FI108576B - Menetelmä ja laite säteilylähteen säteilyvoimakkuuden jakaantuman muuttamiseksi - Google Patents

Description

:08576 2 US 3,763,348 ja US 4,027,151), valolähteen ja tason väliin sijoitetun, huolellisesti suunnitellun linssijäijestelmän avulla (esim. US 5,555,190) ja myös pyyhkäisemällä pinnan yli valolähteellä.

5 Monissa sovelluksissa valolähteiden ryhmän käyttäminen niin että saadaan tasosta-tasolle-jäijestelmä, on liian hankalaa, kallista ja liikaa tehoa kuluttavaa. Tasaisten, hyvin huolellisesti suunniteltujen heijastimien suurin puute on siinä, että syntyvä valaistuksen jakauma on hyvin herkkä valolähteen ja heijastimen mittojen suhteen sekä erityisesti sen suhteen, mikä on valolähteen paikka heijastimeen nähden. Sama pätee myös huolellisesti 10 suunniteltuihin linssijäijestelmiin, sen lisäksi, että tällaiset linssistöt ovat aivan liian kalliita moniin sovelluksiin. Pyyhkäisymenetelmä soveltuu vain rajalliseen määrään sovelluksia, ja pyyhkäisyn suorittamista varten tarvitaan monimutkaista mekanismia.

Nyt kyseessä oleva keksintö on tarkoitettu voittamaan edellä esitettyjen tekniikoiden 15 haitat ja saavuttamaan aivan uuden tyypin menetelmä ja laite, joilla voidaan muuttaa säteilylähteen tehojakaumaa.

Keksinnön tavoite saavutetaan käyttämällä absorboimattoman ja absorboivan levyn ’···’ yhdistelmää säteilyvoimakkuuden vaimentamiseksi alueilla, jotka ovat lähellä optista ' / 20 akselia niin, että ne heijastavat takaisin ja/tai absorboivat tälle alueelle osuvaa säteilyä, ja ···’ käyttämällä lisäksi valinnaista hajotuslevyä valolähteestä tulevan vaon hajauttamiseksi sekä suuntaamalla uudelleen levypinosta takaisin hajottimeen heijastunut valo ;;; laajemmalle kulmalle.

• · · . 25 Tarkemmin lausuttuna; keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mitä on • · · · · ... lausuttu patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa, sekä laitteelle se, mitä on lausuttu ” patenttivaatimuksen 6 tunnusmerkkiosassa.

» · * · '; ’ Keksintö antaa merkittäviä etuj a.

: V 30 • · 1 O 8 5 7 6 3

Ennestään tunnettuun tekniikkaan verrattuna keksintö sallii huomattavan pienennyksen valolähteen ja valaistavan pinnan keskinäisessä etäisyydessä. Tämä ominaisuus mahdollistaa erityisesti pienet aurinkopaneelien testilaitteet, mikä tuo huomattavaa tilansäästöä. Valohäviöt ovat minimaalisia, erityisesti silloin, kun käytetään pääasiassa 5 läpinäkyviä elementtejä valokeilan tasaamiseksi. Pieni etäisyys valolähteen ja kohdealueen välillä mahdollistaa lisäksi sen, että voidaan käyttää pienienergisiä valolähteitä.

Seuraavassa keksintöä tarkastellaan yksityiskohtaisesti esimerkinomaisten suoritus-10 muotojen avulla viitaten ohjeistettuihin kuvioihin, joista: kuvio 1 on sivusuunnan poikkileikkauskuva keksinnön mukaisesta laitteesta, j kuvio 2 on käyrä, joka esittää säteilyvoimakkuuden jakauman keksinnön yhden ! | 15 suoritusmuodon mukaisesti; siinä on esitetty suhteellinen säteilyvoimakkuus valolähteestä, ilman absorboijia ja kolmen absorboijan kanssa, kuvio 3 on käyrä, joka esittää säteilyvoimakkuuden jakauman keksinnön toisen ' · · · ‘ suoritusmuodon mukaisesti.

20 • · ·' Seuraavassa keksinnön perusajatuksen selostuksessa käytetään teoreettista pistelähteen I #tt mallia niin, että lähteen takana ei ole mitään heijastinta. Selostuksessa on myös ;;; tarkasteltu seikkoja, jotka on otettava huomioon, kun suunnitellaan käytännön järjes telmää.

....: 25 » »

Nyt kyseessä oleva keksintö käyttää sopivaa yhdistelmää, joka sisältää pelkästään heijastavia levyjä ja osittain absorboivia levyjä sijoitettuna valolähteen ja tason väliin. Nämä levyt on mitoitettu heijastamaan takaisin ja/tai vaimentamaan I · valolähteen/hajottimen yhdistelmästä tulevaa valoa suunnan funktiona. Esimerkiksi : .' 30 rautaa sisältämätön ikkunalasi ja polykarbonaatti ovat sopivia materiaaleja näiden levyjen

t I

‘ · · ·' tekemiseksi. Ilmassa yksi lasilevy heijastaa 8 % tulevasta valosta ja polykarbonaattilevy j ! U H 5'/ 6 I 4 10 %. Käytettäessä pistelähdettä levyjen on oltava muodoltaan ympyrämäisiä ja ne on sijoitettava keskitetysti ja kohtisuoraan suhteessa akseliin, joka tulee valolähteestä. Levyt voidaan sijoittaa mille tahansa etäisyydelle toisistaan säteilyvoimakkuuden muuttamiseksi, mutta koska sama tavoite saavutetaan säätämällä levyjen halkaisijaa ja 5 paksuutta, käytännössä ne sijoitetaan lähelle toisiaan. Jotta saataisiin varmistetuksi heijastus jokaisesta pinnasta, levyjen väliin on jätettävä pieni ilmaväli. Jos käytetään levyjä, jotka eivät ole paksuudeltaan yhtenäisiä, levypinon etäisyys ja suurimman levyn suurin halkaisija määritetään sen seikan nojalla, että suuressa tulokulmassa osuva valo ei saa heijastua kokonaan. Kun kyseessä on lasi tai polykarbonaatti, kokonaisheijastuksen 10 rajakulma on noin 45°. Levyt voivat olla esimerkiksi laidasta kaareutuvia, jotta valon tulokulmaa saadaan pienennetyksi. Levyjen kokonaismäärä ja halkaisija määritetään ottamalla huomioon tasaisen säteilyvoimakkuuden vaatimus paikalla sekä tarve vaimentaa säteilytiheyttä, joka määritellään kaavoilla (1) ja (2). Kun käytetään teoreettista pistelähdelähestymistapaa ja lasilevyjä, tason pinnalla on olemassa 8 % 15 säteilytiheyden porras, joka johtuu yksittäisen levyn laidasta. Käytännön jäijestelmissä valolähde on kooltaan äärellinen, mikä on otettava huomioon erikseen. Tämän seurauksena valovoimakkuuden portaat tasoittuvat, koska valolähde tulee asteittain ... ’’näkyviin” levyjen laitojen takaa. Esimerkiksi silloin kun käytetään pistelähdettä, tasolle tuleva säteily tulokulmassa 45° on vain 35 % nollakulman voimakkuudesta. Kaksitoista ... 20 lasilevyä, joiden halkaisija määritetään kaavan (1) avulla, tasoittavat tason valaistuksen | . minimivaihtelun alle 9 prosentin. Polykarbonaattilevyjen kanssa minimivaihteluksi , · · · # voidaan saavuttaa 10 prosenttia.

Kuvio 1 esittää keksinnön mukaisen tyypillisen laitteen, joka käsittää valolähteen, tässä 25 tapauksessa ympyrämäisen purkausputkilampun 1, jonka taakse on sijoitettu heijastin 2. . ‘ . Kuviossa valolähteen säteily suuntautuu siten oikealle kohti kohdetasoa 6, joka on tässä .. | tapauksessa aurinkopaneeli 6. Hajottimet 3 on sijoitettu lähimmäksi purkausputkilamppua 1 ja tarkoitettu tasaamaan purkausputkilampun 1 voimakkuutta lähikentässä. Hajotinputki 5 ympäröi hajottimia 3. Hajottimien käyttö on valinnaista tämän keksinnön kanssa.

* » · 30 Viimeisimmän (kaikkein oikealla olevan) hajottimen 3 läpäisevä säteily etenee * · läpinäkyviin ja absorboiviin, heijastaviin levyihin 4, jotka ovat tietyn välimatkan päässä : 1 ) H S 7 6 5 toisistaan, jotta saadaan varmistetuksi erikseen tapahtuva heijastus kunkin pinnasta. Heijastavien levyjen 4 muoto (nähtynä esim. kohdetasosta päin) riippuu valolähteen muodosta. Kun kyseessä on teoreettinen pistevalolähde, levyt 4 ovat ympyrämäisiä. Kun kyseessä on esimerkiksi pitkänomainen lähde, levyt ovat soikion muotoisia, ja niiden 5 tarkka muoto määritetään sovelluskohtaisen geometrian perusteella.

Hajottimet 3 voivat olla tarpeellisia, erityisesti siinä tapauksessa, jossa valolähteessä ei ole pyörähdyssymmetriaa. Heijastimen 2 geometria voi jopa tehdä tarpeettomaksi sen, että hajottimet 3 muuttavat purkausputkilampun 1/heijastimen 2 muodostaman yksikön 10 antaman jakauman pyörähdysepäsymmetrian pyörähdyssymmetriseksi jakaumaksi.

Pyörähdyssymmetristä säteilyjakaumaa voidaan muuttaa millä tahansa halutulla tavalla niputtamalla levyjä 4 kartiomaiseen muotoon. Tässä tapauksessa kartiomaisella muodolla tarkoitetaan levyjen 4 pinon poikkileikkauksen kartiomaista muotoa. Kuvion 1 mukaisesti 15 pinon paksuin levy on lähinnä lähdettä 1, mutta keksinnön mukaisesti pinon levyjen keskinäinen jäijestys voidaan valita vapaasti optisten tai rakenteellisten vaatimusten mukaisesti. Absorboiva pino voidaan myös periaatteessa korvata yhdellä absorboivalla levyllä, joka on paksuudeltaan vaihtuva.

«t * 20 Yhden suoritusmuodon suhteelliset mitat ovat seuraavat: j * 4 * * a: heijastimen 2 halkaisija 1!! t b: valolähteen 1 halkaisija c: valolähteen 1 ja viimeisimmän hajottimen 3 välinen etäisyys _(i; 25 d: valolähteen 1 ja ensimmäisen levyn 4 välinen etäisyys . · · ·. e: valolähteen 1 ja kohteen 6 välinen etäisyys * ,, * f: hajottimen 3 halkaisija g: suurimman levyn 4 halkaisija * · * 9 • ; ’ 30 · c on oleellisesti pienempi kuin a » » > ‘ “ · d on alle 50 % e.stä, tyypillisesti 5-20 % e:stä, tyypillisimmin 10 % e:stä 6 • u 8 B / 6 • f on suurempi kuin b, tyypillisesti pienempi kuin 2a • g on suurempi kuin b, tyypillisesti pienempi kuin 2a

Seuraava kuvaus koskee keksinnön yhtä toteutusta , joka on hieman muunnettu versio 5 kuvion 1 ratkaisusta. Tämän esimerkin pääasiallisin ero kuvioon 1 nähden on se, että siinä on vain kaksi hajotinta.

Heijastimen 2 halkaisija on 150 mm. Ympyrämäisen putken 1 ulkohalkaisija on 70 mm ja paksuus (putken läpimitta) 10 mm, purkausputkilampun 1 ja heijastimen 2 välinen 10 etäisyys on 20 mm. Hajotinputken 5 sisäläpimitta on 150 mm ja siinä on mattavalkoinen sisäpinta. Purkausputkilampun 1 ja lähimmän hajottimen 3 välinen etäisyys on 30 mm, toiseksi lähimmän hajottimen 3 ja purkausputkilampun 1 välinen etäisyys on 50 mm (vain kaksi hajotinta). Hajotinputki 5 päättyy toisen hajottimen kohdalla (mikä on täten ero kuvion 1 ratkaisuun nähden). Purkausputkilampun 1 ja absorboivien levyjen 4 välinen 15 etäisyys on 220 mm. Levyjen 4 materiaali on Schott NG12, mutta käyttää voidaan mitä tahansa materiaalia, jonka absorptio on riittävä. Levyillä 4 on seuraavat mitat (ensimmäinen levy on se, joka on lähinnä purkausputkilamppua 1): ·/· 1. levy: halkaisija 150 mm, paksuus 1,5 mm ‘"' ·' 2. levy: halkaisija 100 mm, paksuus 2,0 mm : 20 3. levy: halkaisija 70 mm, paksuus 3,0 mm ' Levyjen 4 välit ovat noin 0,5 mm.

Kokeellisessa mittauksessa edellä olevat määrittelyt täyttävä järjestelmä sijoitettiin niin, että purkausputkilampun 1 ja kohdealueen 6 välimatka oli 240 cm. Tällöin tarkasteltiin 25 halkaisijaltaan 180 cm olevaa ympyräaluetta kohdealueella. Laite synnyttää symmetrisen ·;·' ympyräkuvion, jossa suurin säteilyvoimakkuus on keskellä. Ilman heijastavia ja *·· absorboivia levyjä 4 keskiosan ja laita-alueiden välinen valaistusero testiympyrässä oli | ·...’ noin 35 prosenttia, mutta pieneni 6 prosenttiin, kun käytettiin heijastavia ja absorboivia levyjä 4.

:‘j 30 7 i n B b 7 6

Mitä ilmeisemmin laitteen mitoitus ja erityisesti levyjen 4 mitoitus riippuu paljon purkausputkilampun 1 geometriasta. Yleisesti pätevänä sääntönä voidaan kuitenkin sanoa, että levyjen 4 pino pitää sijoittaa niin, että mitä lähempänä purkausputkilamppu 1 on kohdetasoa 6, sitä voimakkaampaa absorptiota pitää käyttää säteille, jotka kulkevat | 5 lähellä optista akselia, jotta saadaan vaimennetuksi valoa alueilla, jotka saavat suurimman I säteilyvoimakkuuden fysiikan lakien mukaan (kaavat 1 ja 2).

! Tässä sovelluksessa säteilylähteen lähde voi olla millainen tahansa kuten salamavalo, hehkuvalolamppu tai infrapunalähde. Erityisen edullisia ratkaisuja havaittiin kuitenkin 10 silloin, kun käytettiin välähdysputkea, jotka on kehitetty aurinkopaneeleiden testaamiseksi. Säteilylähde voi säteillä joko jatkuvasti tai pulssitettuna.

Nyt kyseessä olevan keksinnön yhteydessä levyjen 4 pino voi absorboida jopa 75 prosenttia kokonaissäteilystä, mutta pinon tyypillinen maksimiabsorptio on kuitenkin 5-15 40 prosenttia siihen tulevasta säteilystä.

Nyt kyseessä olevan keksinnön yhteydessä käsite ’’läpinäkyvä” tarkoittaa mitä tahansa materiaalia, joka ei ole oleellisesti hajottava ja joka absorboi vähemmän kuin 75 ': · ·: prosenttia.

20

Kuviossa 2 on esitetty käyrästö, jossa vaaka-akselilla näkyy etäisyys (metreissä) :: kohdetason keskustasta ja pystyakselilla näkyy säteilyn vaimentuminen kohdetasolla.

:: Kuviossa kaksi käyrä 10 edustaa tietokonesimulointia tapaukselle, jossa absorboijia ei ole käytössä, käyrä 11 esittää simulointia tapaukselle, jossa käytetään • 25 halkaisijaltaan/paksuudeltaan 70 mm/3 mm, 100 mm/2 mm ja 150 mm/1,5 mm absorboivia levyjä. Käyrä 12 edustaa mittauksia, jotka vastaavat käyrää 10, ja käyrä 13 j ' · · edustaa mittauksia, jotka vastaavat käyrää 11. Kuviosta näkyy selvästi, että kun verrataan simuloituja säteilynvoimakkuuskäyriä mitattuihin, voidaan päätellä, että keksinnön : ’ ·'; toiminta voidaan esittää yksinkertaisilla fysikaalisilla malleilla, jotka koskevat säteilyn ;'": 30 kulmajakaumaa tapauksessa, jossa kun säteily hajotetaan hajotuslevyillä.

:! h 5 7 6 8

Keksinnön mukaisesti levyjen 4 keskinäinen järjestys voidaan valita vapaasti. Myös levyjen 4 etäisyyttä lähteestä 1 sekä niiden halkaisijaa voidaan muuttaa.

|

Kuviossa 3 on esitetty käyrästö, jonka vaaka-akselilla näkyy etäisyys (metreissä) 5 kohdetason 6 keskustasta ja pystyakselilla säteilyn vaimennus kohdetasolla. Kuvion 3 tapauksessa käytetään kolmea ylimääräistä levyä kuvion 2 suoritusmuotoon verrattuna, Näiden ylimääräisten levyjen mitat (halkaisija/paksuus) on seuraava: 100 mm/1 mm, 120 mm/3 mm, 150 mm/6 mm. Käyrä 14 edustaa simulointia tapaukselle, jossa absorboijia ei ole, käyrä 15 simulointia tapaukselle, jossa absorboivien levyjen halkaisija/paksuus on: 10 100/1 mm, 120/3 mm, 150/6 mm.

Kuvion perusteella on selvää, että paksujen absorboijien käyttö tasoittaa säteilynvoimakkuuden alueelle +1-2 prosenttia alueella 0-900 mm akselista. Keksinnön yleisten ominaisuuksien mukaisesti voidaan kuitenkin luoda mikä tahansa säteilyn 15 jakauma käyttämällä levyjä, joiden halkaisija ja paksuus on valittu sopivasti. Erityisesti on huomattava, että haluttu vaimennus suunnan funktiona voidaan saavuttaa käyttämällä sopivaa levyjen yhdistelmää, joka koostuu täysin läpinäkyvistä ja/tai osittain * absorboivista levyistä, koska kukin erillinen pinta vaimentaa säteilyä heijastuksen kautta ’ ·" · riippumatta siitä, absorboiko levyn materiaali säteilyä vaiko ei.

:...: 20 ’·”· On myös huomattava, että pinon levyjen muodon muuntelu mahdollistaa sen, että •... · saadaan aikaiseksi mitkä tahansa halutut symmetriaominaisuudet säteilyn jakaumassa.

I » » ' ’ 25 9 I U H S / 6

Patenttivaatimukset: 1. Menetelmä säteilylähteen säteilyvoimakkuuden jakauman muuttamiseksi, jossa menetelmässä 5 - säteilylähdettä (1) käytetään suuntamaan säteily jotakuinkin tasomaiselle kohdepinnalle (6), tunnettu siitä, että 10 - useita levyjä (4), jotka ovat olennaisen läpinäkyviä säteilylle sijoitetaan peräkkäin, välimatkan päähän toisistaan säteilylähteen (1) ja kohdepinnan (6) välille lähemmäksi säteilylähdettä (1) kuin kohdepintaa (6), jotta läpinäkyvien levyjen (4) heijastuksella ja absorptiolla saadaan vaimennetuksi säteilyä halutuille alueille.

15 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että läpinäkyvät levyt on sijoitettu jotakuinkin kohdepinnan (6) suuntaisesti.

·": 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ainakin yksi : : 20 hajotin (3) on sijoitettu säteilylähteen ja läpinäkyvien levyjen välille.

:4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että säteilylähteenä •... · on välähdysputki (1) ja kohdepintana (6) on aurinkopaneeli.

25 5. Minkä tahansa edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, ·.·* että läpinäkyvät levyt (4) on jäljestetty kartiomaiseksi pinoksi säteilylähteen (1) ja : kohdepinnan (6) väliin.

j’.‘; 6. Minkä tahansa edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 30 että lähinnä lähdettä (1) oleva läpinäkyvä levy (4) on sijoitettu lähteestä (1) etäisyydelle

Claims (12)

1. 7. Laite säteilylähteen säteilyvoimakkuuden jakauman muuttamiseksi, joka laite käsittää: 5 - säteilylähteen (1) jonka avulla säteily voidaan suunnata jotakuinkin tasomaiseen kohdepintaan (6), tunnettu siitä, että - useita levyjä (4), jotka ovat olennaisen läpinäkyviä säteilylle on sijoitettu peräkkäin, välimatkan päähän toisistaan säteilylähteen (1) ja kohdepinnan (6) välille lähemmäksi säteilylähdettä (1) kuin kohdepintaa (6), jotta läpinäkyvien levyjen (4) heijastuksella ja absorptiolla saadaan vaimennetuksi säteilyä halutuille 15 alueille.
2. 8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laite, tunnettu siitä, että läpinäkyvät levyt on • _ #: sijoitettu jotakuinkin kohdepinnan (6) suuntaisesti. :: 20 9. Patenttivaatimuksen 7 tai 8 mukainen laite, tunnettu siitä, että ainakin yksi hajotin (3) ‘ * * ‘ · on sijoitettu säteilylähteen ja läpinäkyvien levyjen välille.
3. 10. Patenttivaatimuksen 7, 8 tai 9 mukainen laite, tunnettu siitä, että säteilylähteenä on välähdysputki (1) ja kohdepintana (6) on aurinkopaneeli. ‘ ’ 25
4. 11. Minkä tahansa edeltävän patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että : ’· läpinäkyvät levyt (4) on jäljestetty kartiomaiseksi pinoksi säteilylähteen (1) ja ,,. · kohdepinnan (6) väliin. : ’5 30 12. Minkä tahansa edeltävän patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että lähinnä lähdettä (1) oleva läpinäkyvä levy (4) on sijoitettu lähteestä (1) etäisyydelle (d), ! G B 5 7 6 joka on 5-20%, tyypillisesti etäisyydelle d, joka 10 % lähteen (1) ja kohteen (6) välisestä etäisyydestä (e). : !'J H b 7 6