ES2634506T3 - Filtro óptico de conversión descendente conmutado térmicamente - Google Patents

Filtro óptico de conversión descendente conmutado térmicamente Download PDF

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Abstract

Filtro óptico conmutado térmicamente (100), que comprende un sustrato (104); un conversor descendente (102) soportado por el sustrato (104), en el que el conversor descendente (102) absorbe luz incidente de un ancho de banda amplio y emite luz a una longitud de onda de emisión sustancial o totalmente más largo que longitudes de onda del ancho de banda amplio; y un primer filtro de bloqueo de banda (101) soportado por el sustrato (104), un segundo filtro de bloqueo de banda (103) soportado por el sustrato (104); en el que el conversor descendente (102) es termocrómico y está intercalado entre el primer filtro de bloqueo de banda (101) y el segundo filtro de bloqueo de banda (103), y la longitud de onda de emisión es variable dependiendo de una temperatura del conversor descendente (102) de manera que a medida que la temperatura del filtro (100) varía, un pico de emisión del conversor descendente (102) se desplaza hacia atrás y hacia delante, encontrándose dentro de una banda de reflexión del primer filtro de bloqueo de banda (101) cuando la temperatura del filtro óptico conmutado térmicamente está en un primer intervalo, y dentro de una banda de reflexión del segundo filtro de bloqueo de banda (103) cuando la temperatura del filtro óptico conmutado térmicamente está en un segundo intervalo; y en el que el primer filtro de bloqueo de banda (101) bloquea la luz emitida cuando la temperatura del filtro óptico conmutado térmicamente está en el primer intervalo y deja pasar la luz emitida cuando la temperatura del filtro óptico conmutado térmicamente está en el segundo intervalo; y el segundo filtro de bloqueo de banda (103) deja pasar la luz emitida cuando la temperatura del filtro óptico conmutado térmicamente está en el primer intervalo y bloquea la luz emitida cuando la temperatura del filtro óptico conmutado térmicamente está en el segundo intervalo.

Description

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Antes de que la luz entre en el filtro de bloqueo de banda exterior 101, en primer lugar, pasa a través de un conjunto de aletas 108. En la realización más sencilla, estas aletas 108 son tiras paralelas, horizontales de un material opaco, reflectante o translúcido que permite que la luz entrante pase a su través sin verse afectada cuando incide en un ángulo que es perpendicular o casi perpendicular a la superficie del filtro TSOD 100, pero limitan, bloquean, absorben, reflejan o atenúan la luz que incide en un ángulo más cercano a la paralela de la superficie del dispositivo. En el caso en el que la luz entrante sea luz solar y el filtro TSOD 100 se oriente verticalmente (por ejemplo, como parte de una pared o ventana), esta disposición permitirá que entre más luz cuando el sol está bajo en el cielo (por ejemplo, durante el invierno), y permitirá que entre menos luz cuando el sol está alto (por ejemplo, en el verano). Por tanto, el filtro TSOD 100 presenta una capacidad mejorada para excluir calor radiante de fuera en tiempo cálido. Un experto habitual en la materia comprenderá que estas aletas pueden asumir una variedad de otras formas sin alterar su función esencial. Podrían presentar una forma diferente que la mostrada en este caso, incluyendo cuñas y cilindros opacos, o lentes transparentes de una variedad de formas. Alternativamente, podrían utilizarse una red de difracción, lentes Fresnel u otros elementos ópticos unidos o integrados en la superficie del filtro TSOD 100 para difuminar la luz entrante de manera que solamente se permita que los fotones que entran al dispositivo en ángulos particulares alcancen el conversor descendente 102.
Después de pasar a través de las aletas 108, la luz entrante, a continuación, entra en un colimador 107. El fin del colimador 107 es “enderezar” la luz entrante de modo que toda viaje en perpendicular a las capas del filtro TSOD 100 al tiempo que permanece dentro del colimador 107. Para conversores descendentes 102 o filtros de bloqueo de banda 101, 103 que incorporan disposiciones similares a cristal periódicas de granos microscópicos, células, partículas o capas, el ángulo de incidencia puede presentar un efecto significativo sobre las propiedades ópticas, y la adición de un colimador 107 puede ayudar a reducir tales efectos cuando no se desean. Formas a modo de ejemplo de un colimador 107 pueden incluir una disposición de cilindros huecos, fibras ópticas fusionadas, o el mineral ulexita (también conocida como “piedra TV”), aunque también existen otras formas.
Después de pasar a través del colimador 107, la luz entrante entra en un atenuador 106. La forma más sencilla de atenuador 106 es un filtro de densidad neutra que bloquea un porcentaje de la luz entrante en todas las longitudes de onda, reduciendo por tanto la intensidad de la luz sin afectar significativamente a su espectro. La adición de un atenuador 106 de este tipo reducirá la transmisión de energía lumínica a través del filtro TSOD 100 en todos los estados de temperatura, limitando por tanto la capacidad del filtro TSOD 100 de dirigir el calor radiante en el estado frío. Esto puede ser ventajoso en aplicaciones en las que el rendimiento en estado caliente es más importante que el rendimiento en estado frío. El lector experto en la materia observará que para algunas aplicaciones puede ser ventajoso colocar otros componentes, tales como el atenuador 106 o conversor descendente 102 en el interior del colimador 107, aunque no se muestra de este modo en la figura 5.
Alternativamente, en otras aplicaciones puede ser más favorable utilizar un atenuador 106 con densidad no neutra, es decir, un filtro de color. Por ejemplo, un filtro de paso corto podría utilizarse para reflejar hacia fuera longitudes de onda de luz demasiado largas para absorberse y volver a radiarse por el conversor descendente 102, ya que estas longitudes de onda no pueden controlarse por la conmutación basada en temperatura del filtro TSOD 100. El atenuador 106 también puede ser un filtro de bloqueo de banda tal como un reflector distribuido de Bragg o filtro rugoso que refleja la luz dentro de un intervalo estrecho de longitudes de onda. Esto reducirá ligeramente la cantidad de energía disponible para el conversor descendente 102, lo que puede ser ventajoso para determinadas aplicaciones, y también proporcionará un “color” reflectante para la superficie exterior del filtro TSOD 100, que puede desempeñar un fin estético cuando el color se encuentre dentro del espectro visible.
En aún otras circunstancias, el atenuador 106 puede ser un material o dispositivo oscurecedor por luz, fotocrómico, oscurecedor por electricidad o electrocrómico, además de hardware de soporte que puede requerirse para hacerlo funcionar (por ejemplo, una célula fotovoltaica, un sensor de temperatura y un circuito de control para dar luz y oscurecer un filtro electrocrómico basado en electrolito). El atenuador 106 puede ser, incluso, un atenuador mecánico tal como un obturador, una cortina o un conjunto de listones, más cualquier sensor, fuentes de alimentación y sistemas de control necesarios para hacerlo funcionar (por ejemplo, una bobina de dos metales sensible a la temperatura tal como las que se encuentran en determinados tipos de termómetros). También es posible incluir múltiples atenuadores de diversos tipos dentro del mismo filtro TSOD
100.
En una realización el atenuador 106 puede ser un material termocrómico u oscurecedor térmico con transmisión, absorción y/o espectros de reflexión que son en función de la temperatura. Formas a modo de ejemplo de material termocrómico incluyen óxido de zinc (que cambia de transparente a amarillo cuando se calienta y refleja luz), cristales líquidos (que pueden formularse para absorber o reflejar un porcentaje de la luz visible incidente por encima de una temperatura umbral dada), y óxidos de vanadio dopados con tungsteno (que reflejan la luz por encima de una temperatura umbral, determinada en parte por el porcentaje de tungsteno en la composición del material).
Una vez la luz entrante ha sido sometida a reducción de conversión a luz monocromática en el conversor descendente 102, y ha pasado a través del filtro de bloqueo de banda interior 103 y sustrato transparente 104, la
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luz pasa entonces a través de un filtro de color 109 cuyo fin es proporcionar un color reflectante a la superficie interior del filtro TSOD 100 con fines estéticos. En una forma, el filtro de color 109 puede ser un filtro de bloqueo de banda con una banda eliminada que se encuentra dentro del espectro visible. Sin embargo, el filtro de color 109 también puede ser un filtro de paso largo, de paso corto o de paso de banda, o combinación de filtros apilados (es decir, añadidos). Siempre y cuando la banda eliminada o bandas eliminadas del filtro de color 109 no incluyan las longitudes de onda de salida del conversor descendente 102, el funcionamiento del filtro TSOD 100 no se verá afectado, y la capacidad del dispositivo para transmitir energía en su estado frío o rechazar energía en su estado caliente no se verá reducida.
Otro componente opcional es un reflector externo 112 aumentar la zona de recogida de luz del filtro TSOD 100, en la misma manera que un espejo telescópico aumenta la zona de recogida de luz del objetivo. El reflector externo 112 podría adoptar virtualmente cualquier forma y presentar una variedad de posiciones externas demasiado numerosas como para su elaboración en este caso. La forma más simple a modo de ejemplo del reflector externo 112 es un espejo habitual colocado en el suelo, que refleja la luz hasta el filtro TSOD 100. Un componente de este tipo es o bien una mejora externa o está integrado en el filtro TSOD 100 en lugar de un componente del propio dispositivo, pero algunas realizaciones pueden incluir un reflector 112 de este tipo como un componente solidario al filtro TSOD 100.
Otra mejora opcional, no ilustrada en la figura 5, es aplicar revestimientos antireflectantes a la superficies de cualquiera o de todos los componentes en el filtro TSOD, la mayor parte particularmente aquellos expuestos al aire de fuera o a los entrehierros internos, huecos de gas (por ejemplo, huecos llenos de argón o kriptón), o huecos de vacío, u otras superficies de contactos en las que el índice de refracción de un material es significativamente diferente del índice de refracción de su vecino. La utilización del término “entrehierro” en la presente memoria pretende incluir entrehierros, huecos de gas y huecos de vacío en colectivo y debe interpretarse como tal a menos que se especifique lo contrario explícitamente. En general, tales revestimientos son microscópicamente delgados, y varían ampliamente en composición dependiendo de la aplicación exacta y de los índices de refracción de los dos materiales que se juntan. Esta técnica se describe bien en la técnica anterior y no necesita elaborarse en este caso.
La figura 6 es una representación esquemática de una realización adicional del filtro TSOD 100, en la que la luz blanca procedente de la fuente de luz externa se hace pasar a través de una lente de concentración 110 antes de que incida sobre el filtro de bloqueo de banda exterior 101 y el conversor descendente 102. El fin de la lente de concentración 110 es proyectar la luz entrante desde una zona grande de lente sobre una zona pequeña de filtro de bloqueo de banda 101 y conversor descendente 102, o bien aumentar la eficacia óptica aumentando localmente la intensidad de la luz, o disminuyendo los requisitos de material permitiendo filtros de bloqueo de banda 101, 103 y de conversor descendente 102 más pequeños. Esta lente 110 puede asumir una variedad de formas, desde diseños cóncavos y convexos convencionales a formas esféricas, cónicas, cilíndricas u otras diseñadas para concentrar la luz de diferentes maneras, o en diferentes regiones o en diferente medidas, y puede ser una serie de lentes complejas, tal como en una cámara o telescopio.
Dado que la luz concentrada (por ejemplo, luz solar concentrada) conlleva a menudo un peligro de provocar fuego o daños, esta realización también puede incluir un difusor o lente desconcentradora 111 para impedir que la luz salga del filtro TSOD 100 en un haz concentrado. Como la lente de concentración 110, el difusor 111 podría asumir una variedad de formas, aunque estas son menos limitadas que las posibles formas de la lente de concentración ya que la luz desconcentradora o difusora es una aplicación menos demandada. Sin embargo, si el difusor 111 no está incluido, el filtro TSOD 100 presenta aplicaciones como generador de haces infrarrojos, similar en algunos aspectos a un láser (pero no coherente), que podrían utilizarse por ejemplo en dispositivos de cocina y de calentamiento conmutables tales como calentadores de agua que funcionan sobre una distancia modesta.
Un lector experto en la materia observará que el filtro TSOD 100 en cualquiera de las realizaciones mencionadas anteriormente, puede funcionar en capacidad degradada con uno de sus filtros de bloqueo de banda eliminado. Con el filtro de bloqueo de banda exterior 101 fuera, el filtro TSOD 100 seguiría funcionando normalmente en sus estados caliente e intermedio, pero no captaría energía tan eficazmente en su estado frío. Es decir, el estado frío se comportará del mismo modo que el estado intermedio, captando aproximadamente la mitad de la energía incidente y radiando el resto de vuelta hacia fuera. Una realización de este tipo puede ser más fácil o menos cara para construir y desarrollar en climas cálidos, en los que el rendimiento en estado frío no es un problema significativo.
Con el filtro de bloqueo de banda exterior 101 presente pero el filtro de bloqueo de banda interior 103 fuera, el filtro TSOD 100 funcionaría normalmente en los estados frío e intermedio, pero no rechazaría energía lumínica tan eficazmente en su estado caliente. Dicho de otro modo, el estado caliente se comportará del mismo modo que el estado intermedio, radiando hacia fuera aproximadamente la mitad de la energía incidente, al tiempo que permite que la otra mitad pase a través del dispositivo. Una realización de este tipo puede ser más fácil o menos cara para construir y desarrollar en climas fríos, en los que el rendimiento en estado caliente no es un problema significativo. En ambos casos, la conmutabilidad del dispositivo puede mejorarse cuando un atenuador
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limitaciones, particularmente en cuanto a la posición, la orientación o la utilización de la invención. Las referencias de conexión, por ejemplo, unido, acoplado, conectado y juntado deben interpretarse ampliamente y pueden incluir elementos intermedios entre un conjunto de elementos y el movimiento relativo entre elementos a menos que se indique lo contrario. De tal manera, las referencias de conexión no implican necesariamente que dos elementos estén conectados directamente y en relación fija entre sí. Se pretende que toda la materia contenida en la descripción anterior o mostrada en los dibujos adjuntos se interprete solamente como ilustrativa y no limitativa. Aquellos cambios en el detalle o en la estructura pueden realizarse sin apartarse de los elementos básicos de la invención tal como se define en las siguientes reivindicaciones.
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