WO2023038554A1 - Инфракрасный кондиционер - Google Patents

Инфракрасный кондиционер Download PDF

Info

Publication number
WO2023038554A1
WO2023038554A1 PCT/RU2022/050312 RU2022050312W WO2023038554A1 WO 2023038554 A1 WO2023038554 A1 WO 2023038554A1 RU 2022050312 W RU2022050312 W RU 2022050312W WO 2023038554 A1 WO2023038554 A1 WO 2023038554A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
infrared
radiation
temperature
leds
mode
Prior art date
Application number
PCT/RU2022/050312
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Дамир Булатович АБДРАШИТОВ
Алижан ТАТЛЫ
Булат Малихович АБДРАШИТОВ
Original Assignee
Дамир Булатович АБДРАШИТОВ
Алижан ТАТЛЫ
Булат Малихович АБДРАШИТОВ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from RU2022108819A external-priority patent/RU2022108819A/ru
Application filed by Дамир Булатович АБДРАШИТОВ, Алижан ТАТЛЫ, Булат Малихович АБДРАШИТОВ filed Critical Дамир Булатович АБДРАШИТОВ
Publication of WO2023038554A1 publication Critical patent/WO2023038554A1/ru

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V33/00—Structural combinations of lighting devices with other articles, not otherwise provided for
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D13/00—Electric heating systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F5/00—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater

Definitions

  • the invention relates to systems designed to create comfortable climatic conditions for various consumers, both at elevated and at low ambient temperatures. Consumers are primarily people, but also animals, plants and other subjects.
  • the invention can be used to locally create comfortable climatic conditions for consumers located in premises for various purposes.
  • the premises within the framework of this invention are understood to mean various residential, service, industrial and other premises of a stationary type, as well as car interiors, train cars (compartments), cabins of ships and other vehicles.
  • the invention can also be used to create comfortable climatic conditions in an open space - for example, street cafes, restaurants, etc., as well as when holding public events such as Open Air at stadiums, outdoor concert venues, etc.
  • compression-type air conditioners The greatest distribution for creating comfortable climatic conditions at elevated ambient temperatures - for cooling indoor air - is currently received by compression-type air conditioners.
  • compression air conditioners in most cases can work both for cooling and for heating air.
  • Evaporative air conditioners in addition to cooling, also provide air humidification and ventilation. It is also necessary to mention air conditioners based on Peltier elements, which are used to cool small volumes (for example, the internal cavities of any equipment, PC processors).
  • the first and main drawback is the high inertia. It takes considerable time to create the required climatic conditions in the room.
  • the second drawback is the fundamental impossibility of creating strictly localized zones with comfortable climatic conditions both indoors and outdoors. This drawback is due to the most convective scheme of functioning of air conditioners.
  • the third drawback is a direct consequence of the first two. This is low energy efficiency. Or, in other words, a high level of energy costs.
  • collector systems of the convective type When using them, a person receives most of the thermal energy by convection through heated air.
  • the end devices, where the heated coolant enters, as a rule, hot water, are called convectors (and not radiators).
  • the basic disadvantages of collector heating systems of convective type are basically identical to the disadvantages of compression air conditioners.
  • infrared heating systems a large number of technical solutions related to infrared heating systems (infrared heating systems) are known. This type of heating system is found under a variety of names - for example, radiant heating systems, infrared heat emitters, infrared heaters, etc.
  • All traditional infrared heaters known from the prior art, designed to create comfortable climatic conditions, can be structurally represented as a system consisting of a combination of the following interconnected subsystems - an energy source, working fluid heating subsystem, optical subsystem and control subsystem.
  • Modern infrared heaters for heating the working fluid can use both electricity and diesel fuel or gas as an energy source.
  • the working fluid a heating element, for example, a spiral
  • the working fluid is heated by passing an electric current through it.
  • the main distinguishing feature of all infrared heaters is the fact that the infrared radiation generated by the heating elements has a wide emission band, which follows from Planck's radiation law.
  • the radiation from the heating elements is "omnidirectional" scattered radiation. Therefore, to form the directionality and “geometry" of the resulting output heat flux, optical subsystems of various types are used.
  • high-temperature lamp infrared heaters - quartz, halogen, carbon - are equipped with metal mirrors in the form of paraboloids of revolution or parabolic cylindrical mirrors.
  • the purpose of these elements is the concentration of infrared radiation in the direction of the heated object.
  • electric infrared heaters can have blends (German blenden - obscure), which help form the radiation pattern by shielding unwanted directions of radiation propagation.
  • Low-temperature film heaters use aluminum foil as a reflector.
  • the main function of the control subsystem in most traditional infrared heating systems is to control the output heat flux by changing the temperature of the heating element.
  • the main disadvantages of traditional infrared heating systems are largely identical to the disadvantages of the above convective systems - low energy efficiency; high inertia due to the presence of heating processes when turned on and subsequent cooling when turned off; questionable ecology.
  • High-temperature infrared heaters in particular, quartz, halogen and carbon infrared lamps. Due to the wide emission band, a significant part of the radiation energy is in the visible part of the spectrum, and even in the ultraviolet. Lamps glow. Plus energy losses on metallized reflectors.
  • high-temperature or short-wavelength radiation (radiation mode is in the near infrared range from 0.78 to 3.0 ⁇ m; ISO 20473) belongs to the so-called "hard” radiation. Its spectrum is very close to that of a strong fire flame. Therefore, high-temperature infrared heaters are usually used in high-ceiling industrial premises.
  • low-temperature infrared heaters with a radiation mode in a very narrow wavelength range from 8.0 to 9.5 ⁇ m. They generate so-called "soft" or comfortable thermal radiation.
  • low-temperature infrared heaters such as film heaters, require fairly large areas, which follows from the Stefan-Boltzmann law. At a given power level, the required radiating surface area is inversely proportional to the fourth power of the temperature on the Kelvin scale.
  • Patent RU 2430832 proposes a system based on laser diodes designed to directly supply thermal infrared radiation with a selected wavelength to target objects in order to heat them, that is, to increase the temperature of the target objects.
  • the main goal is to create comfortable climatic conditions.
  • the main target object is the person himself, his subjective sensations, which have an understandable physical and physiological nature.
  • the main tool for achieving the goal is the quantity and quality of heat received by a person from a source of infrared radiation in a given period of time. All external parameters are just the initial data for solving the main problem.
  • the most comfortable at a low ambient temperature for a person is infrared radiation in the range from 8.0 to 9.5 microns. This range corresponds to the temperature range of the radiating surface from +30°C to +90°C according to Wien's law.
  • the system must ensure the creation of comfortable climatic conditions for various consumers, both at high and low ambient temperatures.
  • the system should be as inertialess as possible. In other words, the creation of comfortable climatic conditions (hereinafter referred to as CCC) should be carried out almost instantly.
  • the system must have a local operating principle. In other words, the creation of CCG should be carried out for a specific consumer (specific consumers) in a strictly localized area at the required time (time period). 4.
  • the system must have high energy efficiency. Compared to the known cooling and heating systems, the energy costs for the creation of a CHP should be at least halved.
  • the system must have the maximum level of environmental safety.
  • the essence of the invention lies in the use of long-wavelength infrared lasers (in particular, infrared laser diodes), as well as infrared LEDs, with an emission mode of more than 10 microns to generate a cold beam with the required spectral characteristics.
  • infrared laser diodes in particular, infrared laser diodes
  • LEDs infrared LEDs
  • the main disadvantage of this invention is the impossibility of implementing the automatic mode of operation due to the lack of temperature sensors in the system. Also, a significant disadvantage is the impossibility of creating comfortable climatic conditions at a low ambient temperature, that is, the impossibility of solving the problem of heating.
  • a laser diode differs from a conventional LED by the presence of a built-in resonator, which makes it possible to obtain induced radiation of a high degree of coherence (consistency between the oscillation phases).
  • the emission is spontaneous, or, in other words, quasi-coherent.
  • the main distinguishing feature between LEDs and laser diodes is the width of the emission spectrum.
  • Light emitting diodes have a wider emission spectrum - up to 70 shi.
  • LEDs have a larger radiation angle of 40-90° compared to laser diodes.
  • laser diode laser is usually used in relation to the finished device.
  • laser diode usually means a semiconductor crystal (or a combination of crystals) that directly generates laser radiation, plus a measuring photodiode crystal, if there is a need for output power stabilization, located in the package.
  • Laser radiation in this case is only an intermediate product. It is clear that it must be converted into an infrared output stream with the required spectral and spatial characteristics that meet the most stringent safety criteria. From the existing level of technology, a large number of solutions are known that make it possible to provide the required spatial reprofiling of the initial laser radiation. These solutions are basically various combinations of diffractive and refractive elements. The formation of the required "geometry" of the output IR stream is essentially reduced to the following basic operations - expansion, collimation and homogenization of the initial laser radiation.
  • LED arrays In relation to infrared LEDs (LED arrays), a large number of solutions that allow you to set the required spatial parameters of the output radiation: from the use of secondary optics to the use of infrared luminescence.
  • heat and cold are not material substances in their classical sense, in particular, in the energy aspect. Heat and cold are just sensations of a specific individual in specific conditions. And the sensations of individuals, as you know, are very different even in absolutely identical climatic (and not only) conditions.
  • the material substance is infrared radiation.
  • thermodynamics it is known from thermodynamics that all bodies with a temperature above absolute zero on the Kelvin scale emit infrared radiation.
  • the power of infrared radiation is determined in accordance with the Stefan-Boltzmann law.
  • the spectral distribution is determined according to Planck's law.
  • the radiation mode is in accordance with Wien's displacement law.
  • the basis of the invention is the use of the well-known principle of the unity of duality. Depending on the spectral characteristics, primarily power and mode, infrared radiation can be perceived by the end user as heat (or heat), or as cold (or coolness).
  • the infrared radiation power of an object in accordance with the Stefan-Boltzmann law, is directly proportional to the fourth power of its temperature on the Kelvin scale. Accordingly, the specific power of infrared radiation of an object with a lower temperature (cold body) is significantly less than the specific power of infrared radiation of an object with a higher temperature (hot body).
  • infrared lasers as well as infrared LEDs (infrared LEDs)
  • infrared LEDs infrared LEDs
  • IR with a radiation mode up to 10 ⁇ m is short-wave IR, or a heat zone
  • IR with a radiation mode of more than 10 microns is a long-wave IR, or a cold zone.
  • infrared LEDs with an emission mode of less than 10 ⁇ m will be called short-wave, and infrared LEDs with an emission mode of more than 10 ⁇ m - long-wave.
  • the radiation mode of 10 microns corresponds to the radiation mode of a completely black body with a temperature of about 17 degrees Celsius.
  • temperatures of -40°, -90° and -200° Celsius correspond to wavelengths of 12.4 ⁇ m, 16 ⁇ m and 40 ⁇ m, respectively.
  • a special case if the mode of external infrared radiation is less than 10 microns (and moreover, less than 9.4 microns, which corresponds to the mode of the person's own AI), then the person begins to feel warm. 3.
  • General case if the mode of external infrared radiation exceeds the mode of the target object's own AI, then the target object under the influence of this external AI begins to cool, that is, the temperature of the target object begins to decrease.
  • the essence of the invention lies in the use of short-wavelength infrared laser diodes, as well as infrared LEDs, with an emission mode of less than 10 ⁇ m to generate thermal radiation with the required spectral characteristics.
  • optical systems known from the prior art are used.
  • the main disadvantage of this invention is also the impossibility of implementing the automatic mode of operation due to the absence of temperature sensors in the system.
  • An infrared air conditioner is a modified LED lighting system that uses long-wavelength infrared LEDs with an emission mode of more than 10 ⁇ m to create CCF at elevated ambient temperatures (cooling), and short-wave infrared LEDs with radiation mode less than 10 ⁇ m.
  • IR infrared air conditioner
  • CCO LED lighting system
  • IR and SSO The main function of IR and SSO is the generation of directional electromagnetic radiation (hereinafter referred to as EMP) with the required spatial and spectral characteristics in accordance with the required mode of operation of the system.
  • EMP directional electromagnetic radiation
  • the main toolkit for EMP generation is LEDs.
  • the basic principle of MC and SSO functioning is the inertialess local-temporal mode of operation of the system, in which the generation of electromagnetic radiation with the required parameters is carried out in the required places and at the required time intervals in accordance with the needs of end users.
  • IR and SSO are practically inertialess systems.
  • the response time of LEDs is measured in microseconds.
  • the generation of the required radiation in accordance with the operating mode, and, accordingly, the satisfaction of the needs of end users is carried out almost instantly.
  • IR and SSO can function in automatic mode.
  • the automatic control subsystem is a practically inertialess system that allows you to provide both static and dynamic (end consumers are on the move) mode of continuous satisfaction of the needs of end consumers.
  • Two main groups of sensors are needed to implement the automatic mode of operation of IR and SSO.
  • the first group - sensors that allow you to control the necessary parameters of the environment.
  • the second group - sensors that allow you to instantly determine the location of the end user (consumers).
  • the main function of the SSO is the generation of visible EMP.
  • the main function of the IR is the generation of infrared EMR in two main modes.
  • the first mode is the generation of short-wave infrared radiation with a radiation mode of less than 10 ⁇ m at a low ambient temperature (heating).
  • the second mode is the generation of long-wave infrared radiation with a radiation mode of more than 10 ⁇ m at an elevated ambient temperature (cooling).
  • IR uses infrared (infrared) LEDs of two types.
  • the first type is short-wavelength infrared LEDs with an emission mode of less than 10 microns (heating).
  • the second type is long-wavelength infrared LEDs with an emission mode of more than 10 microns (cooling).
  • infrared phosphors are used accordingly.
  • the main type of end devices in SSOs are LED lamps that generate spontaneous radiation in the visible spectrum.
  • the main type of end devices in IR are emitters (radiators) that generate strictly directed infrared radiation.
  • IR terminal devices must use materials that are transparent to infrared radiation.
  • the protective coating of the emitting surface of the infrared radiator must be transparent to infrared radiation.
  • the current level of technology offers the widest range of materials that are as transparent as possible to infrared radiation, with the required thermomechanical characteristics. For example, a large class of chalcogenide glasses.
  • the main sensors that allow you to control the parameters of the environment are light sensors.
  • the main sensors are temperature sensors.
  • the SSO is considered as an inertialess system for generating EMP (visible radiation in the range from 0.38 to 0.74 microns) with the required spectral characteristics at the required place at the required time.
  • EMP visible radiation in the range from 0.38 to 0.74 microns
  • the technical result provided by the IC is characterized by the following indicators.
  • the global advantage of the PC is a fundamental change in the concept of creating comfortable climatic conditions for end users (people, animals, plants, equipment, objects, etc.). In traditional terminology, a change in the concept of cooling and heating.
  • Comfortable conditions are created by exposing consumers to infrared radiation with the required spatial and spectral characteristics.
  • Comfortable conditions are created in real time - that is, almost instantly - specifically in the place where the end user is located at a given time.
  • the design of the IC has all the advantages of the SSO - simplicity of design, ease of operation, high maintainability, the possibility of autonomous operation from renewable energy sources and / or AB, a comfortable highly intelligent control interface, etc.
  • IC will create the most favorable climatic conditions, which is especially important for the health of end users.
  • the main emphasis was on quantitative parameters - the number of kilocalories, air temperature, etc.
  • IR will make it possible to operate with the qualitative characteristics of such concepts as "heat” and "cold” through the possibility of dynamic control of the spatial-spectral characteristics of AI (primarily, the power and mode of radiation).
  • IR unlike existing systems, can be used outdoors in the open air (open air).
  • the invention fully solves the technical problem, which consists in simultaneously increasing energy efficiency, solving environmental problems and improving the controllability of the process of creating a CCC through the use of all the advantages of the CCO, including the entire range of known solutions in this field. And also by expanding (modifying) the arsenal of technical means, including the use of infrared LEDs, infrared phosphors, materials transparent to AI, and temperature sensors. It should be noted that if it is necessary to create more powerful IRs with more stringent requirements for the "geometry" of AI, infrared laser diodes can be used instead of infrared LEDs.
  • a traditional fireplace is a bonfire lined with stones, to which a chimney is attached on top.
  • the fireplace creates a CCC for people in close proximity right in front of the fireplace, by exposing them to the campfire flame AI.
  • the use of a fireplace leads to a decrease in the air temperature in the room, since it uses warm air from the room for combustion, which is replaced by colder air from the street.
  • An infrared air conditioner can be represented as a combination of a large number of modified fireplaces - ceiling, wall, floor; stationary, mobile - installed in the necessary places, for example, a country house. Control mode to choose from - manual, automated, automatic.
  • the state of the art allows the invention to be implemented as soon as possible and as widely as possible. Everything you need for this is there.
  • the infrared air conditioner is characterized by the use of means known before the priority date of the invention. Therefore, we will further disclose the fixed assets in such a way that the invention can be carried out.
  • the invention is essentially based on the use of one of the most effective scientific and inventive methods, namely, the use of the analogy method.
  • the method of analogy is a method of cognition based on the transfer of one or more properties of a known phenomenon to the unknown (a special case of induction).
  • the invention belongs to the class of so-called "ideal systems".
  • An ideal system is a system that does not exist. At the same time, its functions are performed by another already existing and, as a rule, modified system.
  • an ideal convective-type air conditioner designed to supply cooled or heated air to the room, is the absence of this air conditioner as such.
  • its final function namely, the creation of comfortable climatic conditions for consumers, will be performed by a modified LED lighting system, in which infrared LEDs are used instead of visible spectrum LEDs.
  • an ideal air conditioner is an infrared air conditioner designed to create comfortable climatic conditions through local exposure to consumers of directional infrared radiation with the required spatial and spectral characteristics. In this case, the required characteristics of infrared radiation are determined primarily by the temperature parameters of the environment.
  • LED chips in COB technology are located much closer to each other than with SMD LEDs.
  • the placement density can reach 70 crystals per 1 sq. see and more. Besides, they have a common phosphor coating.
  • the size of the COB matrix is smaller than the size of the matrix of SMD LEDs. With the help of STS technology, it is possible to produce matrices of absolutely any geometric shape at a low cost.
  • the problem was solved by using the method of magnetron sputtering (magnetron sputering), which ensures uniform application of the adhesive substance with a precisely specified thickness. As a result, the thermal contact between the substrate and the crystal became much better.
  • the new technology is called Multi Chip-on-Board, or MCB for short.
  • MCB Multi Chip-on-Board
  • the concepts of SOI and MSOV often have the same general meaning. Almost all LED matrices currently produced are manufactured using the MSOW technology. The power of modern LED matrices can reach 100 W or more.
  • infrared LEDs The evolution of technology for infrared LEDs is similar to the evolution of technology for light emitting diodes. Essentially, an infrared LED differs from a visible light emitting diode only in the material from which the semiconductor is made. The principle of operation is the same for both. Manufacturing technologies are almost identical. Similar statements are fully applicable to infrared laser diodes.
  • infrared arrays of various types made using SMD and MSOV technologies, are widely used.
  • the output power of these matrices is measured in hundreds of watts.
  • Analysis of spectral trends (power and radiation mode), energy and cost characteristics of infrared matrices allows us to draw the following conclusions.
  • the output power of these matrices will be measured in kilowatts.
  • OSRAM announced that in 2022 it will increase the radiation power to 2 kW.
  • the portfolio of this company already has infrared matrices with an output power of hundreds of watts.
  • an SPL VK 102-40 matrix with an output power of 250 watts.
  • the dimensions of this matrix are 11.4x4.0x0.115 mm, the emission mode (wavelength) is 1016 ⁇ 5 nm.
  • an application such as heating has been announced.
  • This invention is characterized by a non-obvious set of essential features known from the prior art.
  • the invention is based on the use of well-known structural and functional schemes of LED lighting systems. At the same time, the characteristics and functionality of the LED lighting system are determined by the entire amount of scientific, technical and patent information known at a given time. The same applies to each of the other essential features of the invention. Complete copying of known diagrams and drawings along with known descriptions does not make practical sense.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Led Device Packages (AREA)

Abstract

Разработана светодиодная система, предназначенная для создания комфортных климатических условий посредством локального воздействия на потребителей направленного инфракрасного излучения с требуемыми пространственно-спектральными характеристиками. При этом требуемые характеристики инфракрасного излучения определяются в первую очередь температурными параметрами окружающей среды и местонахождением потребителей. При повышенной температуре окружающей среды используются длинноволновые инфракрасные светодиоды с модой излучения более 10 мкм, а при пониженной температуре – коротковолновые инфракрасные светодиоды с модой излучения менее 10 мкм.

Description

ИНФРАКРАСНЫЙ КОНДИЦИОНЕР
Область техники
Изобретение относится к системам, предназначенным для создания комфортных климатических условий для различных потребителей, как при повышенной, так и при пониженной температуре окружающей среды. Под потребителями понимаются в первую очередь люди, а также животные, растения и другие субъекты.
Изобретение может быть использовано для локального создания комфортных климатических условий потребителям, находящимся в помещениях различного назначения. При этом под помещениями в рамках данного изобретения понимаются различные жилые, служебные, производственные и иные помещения стационарного типа, а также салоны автомобилей, вагоны (купе) поездов, каюты судов и иных транспортных средств.
Изобретение также может быть использовано для создания комфортных климатических условий на открытом пространстве - например, уличные кафе, рестораны и т.п., а также при проведении массовых мероприятий типа Open Air на стадионах, открытых концертных площадках и др.
Предшествующий уровень техники.
Начнем с систем охлаждения (cooling systems).
Наибольшее распространение для создания комфортных климатических условий при повышенной температуре окружающей среды - для охлаждения воздуха в помещениях - в настоящее время получили кондиционеры компрессионного типа. Кроме этого, существуют также кондиционеры абсорбционного и испарительного типов. Компрессионные кондиционеры в большинстве случаев могут работать как на охлаждение, так и на нагрев воздуха. Испарительные кондиционеры кроме охлаждения осуществляют также увлажнение воздуха и вентиляцию. Необходимо упомянуть также кондиционеры, основанные на элементах Пельтье, которые используются для охлаждения небольших объёмов (например, внутренних полостей какого- либо оборудования, процессоров ПК).
Все известные на настоящее время кондиционеры имеют следующие базовые, то есть, неустранимые недостатки.
Первый и основной недостаток -- это высокая инерционность. Требуется значительное время для создания требуемых климатических условий в помещении.
Второй недостаток - принципиальная невозможность создания строго локализованных зон с комфортными климатическими условиями как внутри помещений, так и вне помещений на открытом воздухе. Данный недостаток обусловлен самой конвективной схемой функционирования кондиционеров.
Использование сложных систем воздуховодов и вентиляции позволяет лишь частично решить данную проблему
Третий недостаток является прямым следствием первых двух. Это низкая энергетическая эффективность. Или, другими словами, высокий уровень энергетических затрат.
И наконец, четвертый недостаток, который присущ кондиционерам компрессионного типа, - это необходимость использования вредных хладагентов, что создает серьезные экологические проблемы по причине существенного негативного влияния хладагентов на изменение климата.
Далее проведем анализ так называемых систем отопления (heating systems), после чего перейдем к анализу отдельного класса отопительных приборов - инфракрасных обогревателей (infrared heating systems).
Наибольшее распространение в настоящее время получили так называемые коллекторные системы конвективного типа. При их использовании большую часть тепловой энергии человек получает конвективным путем через нагретый воздух. Оконечные устройства, куда поступает нагретый теплоноситель, как правило, горячая вода, так и называются - конвекторами (а не радиаторами). Базовые недостатки коллекторных систем отопления конвективного типа в основном идентичны недостаткам компрессионных кондиционеров.
1. Данные системы отопления имеют высокую инерционность. Требуется значительное время для создания требуемых климатических условий в помещении.
2. Данные системы отопления практически исключают возможность создания строго локализованных зон с комфортными климатическими условиями как внутри помещений, так и вне помещений на открытом воздухе, что обусловлено превалированием конвективной схемы доведения тепловой энергии до потребителей.
3. Данные системы имеют низкую энергетическую эффективность, что следует из вышеизложенных недостатков. То есть, требуют существенных энергетических затрат.
4. Результат функционирования данных конвективных систем - перегретый и, соответственно, пересушенный воздух с большим количеством ультрадисперсной пыли.
Далее более подробно проанализируем системы инфракрасного обогрева. Из уровня техники известно большое количество технических решений, относящихся к системам инфракрасного обогрева (infrared heating systems). Данный вид систем обогрева встречается под самыми различными названиями - например, системы лучевого обогрева, инфракрасные излучатели тепла, инфракрасные обогреватели и т.д.
Принцип действия всех традиционных систем инфракрасного обогрева одинаков - это нагревание рабочего тела, и последующая отдача тепла в окружающую среду посредством инфракрасного излучения.
Все известные из уровня техники традиционные инфракрасные обогреватели, предназначенные для создания комфортных климатических условий, можно структурно представить в виде системы, состоящей из совокупности следующих взаимосвязанных подсистем - источник энергии, подсистема нагрева рабочего тела, оптическая подсистема и подсистема управления.
Современные инфракрасные обогреватели для нагрева рабочего тела могут использовать в качестве источника энергии, как электричество, так и дизельное топливо или газ. Например, в электрических инфракрасных обогревателях нагрев рабочего тела (нагревательного элемента, например, спирали) осуществляется путем пропускания через него электрического тока.
Основной отличительной особенностью всех инфракрасных обогревателей является тот факт, что генерируемое нагревательными элементами инфракрасное излучение имеет широкую полосу излучения, что следует из закона излучения Планка. Кроме того, излучение нагревательных элементов является «всенаправленным» рассеянным излучением. Поэтому для формирования направленности и «геометрии» результирующего выходного теплового потока используются оптические подсистемы различного вида.
Например, высокотемпературные ламповые инфракрасные обогреватели - кварцевые, галогенные, карбоновые - оснащают металлическими зеркалами в виде параболоидов вращения либо параболических цилиндрических зеркал. Назначение этих элементов - концентрация инфракрасного излучения в направлении обогреваемого объекта. Также в своей конструкции электрические инфракрасные обогреватели могут иметь бленды (нем. blenden — заслонять), помогающие формировать диаграмму направленности путем экранирования нежелательных направлений распространения излучения. В низкотемпературных пленочных обогревателях в качестве отражателя используется алюминиевая фольга.
Основной функцией подсистемы управления в большинстве традиционных систем инфракрасного обогрева является регулирование мощности выходного теплового потока посредством изменения температуры нагревательного элемента. Основные недостатки традиционных систем инфракрасного обогрева во многом идентичны недостаткам выше рассмотренных конвективных систем - низкая энергетическая эффективность; высокая инерционность ввиду наличия процессов нагрева при включении и последующего остывания при выключении; сомнительная экология.
Низкая энергетическая эффективность в наибольшей мере свойственна высокотемпературным (более 600°С) инфракрасным обогревателям, в частности, кварцевым, галогенным и карбоновым инфракрасным лампам. Ввиду широкой полосы излучения значительная часть энергии излучения приходится на видимую часть спектра, и даже на ультрафиолетовую. Лампы светятся. Плюс потери энергии на металлизированных отражателях. К тому же высокотемпературное, или коротковолновое, излучение (мода излучения находится в ближнем инфракрасном диапазоне от 0,78 до 3,0 мкм; ISO 20473) относится к так называемому «жесткому» излучению. Его спектр очень близок к спектру пламени сильного костра. Поэтому высокотемпературные инфракрасные обогреватели, как правило, применяют в высоко потолочных производственных помещениях.
Наиболее приемлемыми с экологической точки зрения для человека являются низкотемпературные (ниже 100°С) инфракрасные обогреватели с модой излучения в очень узком диапазоне волн от 8,0 до 9,5 мкм. Они генерируют так называемое «мягкое» или комфортное тепловое излучение. Но низкотемпературные инфракрасные обогреватели, например, пленочные обогреватели, требуют достаточно больших площадей, что следует из закона Стефана-Больцмана. При заданном уровне мощности требуемая площадь излучающей поверхности обратно пропорциональна четвертой степени температуры по шкале Кельвина.
Таким образом, чтобы обеспечить требуемый уровень мощности излучения следует либо поднимать температуру излучающей поверхности при заданной площади, либо увеличивать площадь излучающей поверхности при заданной температуре. Для разрешения данного противоречия на практике используются среднетемпературные (от 100° до 600°С; от 3,0 до 8,0 мкм) инфракрасные обогреватели, большая часть которых относится к классу так называемых керамических обогревателей.
Необходимо отметить, что экологическая и медицинская природа излучений, генерируемых традиционными электрическими обогревателями, весьма сомнительна. Принцип их действия по большому счету аналогичен принципу действия антенно-фидерных устройств. Все они генерируют целый «букет» электромагнитных возмущений, неизбежно возникающих при протекании тока через нагревательный элемент. Свою долю также вносят металлические отражатели. В наибольшей мере, электромагнитный «смог» генерируют керамические электрические обогреватели, когда раскаленный нагревательный элемент из тугоплавких металлов замуровывается в керамику (камень, бетон и др.). Сказанное в полной мере относится и к теплым электрическим полам.
В патенте RU 2430832 предлагается система на основе лазерных диодов, предназначенная для прямой подачи теплового инфракрасного излучения с выбранной длиной волны на целевые объекты с целью их нагрева, то есть, с целью повышения температуры целевых объектов.
В рамках же предлагаемого изобретения не ставится задача нагрева тех или иных объектов. Главная цель - создание комфортных климатических условий. Главный целевой объект - сам человек, его субъективные ощущения, имеющие понятную физическую и физиологическую природу. Главный инструмент достижения цели - количество и качество тепла, получаемого человеком от источника инфракрасного излучения в данный отрезок времени. Все внешние параметры - всего лишь исходные данные для решения главной задачи.
В рамках данного описания нет возможности всесторонне проанализировать все аспекты теории и практики теплового комфорта. Поэтому ограничимся рассмотрением самых значимых фактов. Первое. Теплообмен человека более чем наполовину осуществляется путем излучения. Это установленный факт. Отсюда следует вывод о том, что состояние теплового комфорта определяется не только, и даже не столько температурой окружающей среды, в частности, температурой воздуха, а сколько наличием источника комфортного теплового излучения, а также его мощностью. Очевидный пример - влияние солнечного излучения в ясную и пасмурную погоду при одинаковой температуре воздуха. Другой пример - на горнолыжных курортах в ясный безоблачный полдень люди чувствуют себя достаточно комфортно в самых облегченных вариантах одежды при отрицательных значениях температуры воздуха. И наконец, костер, который обогревает в самые лютые морозы на открытом пространстве.
Второе. Самым комфортным при пониженной температуре окружающей среды для человека является инфракрасное излучение в диапазоне от 8,0 до 9,5 мкм. Этот диапазон соответствует диапазону температур излучающей поверхности от +30°С до +90°С согласно закону Вина.
Таким образом, существует глобальная техническая проблема - необходимо разработать систему, одновременно удовлетворяющую следующим базовым требованиям.
1. Система должна обеспечивать создание комфортных климатических условий для различных потребителей, как при повышенной, так и при пониженной температуре окружающей среды.
2. Система должна быть максимально безынерционной. Другими словами, создание комфортных климатических условий (далее по тексту - ККУ) должно осуществляться практически мгновенно.
3. Система должна иметь локальный принцип функционирования. Другими словами, создание ККУ должно осуществляться для конкретного потребителя (конкретных потребителей) в строго локализованной зоне в необходимое время (период времени). 4. Система должна иметь высокую энергетическую эффективность. По сравнению с известными системами охлаждения и отопления энергетические затраты для создания ККУ должны быть снижены, как минимум, вдвое.
5. Система должна иметь максимальный уровень экологической безопасности.
Система, которая удовлетворяет основным вышеперечисленным требованиям применительно к функции охлаждения, то есть, к созданию ККУ при повышенной температуре окружающей среды, приведена в патенте RU № 2757033 «Система лазерного охлаждения».
Суть изобретения заключается в использовании длинноволновых инфракрасных лазеров (в частности, инфракрасных лазерных диодов), а также инфракрасных светодиодов, с модой излучения более 10 мкм для генерации лучевого потока холода с требуемыми спектральными характеристиками. Для задания требуемых пространственных характеристик используются известные из уровня техники оптические системы.
Основным недостатком данного изобретения является невозможность реализации автоматического режима эксплуатации ввиду отсутствия в системе датчиков температуры. Также существенным недостатком является невозможность создания комфортных климатических условий при пониженной температуре окружающей среды, то есть, невозможность решения задачи нагрева.
Для более полного понимания, а также с целью правильного определения объема правовой охраны данного изобретения необходимо, прежде всего, строго сформулировать основные термины и определения (дефиниции), которые будут использованы в первую очередь в формуле изобретения, а также в рамках данного описания. В качестве основы будут использоваться государственные стандарты (в частности, ГОСТ Р 54814- 2011/IEC/TS 62504:2011), международные словари, стандарты, энциклопедии (в частности, Международный электротехнический словарь МЭК 60050- 845: 1987; International electrotechnical vocabulary IEC 60050-845: 1987). Прежде всего, необходимо отметить, что лазерный диод отличается от обычного светодиода наличием встроенного резонатора, который позволяет получить индуцированное излучение высокой степени когерентности (согласованности между фазами колебаний). У обычного светодиода излучение является спонтанным, или, другими словами, квазикогерентным. Главная отличительная черта между светодиодами и лазерными диодами - это ширина спектра излучения. Светоизлучающие диоды имеют более широкий спектр излучения - до 70 ши. Кроме того, светодиоды имеют по сравнению с лазерными диодами больший угол излучения 40 -90°.
Термин «диодный лазер» используется, как правило, по отношению к законченному устройству. А термин «лазерный диод» обычно означает кристалл полупроводника (или комбинацию кристаллов), который непосредственно выполняет генерацию лазерного излучения, плюс кристалл измерительного фотодиода, если есть необходимость стабилизации выходной мощности, расположенные в корпусе.
Очевидно, что речь не идет о прямом воздействии лазерного излучения на конечных потребителей. Лазерное излучение в данном случае является лишь промежуточным продуктом. Понятно, что его необходимо преобразовать в выходной поток инфракрасного излучения с требуемыми спектральными и пространственными характеристиками, отвечающими самым строгим критериям безопасности. Из существующего уровня техники известно большое количество решений, позволяющих обеспечить требуемое пространственное перепрофилирование исходного лазерного излучения. Данные решения в основном представляют собой различные комбинации дифракционных и рефракционных элементов. Формирование требуемой «геометрии» выходного потока ИИ по существу сводится к следующим основным операциям - расширение, коллимация и гомогенизация исходного лазерного излучения.
Применительно к инфракрасным светодиодам (светодиодным матрицам) из существующего уровня техники также известно большое количество решений, позволяющих задать требуемые пространственные параметры выходного излучения: от использования вторичной оптики до использования инфракрасной люминесценции.
Под модой излучения в соответствии с IEC/TS 62504:2011 будем понимать длину волны в максимуме спектрального распределения (peak emission wavelength).
Известно, что всего существует три простых (элементарных) механизма передачи тепла: кондукция (теплопроводность); конвекция; радиация (излучение или инфракрасное излучение; лучистый или лучевой перенос теплоты; radiation heating). Существуют также различные виды сложного переноса тепла, которые являются сочетанием элементарных видов.
Очевидно, что также существуют три аналогичных механизма передачи холода. С кондукцией и конвекцией ни у кого вопросов не возникает. Понятно всем, что при соприкосновении с холодным объектом, а также при поступлении холодного воздуха человек чувствует холод.
Но при этом, некоторые специалисты отрицают возможность передачи холода лучевым путем (radiation cooling), то есть, отрицают тем самым возможность передачи энергии посредством излучения от более холодного тела (тела с более низкой температурой) к более теплому телу (с более высокой температурой). Они отрицают само понятие «лучи холода» как материальной субстанции. И с ними трудно не согласиться.
Почему? Потому что, если говорить строго с научных позиций, не существует и таких материальных субстанций, как «лучи тепла» или «тепловое излучение».
Очевидно, что такие понятия как «тепло» и «холод» не являются материальными субстанциями в их классическом понимании, в частности, в энергетическом аспекте. Тепло и холод - это всего лишь ощущения конкретного индивидуума в конкретных условиях. А ощущения индивидуумов, как известно, очень сильно различаются даже в абсолютно одинаковых климатических (и не только) условиях. Материальной субстанцией является инфракрасное излучение.
Известно из термодинамики, что все тела с температурой выше абсолютного нуля по шкале Кельвина излучают инфракрасное излучение. Мощность инфракрасного излучения определяется в соответствии с законом Стефана-Больцмана. Спектральное распределение определяется в соответствии с законом Планка. А мода излучения - в соответствии с законом смещения Вина.
В основе изобретения лежит использование известного принципа единства двойственности. В зависимости от спектральных характеристик, прежде всего, мощности и моды, инфракрасное излучение может восприниматься конечным потребителем как тепло (или жар), или как холод (или прохлада).
Далее отметим следующий факт. Как известно, организм человека (и других представителей животного мира) является саморегулируемой системой. Сам человек не нагревается, и не охлаждается. Его температура всегда примерно постоянна - около 36,6 градусов по Цельсию (экстремальные ситуации исключаем). Но, человек чувствует и реагирует на воздействия окружающей климатической среды.
Также отметим следующий важный факт. Мощность инфракрасного излучения объекта в соответствии с законом Стефана-Больцмана прямо пропорциональна четвертой степени его температуры по шкале Кельвина. Соответственно, удельная мощность инфракрасного излучения объекта с более низкой температурой (холодного тела) существенно меньше удельной мощности инфракрасного излучения объекта с более высокой температурой (горячего тела).
Но, использование инфракрасных лазеров, а также инфракрасных светодиодов (infrared LEDs), позволяет обойти это ограничение, и дает возможность генерировать строго направленное инфракрасное излучение с практически любыми требуемыми спектральными характеристиками - мощностью и модой. А использование соответствующих известных из уровня техники оптических систем позволяет реализовать практически любые требуемые пространственные характеристики инфракрасного излучения.
Исходя из вышеизложенного, в рамках данного описания в соответствии с законом Стефана-Больцмана и других законов термодинамики будем придерживаться следующих понятийных и терминологических правил.
1. В рамках данного описания применительно к решаемой задаче будем использовать следующую схему деления инфракрасного излучения (далее по тексту - ИИ): ИИ с модой излучения до 10 мкм - это коротковолновое ИИ, или зона тепла; ИИ с модой излучения более 10 мкм - это длинноволновое ИИ, или зона холода.
Соответственно, инфракрасные светодиоды с модой излучения менее 10 мкм будем называть коротковолновыми, а инфракрасные светодиоды с модой излучения более 10 мкм - длинноволновыми.
Мода излучения 10 мкм в соответствии с законом смещения Вина соответствует моде излучения абсолютно черного тела с температурой примерно 17 градусов по Цельсию.
Например, максимум излучения для абсолютно черного тела с температурой по шкале Цельсия t° = 0° соответствует длине волны Макс=2898/273=10,6 мкм. В частности, температурам -40°, -90° и -200° по шкале Цельсия соответствуют длины волн 12,4 мкм, 16 мкм и 40 мкм соответственно.
2. Общий случай: если мода внешнего инфракрасного излучения меньше моды собственного ИИ целевого объекта, то целевой объект под воздействием данного внешнего ИИ начинает нагреваться, то есть, температура целевого объекта начинает повышаться.
Частный случай: если мода внешнего инфракрасного излучения меньше 10 мкм (а более того, меньше 9,4 мкм, что соответствует моде собственного ИИ человека), то человек начинает чувствовать тепло. 3. Общий случай: если мода внешнего инфракрасного излучения превышает моду собственного ИИ целевого объекта, то целевой объект под воздействием данного внешнего ИИ начинает охлаждаться, то есть, температура целевого объекта начинает уменьшаться.
Частный случай: если мода внешнего инфракрасного излучения более 10 мкм, то человек начинает чувствовать холод (прохладу).
Необходимо отметить, что вышеизложенная конкретизация терминологических аспектов применительно к решаемой задаче - создание комфортных климатических условий посредством локального воздействия на потребителей инфракрасного излучения с требуемыми спектральными и пространственными - никоим образом не вступает в противоречие с основными постулатами термодинамики и фотоники.
Для полноты изложения отметим, что Нобелевская премия по физике 1997 года была присуждена за разработку методов и систем лазерного охлаждения. Для многих специалистов лазеры ассоциируются с теплом. Но их можно использовать и для охлаждения вплоть до криогенных (ниже 120 К) и сверхнизких (ниже 0,3 К) температур.
Более подробно физика процессов лазерного охлаждения твердых тел изложена в журнале Report on Progress in Physics в обзорной статье «Laser cooling in solids: advances and prospects», 79, 096401 - Published 03.08.2016.
Система, которая удовлетворяет основным вышеперечисленным требованиям применительно к решению вышеизложенной технической проблемы в области отопления (нагрева), то есть, к созданию ККУ при пониженной температуре окружающей среды, приведена в заявке на изобретение «Elektrische Heizvorrichtung zum Heizen durch Warmeabstrahlung und deren Verwendung» № 102017104172.9 DE.
Суть изобретения заключается в использовании коротковолновых инфракрасных лазерных диодов, а также инфракрасных светодиодов, с модой излучения менее 10 мкм для генерации теплового излучения с требуемыми спектральными характеристиками. Для задания требуемых пространственных характеристик используются известные из уровня техники оптические системы.
Основным недостатком данного изобретения также является невозможность реализации автоматического режима эксплуатации ввиду отсутствия в системе датчиков температуры.
Основным и самым ближайшим аналогом-прототипом инфракрасного кондиционера и в конструктивном исполнении, и в функциональном назначении является современная светодиодная система освещения во всех известных вариантах.
Обзор систем светодиодных модулей и устройств управления приведен в ГОСТ Р 54814-2011/IEC/TS 62504:2011 (Приложение А). А в целом характеристики и функциональные возможности светодиодной системы освещения определяются всем объемом научно-технической и патентной информации, известной на данный момент времени.
Раскрытие изобретения
Инфракрасный кондиционер - это модифицированная светодиодная система освещения, в которой для создания ККУ при повышенной температуре окружающей среды (cooling) используются длинноволновые инфракрасные LEDs с модой излучения более 10 мкм, а для создания ККУ при пониженной температуре окружающей среды (heating) - коротковолновые инфракрасные LEDs с модой излучения менее 10 мкм.
Приведем общие конструктивные и функциональные аспекты инфракрасного кондиционера (далее по тексту - ИК) и светодиодной системы освещения (далее по тексту - ССО).
1. Основная функция ИК и ССО - это генерация направленного электромагнитного излучения (далее по тексту - ЭМИ) с требуемыми пространственно-спектральными характеристиками в соответствии с требуемым режимом эксплуатации системы.
2. Основной инструментарий для генерации ЭМИ - LEDs. 3. Основной принцип функционирования ИК и ССО - это безынерционный локально-временной режим эксплуатации системы, при котором генерация электромагнитного излучения с требуемыми параметрами осуществляется в требуемых местах и в требуемые интервалы времени в соответствии с потребностями конечных потребителей.
4. ИК и ССО являются практически безынерционными системами. Время срабатывания LEDs измеряется микросекундами. Генерация требуемого излучения в соответствии с режимом эксплуатации, и, соответственно, удовлетворение потребностей конечных потребителей осуществляется практически мгновенно.
5. ИК и ССО могут функционировать в автоматическом режиме. При этом подсистема автоматического управления является практически безынерционной системой, которая позволяет обеспечить как статический, так и динамический (конечные потребители находятся в движении) режим непрерывного удовлетворения потребностей конечных потребителей. Для реализации автоматического режима эксплуатации ИК и ССО необходимы две основные группы датчиков. Первая группа - датчики, позволяющие контролировать необходимые параметры окружающей среды. Вторая группа - датчики, позволяющие мгновенно определять местонахождение конечного потребителя (потребителей).
Далее приведем основные конструктивные и функциональные различия ИК и ССО.
1. Основная функция ССО - генерация видимого ЭМИ.
Основная функция ИК - генерация инфракрасного ЭМИ в двух основных режимах.
Первый режим - генерация коротковолнового инфракрасного излучения с модой излучения менее 10 мкм при пониженной температуре окружающей среды (heating). Второй режим - генерация длинноволнового инфракрасного излучения с модой излучения более 10 мкм при повышенной температуре окружающей среды (cooling).
2. В ССО используются LEDs видимого спектра.
В ИК используются инфракрасные (infrared) LEDs двух типов.
Первый тип - коротковолновые infrared LEDs с модой излучения менее 10 мкм (heating). Второй тип - длинноволновые infrared LEDs с модой излучения более 10 мкм (cooling).
При необходимости использования люминофоров в инфракрасных излучателях (лампах, радиаторах и пр.) соответственно используются инфракрасные люминофоры.
3. Основным типом конечных устройств в ССО являются светодиодные лампы, генерирующие спонтанное излучение видимого спектра.
Основным типом конечных устройств в ИК являются излучатели (радиаторы), генерирующие строго направленное инфракрасное излучение.
Очевидно, что в оконечных устройствах ИК должны использоваться материалы, прозрачные для инфракрасного излучения. В частности, защитное покрытие излучающей поверхности инфракрасного радиатора должно быть прозрачным для инфракрасного излучения. Отметим, что современный уровень техники предлагает самый широкий спектр материалов, максимально прозрачных для инфракрасного излучения, с требуемыми термомеханическими характеристиками. Например, большой класс халькогенидных стекол.
4. В ССО основными датчиками, позволяющими контролировать параметры окружающей среды, являются датчики освещенности.
В ИК основные датчики - это датчики температуры.
Очевидно, что виды датчиков определения местонахождения конечных потребителей в обеих системах являются идентичными.
Таким образом, сущность изобретения определяется следующей неочевидной совокупностью существенных признаков. 1. Использование ССО как основы (прототипа) для создания ИК.
В рамках данного описания ССО рассматривается как безынерционная система для генерации ЭМИ (видимого излучения в диапазоне от 0,38 до 0,74 мкм) с требуемыми спектральными характеристиками в требуемом месте в требуемое время.
2. Использование длинноволновых infrared LEDs с модой излучения более 10 мкм для создания ККУ при повышенной температуре окружающей среды (cooling).
3. Использование коротковолновых infrared LEDs с модой излучения менее 10 мкм для создания ККУ при пониженной температуре окружающей среды (heating).
4. Использование инфракрасных люминофоров для инфракрасных ламп.
5. Использование для инфракрасных радиаторов материалов, прозрачных для инфракрасного излучения.
6. Использование датчиков температуры для контроля температуры окружающей среды с целью безынерционного автоматического управления режимами функционирования ИК.
Резюме - создание принципиально новой безынерционной системы для создания ККУ путем генерации и воздействия на потребителей направленного ИИ с требуемыми спектральными и пространственными характеристиками в требуемом месте в требуемое время при различных температурных и иных параметрах окружающей среды.
Технический результат, обеспечиваемый ИК, характеризуется следующими показателями.
1. Практически мгновенное создание ККУ, как при повышенной, так и при пониженной температуре окружающей среды, а также практически мгновенное отключение ИК.
2. Строго локализованное создание зон ККУ в необходимые для конечных потребителей интервалы времени.
3. Уменьшение энергетических затрат в 2 и более раз. Приведем элементарное и всем известное доказательство. Даже использование традиционных электрических инфракрасных обогревателей, принцип действия которых основан на резистивном нагреве, дает снижение энергетических затрат более чем в 2 раза.
4. Повышение экологической безопасности, практически полностью исключающее вредные воздействия ПК на окружающую среду и на конечных потребителей.
Глобальное преимущество ПК - принципиальное изменение концепции создания комфортных климатических условий для конечных потребителей (людей, животных, растений, оборудования, предметов и т.д.). В традиционной терминологии - изменение концепции охлаждения и отопления.
Приведем принципиальные аспекты новой Концепции.
1. Комфортные условия создаются посредством воздействия на потребителей инфракрасного излучения с требуемыми пространственно - спектральными характеристиками.
2. Комфортные условия создаются в режиме реального времени - то есть, практически мгновенно - конкретно в том месте, где находится в данный момент времени конечный потребитель.
3. В полной мере реализуется локальный (а не объемно- пространственный) принцип функционирования системы с динамической привязкой к месту нахождения конечного потребителя (потребителей), позволяющий многократно снизить энергетические затраты - в 2 и более раз.
Приведем основные конкурентные преимущества ПК.
1. Полномасштабная реализация ПК позволит снизить общемировые энергетические затраты, связанные с созданием комфортных климатических условий (в традиционной терминологии - энергетические затраты на охлаждение и отопление), более чем в 2 раза. 2. В конструкции ИК не используются никакие хладагенты, что в глобальном масштабе наряду со снижением энергетических затрат внесет существенный вклад в решение климатической проблемы.
3. Конструкция ИК обладает всеми достоинствами ССО - простота конструкции, удобство эксплуатации, высокая ремонтопригодность, возможность автономной работы от ВИЭ и/или АБ, комфортный высокоинтеллектуальный интерфейс управления и др.
4. Использование ИК позволит создать максимально благоприятные климатические условия, что особенно важно для здоровья конечных потребителей. В существующих системах основной акцент был на количественных параметрах - количество килокалорий, температура воздуха и т.п. Использование же ИК позволит оперировать качественными характеристиками таких понятий как «тепло» и «холод» через возможность динамического управления пространственно-спектральными характеристиками ИИ (в первую очередь - мощностью и модой излучения).
5. ИК в отличие от существующих систем можно использовать вне помещений на открытом воздухе (open air).
6. Снижение энергетических затрат при эксплуатации ИК автоматически приводит к существенному снижению финансовых затрат (операционных затрат - Op Ех) для потребителей.
Таким образом, изобретение в полной мере решает техническую проблему, заключающуюся в одновременном повышении энергетической эффективности, решении экологических проблем и улучшении управляемости процессом создания ККУ через использование всех преимуществ ССО, включающих весь спектр известных решений в данной области. А также путем расширения (модификации) арсенала технических средств, включающих использование инфракрасных светодиодов, инфракрасных люминофоров, прозрачных для ИИ материалов и датчиков температуры. Следует отметить, что при необходимости создания более мощных ИК с более строгими требованиями к «геометрии» ИИ вместо инфракрасных светодиодов могут быть использованы инфракрасные лазерные диоды.
Для окончательного понимания сущности изобретения приведем ряд прикладных примеров.
Первый пример. Если человеку необходимо ночью почитать книгу, он включает для этого настольную лампу, и, соответственно, использует ее ровно столько времени, сколько необходимо. Теперь представим, что система освещения функционирует аналогично традиционным системам охлаждения и отопления. Тогда для решения той же задачи свет должен был гореть во всех помещениях дома практически все темное время суток.
Другой пример. Рассмотрим использование камина. Традиционный камин - это костер, обложенный камнями, к которому сверху приделан дымоход. В холодное время года камин создает ККУ для людей, находящихся в непосредственной близости прямо перед камином, посредством воздействия на них ИИ пламени костра. Отметим, что использование камина приводит к снижению температуры воздуха в помещении, так как он использует для горения теплый воздух из помещения, на смену которому поступает более холодный воздух с улицы.
Инфракрасный кондиционер можно представить в виде совокупности большого количества модифицированных каминов - потолочных, настенных, напольных; стационарных, мобильных - установленных в необходимых местах, например, загородного дома. Режим управления на выбор - ручной, автоматизированный, автоматический.
При этом сам «модифицированный камин» в единичном экземпляре представляет собой инфракрасный излучатель, внешне похожий на обычный светодиодный светильник. Очевидно, что использование «модифицированных каминов» (в отличие от использования традиционных) приводит к опосредованному повышению температуры воздуха в помещениях. Лучший вариант осуществления изобретения. Промышленная применимость
Лучший вариант осуществления изобретения определяется независимым пунктом формулы изобретения. Конкретные варианты осуществления определяются результатами решения конкретных технико-экономических задач с использованием всего спектра известных научных, технических и технологических решений в области светодиодного освещения.
Современный уровень техники позволяет в кратчайшие сроки и максимально широко реализовать данное изобретение. Все необходимое для этого есть. Инфракрасный кондиционер характеризуется использованием средств, известных до даты приоритета изобретения. Поэтому далее раскроем основные средства таким образом, чтобы можно было осуществить изобретение.
В основе изобретения, по существу, лежит использование одного из наиболее эффективных научных и изобретательских методов, а именно, использование метода аналогии. Как известно, метод аналогии - это метод познания, основанный на переносе одного или нескольких свойств известного явления на неизвестное (частный случай индукции).
По существу, изобретение относится к классу так называемых «идеальных систем». Под идеальной системой понимается система, которой нет. При этом, ее функции выполняет другая уже существующая и, как правило, модифицированная система.
Так, идеальным кондиционером конвективного типа (air conditioner), предназначенным для подачи охлажденного или нагретого воздуха в помещение, является отсутствие этого кондиционера как такового. При этом его конечную функцию, а именно, создание комфортных климатических условий для потребителей, исполнит модифицированная светодиодная система освещения, в которой вместо светодиодов видимого спектра используются инфракрасные светодиоды. Таким образом, идеальным кондиционером является инфракрасный кондиционер, предназначенный для создания комфортных климатических условий посредством локального воздействия на потребителей направленного инфракрасного излучения с требуемыми пространственно - спектральными характеристиками. При этом требуемые характеристики инфракрасного излучения определяются в первую очередь температурными параметрами окружающей среды.
Так как конструктивной основой инфракрасного кондиционера является светодиодная система освещения, обратимся к истории развития электрических систем освещения. На начальном этапе - лампы накаливания, то есть, резистивный нагрев. Далее - так называемые энергоэффективные лампы в различных вариациях. И наконец - светодиодное освещение. Главные достоинства - высокая энергетическая эффективность плюс интеллектуальный интерфейс.
В самом начале эволюции полупроводниковой светотехники был только один вектор развития — увеличение мощности одного светодиода. Это направление получило название Power LED. Совершенствование технологий позволило повысить мощность светодиода до 10 Вт. Хотя практическое применение нашли, главным образом, светодиоды мощностью 1ЕЗ Вт.
В дальнейшем был начат выпуск светильников на так называемых SMD- светодиодах (Surface Mounting Device - устройство с креплением на поверхность). Дальнейшим развитием такого подхода в светотехнике стала технология Chip-on-Board, сокращенно СОВ. Суть технологии СОВ заключается в размещении на плате кристаллов без корпусов и керамических подложек, а также покрытие этих кристаллов общим слоем люминофора. Благодаря этому, значительно повышается энергетическая эффективность и, соответственно, снижается стоимость матрицы светодиодов.
Кристаллы светодиодов при технологии СОВ расположены гораздо ближе друг к другу, чем при использовании SMD-свето диодов. Плотность размещения может достигать 70 кристаллов на 1 кв. см и более. К тому же, они имеют общее покрытие люминофором. При равной мощности размер СОВ-матрицы меньше, чем размер матрицы из SMD-свето диодов. С помощью СОВ технологии можно изготавливать матрицы абсолютно любой геометрической формы с малой себестоимостью.
Ключевым моментом, долгое время не позволявшим реализовать технологию СОВ на практике, была необходимость нанесения на подложку очень тонкого равномерного слоя адгезивного материала. Задача была решена путем использования метода магнетронного распыления (magnetron sputering), обеспечивающего равномерное нанесение адгезивного вещества с точно заданной толщиной. В итоге, тепловой контакт между подложкой и кристаллом стал значительно лучше. Новая технология получила название Multi Chip-on-Board или сокращенно МСОВ. В научно-технической литературе понятия СОВ и МСОВ зачастую имеют один общий смысл. Практически все выпускаемые сейчас светодиодные матрицы изготавливаются по технологии МСОВ. Мощность современных светодиодных матриц может достигать 100 Вт и более.
Таким образом, отметим следующий очевидный факт - светодиодная революция в области освещения уже свершилась!
Эволюция технологий для инфракрасных светодиодов аналогична эволюции технологий для светоизлучающих диодов. По существу светодиод инфракрасного спектра излучения отличается от светоизлучающего диода видимого спектра только материалом, из которого изготовлен полупроводник. Принцип же работы и у тех, и у других одинаков. Технологии изготовления практически идентичны. Аналогичные утверждения полностью применимы и к инфракрасным лазерным диодам.
В настоящее время для различных практических приложений широко используются инфракрасные матрицы различных типов, исполненные по технологиям SMD и МСОВ. Выходная мощность данных матриц измеряется сотнями ватт. Анализ трендов спектральных (мощность и мода излучения), энергетических и стоимостных характеристик инфракрасных матриц позволяет сделать следующие выводы.
Во-первых, в самое ближайшее время выходная мощность данных матриц будет измеряться киловаттами. Например, компания OSRAM анонсировала, что в 2022 году доведет мощность излучения до 2 кВт. В настоящее время в портфеле данной компании уже имеются инфракрасные матрицы с выходной мощностью в сотни ватт. Например, матрица SPL ВК 102-40 с выходной мощностью 250 Вт. Размеры данной матрицы составляют 11,4x4,0x0,115 мм, мода излучения (длина волны) - 1016 ± 5 нм. Среди традиционных практических приложений анонсировано такое приложение, как нагрев (heating).
Во-вторых, моды излучения (длина волны) инфракрасных матриц различных типов будут возрастать - от коротковолнового диапазона к средневолновому диапазону и далее (ISO 20473). Необходимый научнотехнологический задел для этого уже создан. В настоящее время уже существуют и отработаны технологии изготовления инфракрасных светодиодов с модой излучения (длиной волны) до 40 мкм.
В-третьих, энергетическая эффективность современных инфракрасных светодиодов (излучателей) уже превысила 70%.
При этом, теоретически и экспериментально доказана возможность доведения коэффициента полезного действия инфракрасных светодиодов до 100 %. Подробности изложены в статье в Physical Review Letters «Thermoelectrically Pumped Light-Emitting Diodes Operating above Unity Efficiency», 108, 097403 - Published 27.02.2012.
В-четвертых, стоимость киловатта выходной мощности у инфракрасных излучателей в ближайшие годы, несомненно, будет снижаться. У светодиодных систем освещения процесс выравнивания стоимости выходного люмена со стоимостью люмена других систем освещения занял менее 10-ти лет. Основной вывод - в области инфракрасных светодиодов (матриц, излучателей) произойдут те же события, что и в области светодиодов видимого спектра. Но только значительно быстрее.
Все необходимые условия, в первую очередь, научно -технологический задел, уже созданы. И главная причина, которая стимулирует данный процесс, - существующие экологические проблемы, требующие снижения энергетических затрат и отказа от использования вредных хладагентов.
В данном описании сознательно опущены чертежи и схемы, иллюстрирующие сущность изобретения и его промышленную применимость по следующим причинам.
Данное изобретение характеризуется неочевидной совокупностью известных из уровня техники существенных признаков.
В основу изобретения положено использование известных конструктивно-функциональных схем светодиодных систем освещения. При этом характеристики и функциональные возможности светодиодной системы освещения определяются всем объемом научно-технической и патентной информации, известной на данный момент времени. То же самое относится и к каждому из других существенных признаков изобретения. Полное копирование известных схем и чертежей вместе с известными описаниями не имеет практического смысла.
А неполное копирование и воспроизводство известных из уровня техники схем и чертежей может привести к уменьшению объема правовой охраны настоящего изобретения.
Для специалистов в данной области техники должно быть понятно, что изложенные существенные признаки изобретения в полной мере определяют базовые принципы конструирования и функционирования инфракрасных кондиционеров, позволяющие наилучшим образом обеспечить промышленную применимость изобретения.

Claims

Формула изобретения
1. Инфракрасный кондиционер, характеризующийся тем, что его конструктивное исполнение полностью идентично конструктивному исполнению системы светодиодного освещения, отличающейся тем, что для создания комфортных климатических условий при повышенной температуре окружающей среды используются инфракрасные длинноволновые светодиоды с модой излучения более 10 мкм, а при пониженной температуре окружающей среды используются инфракрасные коротковолновые светодиоды с модой излучения менее 10 мкм, в оконечных устройствах (лампах и радиаторах) используются инфракрасные люминофоры и материалы, прозрачные для инфракрасного излучения, для контроля температуры окружающей среды используются датчики температуры.
2. Инфракрасный кондиционер по п. 1, отличающийся тем, что используются инфракрасные лазерные диоды.
26
PCT/RU2022/050312 2022-04-04 2022-10-05 Инфракрасный кондиционер WO2023038554A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2022108819A RU2022108819A (ru) 2022-04-04 Инфракрасный кондиционер
RU2022108819 2022-04-04

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023038554A1 true WO2023038554A1 (ru) 2023-03-16

Family

ID=85506886

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2022/050312 WO2023038554A1 (ru) 2022-04-04 2022-10-05 Инфракрасный кондиционер

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2023038554A1 (ru)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007155206A (ja) * 2005-12-05 2007-06-21 Sanken Setsubi Kogyo Co Ltd 放射冷暖房システムの制御方法及び放射冷暖房システム
JP2012122648A (ja) * 2010-12-07 2012-06-28 Ishinoyu Co Ltd 室内環境調整システム
US20130259456A1 (en) * 2012-04-01 2013-10-03 Mahesh Viswanathan Extensible networked multi-modal environment conditioning system
WO2019240150A1 (ja) * 2018-06-12 2019-12-19 国立研究開発法人産業技術総合研究所 発光装置
RU2757033C2 (ru) * 2017-11-27 2021-10-11 Булат Малихович Абдрашитов Система лазерного охлаждения

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007155206A (ja) * 2005-12-05 2007-06-21 Sanken Setsubi Kogyo Co Ltd 放射冷暖房システムの制御方法及び放射冷暖房システム
JP2012122648A (ja) * 2010-12-07 2012-06-28 Ishinoyu Co Ltd 室内環境調整システム
US20130259456A1 (en) * 2012-04-01 2013-10-03 Mahesh Viswanathan Extensible networked multi-modal environment conditioning system
RU2757033C2 (ru) * 2017-11-27 2021-10-11 Булат Малихович Абдрашитов Система лазерного охлаждения
WO2019240150A1 (ja) * 2018-06-12 2019-12-19 国立研究開発法人産業技術総合研究所 発光装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Performance assessment of a photonic radiative cooling system for office buildings
Bijarniya et al. Environmental effect on the performance of passive daytime photonic radiative cooling and building energy-saving potential
Xing et al. Theoretical study of infrared transparent cover preventing condensation on indoor radiant cooling surfaces
KR100979017B1 (ko) 결합식 라디에이터 및 광 조립체
Hu et al. Parametric analysis and annual performance evaluation of an air-based integrated solar heating and radiative cooling collector
Coccia et al. Parabolic trough collector prototypes for low-temperature process heat
Peoples et al. Concentrated radiative cooling
CN106953548B (zh) 一种基于塞贝克效应和相变储热的热电燃气炉
Moss et al. Design and commissioning of a virtual image solar simulator for testing thermal collectors
WO2023038554A1 (ru) Инфракрасный кондиционер
Radhi et al. Sustainable heating system by infrared radiators
Lamba et al. Thermal modeling of a building integrated radiative cooler for space cooling applications
McHugh et al. The energy impact of daylighting
JP2010080364A (ja) 照明装置
Wang et al. Performance evaluation and parametric analysis of nighttime electricity generation system integrating thermogalvanic cells with radiative sky cooling
KR101529302B1 (ko) 냉온풍 패널장치
Yew et al. Rainwater Harvesting System Integrated With Sensors for Attic Temperature Reduction
Priymak et al. Physico-mathematical model of complex heat exchange between an electric infrared radiant heating panel and the environment
Bououd et al. Solar air heating system: design and dynamic simulation
Kashyap et al. A review of solar, electric and hybrid cookstoves
Meggers Abstracting Energy: Engaging Energy, Entropy and Exergy (Thermodynamics) for Architectural Intuition
Vilà et al. Numerical analysis of the combination of radiative collectors and emitters to improve the performance of water-water compression heat pumps under different climates
Vall Aubets Design, development and characterisation of a Combined Solar Thermal Collection and Radiative Cooling System for heat and cold production
JP3932364B2 (ja) 熱放射源
DK165605B (da) Anlaeg til opvarmning af en bygning eller rum

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22867799

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1