DE102016101797A1

DE102016101797A1 - Rührwerkzeug

Info

Publication number: DE102016101797A1
Application number: DE102016101797.3A
Authority: DE
Inventors: Peter Brick; Nils Kaufmann
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2016-02-02
Filing date: 2016-02-02
Publication date: 2017-08-03
Also published as: WO2017134167A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rührwerkzeug für einen Photobiorekator, mit einem Lichtleiter, wobei der Lichtleiter einen Einkoppelbereich zum Einkoppeln von Licht aufweist, wobei sich der Lichtleiter entlang einer Längsrichtung erstreckt, wobei der Lichtleiter ausgebildet ist, um Licht vom Einkoppelbereich zu einem Endbereich zu führen, wobei der Lichtleiter ausgebildet ist, um Licht entlang der Längsrichtung seitlich abzugeben, wobei der Lichtleiter wenigstens einen bogenförmigen Abschnitt aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rührwerkzeug gemäß Patentanspruch 1.
Rührwerkzeuge werden beispielsweise in einem Photobioreaktor eingesetzt, um eine Durchmischung des Reaktorinhaltes und eine Zufuhr von Licht zum Reaktorinhalt auch in tieferen Bereichen des Reaktors zu ermöglichen. Entsprechende Rührwerkzeuge sind aus DE 10 2011 002 763 A1 und EP 2 520 642 A1 bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Rührwerkzeug für einen Reaktor, insbesondere für einen Photobioreaktor, bereitzustellen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch das Rührwerkzeug gemäß Anspruch 1 gelöst.
Weitere Ausführungsformen des Rührwerkzeuges sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein Vorteil des beschriebenen Rührwerkzeuges besteht darin, dass zum einen eine verbesserte Rührfunktion bei gleichbleibender oder verbesserter Lichtzufuhr ermöglicht wird.
Dazu wird ein Rührwerkzeug mit einem Lichtleiter vorgeschlagen, wobei der Lichtleiter einen Einkoppelbereich zum Einkoppeln von Licht aufweist, wobei sich der Lichtleiter entlang einer Längsrichtung erstreckt, wobei der Lichtleiter ausgebildet ist, um Licht vom Einkoppelbereich zu einem Endabschnitt zu führen, wobei der Lichtleiter ausgebildet ist, um Licht entlang der Längsrichtung seitlich abzugeben, wobei der Lichtleiter wenigstens einen bogenförmigen Abschnitt aufweist.
In einer Ausführung weist der bogenförmige Abschnitt wenigstens die Form eines Teilkegelschnittes auf. Dadurch werden eine gute Durchmischung und eine gute Lichtverteilung erreicht. Unter einem Kegelschnitt wird eine Kurve verstanden, die beim Schnitt eines geraden Doppelkreiskegels (Rotationskegels) mit einer Ebene entsteht. Ein Teilkegelschnitt umfasst einen Teil des Kegelschnittes. In Abhängigkeit vom Neigungswinkel der Schnittebene in Bezug auf den halben Öffnungswinkel des Kegels ergeben sich folgende Kegelschnitte: Ellipse, Kreis, Parabel, Hyperbel. Somit stellen Teilkegelschnitte Teilellipsen, Teilkreise, Teilparabeln oder Teilhyperbeln dar.
In einer Ausführung ist der bogenförmige Abschnitt in Form einer Spirale ausgebildet.
In einer Ausführung umringt der bogenförmige Abschnitt wenigstens 180°, insbesondere wenigstens 360° um eine Mittenachse.
In einer Ausführung wobei der bogenförmige Abschnitt wenigstens 720° um eine Mittenachse umringt. In einer Ausführung weist der bogenförmige Abschnitt die Form einer Spirale mit einem bogenförmigen Abschnitt auf. Der bogenförmige Abschnitt kann sich über 360° oder mehr, insbesondere über 720° erstrecken. Dadurch wird eine gute Durchmischung und Lichtverteilung auch in höheren Reaktoren erreicht.
In einer Ausführung weist der Lichtleiter einen ersten und einen zweiten Abschnitt auf, wobei die Abschnitte ineinander übergehen, wobei sich der Lichtleiter ausgehend vom Einkoppelbereich in dem ersten Abschnitt weg vom Einkoppelbereich bis zu einem Umkehrbereich erstreckt, wobei sich der Lichtleiter ausgehend vom Umkehrbereich über den zweiten Abschnitt zurück in Richtung auf den Einkoppelbereich erstreckt. Dadurch wird eine weitere Verbesserung der Durchmischung und der Lichtverteilung erreicht.
In einer Ausführung ist der Lichtleiter als geschlossene Schleife ausgebildet. Dadurch wird eine stabile Form des Lichtleiters bereitgestellt.
In einer Ausführung weist das Rührwerkzeug eine Lichtquelle auf, die Licht in den Einkoppelbereich einstrahlt, wobei die Lichtquelle einen lichtemittierenden Halbleiterchip aufweist. Mithilfe des Halbleiterchips wird eine effiziente Lichtquelle bereitgestellt, die wenig Bauraum beansprucht.
In einer Ausführung ist zwischen der Lichtquelle und dem Lichtleiter ein Einkoppelelement vorgesehen ist, um das Licht in den Lichtleiter einzukoppeln. Dadurch wird die Lichteinkopplung verbessert.
In einer Ausführung ist der Lichtleiter aus einem Material mit einem Brechungsindex gebildet ist, wobei der Biegeabschnitt einen Biegeradius aufweist, wobei der Lichtleiter einen runden Querschnitt mit einem Durchmesser aufweist, wobei der Brechungsindex zwischen 1,4 und 2 liegt, wobei das Verhältnis zwischen dem Biegeradius und dem Durchmesser zwischen 2 und 100 liegt.
In einer Ausführung sind wenigstens zwei Lichtleiter vorgesehen. Dadurch wird eine erhöhte Flexibilität bei der Form der Lichtleiter ermöglicht.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des Rührwerkzeuges,
2 eine Ansicht von oben auf den Lichtleiter,
3 eine Ansicht von unten auf den Lichtleiter,
4 eine Seitenansicht des Lichtleiters,
5 einen Querschnitt durch einen Teilabschnitt des Lichtleiters,
6 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Rührwerkzeuges,
7 eine schematische Ansicht von oben auf den Lichtleiter der 6,
8 eine schematische Ansicht von unten auf den Lichtleiter der 6,
9 eine schematische Darstellung eines Biegeabschnittes des Lichtleiters,
10 ein erstes Diagramm, das Kennlinien für verschiedene Brechungsindizes abhängig von einem maximalen Einstrahlwinkel und abhängig vom Verhältnis des Radius zum Durchmesser des Rührwerkzeuges zeigt,
11 ein zweites Diagramm, das Kennlinien für maximale Einstrahlwinkel abhängig vom Verhältnis des Biegeradius zum Durchmesser und abhängig vom Brechungsindex zeigt,
12 ein drittes Diagramm, das Kennlinien für verschiedene Verhältnisse des Biegeradius zum Durchmesser in Abhängigkeit vom Brechungsindex und vom maximalen Einfallswinkel zeigt,
13 ein viertes Diagramm, das Kennlinien für Brechungsindizes in Abhängigkeit von einem Strahlwinkel und in Abhängigkeit vom Verhältnis des Biegeradius zum Durchmesser zeigt,
14 ein fünftes Diagramm, das Kennlinien für maximale Einfallswinkel in Abhängigkeit vom Verhältnis des Biegeradius zum Durchmesser und in Abhängigkeit vom Brechungsindex zeigt, und
15 ein sechstes Diagramm, das Kennlinien für verschiedene Verhältnisse des Radius zum Durchmesser in Abhängigkeit des Brechungsindex und in Abhängigkeit vom Strahlwinkel zeigt.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Reaktor 1, wobei im Reaktor 1 ein flüssiges Reaktormedium 2 angeordnet ist, wobei ein Rührwerkzeug 3 vorgesehen ist, das für eine Durchmischung des Reaktormediums 2 und für eine Versorgung des Reaktormediums 2 mit elektromagnetischer Strahlung verwendet wird. Das Rührwerkzeug 3 weist einen Lichtleiter 4 auf, der einen Einkoppelbereich 5 zum Einkoppeln von Licht aufweist. Der Lichtleiter 4 erstreckt sich entlang einer Längsrichtung 6, die als gestrichelte Achse dargestellt ist. Der Lichtleiter 4 ist aus einem lichtleitenden Material, beispielsweise Glas oder Kunststoff gebildet oder weist wenigstens ein lichtleitendes Material 4 auf. Der Lichtleiter 4 weist mehrere bogenförmige Abschnitte 7 auf.
In der dargestellten Ausführungsform ist der Lichtleiter 4 als Spirale mit mehreren bogenförmigen Abschnitten ausgebildet, wobei sich die Spirale um die Längsrichtung 6 windet. Der Lichtleiter 4 erstreckt sich von dem Einkoppelbereich 5, der außerhalb des Reaktors 1 liegt, bis zu einem Endbereich 8, der oberhalb eines Bodens 50 des Reaktors 1 angeordnet ist. Die bogenförmigen Abschnitte 7 in der dargestellten Ausführungsform sind radialsymmetrisch um eine Mittenachse 9 angeordnet, in der die Längsrichtung 6 dargestellt ist. Der Endbereich 8 des Lichtleiters 4 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel senkrecht zur Mittenachse 9 ausgerichtet. Der Lichtleiter 4 kann auch die Form einer Helix oder einer Doppelhelix aufweisen.
Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann der Lichtleiter 4 auch in einer Ebene angeordnet sein, die durch die Mittenachse 9 geht, und mehrere, aneinander gereihte bogenförmige Abschnitte 7 aufweisen, so dass der Lichtleiter 4 wenigstens eine S-Form, insbesondere mehrere aneinander gereihte S-Formen, entlang der Längsrichtung 6 in der Ebene aufweist.
Die bogenförmigen Abschnitte 7 des Lichtleiters 4 bilden zwei Spiralkreise mit jeweils 360° auf. Die Spiralkreise des Lichtleiters 4 weisen eine festgelegte Steigung und einen festgelegten Durchmesser auf.
Der Lichtleiter 4 kann im Querschnitt eine Kreisform, eine Ellipsenform oder ähnliche abgerundete Formen aufweisen. Zudem kann der Lichtleiter 4 auch im Querschnitt eine eckige Fläche aufweisen. Insbesondere kann der Querschnitt des Lichtleiters 4 dreieckig, viereckig oder vieleckig ausgebildet sein. Der Einkoppelbereich 5 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in Form einer planen Querschnittsfläche 10 am oberen Ende des Lichtleiters 4 ausgebildet. Über dem Einkoppelbereich 5 ist eine Lichtquelle 11 angeordnet. Die Lichtquelle ist beispielsweise in Form eines optoelektronischen Halbleiterchips 11 ausgebildet, der elektromagnetische Strahlung auf einer Abstrahlseite 12 abgibt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Einkoppelelement in Form einer Linse 13 auf der Abstrahlseite 12 des Halbleiterchips 11 angeordnet. Die Linse 13 dient dazu, um das vom Halbleiterchip 11 abgegebene Licht in Richtung auf die Querschnittsfläche 10 zu bündeln. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Linse 13 von der Querschnittsfläche 10 beabstandet. Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann auf die Linse 13 verzichtet werden und der Halbleiterchip 11 direkt auf der Querschnittsfläche 10 aufliegen. Zudem kann die Linse 13 auch auf dem Ende des Lichtleiters 4 angeordnet sein. Zudem können auch andere Arten und Formen von Einkoppelelementen vorgesehen sein.
Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann auch der Einkoppelbereich 5 des Lichtleiters 4 Einkoppelstrukturen zur verbesserten Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung in den Lichtleiter 4 aufweisen. Dazu können beispielsweise Reflektoren, Linsen, TIR-Linsen oder Konzentratoren vorgesehen sein. Zudem kann der Halbleiterchip auch mit dem Lichtleiter fest verbunden sein. Es ist ein nicht dargestelltes Antriebselement 53, insbesondere ein Elektromotor vorgesehen, der das Rührwerkzeug mit dem Lichtleiter 4 um die Mittenachse 9 dreht.
2 zeigt eine schematische Ansicht von oben auf den Lichtleiter 4 mit der Querschnittsfläche 10 und den bogenförmigen Abschnitten 7, die kreisringförmig ausgebildet sind. In dieser Ausführungsform ist der Lichtleiter 4 spiralförmig ausgebildet. Abhängig von der gewählten Ausführung kann der Lichtleiter 4 wenigstens eine Spiralwindung oder mehrere Spiralwindungen aufweisen.
3 zeigt in einer schematischen Ansicht von unten einen Blick auf den Lichtleiter 4 mit dem Endbereich 8.
4 zeigt in einer schematischen Seitenansicht einen Abschnitt des Lichtleiters 4, der gemäß der Ausführungsform der 1 als Spirale ausgebildet ist.
Zum Verrühren des Reaktormediums 2 wird der Lichtleiter 4 z.B. um die Mittenachse 9 gedreht. Dadurch wird zum einen eine Durchmischung des Reaktormediums 2 erreicht und zum anderen eine über die Oberfläche 14 des Lichtleiters 4 abgegebene elektromagnetische Strahlung gleichmäßig im Reaktorvolumen 1 verteilt. Es können jedoch auch andere Drehachsen verwendet werden, die nicht in der Mittenachse 9 liegen.
Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann der Lichtleiter 4 Streupartikel oder Streuelemente im Inneren oder auf der Oberfläche 14 aufweisen, um elektromagnetische Strahlung über die Oberfläche 14 in den Reaktor 1 auszukoppeln. Weiterhin kann der Lichtleiter 4 Konversionsmaterial, beispielsweise Leuchtstoff aufweisen, um eine von der Lichtquelle 11 Bereitgestellte elektromagnetische Strahlung in der Wellenlänge wenigstens teilweise zu verschieben. Das Konversionsmaterial kann im Volumen des Lichtleiters 4 verteilt sein oder als Oberflächenbeschichtung auf der Oberfläche 14 des Lichtleiters 4 angeordnet sein. Weiterhin können zur Auskopplung der elektromagnetischen Strahlung Streuzentren z.B. in Form von Partikeln, Diffusoren oder Strukturen beispielsweise in Form von Prismen, Verjüngungen oder einer aufgerauten Oberfläche 14 aufweisen.
5 zeigt einen Querschnitt durch einen Teilabschnitt eines gebogenen Abschnittes 7 des Lichtleiters 4. In dieser Ausführungsform ist die Oberfläche 14 mit einer Schicht aus Konversionsmaterial 15 bedeckt. Zudem oder anstelle des Konversionsmaterials 15 können auch Streuelemente 51 wie Streupartikel oder Diffusionspartikel vorgesehen sein, um Licht aus dem Lichtleiter 4 in den Reaktor 1 auszukoppeln. Zudem kann die Oberfläche 14 und/oder die Schicht 15 in Form einer aufgerauten oder entsprechend strukturierten Oberfläche ausgebildet sein, um eine Auskopplung von elektromagnetischer Strahlung in den Reaktor 1 zu verbessern.
6 zeigt in einer schematischen Darstellung eine weitere Ausführungsform des Rührwerkzeuges 3 mit dem Lichtleiter 4, wobei in dieser Ausführungsform der Lichtleiter als der Lichtleiter 4 in Form einer geschlossenen Schleife ausgebildet ist. Ausgehend vom Einkoppelbereich 5 erstreckt sich ein erster spiralförmiger Abschnitt 17 zu einem Umkehrbereich 18. Ausgehend vom Umkehrbereich 18 erstreckt sich ein zweiter, ebenfalls spiralförmiger Abschnitt 19 zurück zum Einkoppelbereich 5. Der zweite Abschnitt 19 geht in den Einkoppelbereich 5 über. Jeder der Abschnitte 17, 19 weist wenigstens 1,5 Kreisbögen auf. Zudem sind die spiralförmigen ersten und zweiten Abschnitte 17, 19 ineinander verschränkt.
7 zeigt eine schematische Ansicht des Lichtleiters 4 der 6 von oben und 8 eine schematische Ansicht des Lichtleiters 4 der 6 von unten.
9 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Teilabschnitt eines bogenförmigen Abschnittes 7 des Lichtleiters 4, der an den Einkoppelbereich 5 angrenzt. Elektromagnetische Strahlung 20, die vom Lichtelement 11 auf die Querschnittsfläche 10 abgegeben wird, wird bis zu einem maximalen Einstrahlwinkel 21 θ_M in den Lichtleiter 4 eingekoppelt und im Lichtleiter 4 über Totalreflexion an einer Außenfläche des Lichtleiters 4 im Lichtleiter 4 geführt. Bei größeren Einstrahlwinkeln wird die elektromagnetische Strahlung zwar noch in den Lichtleiter 4 eingekoppelt, aber nicht mehr an der Außenfläche des Lichtleiters 4 total reflektiert. Der Lichtleiter 4 weist einen Durchmesser D auf. Zudem geht der Lichtleiter 4 ausgehend vom Einkoppelbereich 5 in den bogenförmigen Abschnitt 7 über, wobei der bogenförmige Abschnitt 7 einen Krümmungsradius R aufweist.
Ein an der Querschnittsfläche 10 abgelenkter Lichtstrahl 34 weist einen Strahlwinkel 35 zur Mittenachse 9 des Lichtleiters 4 auf. Abhängig von der gewählten Ausführungsform ist der Brechungsindex des Lichtleiters und das Verhältnis des Biegeradius zum Durchmesser so gewählt, dass bevorzugt 50 % oder mehr, insbesondere 60 % oder 70 % des in den Lichtleiter eingekoppelten Lichtes innerhalb des maximalen Einstrahlwinkels 21 θ_M liegen.
Abhängig von dem Brechungsindex n des Lichtleiters 4 können verschiedene maximale Einstrahlwinkel 21 θ_M angegeben werden, bei denen die in den Lichtleiter 4 eingestrahlte elektromagnetische Strahlung 20 über Totalreflexion an einer Innenseite der Oberfläche 14 des Abschnittes 7 reflektiert wird und im Lichtleiter 4 in Richtung auf den Endbereich 8 geführt wird. Bei einem Brechungsindex n von 1,5 für den Lichtleiter 4 und Luft als Umgebung im Einkoppelbereich und einem Reaktormedium mit einem Brechnungsindex n von 1,335 beträgt der maximale Einstrahlwinkel 21 43,2°. Oberhalb des maximalen Einfallswinkels von 43,2 ° tritt nach einer Einkopplung der elektromagnetischen Strahlung keine Totalreflexion mehr an der Innenseite der Oberfläche 14 des Lichtleiters 4 auf. Diese Situation ist für eine Führung der elektromagnetischen Strahlung im Lichtleiter 4 von Nachteil.
Bei einem Brechungsindex n von 1,58 für den Lichtleiter und Luft als Umgebung im Einkoppelbereich und einem Reaktormedium mit einem Brechungsindex n von 1,335 beträgt der maximale Einstrahlwinkel 21 57,7° für den noch nach der Einkopplung der elektromagnetischen Strahlung in den Lichtleiter 4 Totalreflexion an der Innenseite der Oberfläche 14 des Lichtleiters 4 auftritt. Bei einem Brechungsindex n von 1,6 für den Lichtleiter und Luft als Umgebung im Einkoppelbereich und einem Reaktormedium mit einem Brechungsindex n von 1,335 beträgt der maximale Einstrahlwinkel 61,9° für den noch nach der Einkopplung der elektromagnetischen Strahlung in den Lichtleiter 4 Totalreflexion an der Innenseite der Oberfläche 14 des Lichtleiters 4 auftritt. Bei einem Brechungsindex n von 1,67 für den Lichtleiter und größer und Luft als Umgebung im Einkoppelbereich und einem Reaktormedium mit einem Brechungsindex n von 1,335 beträgt der maximale Einfallswinkel 90° für den noch nach der Einkopplung der elektromagnetischen Strahlung in den Lichtleiter 4 Totalreflexion an der Innenseite der Oberfläche 14 des Lichtleiters 4 auftritt.
Zudem kann ein kritischer Strahlwinkel 22 in Bezug auf eine senkrechte Achse 52 zur Oberfläche 14 für die verschiedenen Brechungsindizes n angegeben werden. Beispielsweise erfolgt keine Totalreflexion mehr an der Oberfläche 14 beim Brechungsindex n von 1,5 für einen kritischen Strahlwinkel 22 von kleiner als 62,9°, bei einem Brechungsindex n von 1,58 bei einem kritischen Strahlwinkel kleiner 57,7°, bei einem Brechungsindex n von 1,6 bei einem kritischen Strahlwinkel 22 von 56,6°, bei einem Brechungsindex n von 1,67 einen kritischen Strahlwinkel 22 von 53,1°.
10 zeigt ein erstes Diagramm, bei dem auf der Ordinate der maximale Einstrahlwinkel 21 θ_M und auf der Abszisse ein Verhältnis R/D zwischen dem Biegeradius R und dem Durchmesser D des gebogenen Abschnittes 7 des Lichtleiters 4 angegeben sind. Zudem sind in dem Diagramm der 10 Kennlinien 23, 24, 25 für unterschiedliche Brechungsindizes eingezeichnet. Die erste Kennlinie 23 ist für den Brechungsindex n = 1,6, die zweite Kennlinie 24 für den Brechungsindex n = 1,8 und die dritte Kennlinie 25 für den Brechungsindex n = 2,0 angegeben. Die Kennlinien 23, 24, 25 stellen Grenzen für den maximalen Einstrahlwinkel 21 θ_M dar. Liegt der maximale Einstrahlwinkel θ_M über der Kennlinie, so wird das Licht nicht mehr nach Einkopplung in den Lichtleiter 4 über Totalreflexion im Lichtleiter 4 geführt.
11 zeigt ein weiteres Diagramm, bei dem der Brechungsindex n des Lichtleiters auf der Ordinate und das Verhältnis R/D des Radius R zum Durchmesser D des Biegeabschnittes 7 des Lichtleiters 4 auf der Abszisse aufgetragen sind. Zudem sind Kennlinien für verschiedene maximale Einfallswinkel 21 θ_M angegeben. Eine vierte Kennlinie 26 ist für einen maximalen Einfallswinkel 21 von 30° angegeben. Eine fünfte Kennlinie 27 ist für einen maximalen Einfallswinkel von 45° angegeben. Eine sechste Kennlinie 28 ist für einen maximalen Einstrahlwinkel von 60° angegeben. Eine siebte Kennlinie 29 ist für einen maximalen Einstrahlwinkel von 90° angegeben. Die Kennlinien geben an, dass für eine gute Führung des Lichtes im Lichtleiter 4, insbesondere für eine Totalreflexion des Lichtes im Lichtleiter 4 ein Brechungsindex erforderlich ist, der über den angegebenen Kennlinien 26, 27, 28, 29 liegt.
12 zeigt ein Diagramm, bei dem auf der Ordinate der Brechungsindex n und auf der Abszisse ein maximaler Einstrahlwinkel 21 θ_M aufgetragen sind. Zudem sind im Diagramm verschiedene Kennlinien 30, 31, 32, 33 angegeben. Die achte Kennlinie 30 ist für ein Verhältnis des Radius zum Durchmesser von 1000 angegeben. Die neunte Kennlinie 31 ist für ein Verhältnis des Radius zum Durchmesser von 10 angegeben. Die zehnte Kennlinie 32 ist für ein Verhältnis des Radius zum Durchmesser für den Wert 5 angegeben. Die elfte Kennlinie 33 ist für ein Verhältnis des Radius zum Durchmesser mit einem Wert von 3,3 angegeben. Für eine gute Führung des Lichtes im Lichtleiter 4, insbesondere für eine Totalreflexion des Lichtes im Lichtleiter 4 ist bei entsprechenden maximalen Einstrahlwinkeln θ_M und dem vorgegebenen Verhältnis von Radius zu Durchmesser ein Brechungsindex erforderlich, der über der jeweiligen Kennlinie 30, 31, 32, 33 liegt.
13 zeigt ein Diagramm, bei dem der innere Strahlwinkel 35 θ_K auf der Ordinate und das Verhältnis R/D des Radius R zum Durchmesser D des Biegeabschnittes des Lichtleiters auf der Abszisse aufgetragen sind. Zudem sind weitere erste, zweite, dritte Kennlinien eingezeichnet. Die weitere erste Kennlinie 36 ist für einen Brechungsindex n von 1,6, die weitere zweite Kennlinie 37 für n ist kleiner als 1,8 und die weitere dritte Kennlinie 38 für n = 2,0 aufgetragen. Für eine gute Führung des Lichtes im Lichtleiter 4, insbesondere für eine Totalreflexion muss beim vorgegebenen Verhältnis R/D des Radius R zum Durchmesser D und bei einem vorgegeben Brechungsindex n der innere Strahlwinkel 35 θ_K unter der entsprechenden Kennlinie liegen.
14 zeigt ein Diagramm, bei dem der Ordinate der Brechungsindex n und auf der Abszisse das Verhältnis R/D des Radius R zum Durchmesser D aufgetragen sind. Zudem sind weitere vierte, fünfte, sechste, siebte Kennlinien für unterschiedliche maximale innere Strahlwinkel 35 θ_K aufgetragen. Die weitere erste Kennlinie ist für einen maximalen inneren Strahlwinkel θ_K von 10°, die weitere fünfte Kennlinie für maximal 20°, die weitere sechste Kennlinie 41 für maximal 30° und die weitere siebte Kennlinie 42 für einen inneren Strahlwinkel θ_K von maximal 40° angegeben. Für eine gute Führung der Lichtstrahlen im Lichtleiter 4, insbesondere für eine Totalreflexion im Lichtleiter 4 mit einem inneren Strahlwinkel gemäß einer weiteren Kennlinie muss der Brechungsindex über der entsprechenden weiteren Kennlinie liegen. Liegt das Verhältnis R/D von Biegeradius R zu dem Durchmesser D des Lichtleiters 4 bei einem Verhältnis von R/D = 12 und sollen alle Lichtstrahlen mit einem maximalen inneren Strahlwinkel θ_K zwischen +/–40° über Totalreflexion im Lichtleiter geführt werden, dann muss der Brechungsindex n des Lichtleiters mindestens 1,89 betragen.
15 zeigt ein Diagramm, bei dem auf der Ordinate der Brechungsindex n und auf der Abszisse der innere maximale Strahlwinkel 35 θ_K aufgetragen sind. Zudem sind eine weitere achte, neunte, zehnte und elfte Kennlinie 43, 44, 45, 46 dargestellt. Die weitere achte Kennlinie 43 ist für ein Verhältnis von Radius zu Durchmesser von 1000, die weitere neunte Kennlinie 44 ist für ein Verhältnis von Radius zu Durchmesser von 10, die weitere zehnte Kennlinie 45 ist für ein Verhältnis des Radius zu Durchmesser von 5, und die weitere elfte Kennlinie 46 ist für ein Verhältnis von Radius zu Durchmesser von 3,3 eingetragen. Zum Erfüllen guter Reflexion, insbesondere Totalreflexion müssen die entsprechenden Werte für den Brechungsindex n abhängig vom innneren Strahlwinkel θ_K über den Kennlinien liegen.
Die in den Diagrammen angegebenen Werte beziehen sich auf die Situation, dass sich der Einkoppelbereich des Lichtleiters in Luft befindet und dass sich der Lichtleiter in dem Reaktormedium, insbesondere Wasser, mit einem Brechungsindex von 1,33 befindet. Bei anderen Umgebungen ergeben sich andere Werte für die Diagramme und Kennlinien.
Der Reaktor 1 stellt z.B. einen Photobioreaktor dar, der beispielspeise phototrophe Mikroorganismen wie zum Beispiel Mikroalgen wie Spirulina oder Chlorella vermischt mit Wasser als Reaktormedium aufweist. Phototrophe Mikroorganismen sind in der Lage, mithilfe von Lichtenergie unter Verwendung von Nährelementen, CO₂ und Wasser in Biomasse umzuwandeln. Abhängig von der verwendeten Ausführungsform kann das Reaktormedium auch andere Materialien aufweisen, bei denen ein Durchrühren und Versorgen mit Licht von Vorteil ist.
Im Folgenden sind Formeln für die Beschreibung der Abhängigkeit zwischen dem Brechungsindex n des Lichtleiters, dem maximalen Einstrahlwinkel θ_MAX, dem Biegeradius R des Biegeabschnittes des Lichtleiters, dem Durchmesser D des Lichtleiters und dem maximalen inneren Strahlwinkel θ_MAX ^INNEN.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Reaktor
2: Reaktormedium
3: Rührwerkzeug
4: Lichtleiter
5: Einkoppelbereich
6: Längsrichtung
7: Abschnitt
8: Endbereich
9: Mittenachse
10: Querschnittsfläche
11: Halbleiterchip
12: Abstrahlseite
13: Linse
14: Oberfläche
15: Konversionsmaterial
17: erster Abschnitt
18: Umkehrbereich
19: zweiter Abschnitt
20: Strahlung
21: Einstrahlwinkel
22: kritischer Strahlwinkel
23 bis 33: erste bis elfte Kennlinie
34: abgelenkte Strahlung
35: innerer Strahlwinkel
36 bis 46: weitere erste bis weitere elfte Kennlinie
50: Boden
51: Streupartikel
52: senkrechte Achse
53: Antriebselement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011002763 A1 [0002]
EP 2520642 A1 [0002]

Claims

Rührwerkzeug (3) für einen Photobioreaktor, mit einem Lichtleiter (4), wobei der Lichtleiter (4) einen Einkoppelbereich (5) zum Einkoppeln von Licht aufweist, wobei sich der Lichtleiter (4) entlang einer Längsrichtung (6) erstreckt, wobei der Lichtleiter (4) ausgebildet ist, um Licht vom Einkoppelbereich (5) zu einem Endbereich (8) zu führen, wobei der Lichtleiter ausgebildet ist, um Licht entlang der Längsrichtung (6) seitlich abzugeben, wobei der Lichtleiter (4) wenigstens einen bogenförmigen Abschnitt (7) aufweist.
Rührwerkzeug nach Anspruch 1, wobei der bogenförmige Abschnitt (7) wenigstens die Form eines Teilkegelschnittes aufweist.
Rührwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der bogenförmige Abschnitt in Form einer Spirale ausgebildet ist.
Rührwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der bogenförmige Abschnitt wenigstens 180°, insbesondere wenigstens 360° um eine Mittenachse umringt.
Rührwerkzeug nach Anspruch 4, wobei der bogenförmige Abschnitt (7) wenigstens 720° um eine Mittenachse umringt.
Rührwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Lichtleiter (4) einen ersten und einen zweiten Abschnitt (17, 19) aufweist, wobei die Abschnitte (17, 19) ineinander übergehen, wobei sich der Lichtleiter ausgehend vom Einkoppelbereich (5) in dem ersten Abschnitt (17) weg vom Einkoppelbereich (5) bis zu einem Umkehrbereich (18) erstreckt, wobei sich der Lichtleiter (4) ausgehend vom Umkehrbereich über den zweiten Abschnitt (19) zurück in Richtung auf den Einkoppelbereich (5) erstreckt.
Rührwerkzeug nach Anspruch 6, wobei der erste und der zweite Abschnitt des Lichtleiters als geschlossene Schleife ausgebildet sind.
Rührwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Endbereich (8) des Lichtleiters (4) im Wesentlichen quer zu einer Längsrichtung (6) des Lichtleiters (4) angeordnet ist.
Rührwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Lichtquelle (11), die Licht in den Einkoppelbereich (5) einstrahlt, wobei die Lichtquelle (11) einen lichtemittierenden Halbleiterchip aufweist.
Rührwerkzeug nach Anspruch 9, wobei zwischen der Lichtquelle (11) und dem Lichtleiter (4) ein Einkoppelelement (12) vorgesehen ist, um das Licht in den Lichtleiter (4) einzukoppeln.
Rührwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Lichtleiter (4) aus einem Material mit einem Brechungsindex (n) gebildet ist, wobei der bogenförmige Abschnitt (7) einen Biegeradius (R) aufweist, wobei der Lichtleiter (4) einen Querschnitt mit einem Durchmesser (D) aufweist, wobei der Brechungsindex zwischen 1,4 und 2 liegt, wobei das Verhältnis zwischen dem Biegeradius (R) und dem Durchmesser (D) zwischen 2 und 100 liegt.
Rührwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens zwei Lichtleiter vorgesehen sind.
Rührwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Antriebselement (53) vorgesehen ist, wobei das Antriebselement (53) mit dem Lichtleiter (4) in Wirkverbindung steht, um den Lichtleiter (4) um eine Drehachse zu drehen.