CN105209187A - 用于防止表面结垢的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种在表面至少部分地浸没于液体环境中时所述表面的抗结垢的方法，包括：提供抗结垢光（9）；通过包括硅树脂材料和/或UV级熔融石英的光学介质（5）分布光（9）的至少部分；从光学介质（5）和从表面发射抗结垢光（9）。

Description

用于防止表面结垢的方法和系统

技术领域

本公开涉及用于防止表面结垢（或者通常称为抗结垢）的方法并且涉及用于执行这些方法的设备。本公开具体地涉及用于船体抗结垢的方法和设备。

背景技术

生物结垢或生物学结垢是微生物、植物、藻类和/或动物在表面上的累积。生物结垢有机体之中的多样性高度各异并且延伸到远远超出藤壶和海藻的附着。根据一些估计，包括超过4000种有机体的超过1700个物种是生物结垢的成因。生物结垢被划分成包括生物膜形成和细菌粘附的微结垢，以及较大有机体的附着的宏观结垢。由于确定是什么防止有机体沉降的不同的化学和生物学，这些有机体还被分类为硬或软结垢类型。含钙（硬）结垢有机体包括藤壶、皮壳状苔藓虫、软体动物、多毛纲动物和其它管虫以及斑马贝。非含钙（软）结垢有机体的示例有海藻、水螅虫、藻类和生物膜“粘液”。这些有机体一起形成结垢群落。

在若干情形中，生物结垢创建大量问题。机器停止工作，进水口堵塞，并且船体遭受增加的拖拽。因而，抗结垢（即去除或防止结垢形成的过程）的话题是众所周知的。在工业过程中，生物分散剂可以用于控制生物结垢。在不太受控的环境中，利用使用生物杀灭剂的涂层、热处理或能量脉冲来杀死或驱逐有机体。防止有机体附着的无毒机械策略包括选择具有光滑表面的材料或涂层，或者创建类似于鲨鱼和海豚皮肤的纳米尺度表面拓扑，其仅提供低劣的锚定点。

发明内容

如图1中所图示的船体上的生物结垢导致拖拽方面的严重增加，以及因此增加的燃料消耗。估计燃料消耗方面的高达40%的增加可以归咎于生物结垢。由于大型油轮或集装箱运输船在燃料方面每天可以消耗高达€200.000，因此利用抗生物结垢的有效方法的大量节约是可能的。

在此呈现了基于光学方法的方案，其特别地使用紫外光（UV）。众所周知的是，利用“充足”UV光来杀死大多数微生物、致使其无活性或者不能繁殖。该效果主要由UV光的总剂量来掌控。杀死90%的某个微生物的典型剂量是每平方米10mW-小时，细节包含在关于UV光的以下段落以及相关联的附图中。

紫外光概述

紫外（UV）是由可见光谱的波长下限和X射线辐射带定界的电磁光的部分。UV光的光谱范围按照定义在100与400nm（1nm=10^-9m）之间并且对人眼是不可见的。使用CIE分类，将UV光谱子划分成三个带：

从315到400nm的UVA（长波）

从280到315nm的UVB（中波）

从100到280nm的UVC（短波）。

在现实中，许多光生物学家通常将UV暴露所引起的皮肤效应说成是320nm以上和以下波长的加权效应，从而提供了可替换的定义。

强杀菌效果由短波UVC带中的光提供。此外，红斑（皮肤变红）和结膜炎（眼睛粘膜的炎症）也可以由这种形式的光导致。因此，当使用杀菌UV光灯时，将系统设计成排除UVC泄漏并且因此避免这些效应是重要的。在沉浸式光源的情况下，水对UV光的吸收可能足够强使得UVC泄漏在液体表面上方对人类不构成问题。

不言而喻地，人们应当避免暴露于UVC。幸运的是，这相对简单，因为其被大多数产品吸收，并且甚至标准平板玻璃吸收大体全部的UVC。例外是例如石英和PTFE（聚四氟乙烯）。再次幸运的是，UVC大部分被死皮吸收，因此可以限制红斑。此外，UVC不穿透眼睛的晶状体；然而，可能发生结膜炎，并且虽然是暂时性的，但是其极其疼痛；这对于红斑效应同样适用。

在发生向UVC光的暴露的情况下，应当小心不超过阈值水平基准。图2示出针对大部分CIEUV光谱的这些值。在实践方面，表1给出针对涉及时间的人类暴露的美国政府工业卫生学家会议（ACGIH）UV阈值限制有效辐照度值。此时值得指出的是，240nm以下的辐射波长从空气中的氧形成臭氧O₃。臭氧是有毒的并且具有高度反应性；因而必须采取预防措施以避免暴露给人类和某些材料。

表1：根据ACGIH的针对人类的可准许UVC暴露

短波UV光的生成和特性

用于生成UVC的最高效的源是低压汞放电灯，其中平均35%的输入瓦特被转换成UVC瓦特。几乎排他地在254nm处（即在85%的最大杀菌效果处）生成辐射（图3）。Philips的低压管状荧光紫外（TUV）灯具有特殊玻璃的封套，其滤出臭氧形成辐射，在该情况下是185nm汞线。该玻璃的光谱透射在图4中示出并且在图5中给出这些TUV灯的光谱功率分布。

对于各种Philips杀菌TUV灯，电学和机械性质与其用于可见光的照明等同物相同。这允许它们以相同的方式操作，即使用电子或磁性镇流器/启辉器电路。如就所有低压灯而言，存在灯操作温度与输出之间的关系。在低压灯中，254nm处的谐振线在放电管中的某个汞蒸气压力处最强。该压力由操作温度确定并且在40℃的管壁温度（其与大约25℃的环境温度对应）处最优。还应当认识到的是，灯输出受跨过灯的（受力或自然的）气流的影响，即所谓的风寒指数。读者应当注意的是，对于一些灯，增加空气流动和/或降低温度可以增加杀菌输出。这在高输出（HO）灯（即具有比对于其线性维度而言正常的瓦特数更高的瓦特数的灯）中得以满足。

第二种类型的UV源是中等压力汞灯，在此较高的压力激发更多的能级，从而产生更多的光谱线和连续区间（重组辐射）（图6）。应当指出的是，石英封套在240nm以下透射，因此臭氧可以从空气形成。中等压力源的优点在于：

·高功率密度；

·高功率，从而导致比相同应用中所使用的低压类型更少的灯；以及

·对环境温度的低敏感度。

灯应当操作成使得壁温度处于600和900℃之间并且芯柱（pinch）不超过350℃。可以对这些灯进行调光，如低压灯所能够的那样。

另外，可以使用介质阻挡放电（DBD）灯。这些灯可以在各种波长处并且以高的电光功率效率而提供非常有力的UV光。

以上所列举的杀菌剂量还可以容易地利用现有低成本、较低功率的UVLED实现。LED可以一般地包括在相对较小的封装中并且消耗比其它类型光源更少的功率。LED可以制造成发射各种期望波长的（UV）光并且可以高度控制其操作参数，最明显的是输出功率。

本公开底层的基本想法是利用发射杀菌光（特别是UV光）的层覆盖大量受保护表面以使其保持洁净以防结垢，优选地为整个受保护表面，例如船体。

因此，本文提供了根据随附权利要求的受保护表面的抗结垢的方法以及用于受保护表面的抗结垢的照明模块和系统。

一种方法包括提供抗结垢光以及在远离受保护表面的方向上发射抗结垢光，其中至少部分的光在被发射于远离受保护表面的方向上之前通过光学介质跨受保护表面的大部分分布。在实施例中，方法包括从光学介质的大体平面发射表面发射抗结垢光。在实施例中，方法使用光导来跨受保护表面的大部分分布光并且包括硅树脂材料和/或UV级硅石材料，特别是石英。方法优选地在受保护表面至少部分地浸没于液体环境中的同时施行。

一种用于受保护表面的抗结垢的照明模块包括用于生成抗结垢光的至少一个光源以及用于分布来自光源的抗结垢光的光学介质。至少一个光源和/或光学介质可以至少部分地布置在受保护表面中、受保护表面上和/或靠近受保护表面以便在远离受保护表面的方向上发射抗结垢光。照明模块被适配成优选地在受保护表面至少部分地浸没于液体环境中的同时发射抗结垢光。在实施例中，光学介质是光导，其包括硅树脂材料和/或UV级硅石材料。

用于受保护表面的抗结垢的照明模块还可以提供为用于应用到受保护表面的箔，该箔包括用于生成抗结垢光的至少一个光源，以及用于跨所述箔分布抗结垢光的片状光学介质。在实施例中，所述箔具有在几毫米到几厘米的幅度量级中的厚度。在实施例中，所述箔在垂直于厚度方向的任何方向上大体不受限以便提供具有在数十到数百平方米的幅度量级中的尺寸的巨大箔。所述箔可以在垂直于箔的厚度方向的两个正交方向上尺寸大幅受限，以便提供抗结垢瓦片；在另一实施例中，所述箔仅在垂直于箔的厚度方向的一个方向上尺寸大幅受限，以便提供抗细长条的结垢箔。

无论布置在受保护表面中、受保护表面上和/或靠近受保护表面或者是否提供为分离的箔，照明模块都包括用于从光学介质向环境中发射抗结垢光的发射表面以及用于将照明模块应用或布置到受保护表面的与发射表面相对的应用表面。在优选实施例中，光模块的发射表面是大体平面的以便避免可能成为结垢原由的凹陷和凹痕并且以便避免凸起来限制在应用到受保护表面时由结垢导致的拖拽量。大体平面的表面相比于包括凹痕和凸起或具有大表面粗糙度的表面的优点在于，对于微生物而言，相比于它们将会粘附到粗糙表面或者粘附到包括在所述表面中的凹陷中，粘附到大体平面表面将更加困难，特别是在与液体环境中的拖拽效应组合的情况下。术语“大体平面”发射表面在本文中是指掩蔽或遮掩嵌入在照明模块中或附着到照明模块的布线连接和光源的厚度的表面。术语“大体平面”还可以是指掩蔽或遮掩受保护表面的一些构造不均匀性，从而甚至改进液体环境中的受保护表面的拖拽性质。受保护表面的构造不均匀性的示例是焊缝、铆钉等。术语“大体平面”可以量化为导致小于25%、优选地小于10%的光模块的平均厚度中的变化。“大体平面”因此不必要求机械表面抛光的表面粗糙度。

在优选实施例中，照明模块包括用于生成抗结垢光的光源的二维网格，并且光学介质布置成跨光学介质分布来自光源的二维网格的抗结垢光的至少部分以便提供离开光模块的光发射表面的抗结垢光的二维分布。光源的二维网格可以布置在铁丝网结构、紧密堆积结构、行/列结构或任何其它合适的规则或不规则结构中。网格中的相邻光源之间的物理距离可以跨网格固定，或者例如作为提供抗结垢效果所要求的光输出功率的函数或者作为照明模块在受保护表面上的位置（例如在船体上的位置）的函数而变化。提供光源的二维网格的优点包括可以靠近要利用抗结垢光光照保护的区域生成抗结垢光，以及其减少光学介质或光导中的损失，并且其增加光分布的均匀性。优选地，抗结垢光一般跨发射表面均匀分布；这减少或甚至防止其中原本可能发生结垢的光照不足区域，而同时减少或防止通过利用比用于抗结垢所需要的更多的光对其它区域过度光照所致的能量浪费。

在优选实施例中，光源为UVLED。至少一个UVLED或UVLED的网格可以包封在液密包封中。在实施例中，至少一个UVLED或UVLED的网格可以嵌入在光学介质中。多个UVLED可以组织在网格中并且电气连接在串联/并联铁丝网结构中（如稍后将解释的那样）。LED和铁丝网连接可以包封在透光涂层中并且附着到光学介质或者直接嵌入在光学介质中。在其它实施例中，UVLED的网格可以包括在嵌入于树脂结构中的电子织物层中。在一些实施例中，UVLED是封装的LED，在这种情况下它们可能已经包括跨广发射角分布从LED封装发射的光的光学元件。在其它实施例中，UVLED可以是LED管芯，典型地不包括光学元件，但是比封装的LED明显更薄。作为示例，LED管芯可以被拾取和放置到光学介质的表面上（优选地为应用表面，但是发射表面由于几乎将不干扰所述表面的光发射功能的组件的小尺寸而也将适用），经由导电胶的印刷电气连线，并且最后LED管芯和布线可以包封有光学介质的薄层/涂层或用于将照明模块应用到受保护表面的任何其它背层。嵌入式光源的各种实施例允许所呈现的抗结垢技术作为用于应用在船体上的箔而商品化。

一种用于受保护表面的抗结垢的系统可以包括如本文所公开的用于布置在受保护表面上以便在受保护表面的大体整个区域之上提供抗结垢光的多个照明模块。

相比于其它材料，硅树脂材料可以以极少损失提供针对UV光的光学透射。对于较短波长光（例如具有300nm以下波长的UV光）情况尤其如此。硅树脂材料的特别高效的组是或者至少包括根据通用化学式CH₃[Si(CH₃)₂O]_nSi(CH₃)₃的所谓的聚甲基硅树脂，其中作为有机化学中的惯例，“n”指示任何合适的整数。至少相比于其它硅树脂材料，这种类型的硅树脂材料碰巧展现出具有极少损失的优异UV透射性质。另外，硅树脂材料是柔性和弹性的，使得它们是鲁棒、耐用的且能够承受诸如由于物体对表面的撞击、碰撞（例如船对码头的撞击）等所致的压缩。另外，可以适应船壳由于温度波动、波浪的重击、船在膨胀和起伏之上的弯曲等所致的变形。另外，硅树脂材料可以应用和形成在以下表面结构之上：表面中或表面上的焊缝、铆钉等。硅树脂材料还倾向于良好地粘附到金属和涂料，使得形成表面之上的保护涂层。视觉上透明的硅树脂材料使得能够读取被硅树脂材料覆盖的底层标记（例如喷涂符号）。另外，它们一般是防水的并且可以减少摩擦和拖拽。一方面，硅树脂可以制作成非常光滑以减少生物结垢有机体到层的粘附并且减少克服流水的摩擦，而另一方面，材料可以精细结构化以便模仿鲨鱼皮，其同样已知为减少在相对于周围水的充足速度处的水中摩擦。要指出的是，光学介质（特别地光导）的结构化表面可以导致针对全内反射的破坏条件并且由此导致原本捕获在全内反射内且以全内反射传输的光从光导耦合输出。因此，可以可靠地局部化光的耦合输出。

UV级硅石对UV光具有非常低的吸收并且因此非常良好地适合作为光学介质和光导材料。相对大的物体可以通过一起使用UV级硅石的多个相对小的片段或部分和/或所谓的“熔融硅石”来制作，而同时还针对较大物体保持UV透射性质。嵌入在硅树脂材料中的硅石部分保护硅石材料。在这样的组合中，硅石部分可以提供另外的硅树脂材料光学介质中的UV透明散射体以用于光通过光学介质的（重）分布和/或以用于促进光从光导的输出耦合。另外，硅石颗粒和/或其它坚硬、UV半透明材料的颗粒可以加强硅树脂材料。特别地，可以使用片块（flake）形状的硅石颗粒，而且以硅树脂材料中的高达50%，70%或甚至更高百分比的高密度的硅石可以提供可抵挡冲击的坚固层。考虑到至少部分的光学介质或光导可以提供有空间变化的密度的UV级硅石颗粒，特别是片块，其至少部分地嵌入在硅树脂材料中，例如以使光学和/或结构性质变化。在此，“片块”指代具有三个笛卡尔方向上的尺寸的物体，其中三个尺寸中的两个可以相互不同，然而，每一个都比第三尺寸明显更大，例如是第三尺寸的10,20倍或明显更大，例如是第三尺寸的100倍。

在实施例中，在靠近用于从光学介质发射抗结垢光的发射表面的光学介质的部分中，硅树脂材料中的UV级硅石颗粒的密度可以从在光学介质内朝向光学介质的发射表面增加，使得在发射表面处或靠近发射表面提供相对高密度的硅石颗粒。尽管可以使用或多或少球形和/或随机形状的颗粒，但是例如具有下至几微米的典型尺寸的亚毫米长度尺度的硅石片块可以布置成如此靠近在一起使得在非常局部的力的冲击（诸如是来自尖角物体的点冲击和/或来自钝物体的局部化冲击，包括刮擦、撕扯等）之下，片块可以具有在它们可以略微重布置自身的柔性硅树脂中的一些（如果仅极少的话）移动自由，从而耗散冲击能量并且作为整体减少对光导的破坏。因此，可以到达导致既鲁棒又稍微可变形的层的性质平衡，进而还提供期望的光学质量。在实施例中，光学介质中的硅树脂材料的比例从光学介质的一侧到相对侧而从大约100%（即大体纯硅树脂材料）逐渐变化到大约5%以下（大部分为硅石）。

要指出的是，可以使用除硅石之外的其它材料的颗粒，特别是片块形状的颗粒，例如玻璃或云母。这样的其它材料也可以充当用于抗结垢光的散射体。还可以提供不同材料的颗粒的混合物，其可以包括半透明、不透明和/或具有光学活性的颗粒的混合物。这样的混合物的组成可以跨光导而变化，例如以调节光导针对抗结垢光的透射率，特别是如果在一些部分中使用相对大量的欠佳透射颗粒的话。

为了制造光学介质，可以形成一系列硅树脂材料层，每一个可能地具有关于硅石颗粒的量和/或密度的不同组成。层可以非常薄并且至少一些可以利用湿叠湿技术来应用，即向应当硬化成期望层的处于液体或胶状形式的层提供硅树脂材料，但是其中后续层在较早层已经完全硬化之前应用到较早层。因此，促进层之间的良好粘附并且在最终产品中，不同层可能几乎不是不可区分的并且可以实现组成中的逐渐改变。不同层可以通过层材料的喷涂适当地形成和/或应用。可以利用良好的质量控制将层状材料形成到任何合适的厚度。要指出的是，构成照明模块表面的大部分的光学介质可以以任何合适的方式附着到受保护表面，包括胶合。硅树脂材料倾向于展现出对陶瓷、玻璃和金属材料的强粘附，并且因此喷涂或涂抹硅树脂材料是形成光学介质并且将其附着到衬底的非常合适的方式。经喷涂和/或涂抹的光学介质还可以容易地制作在不同的期望形状中，例如遵循水线、具体标记和/或表面形状。分层技术还可以促进对硅树脂材料中的颗粒进行取向，例如一般平行于层和涂敷有层的表面的膨胀方向布置片块。

在照明模块的另一方面中，光学介质包括空间，例如填充有气体和/或清透液体（例如水）的通道，以用于借此引导光，并且相关联的方法包括在光学介质中通过这样的空间分布至少部分的光。发现通过气态物质（特别地空气）对UV光的光学透射一般明显优于通过固体材料对光的透射，所述固体材料即使一些被发现是半透明或透明的也可能展现出高达每毫米几个百分数的吸收损失。清透液体提供极少散射，可以良好地输运UV光并且相比于利用气体填充空间还可以提供光学介质中的腔体的结构鲁棒性。已经发现水（最明显地是新鲜水）具有相对高且合适的UV透射率。如果使用蒸馏水、去离子水和/或以其它方式净化的水，则也可以和/或进一步减少污染和/或UV吸收。因而，通过气体和/或液体填充的空间透射光被视为特别有益。为了跨受保护表面光分布，气体和/或液体填充的空间应当优选地良好定义并且通道可以提供在光学介质中。最终撞击通道壁的光可以进入光学介质并且在从受保护表面的方向上从光学介质发射并进入到液体环境中以提供抗结垢光。自身对于抗结垢光良好透明的其中定义空气通道的光学介质进一步确保如果光学介质将泄漏并且液体介质进入光学介质，则所生成的抗结垢光将仍旧通过光学介质适当地透射。通道可以包括变化的直径。可以通过定义和包封比相应壁部分的尺寸和/或厚度大（得多）的分离体积的壁部分来提供局部化的通道部分或袋状物，例如类似于在品牌名称“BubbleWrap”之下销售的封装产品。

在特定实施例中，这样的含气体光学介质包括定义气体和/或液体填充通道和/或其它空间的硅树脂材料；硅树脂材料可以良好地成形以定义错综复杂的结构。具有或没有诸如硅石颗粒之类的附加物体的硅树脂材料的另外优点在上文中已经陈述。

在实施例中，通过利用硅树脂材料的壁部分和/或支柱形成以期望的距离保持分离的硅树脂材料的两个相对层来提供通道和/或其它空间，从而创建距离，例如层之间的气隙。这样的壁部分和/或支柱可以充当散射中心以用于通过光学介质（中的通道）（重）分布光和/或用于将光从气体和/或液体填充的（多个）空间引导到硅树脂材料中。这促进局部化光从光学介质到其中抗结垢光付诸使用的液体环境中的发射。

由一个或多个光源发射的抗结垢光的至少部分可以在具有大体平行于受保护表面或者在光模块被提供为箔时大体平行于箔的应用表面的分量的方向上扩散。这促进沿受保护表面或箔的应用表面在大距离之上分布光，这有助于获得抗结垢光的合适强度分布。

波长转换材料可以包括在光学介质中，并且可以通过利用具有使波长转换材料以另一波长发射抗结垢光的第一波长的光来光激发波长转换材料而生成抗结垢光的至少部分。波长转换材料可以提供为上转换磷光体、量子点、诸如一个或多个光子晶体纤维等的非线性介质。由于针对具有与UV光不同、大多数更长的波长的光的光学介质中的吸收和/或散射损失倾向于在光学介质中不太明显，因此可以更加能量高效地生成非UV光并且通过光学介质透射它并且在其期望的使用位置处或附近生成UV抗结垢光（即从表面到液体环境中的发射）。另外，或者可替换地，至少一个光源可以包括LED或OLED、DBD灯和/或金属蒸气灯（例如低压汞蒸气灯）中的至少一个。合适的抗结垢光在从大约220nm到大约420nm的UV或蓝光的波长范围中，特别地在短于大约300nm的波长处，例如从大约240nm到大约280nm。

在实施例中，光学介质包括布置在用于生成抗结垢光的至少一个光源前方的光扩散体以用于将至少一个光源所发射的抗结垢光的至少部分扩散在具有大体平行于受保护表面的分量的方向上。光扩散体的示例可以是布置在光学介质中并且与至少一个光源相对定位的“相对”锥体，其中相对锥体具有以45°角垂直于受保护表面的表面区域以用于在大体平行于所述表面的方向上反射垂直于所述表面的光源所发射的光。在实施例中，光学介质包括布置在用于生成抗结垢光的至少一个光源前方的光导，光导具有用于耦合输入来自至少一个光源的抗结垢光的光耦合输入表面和用于在远离受保护表面的方向上耦合输出抗结垢光的光耦合输出表面；光导包括具有比液体环境的折射率更高的折射率的光导材料，使得抗结垢光的至少部分在于输出耦合表面处输出耦合之前在大体平行于受保护表面的方向上经由全内反射通过光导传播。一些实施例可以包括组合光扩散体和光导的光学介质，或者将光扩散特征与光引导特征集成到光学介质中。在实施例中，将光扩散体和/或光导涂敷到受保护表面上。在其它实施例中，以箔的形状因子提供光扩散体和/或光导以用于应用到受保护表面上。

一种用于防止结垢的系统的实施例可以包括：

-用于生成抗结垢光的一系列UVLED；

-用于跨受保护表面扩散来自LED点源的抗结垢光的光扩散体；以及

-用于进一步引导/扩散可以跨表面扩散的抗结垢光的光导，光导包括对UV光透明的硅树脂材料的锡层，其具有或没有硅石颗粒或一个或多个硅石覆盖的部分。

当利用抗结垢光发射光学介质覆盖大体整个受保护表面时，大幅减少微生物在该介质上的生长。由于在光学介质的发射表面上杀死微生物，因此通过沿船体的水流连续清洗船体，所述水流将碎屑运送离开船并且微生物没有机会在船体上结垢。

目前提供的解决方案的优点在于微生物在已经粘附于结垢表面上并且在其上扎根之后未被杀死，如对于已知服药分散涂层的情况那样，但是防止微生物在结垢表面上的扎根。相比于去除具有大型微生物结构的现有结垢的光处理而言，更高效的是紧接在微生物接触结垢表面之前或紧接在其之后有效杀死微生物。效果可以类似于通过使用微生物不能粘附到的光滑的纳米表面所创建的效果。

由于在初始扎根阶段中用于杀死微生物所要求的低量光能量，因此系统可以操作成跨大表面连续提供抗结垢光而没有极端功率要求。

创建照明表面的LED的网格可以提供有能量收集构件，诸如例如嵌入式太阳能电池、在水中操作的小型涡轮机、在压力波上操作的压电元件等。

目前提供的技术的一些优点包括洁净表面的保持、腐蚀处理的成本减少、用于船的减少的燃料消耗、用于船体的减少的维护时间、减少的CO₂排放、减少环境中有毒物质的使用等。大体平面且光滑的光发射表面还具有自身不添加拖拽的优点并且甚至可以通过在光学介质下方埋藏受保护表面的现有不均匀性（凹陷、焊缝等）来进一步减少拖拽。

在本公开中所描述的照明模块的上下文中公开的特征还可以具有用于受保护表面的抗结垢的方法中的对应过程步骤并且反之亦然，而没有在说明书中明确提及。对应特征一般将产生相同的技术效果。

所公开的方法和照明模块可以用于防止船体上的结垢，但是它们适用于包括静止（管道、海洋站等）和/或移动海洋物体（潜水艇等）的所有海洋物体。所公开的抗结垢解决方案还可以应用于在水路、运河或湖泊中操作的物体并且例如还应用于鱼缸。

附图说明

图1示出遭受结垢的船体；

图2是示出根据美国政府工业卫生学家会议（ACGIH）的UV光阈值限制值（TLV）的图表；

图3是示出用于不同生物材料的作为光波长的函数的杀菌作用光谱的图表；

图4是示出用于不同类型玻璃的透射光谱的图表；

图5是示出典型的Philips低压管状荧光紫外（TUV）灯的相对光谱功率分布的条形图表；

图6是示出Philips中等压力放电灯（HOK和HTK类型）的相对光谱功率分布的条形图表；

图7是具有光导的光模块的示意性截面视图；

图8示出在实施例中使用的光引导的一般概念；

图9(a)-9(b)示出实现的平面光导实施例；

图10(a)-10(b)示出楔形光导实施例；

图11(a)-11(b)示出直接点亮光导实施例；

图12示出包括重分布反射体和波长转换材料的实施例；

图13示出包括气体填充通道的光导；

图14示出包括分布嵌入式片块的实施例。

图15示出铁丝网网格的实施例。

具体实施方式

虽然已经在附图和前述描述中详细图示和描述了本公开，但是这样的图示和描述要被视为说明性或示例性而非限制性的；本公开不限于所公开的实施例。还要指出的是，附图是示意性的，不一定是按比例的，并且可能已经省略对于理解本发明所不要求的细节。术语“向上”、“向下”、“以下”、“以上”等涉及如附图中所取向的实施例，除非以其它方式指定。另外，至少大体相同或执行至少大体相同功能的元件由相同的标号标注。

图7示出作为基本实施例的照明模块1的截面，照明模块1包括包封在液密光学介质5中以引导从光源5发射的光9的至少部分经由全内反射通过光学介质的多个光源3（在此：侧发射式LED，其中光主要从LED的侧面发射，并且或多或少平行于表面），所述光学介质还提供有光学结构7以散射光9并且引导光9离开光学介质5朝向要利用光瞄准的物体11（生物结垢有机体）。光学介质5一般在两个维度上比在第三维度上延伸得明显更远，使得提供二维状物体。散射光9的光学结构7可以在光学介质材料的一个或多个部分中扩散，可能地遍及全部光学介质材料，其中在这样的部分中，分布一般可以是均匀或局部化的。具有不同结构性质的散射中心可以组合以提供除光学之外还有的结构特性，诸如对磨损和/或冲击的抵抗力。合适的散射体包括不透明的物体但是也可以使用大部分半透明的物体，例如小气泡、玻璃和/或硅石；要求仅仅是针对所使用的（多个）波长发生折射率中的改变。

光引导和在表面之上扩散光的原理是公知的并且广泛应用在各种领域中。在此，将该原理应用到用于抗结垢目的的UV光。要指出的是，使表面（例如船体）利用UV自点亮的想法是与依赖于光滑涂层、化学品、清洗、控制船速的软件等的当前并且良好建立的抗结垢解决方案显然不同的解决方案。

全内反射是通过光学介质传输光的一种方式，该光学介质因而通常被称为光导。为了维持针对全内反射的条件，光导的折射率应当高于周围介质的折射率。然而，（部分）反射涂层在光导上的使用和/或受保护表面（例如船体）的反射性质的使用自身也可以用于建立用于引导光通过光学介质的条件。

在一些实施例中，光学介质可以相对于受保护表面（例如船体）定位，使得在光学介质与受保护表面之间引入小气隙；UV光可以在空气中比在光学介质中甚至更好地行进——具有更少的吸收，甚至是在该光学介质被设计为光导材料时。在其它实施例中，气体填充通道（例如空气通道）可以形成在硅树脂材料内。还可以提供分离的气体填充袋状物的阵列，例如以比如矩形或蜂巢图案那样的规则图案或以非规则图案。取代于气体（例如空气）填充，可以利用UV透射液体（例如新鲜和/或净化的水）至少部分地填充通道和/或袋状物。在覆盖有这样的光学介质的受保护表面遭受冲击（例如船撞击码头前沿）的情况下，小袋状物可以软化，从而重分布冲击能量并且因而保护表面，其中液体填充袋状物在变形的情况下可以比可能更容易爆开的空气袋状物更加鲁棒。

由于大多数材料具有对于UV光的（非常）有限的透射率，因此必须在光学介质的设计方面当心。在下文中列出专用于该目的的数个具体特征和/或实施例：

-可以选择低功率LED的相对精细间距，以最小化光必须行进通过光学介质的距离。

-可以使用“中空”结构，例如具有保持其远离受保护表面的小距离的间隔物的硅树脂橡胶垫。这创建UV光可以通过其以高效率传播的空气“通道”（空气对于UV非常透明）。使用由这样的结构提供的气体填充通道允许在原本将会过于强烈地吸收UV光的材料的光学介质中的大距离之上分布UV光以用于抗结垢。类似地，可以形成分离的袋状物。

-可以选择具有高UV透明度的特殊材料，比如某些硅树脂或UV级（熔融）硅石。在实施例中，该特殊材料可以仅用于创建用于使光传播大部分距离的通道；更便宜/更结实的材料可以用于表面的其它部分。

在附图中公开另外的实施例，其中主要问题是仍使用点光源来利用抗结垢光（优选为UV光）光照大表面。典型的关注点是光从点源到表面光照的扩散。更详细地：

-典型集装箱船的受保护表面面积为~10.000m²。

-典型的LED源具有~1mm²的面积。这是10¹⁰倍小。

-考虑到所要求的功率水平，可能要求每m²大约10个LED

-这意味着光必须从1个LED扩散在~1000cm²之上

-当考虑到溶液必须薄（幅度量级：1cm）的另一边界条件时，例如出于诸如以下的原因：

　　-为了能够将溶液作为“涂层”添加到船

　　-为了不增加由于船的增加的截面尺寸所致的拖拽

　　-为了保持（块状）材料成本受限。

因此提供使用光学材料，特别是大体平面光导。光导的典型维度是大约1mm到大约10mm的厚度。在其它方向上，从光学角度来看，不存在对尺寸的实际限制；特别地并非如果提供多个光源使得抵消由于光的部分输出耦合和可能地（吸收）损失所致的遍及光导的光强度衰减。

在此，考虑到就LCDTV背光的设计而言类似的光学挑战适用，尽管发射光强度均一性在抗结垢中没有就LCDTV背光而言那么严苛。图8示出具有光源3的照明模块1和具有附加顶层13的光导5。图9A-9B示出图8中所图示的原理的实际示例并且示出具有沿光导5的边缘15定位并且将光注入到光导5中的LED源3的照明模块1。例如白色涂料点或小刮痕/凹痕的散射体图案提取适当地点中的光，在此一般为均一的（图9B），使得实现所期望的（例如一般均匀的）环境光照分布。

图10(a)示出LCDTV背光布置，其中采用楔形光导5(a)，其中来自光源3的光从侧面注入到光导5(a)中。光导5(a)布置有反射衬底17上的诸如涂料点或刮痕之类的散射物体7的图案。楔形使更多的光朝向尖端提取。对光的偏振状态取向并且生成可见光颜色的棱镜片19和LCD21是在抗结垢上下文中可以省略的特征。

图10(b)示出自身提供有结构化侧以便在光导5(b)内和外散射和重分布光的另一楔形光导5(b)。

平面光导和楔形光导二者共享沿大体平行于发射表面的大距离引导光的原理。图11a-11(b)中所示的替换方案（参见下文）已知为直接点亮光学介质；在此一个或多个LED和/或其它（多个）光源存在于屏幕后方，例如漫射体，并且直接朝向要光照的物体（例如生物结垢有机体）发射光。

在侧点亮光学介质中，通常称为光导，诸如图8-10(b)中所示的那些，光学介质的侧面从一个或多个光源相对强地光照并且进一步远离（多个）光源，光导内的光强度一般更加均匀，可能地由散射体掌控（图9(a)-9(b)）。

简而言之，侧点亮或直接点亮概念之间的差异在于在直接点亮情形中，光没有在平行于发射表面的大距离上行进。作为结果。光强度通常在光源正前方高得多。没有实现光的实际分布。因此，在直接点亮解决方案中，可以在（多个）光源正前方的区域与其旁边的区域之间预期到较大强度变化。

图11(a)和11(b)在截面视图（查看图7）中示出照明模块101(a)，101(b)，其包括光源3和具有发射表面23的光学介质105(a)，105(b)。波浪线“I(a)”和“I(b)”分别示出从发射表面发射的光强度轮廓并且图示了较厚光学介质105(b)（图11(b)）将“自动”提供比另外的相同构造的较薄光学介质105(a)（图11(a)）更好的发射表面23上的光均一性。

然而，在目前情况下，这样的相对强度变化不需要过多地关注。另外，直接点亮布置潜在地还具有控制局部强度变化的能力，其还可以用于提供时间和空间强度变化二者。因此，本文提供的光学结构相对简单。根据经验，对于高水平的发射光强度，直接点亮配置中的光学介质的厚度一般大约等于LED间距。如果LED间距是10cm，该经验法则可能导致大约10cm厚度的光学介质，其比所期望的更厚。然而，用于目前所意图的抗结垢目的的光发射均一性要求不必满足“大体均一照明”要求并且因而可以与这样的LED间距组合地使用较薄的层。

存在获得较薄光学结构中的较好均一性的附加想法和解决方案，诸如在一个或多个光源的正前方引入散射体和/或漫射体或其它光扩散体。

图12示出（左手侧）包括以具有朝向光源3的顶点的光学介质5中的反射锥体25的形式的光扩散体。这在具有大体平行于受保护以抵挡结垢的表面27的分量的方向上引导光9。如果锥体25不完全是反射性的也不是不透明的，则来自光源的一些光将穿过它并且防止创建引起降低或低效的抗结垢的阴影。

另外，图12示出（右手侧）包括在光学介质5中的波长转换材料。所图示的实施例被配置成通过利用来自光源30的光来光激发波长转换材料而生成至少部分的抗结垢光，其中光31具有使波长转换材料以另一波长从光学介质5向环境E中发射抗结垢光9的第一波长。光学介质5中的波长转换材料的分布可以在空间上变化，例如依照光学介质5中的（不同波长的）光的（预期）强度分布。

图13示出光学介质205，包括第一层233、第二层235，其间具有分离第一和第二层233,235并且创建气体填充通道239的多个壁237和支柱238。光学介质205可以仅仅用作本文所示出的其它光学介质中的任一个。

图14示出受保护以抵挡生物结垢的物体300的部分，包括提供有包括嵌入式片块形状颗粒303的光学介质302的物体表面301，例如船体。（在图中，省略光源。）片块303一般平行于彼此分布并且具有从物体表面301向外到发射表面304增加的密度。

图15示出其中UVLED3布置在网格中并且连接在一系列并联连接中的铁丝网实施例。LED可以通过焊接、胶合或用于将LED连接到铁丝网4的任何其它已知的电气连接技术而安装在如图15的左下角中所示的节点处。一个或多个LED可以放置在每一个节点处。可以实现DC或AC驱动。在DC的情况下，如图15的右下角（a）处所示的那样安装LED。如果使用AC，则如图15的右下角（b）处所示的那样使用反并联配置中的LED对。本领域技术人员知晓在每一个节点处可以使用反并联配置中的多于一对LED。可以通过拉伸口琴结构来调节网格中的UVLED之间的距离和铁丝网网格的实际尺寸。铁丝网网格可以嵌入在光学介质中，其中可选地提供如图12中图示的散射特征的并联网格。

除了船体的抗结垢应用之外，设想到以下可替换应用和实施例：

-本公开可以应用于多种多样的领域。与自然水接触的几乎任何物体将随时间而遭受生物结垢。这可以阻碍例如淡化工厂的入水口、阻塞泵站的管道，或者甚至覆盖室外游泳池的墙壁和底部。所有这些应用将受益于目前提供的方法、照明模块和/或系统，即有效的薄附加表面层，其防止整个表面区域上的生物结垢。

-尽管UV光是优选的解决方案，但是也设想到其它波长。非UV光（可见光）对抵挡生物结垢也是有效的。典型的微生物对非UV光没有对UV光那么敏感，但是在对光源的每单位输入功率的可见光谱中可以生成高得多的剂量。

-UVLED是用于薄发光表面的理想源。然而，也可以使用除LED之外的UV源，诸如低压汞蒸气灯。这些光源的形状因子相当不同；主要是源大得多。这导致不同的光学设计，以将来自单个源的所有光“分布”在大区域之上。但是如本文所讨论的光引导的概念不改变。另外，可以产生期望的波长和/或波长组合中的光的显著贡献。

取代于使用在远离受保护表面的方向上向外发射UV光以便避免生物结垢的薄层，生物结垢还可以潜在地通过在受保护表面的方向上从外部应用UV光来去除。例如，将UV光照耀到包括如所描述的合适光学介质的船体或表面上。因此，在去往和远离受保护表面的方向上发射抗结垢光的单个光学介质可能甚至更加高效。

概念不限于以上所描述的实施例，其可以在权利要求的范围内以数个方式变化。例如，使用光，特别是UV光作为抗结垢构件可以在其它领域中提供令人感兴趣的机会。在可以在大区域之上提供连续的“24/7”“保护”的含义方面，这是独特的。应用对于船体而言尤其令人感兴趣，但是还可以应用在游泳池、水处理工厂等中。取代于水，生物结垢可以在其它液体环境中发生和处理，例如油、盐水和/或包括食品工业的其它环境中的液体。

针对特定实施例或者与特定实施例有关地讨论的元件和方面可以与其它实施例的元件和方面适当地组合，除非以其它方式明确声明。

Claims (19)

1.一种受保护表面的抗结垢的方法，包括，当受保护表面至少部分地浸没在液体环境中时，特别是含水或含油环境中时：

-提供抗结垢光；

-提供与受保护表面紧密接近的光学介质，光学介质具有大体平面发射表面；

-在大体平行于受保护表面的方向上通过光学介质分布抗结垢光的至少部分；以及

-在远离受保护表面的方向上从光学介质的发射表面发射抗结垢光。

2.权利要求1的方法，其中抗结垢光从布置到受保护表面上或者与受保护表面紧密接近的二维网格中的多个光源发射。

3.权利要求1的方法，其中波长转换材料包括在光学介质中，并且至少部分抗结垢光通过利用具有使波长转换材料以另一波长发射抗结垢光的第一波长的光来光激发波长转换材料而生成。

4.前述权利要求中任一项的方法，

-其中光学介质包括硅树脂材料，特别是选自包括甲基硅树脂和/或UV级硅石材料的组的硅树脂材料，并且

-其中光学介质是光导、光扩散体或光导和光扩散体的组合中的一个。

5.前述权利要求中任一项的方法，包括通过填充有气体和/或例如水的清透液体的光学介质中的例如为通道的空间来分布抗结垢光的至少部分。

6.前述权利要求中任一项的方法，其中抗结垢光在从大约220nm到大约420nm的UV或蓝色波长范围中，优选地为大约260nm。

7.前述权利要求中任一项的方法，包括提供具有至少部分地嵌入在硅树脂材料中的空间变化密度的UV半透明颗粒的光学介质的至少部分，所述颗粒例如为UV级硅石颗粒，特别地为片块，并且包括从光学介质的发射表面发射抗结垢光，并且其中优选地在光学介质的所述部分中，硅树脂材料中的UV级硅石颗粒的密度从在光学介质内朝向光学介质的发射表面增加。

8.一种用于受保护表面的抗结垢的照明模块，包括：

-用于生成抗结垢光的至少一个光源；

-用于通过光学介质分布抗结垢光的至少部分的光学介质，

-光学介质包括用于在照明模块布置于受保护表面中、受保护表面上和/或靠近受保护表面时在远离受保护表面的方向上发射所分布的抗结垢光的发射表面，并且

-其中发射表面是大体平面表面。

9.权利要求8的照明模块，包括用于生成抗结垢光的多个光源，其中多个光源布置在二维网格中。

10.权利要求9的照明模块，其中多个光源布置在铁丝网结构中的一系列并联连接中。

11.权利要求8至10中任一项的照明模块，其中至少一个光源或多个光源的二维网格包封在液密包封中。

12.权利要求8至11中任一项的照明模块，其中发射表面大体掩蔽或遮掩至少一个光源的厚度。

13.权利要求8至12中任一项的照明模块，其中光学介质包括硅树脂材料，特别是选自包括甲基硅树脂和/或UV级硅石材料的组的硅树脂材料，并且

-其中光学介质是光导、光扩散体或光导和光扩散体的组合中的一个。

14.权利要求8至13中任一项的照明模块，其中光学介质包括填充有气体和/或清透水以用于借此引导抗结垢光的至少部分的空间，例如通道。

15.权利要求8至14中任一项的照明模块，

-其中至少一个光源是发光二极管或有机发光二极管（LED或OLED）、介质阻挡放电（DBD）灯中的至少一个，

-其中至少一个光源被配置用于发射从大约220nm到大约420nm的UV或蓝光的波长范围中的抗结垢光，特别地从大约240nm到大约280nm，和/或其中波长转换材料包括在光学介质中并且用于通过利用具有使波长转换材料以另一波长发射抗结垢光的第一波长的光来光激发波长转换材料而生成抗结垢光的至少部分。

16.权利要求8至15中任一项的照明模块，其中光学介质的至少部分包括至少部分地嵌入在硅树脂材料中的空间变化密度的UV半透明颗粒，所述颗粒例如为UV级硅石颗粒，特别地为片块，并且其中在光学介质的至少部分中，硅树脂材料中的UV级硅石颗粒的密度从在光学介质内朝向光学介质的发射表面增加。

17.权利要求8至16中任一项的照明模块，其中照明模块成形为瓦片或细长条。

18.一种用于受保护表面的抗结垢的系统，包括根据权利要求8至17中任一项的多个照明模块，其中多个照明模块布置在受保护表面上以便在受保护表面的大体整个区域之上提供抗结垢光。

19.一种用于受保护表面的抗结垢的系统，包括：

-用于发射抗结垢光的多个光源，多个光源布置在受保护表面上或者紧密接近受保护表面的二维网格中并且布置成在大体平行于或者大体远离受保护表面的方向上发射抗结垢光；

-布置在多个光源前方以用于在具有大体平行于受保护表面的分量的方向上扩散由多个光源中的至少一个光源发射的抗结垢光的至少部分的光扩散体；和/或

-布置在多个光源前方的光导，光导具有用于从多个光源中的至少一个光源耦合输入抗结垢光的光耦合输入表面和用于在远离受保护表面的方向上从光导耦合输出抗结垢光的光耦合输出表面；光导包括具有比液体环境的折射率更高的折射率的光导材料使得抗结垢光的至少部分在于输出耦合表面处输出耦合之前在大体平行于表面的方向上经由全内反射传播通过光导；

其中光扩散体和/或光导涂敷或喷涂到多个光源和受保护表面上。