折射，并实现光的全反射，从而增强光纤的导光性，但同时也意味着，该发明传输的太阳光在传输的过程中，不会散射出光纤体，不会对光纤的沿途区域进行照明，它只能照明光纤的出口端，只能对应一个出光点，照明性较差，如果要扩大照明区域，只能集中大量的光纤成缆，此时，光缆的直径就会太粗，施工困难较大，因而该发明在照明上的性价比较低，不利于进行照明。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的输出损耗较大、无法实现长距离传输、在照明上的性价比较低，不利于进行照明的缺陷与问题，提供一种输出损耗较小、能够实现长距离传输、在照明上的性价比较高、有利于进行照明的空心太阳光传输光纤。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种空心太阳光传输光纤，包括空心芯层及其外部包裹的石英包层，所述石英包层的外壁涂覆有聚合物内层，聚合物内层的外壁涂覆有聚合物外层；所述石英包层的内壁涂覆有反射膜，该反射膜对太阳光的反射率为95%–99%。
所述反射膜的制造材料是金属或聚合物的复合材料。
所述反射膜的折射率居于空心芯层、石英包层之间，石英包层的折射率小于聚合物内层的折射率，聚合物内层的折射率小于聚合物外层的折射率，且石英包层的厚度小于300微米。
所述聚合物外层的折射率大于等于1.5。
所述石英包层为掺杂石英包层，且在石英包层中掺杂的物质是锗、氟、硼、磷或铝元素；所述聚合物内层为掺氟聚合物涂覆层，其制造材料为含氟的丙烯酸树脂；所述聚合物外层为硬聚合物涂覆层，其制造材料为掺入了碳或金属杂质的树脂材料；所述聚合物内层的硬度小于聚合物外层的硬度。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明一种空心太阳光传输光纤中由内到外依次是空心芯层、反射膜、石英包层、聚合物内层与聚合物外层，使用时，利用空心芯层内部的空气进行太阳光的远距离传输，而不是采用石英包层，由于太阳光在塑料中的传输损耗为太阳光在石英中传输损耗的30倍，太阳光在石英中的传输损耗又为太阳光在空气中的传输损耗的5倍，因而与现有技术中采用塑料或石英传输太阳光相比，本设计采用空心芯层内部的空气传输太阳光具有极低的传输损耗，有利于实现长距离的传输；同时，由于在石英包层的内壁涂覆有反射膜，且反射膜对太阳光的反射率为95%–99%，该设计能够控制太阳光的反射，使得绝大部分太阳光能在光纤内传输，从而进一步降低传输损耗。因此本发明的输出损耗较小，能够实现长距离传输。
2、本发明一种空心太阳光传输光纤中由内到外依次是空心芯层、反射膜、石英包层、聚合物内层与聚合物外层，反射膜的折射率居于空心芯层、石英包层之间，石英包层的折射率小于聚合物内层的折射率，聚合物内层的折射率小于聚合物外层的折射率，该种设计能够实现反射膜、石英包层、聚合物内层、聚合物外层之间的折射率匹配，该种折射率匹配不仅能够将空心芯层中传输的太阳光经反射膜、石英包层、聚合物内层与聚合物外层后依次透射出去，从而造成发散，形成沿光纤太阳光均匀散射的效果，而且不会对散射出的太阳光进行干扰，便于实现太阳光的可控散射功能，使得在传输光纤铺设的所有线路区域中，沿线都有太阳光的散射，而不仅仅是传输光纤的端部有光，极大的增加了照明效果，即使只有一根传输光纤，也能照亮很大范围，而不像现有技术那样需要很多传输光纤捆在一起才能实现较大范围的照明。因此本发明在照明上的性价比较高，有利于进行照明。
3、本发明一种空心太阳光传输光纤中在石英包层外依次涂覆有聚合物内层与聚合物外层，其中，聚合物内层为掺氟聚合物涂覆层，其制造材料为含氟的丙烯酸树脂，该设计能对石英包层外表面进行保护，提高传输光纤的安全性；同时，聚合物外层为硬聚合物涂覆层，其制造材料为掺入了碳或金属杂质的树脂材料，该设计使得聚合物外层具有较高的耐磨性能与强度，能对传输光纤的外表面进行耐磨、侧压、弯折等机械性能方面的保护，从而提高传输光纤的安全性，使其能够应用于各种外界的施工环境中。因此本发明的安全性较强。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：空心芯层1，石英包层2，聚合物内层3，聚合物外层4，反射膜5。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1，一种空心太阳光传输光纤，包括空心芯层1及其外部包裹的石英包层2，所述石英包层2的外壁涂覆有聚合物内层3，聚合物内层3的外壁涂覆有聚合物外层4；所述石英包层2的内壁涂覆有反射膜5，该反射膜5对太阳光的反射率为95%–99%。
所述反射膜5的制造材料是金属或聚合物的复合材料。
所述反射膜5的折射率居于空心芯层1、石英包层2之间，石英包层2的折射率小于聚合物内层3的折射率，聚合物内层3的折射率小于聚合物外层4的折射率，且石英包层2的厚度小于300微米。
所述聚合物外层4的折射率大于等于1.5。
所述石英包层2为掺杂石英包层，且在石英包层2中掺杂的物质是锗、氟、硼、磷或铝元素；所述聚合物内层3为掺氟聚合物涂覆层，其制造材料为含氟的丙烯酸树脂；所述聚合物外层4为硬聚合物涂覆层，其制造材料为掺入了碳或金属杂质的树脂材料；所述聚合物内层3的硬度小于聚合物外层4的硬度。
本发明的原理说明如下：
空心芯层1：空心结构，利用内部的空气进行太阳光的传输，由于空气的传输损耗极低，因而有利于进行太阳光的远距离传输。
反射膜5：在石英包层2的内壁涂有一层很薄的、耐高温的反射膜5。反射膜5的制造材料是金属或聚合物的复合材料，对太阳光的反射率为95%-99%之间，因而能够控制太阳光的反射，使得绝大部分太阳光均在光纤内传输。
石英包层2：为掺杂石英包层，且在石英包层2中掺杂的物质是锗、氟、硼、磷或铝元素。通过在石英包层2中掺杂锗、氟、硼、磷、铝等掺杂元素，能够改变石英的晶格结构，从而改变石英包层2的折射率，所能改变的折射率的相对大小为纯石英折射率的6%以内。改变后的石英包层2的折射率能够与其内壁所涂覆的反射膜5的折射率相匹配（反射膜5的折射率居于空心芯层1、石英包层2之间），从而将空心芯层1传输的太阳光按比例地散射出光纤的芯层，具体过程为：太阳光从空心芯层1内的空气传到反射膜5，一部分被反射回，一部分被反射膜5透射到石英包层2的界面上，此时，由于反射膜5与石英包层2的折射率匹配，因而，透射到石英包层2的太阳光就能从石英包层2再次透射出去，从而形成透射散射光。正因为如此，石英包层2的厚度不能超过300微米，否则就太厚了，无法实现将太阳光散射出光纤的功能，只能实现单点照明。
聚合物内层3：为掺氟聚合物涂覆层，其制造材料为含氟的丙烯酸树脂。聚合物内层3的折射率与石英包层2的折射率相匹配（即石英包层2的折射率小于聚合物内层3的折射率），它的作用在于对石英包层2的外表面进行保护（机械性能进行保护），且不对石英包层2散射出的太阳光进行干扰（折射率匹配即不会有明显的干扰）。
聚合物外层4：为硬聚合物涂覆层，其制造材料为掺入了碳或金属杂质的树脂材料，且折射率较高（折射率超过1.5以上）。聚合物外层4能够对光纤的外表面进行保护（机械方面的保护，如耐磨、侧压、弯折等保护），使光纤能够应用于各种外界的施工环境中，同时，较高的折射率能够将光吸引至本层（太阳光从折射率低的聚合物内层3传导到折射率高的聚合物外层4，不会在界面上发生全反射，这样透射的光就会占大部分，造成发散效果，故被称之为将光吸引至本层），从而造成发散，形成沿光纤太阳光均匀散射的效果。
实施例1：
一种空心太阳光传输光纤，由内到外依次包括空心芯层1、反射膜5、石英包层2、聚合物内层3与聚合物外层4，反射膜5对太阳光的反射率为95%–99%，反射膜5的折射率居于空心芯层1、石英包层2之间，石英包层2的折射率小于聚合物内层3的折射率，聚合物内层3的折射率小于聚合物外层4的折射率，且石英包层2的厚度小于300微米；石英包层2为掺杂石英包层，且在石英包层2中掺杂的物质是锗、氟、硼、磷或铝元素，聚合物内层3为掺氟聚合物涂覆层，其制造材料为含氟的丙烯酸树脂，聚合物外层4为硬聚合物涂覆层，其制造材料为掺入了碳或金属杂质的树脂材料，聚合物内层3的硬度小于聚合物外层4的硬度。
制作时，先使用管内沉积的方法进行石英包层2的制备，沉积完成后，将初始衬底管腐蚀掉，便得到本发明所需要的石英包层2，然后在石英包层2的内壁涂覆上一层耐高温的反射膜5，使得导光机制形成，再将涂覆后的石英包层2在拉丝设备上低温拉制成空心光纤，在拉制的过程中，需要经过两次外涂覆，分别涂覆上柔软的聚合物内层3和较硬的聚合物外层4，拉制后，即可得到空心太阳光传输光纤的成品。
由上可见，本设计不仅输出损耗较小、能够实现长距离传输，而且在照明上的性价比较高、安全性较强。
Claims (4)
1.一种空心太阳光传输光纤，包括空心芯层（1）及其外部包裹的石英包层（2），所述石英包层（2）的外壁涂覆有聚合物内层（3），聚合物内层（3）的外壁涂覆有聚合物外层（4），其特征在于：所述石英包层（2）的内壁涂覆有反射膜（5），该反射膜（5）对太阳光的反射率为95%–99%；
所述反射膜（5）的折射率居于空心芯层（1）、石英包层（2）之间，石英包层（2）的折射率小于聚合物内层（3）的折射率，聚合物内层（3）的折射率小于聚合物外层（4）的折射率，且石英包层（2）的厚度小于300微米。
2.根据权利要求1所述的一种空心太阳光传输光纤，其特征在于：所述反射膜（5）的制造材料是金属或聚合物的复合材料。
3.根据权利要求1所述的一种空心太阳光传输光纤，其特征在于：所述聚合物外层（4）的折射率大于等于1.5。
4.根据权利要求1所述的一种空心太阳光传输光纤，其特征在于：所述石英包层（2）为掺杂石英包层，且在石英包层（2）中掺杂的物质是锗、氟、硼、磷或铝元素；所述聚合物内层（3）为掺氟聚合物涂覆层，其制造材料为含氟的丙烯酸树脂；所述聚合物外层（4）为硬聚合物涂覆层，其制造材料为掺入了碳或金属杂质的树脂材料；所述聚合物内层（3）的硬度小于聚合物外层（4）的硬度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: YANGTZE OPTICAL FIBRE AND CABLE CO., LTD Free format text: FORMER OWNER: WUHAN XINGUANGNIAN PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY CO., LTD. Effective date: 20140327 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 430074 WUHAN, HUBEI PROVINCE TO: 430000 WUHAN, HUBEI PROVINCE |
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Effective date of registration: 20140327 Address after: 430000 Hubei Province, Wuhan city Hongshan district two Guanshan Road No. four Patentee after: Yangtze Optical Fibre and Cable Co., Ltd Address before: 430074 East Lake International Development Zone, Jiayuan Road, Optics Valley, Wuhan, B, Hubei, 1208 Patentee before: Wuhan Xinguangnian Photoelectric Technology Co.,Ltd. |
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Effective date of registration: 20200408 Address after: 311305 No.123 Shidi street, Hengfan industrial district, science and Technology City, Qingshanhu street, Lin'an District, Hangzhou City, Zhejiang Province Patentee after: ZHEJIANG LIANFEI FIBER OPTICAL CABLE Co.,Ltd. Address before: 430000 Hubei Province, Wuhan city Hongshan district two Guanshan Road No. four Patentee before: YANGTZE OPTICAL FIBRE AND CABLE JOINT STOCK Ltd. |
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Effective date of registration: 20200605 Address after: 614222 No.2 chejian Road, Jiuli Town, Emeishan City, Leshan City, Sichuan Province Patentee after: Sichuan Lefei Photoelectric Technology Co.,Ltd. Address before: 311305 No.123 Shidi street, Hengfan industrial district, science and Technology City, Qingshanhu street, Lin'an District, Hangzhou City, Zhejiang Province Patentee before: ZHEJIANG LIANFEI FIBER OPTICAL CABLE Co.,Ltd. |
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