СИСТЕМА ДЛЯ БОРЬБЫ С БИОЛОГИЧЕСКИМ ОБРАСТАНИЕМ
BIOLOGICAL FOULING PROTECTION SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к системе освещения для борьбы с обрастанием, а также к объекту, такому как судно или другая (подвижная) конструкция для использования в частности в воде, содержащему такую систему освещения для борьбы с обрастанием. Настоящее изобретение дополнительно относится к способу для борьбы с обрастанием обрастающей поверхности (такого объекта). Кроме того, настоящее изобретение относится к способу обеспечения объекта, такого как судно, системой освещения для борьбы с обрастанием.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Способы для борьбы с биологическим обрастанием известны в данной области техники. Патентный документ US 2013/0048877, например, описывает систему для борьбы с биологическим обрастанием защищаемой поверхности, содержащую источник ультрафиолетового излучения, выполненный с возможностью генерирования ультрафиолетового излучения; а также оптическую среду, расположенную вблизи от защищаемой поверхности и соединенную так, чтобы получать ультрафиолетовое излучение, в которой оптическая среда имеет направление толщины, перпендикулярное к защищаемой поверхности, причем два ортогональных направления оптической среды, ортогональные к направлению толщины, являются параллельными защищаемой поверхности, причем оптическая среда выполнена с возможностью обеспечивать путь распространения ультрафиолетового излучения таким образом, что ультрафиолетовое излучение проходит внутри оптической среды по меньшей мере в одном из двух ортогональных направлений, ортогональных к направлению толщины, а также таким образом, что в точках вдоль поверхности оптической среды соответствующие части ультрафиолетового излучения выходят из оптической среды.
Патентный документ JPH11278374 описывает, что в доке средство предотвращения загрязнения, действующее статически для предотвращения загрязнения, когда поверхность внутренней стенки дока и наружная поверхность корпуса находятся в атмосфере/под водой, располагается в непосредственной близости от поверхности внутренней стенки дока. Средство предотвращения загрязнения снабжается реакционным телом из фотохимического катализатора, расположенным на поверхности внутренней стенки дока, и средством генерирования света, генерирующим ультрафиолетовое излучение или видимые лучи. Для предотвращения загрязнения внутренней стенки дока в атмосферной среде она облучается естественным светом, таким как солнечный свет или ультрафиолетовое излучение от средства генерирования света. Затем происходит фотокаталитическая реакция в части фотохимического катализатора, который содержится в реакционном теле фотохимического катализатора, с органическим телом, таким как загрязнение, прилипшее к внутренней стенке дока, и реакционное тело фотохимического катализатора разлагается и выполняется очистка.
2
Патентный документ US 5308505 описывает, что биологическое обрастание подводных поверхностей морскими организмами предотвращается путем облучения воды ультрафиолетовым излучением и регулирования интенсивности ультрафиолетового излучения так, чтобы уничтожить личинки моллюсков с тем, чтобы предотвратить их прикрепление к подводной поверхности. Вода пропускается через биоцидную камеру, имеющую источник ультрафиолетового излучения с интенсивностью по меньшей мере 4000 мкВт/см, с такой скоростью, чтобы обеспечить время пребывания в биоцидной камере, равное по меньшей мере одной минуте.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Биологическое обрастание или биологическое загрязнение (в настоящем документе также обозначаемое как «обрастание») представляет собой накопление микроорганизмов, растений, морских водорослей и/или животных на поверхностях. Разнообразие среди организмов, вызывающих биологическое обрастание, является очень большим, и выходит далеко за рамки прикрепления моллюсков и морских водорослей. В соответствии с некоторыми оценками, за биологическое обрастание ответственны более чем 1700 разновидностей, содержащих более чем 4000 организмов. Биологическое обрастание разделяется на микрообрастание, которое включает в себя формирование биопленки и бактериальную адгезию, и макрообрастание, которое представляет собой прикрепление более крупных организмов. Благодаря различной химии и биологии, которые определяют то, что именно препятствует нарастанию организмов, эти организмы также классифицируются на твердые или мягкие типы обрастания. Известковые (твердые) организмы обрастания включают в себя морских желудей, образующих корку мшанок, моллюсков, многощетинковых червей и других трубчатых червей, а также полосатых мидий (дрейссен). Примерами неизвестковых (мягких) организмов обрастания являются морские водоросли, гидроиды, микроскопические морские водоросли и биопленка («слизь»). Все вместе эти организмы формируют загрязняющее сообщество.
При некоторых обстоятельствах биологическое обрастание создает существенные проблемы. Машины прекращают работать, водоприемные устройства закупориваются, а корпуса судов страдают от увеличенной торможения, вызываемого трением. Следовательно, тема борьбы с обрастанием, то есть процесса удаления или предотвращения обрастания, является хорошо известной. В промышленных процессах биодиспергирующие агенты могут использоваться для того, чтобы управлять биологическим обрастанием. В менее управляемой окружающей среде организмы уничтожаются или отпугиваются с помощью покрытий, использующих пестициды, термообработку или импульсы энергии. Нетоксичные механические стратегии, которые предотвращают присоединение организмов, включают в себя выбор материала или покрытие скользкой поверхностью, или создание наноразмерных поверхностных топологий, подобных коже акул и дельфинов, которые обеспечивают малое количество якорных точек.
Биологическое обрастание на корпусах судов вызывает серьезное увеличение торможения, вызываемого трением, и таким образом приводит к увеличению расхода топлива. Считается, что биологическому обрастанию может быть приписано до 40% увеличения расхода топлива. Поскольку большие нефтяные танкеры или контейнерные транспортные суда могут потреблять за один день топлива на сумму до 200000€, за счет эффективного способа борьбы с биологическим обрастанием возможна существенная экономия.
В настоящем документе представлен подход, основанный на оптических способах, в частности на использовании ультрафиолетового света (UV). По-видимому, при «достаточном» облучении ультрафиолетовым светом большинство микроорганизмов уничтожается, становятся неактивными или неспособными к воспроизводству. Этот эффект зависит главным образом от суммарной дозы ультрафиолетового света. Типичная доза для того, чтобы уничтожить 90% некоторого микроорганизма, составляет 10 мВт-час на квадратный метр, подробности содержатся в следующих параграфах, относящихся к ультрафиолетовому свету, и в связанных с ними чертежах. Системы предшествующего уровня техники, однако, могут быть неэффективными в использовании и впустую расходовать большое количество излучения в воде без удаления биологического обрастания.
Следовательно, один аспект настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить альтернативную систему освещения для борьбы с обрастанием судна или другого объекта, содержащего такую систему освещения для борьбы с обрастанием и/или (подвижную) конструкцию, или другой объект для использования в воде, содержащий такую систему освещения для борьбы с обрастанием, и/или альтернативный метод для борьбы с обрастанием элемента (такого судна или конструкции, или другого объекта и т.д.), которые предпочтительно дополнительно по меньшей мере частично устраняют один или более из вышеописанных недостатков.
В первом аспекте настоящее изобретение предлагает систему обратной связи. Система освещения может включать в себя, например, чувствительный элемент, который контролирует соответствующие параметры на предмет наличия биологического обрастания, позволяя тем самым системе регулировать подачу питания к источникам света, таким как светоизлучающие диоды, на основе этих параметров. Главных преимуществ уменьшенного питания два: уменьшенное потребление энергии системой и увеличенный срок службы системы. Кроме того, по-видимому (см. также ниже) обрастание может удаляться более эффективно. Параметры, которые по всей видимости влияют на скорость роста биологического обрастания, являются одним или более из следующих:
- Скорость судна. Выше некоторых скоростей биологическое обрастание может быть существенно уменьшено;
- Температура воды: чем холоднее вода, тем менее активным будет биологическое обрастание. Ниже некоторых температур биологическое обрастание является незначительным;
- «Осадка» судна: незагруженное судно будет намного более высоко сидеть в воде. Это имеет два эффекта: некоторые части корпуса в этом случае будут находиться выше ватерлинии, и не будут так страдать от обрастания. Источники света, такие как светоизлучающие диоды, в этом случае могут выключаться чаще. Другие части все еще будут ниже ватерлинии, хотя и гораздо ближе к поверхности; здесь интенсивность солнечного света является более высокой, поддерживая биологическое обрастание. Для того, чтобы противостоять этому, мощность должна быть увеличена непосредственно под ватерлинией («уровнем жидкости» или «уровнем воды»);
- «Биологическая активность» воды. Очевидно, что в воде без каких-либо организмов биологического обрастания никакого питания источника света, такого как светоизлучающий диод, не требуется вообще. В воде с очень низкими концентрациями морских водорослей, ракушек и т.д. более низкой дозы ультрафиолетового света будет достаточно для того, чтобы предотвратить биологическое обрастание. Мониторинг этих биологических условий позволяет уменьшить потребляемую мощность.
Такие параметры отражают риск биологического обрастания и могут быть определены с помощью одного или более чувствительных элементов. Такой чувствительный элемент (элементы) может обеспечить соответствующий сигнал, относящийся к риску биологического обрастания. Следовательно, сигнал обратной связи может быть связан таким образом с риском биологического обрастания.
В одном дополнительном аспекте, который может быть опционально скомбинирован с предыдущим аспектом, настоящее изобретение предлагает пульсирующую подачу питания. Среди прочего предлагается схема привода для источников света, таких как светоизлучающие диоды. Вместо простой схемы включения «24/7» мы предлагаем варьировать мощность. Причина состоит в том, что при работе системы борьбы с биологическим обрастанием в режиме 24/7 большое количество энергии тратится впустую на генерацию ультрафиолетового света, который «просто» посылается в воду, окружающую судно, никогда не сталкиваясь с микроорганизмами. Эти бесполезные затраты энергии также подразумевают бесполезное расходование срока службы светоизлучающего диода. В этом аспекте предлагается генерировать относительно большую дозу ультрафиолетового излучения за счет (коротких) вспышек. Это будет быстро уничтожать (или делать безвредными) все микроорганизмы, которые находятся близко к корпусу или присоединились к нему. После этого в течение предопределенного количества времени светоизлучающие диоды будут выключены. В течение этого периода времени морские водоросли и другие организмы будут накапливаться на корпусе. Поскольку теперь покрывается весь корпус, никакой свет не может «уйти» в воду без того, чтобы сначала поразить (уничтожить) некоторое количество микроорганизмов.
Следовательно, в первом аспекте настоящее изобретение предлагает систему освещения для борьбы с обрастанием («систему»), в частности выполненную с возможностью предотвращения или сокращения биологического обрастания на загрязняющейся поверхности объекта, который во время использования по меньшей мере временно подвергается воздействию воды, путем обеспечения света для борьбы с обрастанием, направленного на упомянутую загрязняющуюся поверхность, причем этот объект представляет собой судно, система освещения для борьбы с обрастанием содержит модуль освещения, содержащий (i) источник света, выполненный с возможностью генерирования упомянутого света для борьбы с обрастанием, в частности для того, чтобы предотвратить или уменьшить биологическое обрастание на упомянутой загрязняющейся поверхности; а также систему управления, выполненную с возможностью управления интенсивностью света для борьбы с обрастанием в зависимости от одного или более из (i) сигнала обратной связи, относящегося к риску биологического обрастания, (ii) таймера для основанного на времени варьирования интенсивности света для борьбы с обрастанием, и (iii) другого параметра (параметров), определенного в настоящем документе, как дополнительно определено в приложенной формуле изобретения.
Следовательно, в одном дополнительном аспекте настоящее изобретение предлагает систему освещения для борьбы с обрастанием («систему») (в частности выполненную с возможностью предотвращения или сокращения (относящегося к воде) биологического обрастания на загрязняющейся поверхности объекта, который во время использования по меньшей мере временно подвергается воздействию воды (или другой жидкости), путем обеспечения света для борьбы с обрастанием («света») посредством оптической среды к упомянутой загрязняющейся поверхности), включающую в себя: (a) модуль освещения («модуль»), содержащий (i) источник света, выполненный с возможностью генерирования света для борьбы с обрастанием, и (ii) упомянутую оптическую среду («среду»), выполненную с возможностью получения по меньшей мере части света для борьбы с обрастанием, содержащую эмиссионную поверхность, выполненную с возможностью обеспечения по меньшей мере части упомянутого света для борьбы с обрастанием, причем предпочтительно свет для борьбы с обрастанием содержит ультрафиолетовый свет; и (b) систему управления, выполненную с возможностью управления интенсивностью света для борьбы с обрастанием в зависимости от одного или более из (i) сигнала обратной связи, относящегося к риску биологического обрастания, и (ii) таймера для основанного на времени варьирования интенсивности света для борьбы с обрастанием. В одном варианте осуществления этот таймер может периодически изменять интенсивность света для борьбы с обрастанием, как дополнительно определено в приложенной формуле изобретения.
В частности настоящее изобретение также предлагает один вариант осуществления системы освещения для борьбы с обрастанием, в котором модуль освещения содержит (i) источник света, выполненный с возможностью генерирования света для борьбы с обрастанием, и (ii) оптическую среду, выполненную с возможностью получения по меньшей мере части света для борьбы с обрастанием, а также выполненную с возможностью распределения по меньшей мере части света для борьбы с обрастанием через оптическую среду, причем эта оптическая среда содержит (iia) первую поверхность среды и (iib) эмиссионную поверхность, выполненную с возможностью испускания по меньшей мере части распределенного света для борьбы с обрастанием в направлении от первой поверхности этой оптической среды. Такая эмиссионная поверхность может быть загрязняющейся поверхностью, и/или свет для борьбы с обрастанием может (также) использоваться для облучения (другой) загрязняющейся поверхности.
2
2
В одном конкретном варианте осуществления настоящее изобретение предлагает систему освещения для борьбы с обрастанием, содержащую: (a) элемент, например элемент объекта, содержащий первую поверхность элемента (и вторую поверхность), причем первая поверхность элемента предпочтительно имеет площадь по меньшей мере 0,4 м; (b) модуль освещения, содержащий (i) источник света, выполненный с возможностью генерирования света для борьбы с обрастанием и (ii) оптическую среду, выполненную с возможностью получения по меньшей мере части света для борьбы с обрастанием, а также выполненную с возможностью распределения по меньшей мере части света для борьбы с обрастанием через оптическую среду, причем эта оптическая среда содержит (iia) первую поверхность среды, предпочтительно имеющую площадь по меньшей мере 0,4 м, причем первая поверхность среды направлена к первой поверхности элемента, и (iib) эмиссионную поверхность, выполненную с возможностью испускания по меньшей мере части распределенного света для борьбы с обрастанием в направлении от первой поверхности оптической среды, причем по меньшей мере часть модуля освещения выполнена с возможностью герметизировать по меньшей мере часть первой поверхности элемента с эмиссионной поверхностью, более удаленной от первой поверхности элемента, чем первая поверхность среды; и (c) систему управления, выполненную с возможностью управления интенсивностью света для борьбы с обрастанием в зависимости от одного или более сигналов обратной связи (относящихся к риску биологического обрастания), а также таймера. Предпочтительно оптическая среда содержит одно или больше из волновода и оптического волокна.
Такая система позволяет работать с более низким потреблением энергии, что также дает выгоду более длительного срока службы светодиодной системы. Кроме того, такая система позволяет намного более эффективно удалять биологическое обрастание или предотвращать биологическое обрастание. Например, источник света может включаться только при условиях образования биологического обрастания. Альтернативно источник света может включаться только после, например, истечения конкретного времени, за которое формируется пленка биологического обрастания, которая может быть затем эффективно удалена с помощью света. Следовательно, эта система обеспечивает более высокую энергетическую эффективность и/или лучшее предотвращение и/или более эффективное удаление. В настоящем документе термины «обрастание» или «биообрастание» или «биологическое обрастание» используются взаимозаменяемо. Выше приведены некоторые примеры обрастания. Описанный способ (см. ниже) и система освещения могут быть применены для предотвращения обрастания на корпусах судов, но они применимы ко всем морским объектам, включая неподвижные (трубы, причалы и т.д.) и/или перемещающиеся морские объекты (подводные лодки и т.д.). Раскрытое решение для борьбы с обрастанием также может применяться к объектам, функционирующим в реках, каналах или озерах, и, например, также к аквариумам и т.д.
В еще одном дополнительном варианте осуществления система освещения для борьбы с обрастанием содержит интегрированный блок, содержащий (i) модуль освещения и (a) одно или более из системы управления, таймера и чувствительного элемента, где система управления выполнена с возможностью управления интенсивностью света для борьбы с обрастанием в зависимости от одного или более из (i) сигнала обратной связи от чувствительного элемента, относящегося к риску биологического обрастания, и (ii) таймера для основанного на времени варьирования интенсивности света для борьбы с обрастанием, а также интегрированный блок, опционально содержащий также другие элементы, такие как источник электроэнергии. Кроме того, система освещения для борьбы с обрастанием может включать в себя энергетическую систему, выполненную с возможностью обеспечения электроэнергией источника света (а также других электрических компонентов). Источники энергии, которые могут использоваться энергетической системой, описываются ниже. Такие блоки могут быть подходящим образом присоединены к существующей поверхности объекта для того, чтобы предотвратить или уменьшить обрастание. Предпочтительно интегрированный блок представляет собой закрытый блок, включающий в себя эмиссионную поверхность. Интегрированный блок может содержать, например, (силиконовую) пленку или (силиконовую) плитку, которая может быть нанесена на поверхность (элемента) объекта. По меньшей мере часть элементов, или даже все элементы, могут быть покрыты таким образом. Следовательно, в одном варианте осуществления оптическая среда содержит пленку.
В еще одном дополнительном аспекте настоящее изобретение предлагает также объект (такой как, например, выбираемый из группы, состоящей из судна и (подвижной) конструкции в воде, который во время использования по меньшей мере временно подвергается воздействию воды), содержащий загрязняющуюся поверхность, которая во время использования находится по меньшей мере временно в контакте с водой, и дополнительно содержащий модуль освещения и систему управления, определенные в настоящем документе, причем модуль освещения выполнен с возможностью облучения светом для борьбы с обрастанием по меньшей мере части упомянутой загрязняющейся поверхности, как дополнительно определено в приложенной формуле изобретения. В частности, этот объект может дополнительно содержать описанную в настоящем документе систему освещения для борьбы с обрастанием.
Загрязняющаяся поверхность может быть частью поверхности (элемента) объекта и/или может быть эмиссионной поверхностью системы освещения (в частности, оптической среды, когда она содержится в системе освещения; см. также ниже). Следовательно, в вариантах осуществления объект выбирается из группы, состоящей из судна, плотины, дамбы, рыбного или устричного садка, водовода, клетки для разведения рыбы, бакена и т.д.
2
В еще одном дополнительном варианте осуществления настоящее изобретение предлагает судно (в качестве объекта), содержащее корпус, содержащий элемент, содержащий первую поверхность элемента, где модуль освещения содержит (i) источник света, выполненный с возможностью генерирования света для борьбы с обрастанием, и (ii) оптическую среду, выполненную с возможностью получения по меньшей мере части света для борьбы с обрастанием, а также выполненную с возможностью распределения по меньшей мере части света для борьбы с обрастанием через оптическую среду, причем эта оптическая среда содержит (iia) первую поверхность среды, направленную к первой поверхности элемента, и (iib) эмиссионную поверхность, выполненную с возможностью испускания по меньшей мере части распределенного света для борьбы с обрастанием в направлении от первой поверхности оптической среды, причем по меньшей мере часть модуля освещения выполнена с возможностью герметизировать по меньшей мере часть первой поверхности элемента с эмиссионной поверхностью, более удаленной от первой поверхности элемента, чем первая поверхность среды, причем предпочтительно загрязняющаяся поверхность содержит упомянутую эмиссионную поверхность и/или другую поверхность, подлежащую защите. Следовательно, в одном дополнительном варианте осуществления настоящее изобретение предлагает судно, содержащее корпус, содержащий элемент, который содержит первую поверхность элемента (и вторую поверхность), причем первая поверхность элемента в одном варианте осуществления имеет площадь по меньшей мере 0,4 м, причем это судно дополнительно содержит модуль освещения и систему управления, как определено в настоящем документе. Как указано выше, опционально модуль освещения, или, в частности, оптическая среда может герметизировать по меньшей мере часть первой поверхности элемента. Термин «герметизировать» и подобные ему термины могут в частности указывать, что герметизируемая часть (по существу) является недоступной для жидкости, такой как вода, в частности морская вода.
Термин «элемент» может, например в одном варианте осуществления, относиться к пластине, такой как стальной лист корпуса. Однако термин «элемент» может также относиться ко всему корпусу. Термин «элемент» предпочтительно относится к той части корпуса, которая находится в воде, в частности в случае вариантов осуществления судна. Поверхность (элемента) объекта, подлежащего защите, может содержать сталь, но может опционально также содержать другой материал, такой как, например, выбираемый из группы, состоящей из древесины, полиэфира, композита, алюминия, резины, хайпалона, поливинилхлорида, стекловолокна и т.д.
2
В еще одном аспекте настоящее изобретение также предлагает подвижную конструкцию, содержащую подвижную часть, содержащую элемент, который содержит первую поверхность (и вторую поверхность), которая в одном варианте осуществления имеет площадь по меньшей мере 0,4 м, причем это судно дополнительно содержит модуль освещения и систему управления, как определено в настоящем документе. Эта подвижная конструкция может быть, например, плотиной, дамбой, водоводом, и т.д. и иметь подвижную часть, такую как дверца или клапан, и т.д. Следовательно, предпочтительно подвижная конструкция представляет собой водную подвижную конструкцию. Подвижная часть может содержать элемент, такой как пластина, такая как стальной лист. Опять же, термин «элемент» может также относиться ко всей подвижной части.
2
Следовательно, в одном конкретном варианте осуществления настоящее изобретение также предлагает вариант осуществления системы освещения для борьбы с обрастанием, в котором элемент представляет собой часть корпуса судна или часть подвижной части подвижной конструкции, находящейся в воде, причем первая поверхность элемента предпочтительно имеет площадь по меньшей мере 4 м, причем система освещения для борьбы с обрастанием содержит множество модулей освещения, связанных с первой поверхностью элемента, причем система освещения для борьбы с обрастанием содержит одну или более систем управления, выполненных с возможностью управления интенсивностью света для борьбы с обрастанием во множестве режимов освещения в зависимости от одного или более из сигнала обратной связи и таймера.
2
2
2
2
2
2
2
Элемент содержит первую поверхность элемента (и вторую поверхность), и первая поверхность элемента предпочтительно имеет площадь (или «площадь поверхности») по меньшей мере 0,4 м. Вторая поверхность может быть, например, внутренней поверхностью корпуса судна. Первая поверхность элемента в большинстве случаев будет находиться в контакте с жидкостью, такой как вода (см. однако также ниже). Элемент в большинстве случаев будет иметь площадь поверхности по меньшей мере 0,4 м, хотя она может быть намного больше, например по меньшей мере 4 м, например по меньшей мере 400 м, или даже более 1000 м. Кроме того, термин «элемент» может также относиться ко множеству элементов. Например, корпус судна может включать в себя множество (металлических) пластин. Принимая (металлические) пластины в качестве элементов, площадь поверхности может находиться, например, в диапазоне от 0,4 до 40 м, например от 2 до 10 м.
На такой поверхности может происходить биологическое обрастание, когда элемент находится в воде или около воды, например (непосредственно) выше уровня воды (например благодаря брызгам воды вследствие носовой корабельной волны). Между тропиками биологическое обрастание может происходить в течение всего нескольких часов. Даже при умеренных температурах первые стадии обрастания будут происходить в течение нескольких часов; например, образование первого (молекулярного) уровня сахаров и бактерий. При использовании настоящего изобретения по меньшей мере часть модуля освещения, например по меньшей мере часть оптической среды или даже вся оптическая среда, может в вариантах осуществления герметизировать части первой поверхности элемента (делая эту часть недоступной для воды, например для морской воды). Следовательно, модуль освещения в вариантах осуществления может быть связанным с первой поверхностью элемента. Это, однако, переносит проблему биологического обрастания на поверхность (поверхности) модуля освещения. Поверхность или область, на которой может быть возникнуть обрастание, в настоящем документе обозначается как загрязняющаяся поверхность. Она может быть, например, корпусом судна и/или эмиссионной поверхностью оптической среды (см. также ниже). С этой целью модуль освещения обеспечивает свет для борьбы с обрастанием, который применяется для того, чтобы предотвратить формирование биологического обрастания и/или удалить биологическое обрастание. Этот свет для борьбы с обрастанием может по меньшей мере содержать ультрафиолетовое излучение (также обозначаемое как «ультрафиолетовый свет»). Фактически эмиссионная поверхность теперь обеспечивает часть внешней поверхности элемента, такого как корпус.
2
В еще одном дополнительном аспекте настоящее изобретение предлагает модуль освещения, содержащий (i) источник света, выполненный с возможностью генерирования света для борьбы с обрастанием, и (ii) оптическую среду, выполненную с возможностью получения по меньшей мере части света для борьбы с обрастанием, а также выполненную с возможностью распределения по меньшей мере части света для борьбы с обрастанием через оптическую среду, причем эта оптическая среда содержит (iia) первую поверхность среды, предпочтительно имеющую площадь по меньшей мере 0,4 м, и (iib) эмиссионную поверхность, выполненную с возможностью испускания по меньшей мере части распределенного света для борьбы с обрастанием в направлении от первой поверхности этой оптической среды, как дополнительно определено в приложенной формуле изобретения.
2
В частности, настоящее изобретение предлагает один вариант осуществления системы освещения для борьбы с обрастанием, как определено в настоящем документе, в котором система управления выполнена с возможностью управления интенсивностью света для борьбы с обрастанием в зависимости от (одного или более из (a) таймера и (b)) обратной связи чувствительного элемента, причем чувствительный элемент выполнен с возможностью измерения одного или больше из (i) скорости судна, содержащего упомянутый модуль освещения, (ii) относительной скорости потока воды (со стороны загрязняющейся поверхности), (iii) температуры воды (со стороны загрязняющейся поверхности), (iv) загрузки судна, содержащего упомянутый модуль освещения, (v) положения эмиссионной поверхности относительно уровня воды (со стороны загрязняющейся поверхности), и (vi) присутствия одного или более загрязняющих организмов и их питательных веществ в воде (со стороны загрязняющейся поверхности). Еще более конкретно, настоящее изобретение предлагает один вариант осуществления системы освещения для борьбы с обрастанием, как определено в настоящем документе, содержащий: (a) модуль освещения, содержащий (ai) источник света, выполненный с возможностью генерирования света для борьбы с обрастанием, и (aii) оптическую среду, выполненную с возможностью получения по меньшей мере части света для борьбы с обрастанием, а также выполненную с возможностью распределения по меньшей мере части света для борьбы с обрастанием через оптическую среду, причем эта оптическая среда содержит (aiia) первую поверхность среды, предпочтительно имеющую площадь по меньшей мере 0,4 м, и (aiib) эмиссионную поверхность, выполненную с возможностью испускания по меньшей мере части распределенного света для борьбы с обрастанием в направлении от первой поверхности этой оптической среды; (b) чувствительный элемент; и (c) систему управления, выполненную с возможностью управления интенсивностью света для борьбы с обрастанием в зависимости от одного или более из сигнала обратной связи и таймера, причем система управления выполнена с возможностью управления интенсивностью света для борьбы с обрастанием в зависимости от обратной связи чувствительного элемента, где чувствительный элемент выполнен с возможностью измерения одного или больше из (i) скорости судна, содержащего упомянутый модуль освещения, (ii) относительной скорости потока воды (со стороны загрязняющейся поверхности), (iii) температуры воды (со стороны загрязняющейся поверхности), (iv) загрузки судна, содержащего упомянутый модуль освещения, (v) положения эмиссионной поверхности относительно уровня воды (со стороны загрязняющейся поверхности), и (vi) присутствия одного или более загрязняющих организмов и их питательных веществ в воде (со стороны загрязняющейся поверхности); и причем свет для борьбы с обрастанием содержит в одном конкретном варианте осуществления ультрафиолетовый свет диапазона C (UV-C). Альтернативно или дополнительно к этому, система управления может быть выполнена с возможностью управления интенсивностью света для борьбы с обрастанием в зависимости от пропускания водой ультрафиолетового света диапазона C (около загрязняющейся поверхности).
-9
Ультрафиолетовое излучение (UV) представляет собой часть электромагнитного света, которая с одной стороны граничит с коротковолновой частью видимого спектра, а с другой стороны с рентгеновским диапазоном электромагнитного излучения. Спектральный диапазон ультрафиолетового света по определению находится приблизительно между 100 и 400 нм (1 ни =10 м) и является невидимым для человеческого глаза. Используя классификацию CIE, ультрафиолетовый спектр подразделяется на три диапазона: UVA (длинноволновый) - от 315 до 400 нм; UVB (средневолновый) - от 280 до 315 нм; и UVC (коротковолновый) - от 100 до 280 нм.
На самом деле многие фотобиологи часто говорят о неблагоприятных кожных эффектах, проявляющихся в результате воздействия ультрафиолетового облучения при длине волны выше и ниже 320 нм, предлагая таким образом альтернативное определение.
Сильный бактерицидный эффект обеспечивается светом в коротковолновом диапазоне UVC. В дополнение к этому эритема (покраснение кожи) и конъюнктивит (воспаление слизистых оболочек глаза) также могут вызываться этой формой света. Из-за этого, когда используются бактерицидные лампы ультрафиолетового излучения, важно проектировать системы так, чтобы исключить утечку ультрафиолетового света диапазона C и таким образом избежать этих эффектов. В случае подводных источников света поглощение ультрафиолетового света водой может быть достаточно сильным для того, чтобы утечка ультрафиолетового света диапазона C не создавала проблем для людей над поверхностью жидкости. Кроме того, предпочтительно свет для борьбы с обрастанием содержит один или больше из UV-A и UV-C света. Следовательно, в одном варианте осуществления свет для борьбы с обрастанием содержит ультрафиолетовый свет диапазона C. Ультрафиолетовый свет диапазона A может использоваться для нарушения клеточных стенок, тогда как ультрафиолетовый свет диапазона C может использоваться для того, чтобы повредить ДНК.
Самоочевидно, что люди должны избегать воздействия ультрафиолетового света диапазона C. К счастью, сделать это относительно просто, потому что этот свет поглощается большинством продуктов, и даже обычное плоское стекло поглощает по существу весь ультрафиолетовый свет диапазона C. Исключениями являются, например, кварц и политетрафторэтилен (PTFE). Опять же к счастью, большая часть ультрафиолетового света диапазона C поглощается омертвевшей кожей, и таким образом эритема может быть ограничена. В дополнение к этому ультрафиолетовый свет диапазона C не проникает через линзу глаза; тем не менее, возможен конъюнктивит, и хотя он достаточно быстро проходит, он является чрезвычайно болезненным; то же самое справедливо и для эритемы.
3
Когда происходит экспонирование ультрафиолетовым светом диапазона C, забота должны быть приняты меры для того, чтобы не превысить норму порогового уровня. В практическом плане Таблица 1 показывает установленные американским конгрессом правительственных и промышленных врачей-гигиенистов (ACGIH) предельные пороговые значения интенсивности ультрафиолетового излучения для воздействия на человеческий организм в зависимости от времени. Следует отметить, что излучение с длиной волны ниже 240 нм образует озон (O) из кислорода, содержащегося в воздухе. Озон является токсичным и весьма реакционноспособным; следовательно необходимо предпринимать меры предосторожности во избежание его воздействия на людей, а также на некоторые материалы.
Таблица 1: Допустимые дозы облучения UVC для людей в соответствии с ACGIH
Продолжительность экспонирования в сутки
Интенсивность излучения (мкВт/см<sup>2</sup>)
8 час4 час2 час1 час30 мин15 мин10 мин5 мин1 мин
0,20,40,81,73,36,61020100
Приведенные выше бактерицидные дозы также могут быть легко достигнуты с помощью существующих дешевых маломощных ультрафиолетовых светоизлучающих диодов. Светоизлучающие диоды обычно могут быть включены в относительно малые упаковки и потребляют меньше энергии, чем другие типы источников света. Светоизлучающие диоды могут быть произведены так, чтобы они излучали (ультрафиолетовый) свет различных желаемых длин волн, и их рабочими параметрами, в частностью выходной мощностью, можно управлять в значительной степени. Следовательно, источник света представляет собой источник света, который во время его работы испускает по меньшей мере свет с длиной волны, выбираемой из ультрафиолетового диапазона длин волн, в частности по меньшей мере из диапазона UV-C. В одном конкретном варианте осуществления источник света содержит твердотельный светодиодный источник света (такой как светоизлучающий диод или лазерный диод). Термин «источник света» может также относиться ко множеству источников света, такому как от 2 до 20 (твердотельных) светодиодных источников света, хотя может быть применено и намного большее количество источников света. Следовательно, термин «светоизлучающий диод (LED)» может также относиться ко множеству светоизлучающих диодов. Светоизлучающие диоды могут быть органическими светоизлучающими диодами (OLED) или твердотельными светоизлучающими диодами, или комбинацией этих светоизлучающих диодов. Предпочтительно источник света содержит твердотельные светоизлучающие диоды.
Основная идея, лежащая в основе настоящего изобретения, состоит в том, чтобы покрыть значительное количество защищаемой поверхности, чтобы она была чистой от обрастания, предпочтительно всю защищаемую поверхность, например корпус судна, слоем, который излучает бактерицидный свет («свет для борьбы с обрастанием»), в частности ультрафиолетовый свет.
В еще одном варианте осуществления свет для борьбы с обрастанием может подаваться к поверхности, подлежащей защите, через волокно или волновод. Следовательно, в одном варианте осуществления система освещения для борьбы с обрастанием содержит оптическую среду, причем эта оптическая среда содержит одно или более из волновода и оптического волокна, выполненного с возможностью подачи упомянутого света для борьбы с обрастанием к загрязняющейся поверхности. Та поверхность волокна или волновода, из которой выходит свет для борьбы с обрастанием, в настоящем документе также обозначается как эмиссионная поверхность. В большинстве случаев эта часть волокна или волновода может быть по меньшей мере временно погружена в воду. Благодаря тому, что свет для борьбы с обрастанием выходит из эмиссионной поверхности, элемент объекта, который во время его использования по меньшей мере временно подвергается воздействию жидкости (такой как морская вода), может быть облучен, и тем самым очищен от обрастания. Однако, эмиссионная поверхность также может быть очищена сама по себе. Этот эффект используется в вариантах осуществления модуля освещения, содержащего описанную ниже оптическую среду.
Модуль освещения для борьбы с обрастанием защищаемой поверхности содержит по меньшей мере один источник света для генерирования света для борьбы с обрастанием, а также опционально оптическую среду для распределения света для борьбы с обрастанием от источника света. По меньшей мере один источник света и/или оптическая среда могут быть по меньшей мере частично расположены в, на и/или около защищаемой поверхности для того, чтобы излучать свет для борьбы с обрастанием в направлении от защищаемой поверхности. Модуль освещения выполнен с возможностью предпочтительно излучать свет для борьбы с обрастанием, в то время как защищаемая поверхность по меньшей мере частично погружена в жидкую окружающую среду. В одном варианте осуществления оптическая среда представляет собой световод, содержащий силиконовый материал и/или пропускающий ультрафиолетовый свет кремнеземный материал.
Модуль освещения для борьбы с обрастанием защищаемой поверхности может также быть предусмотрен как (силиконовая) пленка для нанесения на защищаемую поверхность, содержащая по меньшей мере один источник света для генерирования света для борьбы с обрастанием и листовую оптическую среду для распределения света для борьбы с обрастанием через эту пленку. В вариантах осуществления эта пленка имеет толщину порядка от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров, например от 0,1 до 5 см или от 0,2 до 2 см. В вариантах осуществления эта пленка по существу не ограничивается в любом направлении, перпендикулярном к направлению толщины, так, чтобы обеспечить существенно большую пленку, имеющую размеры порядка десятков или сотен квадратных метров. Эта пленка может быть по существу ограничена в размерах в двух ортогональных направлениях, перпендикулярных к направлению толщины пленки, для того, чтобы обеспечить плитку для борьбы с обрастанием; в другом варианте осуществления эта пленка по существу ограничивается размером только в одном направлении, перпендикулярном к направлению толщины пленки, для того, чтобы обеспечить удлиненную полосу пленки для борьбы с обрастанием. Следовательно, оптическая среда, а также и модуль освещения, могут быть предусмотрены в виде плитки или в виде полосы. Плитка или полоса могут представлять собой (силиконовую) пленку.
Модуль освещения, расположен ли он в, на и/или около защищаемой поверхности или предусматривается ли он как отдельная пленка, содержит эмиссионную поверхность для испускания света для борьбы с обрастанием из оптической среды в окружающую среду, а также прикладываемую поверхность, противоположную эмиссионной поверхности, для нанесения или расположения модуля освещения на защищаемой поверхности. В одном предпочтительном варианте осуществления эмиссионная поверхность модуля освещения является по существу плоской, так, чтобы избежать углублений и выступов, которые могут стать зародышами обрастания, а также чтобы избежать выпуклостей, ограничивающих скорость движения судна за счет трения, вызываемого этой структурой при ее нанесении на защищаемую поверхность. Преимущество по существу плоской поверхности по сравнению с поверхностью, содержащей выступы и выпуклости, или имеющей существенную шероховатость поверхности, заключается в том, что микроорганизмам будет более трудно прикрепляться к существенно плоской поверхности, особенно в комбинации с эффектами трения в жидкой окружающей среде, чем если бы они находились на шероховатой поверхности или в углублениях, имеющихся на упомянутой поверхности. Термин «по существу плоская» эмиссионная поверхность в настоящем документе относится к поверхностному маскированию или сокрытию толщины источников света и проводных соединений, встроенных в модуль освещения или присоединенных к нему. Термин «по существу плоская» может также относиться к маскированию или сокрытию некоторой конструкционной шероховатости защищаемой поверхности, тем самым даже улучшая свойства трения защищаемой поверхности в жидкой окружающей среде. Примерами конструкционной шероховатости защищаемой поверхности являются сварные швы, заклепки, и т.д. Термин «по существу плоская» может быть определен количественно как вариация средней толщины модулей освещения меньше чем 25%, предпочтительно меньше чем 10%. Следовательно, термин «по существу плоская» не обязательно требует шероховатости поверхности, соответствующей механической финишной обработке.
В одном предпочтительном варианте осуществления модуль освещения содержит двумерную сетку источников света для генерирования света для борьбы с обрастанием, и оптическая среда располагается так, чтобы распределять по меньшей мере часть света для борьбы с обрастанием из этой двумерной сетки источников света через оптическую среду так, чтобы обеспечить двумерное распределение света для борьбы с обрастанием, выходящего из эмиссионной поверхности модуля освещения. Двумерная сетка источников света может быть расположена в виде структуры мелкой проволочной сетки, структуры с плотной упаковкой, структуры рядов/колонок, или в виде любой другой подходящей регулярной или нерегулярной структуры. Физическое расстояние между соседними источниками света в сетке может быть фиксированным по всей сетке, или может изменяться, например как функция мощности световыхода, требуемого для обеспечения эффекта борьбы с обрастанием, или как функция положения модуля освещения на защищаемой поверхности (например, положения на корпусе судна). Преимущества обеспечения двухмерной сетки источников света включают в себя то, что свет для борьбы с обрастанием может генерироваться близко к защищаемым областям, и это будет уменьшать потери в оптической среде или световоде и увеличивать однородность распределения света. Предпочтительно свет для борьбы с обрастанием в целом однородно распределяется по эмиссионной поверхности; это уменьшает или даже предотвращает образование недостаточно освещенных областей, где в противном случае может иметь место обрастание, уменьшая или предотвращая в то же самое время затраты энергии на избыточное освещение других областей большим количеством света, чем это необходимо для борьбы с обрастанием. В одном варианте осуществления эта сетка содержится в оптической среде. В еще одном варианте осуществления сетка может содержаться в (силиконовой) пленке.
В предпочтительных вариантах осуществления источники света представляют собой ультрафиолетовые светоизлучающие диоды. По меньшей мере один ультрафиолетовый светоизлучающий диод или сетка из ультрафиолетовых светоизлучающих диодов могут быть заключены в непроницаемую для жидкости оболочку. В вариантах осуществления по меньшей мере один ультрафиолетовый светоизлучающий диод или сетка из ультрафиолетовых светоизлучающих диодов могут быть залитыми в оптической среде. Множество ультрафиолетовых светоизлучающих диодов может быть организовано в сетку и электрически соединено в последовательную/параллельную структуру мелкой проволочной сетки (как будет объяснено позже). Светоизлучающие диоды и соединения мелкой проволочной сетки могут быть заключены в светопропускающее покрытие и присоединены к оптической среде или непосредственно встроены в оптическую среду. В других вариантах осуществления сетка из ультрафиолетовых светоизлучающих диодов может содержаться в слое электронной ткани, залитой в полимерную структуру. В некоторых вариантах осуществления ультрафиолетовые светоизлучающие диоды могут быть упакованными светоизлучающими диодами, и в этом случае они уже могут включать в себя оптический элемент для распределения света, испускаемого из светодиодной упаковки, в границах широкого угла испускания. В другом варианте осуществления ультрафиолетовые светоизлучающие диоды могут представлять собой светоизлучающие диодные кристаллы, обычно не содержащие оптических элементов, но являющиеся значительно более тонкими, чем упакованные светоизлучающие диоды. Например, светоизлучающие диодные кристаллы могут быть подобраны и размещены на поверхности оптической среды (предпочтительно прикладываемой поверхности, но эмиссионная поверхность также годится из-за малого размера компонентов, которые почти не будут мешать функции светоиспускания упомянутой поверхности), электрически соединены посредством печати проводящей пастой, и наконец светоизлучающие диодные кристаллы и проводники могут быть заключены в тонкий слой/покрытие оптической среды или любой другой защитный слой для нанесения модуля освещения на защищаемую поверхность. Различные варианты осуществления встроенных источников света позволяют коммерциализировать представленную технологию для борьбы с обрастанием в виде пленки для нанесения на корпуса судов.
Система для борьбы с обрастанием защищаемой поверхности может содержать множество модулей освещения, как раскрыто в настоящем документе, для ее расположения на защищаемой поверхности таким образом, чтобы обеспечить свет для борьбы с обрастанием по существу на всей площади защищаемой поверхности.
3
3
2
n
3
3
Силиконовые материалы могут обеспечить оптическое пропускание для ультрафиолетового света с небольшими потерями по сравнению с другими материалами. Это особенно справедливо для света с малой длиной волны, например для ультрафиолетового света с длинами волн менее 300 нм. Особенно эффективная группа силиконовых материалов представляет собой, или по меньшей мере содержит, так называемые полиметилсилоксаны с общей химической формулой CH[Si(CH)O]Si(CH), где «n» означает любое подходящее целое число, как это принято в органической химии. Этот тип силиконовых материалов показывает превосходные свойства пропускания ультрафиолетового света с небольшими потерями, по меньшей мере по сравнению с другими силиконовыми материалами. Кроме того, силиконовые материалы являются гибкими и эластичными, так что они являются прочными, долговечными и способными выдерживать сжатие, такое как при соударениях, столкновениях и т.д. объектов с другими поверхностями, например при столкновениях судна с причальной стенкой. Вместо групп метила в силиконе могут присутствовать также группы фенила, или фенила и метила.
Кроме того, силиконовые материалы позволяют выдерживать деформацию оболочки судна благодаря температурным колебаниям, воздействию волн, изгибу судна при килевой качке и т.д. Кроме того, силиконовые материалы могут быть нанесены и сформированы на поверхностных структурах: сварных швах, заклепках и т.д., присутствующих в или на поверхности. Силиконовые материалы также имеют тенденцию хорошо прилипать к металлам и краскам так, чтобы формировалось защитное покрытие на поверхности. Визуально прозрачные силиконовые материалы позволяют считывать находящиеся под ними отметки (например, нанесенные краской символы). Кроме того, силиконовые материалы обычно являются водоотталкивающими, и могут уменьшить трение и, соответственно, торможение судна. С одной стороны силиконовые материалы могут быть сделаны очень гладкими для того, чтобы уменьшить адгезию организмов биологического обрастания к этому слою и уменьшить трение потока воды, в то время как с другой стороны материал может быть тонко структурирован так, чтобы симулировать кожу акулы, которая, как также известно, уменьшает трение в воде при достаточной скорости относительно окружающей воды. Следует отметить, что структурированная поверхность оптической среды, в частности световода, может создать неблагоприятные условия для полного внутреннего отражения, и тем самым вызвать выход света из световода, который в противном случае остался бы внутри и передавался с полным внутренним отражением. Таким образом, выход света может быть надежно локализован.
Пропускающий ультрафиолетовый свет кремнезем имеет очень низкое поглощение ультрафиолетового света, и таким образом является очень хорошо подходящим в качестве материала световода и оптической среды. Относительно большие объекты могут быть сделаны с использованием множества относительно малых деталей или частей из пропускающего ультрафиолетовый свет кремнезема и/или так называемого «плавленого кварца», сохраняя при этом свойства пропускания ультрафиолетовых лучей также и для большего объекта. Части из кремнезема встраиваются в силиконовый материал, защищающий материал из кремнезема. В такой комбинации части из кремнезема могут обеспечивать прозрачные для ультрафиолетовых лучей рассеивающие элементы в оптической среде из силиконового материала для (пере)распределения света в оптической среде и/или для облегчения вывода света из световода. Кроме того, частицы кремнезема и/или частицы другого твердого, прозрачного для ультрафиолетового света материала, могут усиливать силиконовый материал. В частности, могут использоваться чешуйчатые частицы кремнезема, которые при их высокой плотности, вплоть до 50%, 70% или даже выше, содержания кремнезема в силиконовом материале могут обеспечивать прочный слой, который может противостоять ударам. Считается, что по меньшей мере часть оптической среды или световода может быть снабжена пространственно изменяющейся плотностью пропускающих ультрафиолетовый свет частиц кремнезема, в частности хлопьев, по меньшей мере частично встроенных в силиконовый материал, например для того, чтобы изменять оптические и/или структурные свойства. Здесь «хлопья» обозначают объекты, имеющие такие размеры в трех декартовых направлениях, что два из трех размеров могут взаимно отличаться, однако каждый из них является значительно большим, например в 10, 20 или значительно больше раз, например в сотни раз, чем третий размер.
В вариантах осуществления, в тех частях оптической среды, которые находятся близко к эмиссионной поверхности для испускания света для борьбы с обрастанием из оптической среды, плотность прозрачных для ультрафиолетового света частиц кремнезема в силиконовом материале может увеличиваться в направлении от внутренности оптической среды к эмиссионной поверхности оптической среды так, чтобы у эмиссионной поверхности или около нее обеспечивалась относительно высокая плотность частиц кремнезема. Хотя могут использоваться более или менее сферические и/или случайной формы частицы, хлопья кремнезема субмиллиметровой длины, например с типичными размерами вплоть до нескольких микрометров, могут быть расположены настолько близко друг к другу, что под влиянием очень локальных сил, таких как точечные удары остроконечных объектов и/или локализованные удары тупых объектов, включая царапины, разрывы и т.д., эти хлопья могут иметь некоторую, хотя бы и небольшую, свободу перемещения в гибком силиконовом материале, так что они могут немного перегруппировываться, рассеивая энергию ударного разрушения и уменьшая повреждения световода в целом. Таким образом, может быть найден баланс свойств, который приводит к жесткому, и в то же время способному несколько деформироваться слою, обеспечивающему при этом желаемые оптические качества. В одном варианте осуществления пропорция силиконового материала в оптической среде постепенно изменяется от приблизительно 100% (то есть по существу чистый силиконовый материал) до менее чем приблизительно 5% (т.е. главным образом кремнезем) от одной стороны оптической среды до противоположной стороны.
Следует отметить, что могут использоваться частицы, в частности в форме хлопьев, другого материала, отличающегося от кремнезема, например стекла или слюды. Такие другие материалы могут также служить в качестве рассеивающих элементов света для борьбы с обрастанием. Также могут быть предусмотрены смеси частиц различных материалов, которые могут содержать смеси прозрачных, непрозрачных и/или оптически активных частиц. Композиции таких смесей могут изменяться по световоду, например для того, чтобы регулировать пропускание световода для света для борьбы с обрастанием, в частности в том случае, если в некоторых частях используются относительно большие количества плохо пропускающих частиц.
Для производства оптической среды может быть сформирован ряд слоев силиконового материала, каждый из которых возможно имеет другой состав в плане количества и/или плотности частиц кремнезема. Эти слои могут быть очень тонкими, и по меньшей мере некоторые из них могут быть нанесены с помощью методики «влажное на влажном», то есть путем обеспечения силиконового материала слоя в жидкой или желеобразной форме, которая должна затвердеть в желаемый слой, причем последующий слой наносится на предыдущий слой до того, как тот полностью затвердеет. Таким образом обеспечивается хорошая адгезия между слоями, и в конечном продукте различные слои могут быть практически неразличимыми, и может быть достигнуто постепенное изменение состава. Различные слои могут быть подходящим образом сформированы и/или нанесены путем распыления материала слоя. Слоистый материал может быть сформирован с любой подходящей толщиной при надлежащем управлении качеством. Следует отметить, что оптическая среда, которая составляет существенную часть поверхности модуля освещения, может быть присоединена к защищаемой поверхности любым подходящим способом, включая склеивание. Силиконовые материалы имеют тенденцию к прочной адгезии с керамическими, стекловидными и металлическими материалами, и поэтому распыление или намазывание силиконового материала является весьма подходящим способом формирования и присоединения оптической среды к подложке. Распыленная и/или намазанная оптическая среда также может быть легко изготовлена в различных желаемых формах, например, следуя ватерлинии, конкретным отметкам и/или формам поверхности. Методика наслаивания может также облегчить ориентирование частиц в силиконовом материале, например расположение хлопьев в целом параллельно направлению прохождения слоя и поверхности, покрытой этим слоем.
В другом аспекте модуля освещения оптическая среда содержит промежутки, например каналы, которые заполнены газом и/или чистой жидкостью, например водой, для направления через них света, и связанный способ содержит распределение по меньшей мере части света через такие промежутки в оптической среде. Было найдено, что оптическое пропускание для ультрафиолетового света через газообразное вещество, в частности воздух, обычно значительно лучше, чем пропускание света через твердый материал, который может, даже если он считается просвечивающим или прозрачным, показывать потери на поглощение вплоть до нескольких процентов на миллиметр. Чистая жидкость дает небольшое рассеивание, может хорошо проводить ультрафиолетовый свет, а также может обеспечивать структурную прочность полостей в оптической среде по сравнению с заполнением этих полостей газом. Было найдено, что вода, особенно пресная вода, имеет относительно высокое и подходящее пропускание ультрафиолетового света. Загрязнение и/или поглощение ультрафиолетового света могут быть также и/или дополнительно уменьшены за счет использования дистиллированной, деминерализованной и/или иным образом очищенной воды. Следовательно, считается особенно выгодным передавать свет через заполненное газом и/или жидкостью пространство. Для распределения света по защищаемой поверхности такое заполненное газом и/или жидкостью пространство предпочтительно должно быть хорошо определено, и в оптической среде могут быть предусмотрены каналы. Свет, который в конечном счете попадает на стенки каналов, может входить в оптическую среду и испускаться из оптической среды в направлении от защищаемой поверхности и в жидкую окружающую среду для того, чтобы обеспечить свет для борьбы с обрастанием. Оптическая среда, в которой определяются воздушные каналы, которые сами по себе обладают хорошей прозрачностью к свету для борьбы с обрастанием, дополнительно гарантирует, что, если бы оптическая среда дала протечку, и жидкая среда вошла в оптическую среду, сгенерированный свет для борьбы с обрастанием продолжал бы подходящим образом проходить через оптическую среду. Каналы могут иметь изменяющийся диаметр. Локализованные части канала или карманы могут быть снабжены стенными частями, определяющими и содержащими отдельные объемы, (намного) большие, чем размер и/или толщина соответствующих стенных частей, например аналогично упаковочному продукту, продаваемому под фирменным названием «Пузырчатый упаковочный материал».
В одном конкретном варианте осуществления такая газосодержащая оптическая среда содержит силиконовый материал, определяющий заполненные газом и/или жидкостью каналы и/или другие пространства; силиконовые материалы также могут быть сформированы так, чтобы они определяли фигурные структуры. Дополнительные преимущества силиконовых материалов кремнийорганического материала, с дополнительными объектами, такими как частицы кремнезема, или без них, были изложены выше.
В одном варианте осуществления каналы и/или другие пространства обеспечиваются путем формирования двух противоположных слоев силиконового материала, удерживаемых на желаемом расстоянии друг от друга с помощью стенных частей и/или столбиков из силиконового материала, создающих некоторое расстояние, например воздушный зазор между слоями. Такие стенные части и/или столбики могут служить в качестве рассеивающих центров для (пере)распределения света через (каналы в) оптическую среду, и/или для направления света из заполненного газом и/или жидкостью пространства (пространств) в силиконовый материал. Это облегчает локализацию испускания света из оптической среды в жидкую окружающую среду, где свет для борьбы с обрастанием должен использоваться.
По меньшей мере часть света для борьбы с обрастанием, излучаемого одним или более источниками света, может быть распределена в направлении, имеющем компонент, по существу параллельный защищаемой поверхности, или по существу параллельный прикладываемой поверхности пленки, когда модуль освещения обеспечивается в виде пленки. Это облегчает распределение света по значительным расстояниям вдоль защищаемой поверхности или прикладываемой поверхности пленки, что способствует получению подходящего распределения интенсивности света для борьбы с обрастанием.
В оптической среде может содержаться материал, преобразующий длину волны, и по меньшей мере часть света для борьбы с обрастанием может генерироваться за счет фотовозбуждения материала, преобразующего длину волны, светом, имеющим первую длину волны, заставляющим материал преобразования длины волны излучать свет для борьбы с обрастанием с другой длиной волны. Материал преобразования длины волны может быть обеспечен в виде повышающего частоту люминофора, квантовых точек, нелинейных сред, таких как одно или более волокон из фотонных кристаллов и т.д. Поскольку потери на поглощение и/или потери на рассеяние в оптической среде для света различных, главным образом более длинных длин волн, чем ультрафиолетовый свет, имеют тенденцию быть менее выраженными в оптических средах, может быть более энергоэффективным генерировать неультрафиолетовый свет и передавать его через оптическую среду, и генерировать ультрафиолетовый свет для борьбы с обрастанием у желаемого места его использования или около него. Подходящий свет для борьбы с обрастанием имеет диапазон длин волн ультрафиолетового или опционально также синего света от приблизительно 220 нм до приблизительно 420 нм, в частности с длинами волн короче, чем приблизительно 300 нм, например от приблизительно 240 нм до приблизительно 280 нм.
Когда применяется материал преобразования длины волны, фраза «источник света, выполненный с возможностью генерирования света для борьбы с обрастанием» может интерпретироваться как источник света для генерирования в комбинации с материалом преобразования длины волны для получения света для борьбы с обрастанием. Сам источник света или материал преобразования длины волны при преобразовании света источника света с изменением длины волны, или оба из них обеспечивают упомянутый свет для борьбы с обрастанием.
В вариантах осуществления оптическая среда содержит распределитель света, расположенный перед по меньшей мере одним источником света для генерирования света для борьбы с обрастанием для того, чтобы распределять по меньшей мере часть света для борьбы с обрастанием, излучаемого по меньшей мере одним источником света, в направлении, имеющем компонент, по существу параллельный защищаемой поверхности. Одним примером распределителя света может быть «обратный» конус, расположенный в оптической среде напротив по меньшей мере одного источника света, где обратный конус имеет площадь поверхности с углом 45° перпендикулярно защищаемой поверхности для отражения света, излучаемого источником света перпендикулярно к упомянутой поверхности в направлении, по существу параллельном упомянутой поверхности. В вариантах осуществления оптическая среда содержит световод, расположенный перед по меньшей мере одним источником света для генерирования света для борьбы с обрастанием, причем этот световод имеет поверхность входа света для входа света для борьбы с обрастанием от по меньшей мере одного источника света и поверхность выхода света для выхода света для борьбы с обрастанием в направлении от защищаемой поверхности; причем этот световод содержит материал световода, имеющий показатель преломления выше, чем показатель преломления жидкой окружающей среды, так что по меньшей мере часть света для борьбы с обрастанием распространяется через световод посредством полного внутреннего отражения в направлении, по существу параллельном защищаемой поверхности, до его выхода из поверхности выхода света. Некоторый вариант осуществления может содержать оптическую среду, которая объединяет светораспределитель и световод, или интегрирует светораспределяющие особенности со светонаправляющими особенностями в оптическую среду. В вариантах осуществления светораспределитель и/или световод покрывает защищаемую поверхность. В других вариантах осуществления светораспределитель и/или световоде предусматривается в форм-факторе пленки для нанесения на защищаемую поверхность.
Один вариант осуществления системы для предотвращения обрастания может содержать:
- ряд ультрафиолетовых светоизлучающих диодов для генерирования света для борьбы с обрастанием;
- светораспределитель для распределения света для борьбы с обрастанием из светодиодных точечных источников по защищаемой поверхности; и
- световод (или волновод) для дополнительного направления/распределения света для борьбы с обрастанием по поверхности, содержащий тонкий слой силиконового материала, прозрачного для ультрафиолетового света, с частицами кремнезема или без них или с одной или более частями, покрытыми кремнеземом.
Когда по существу вся защищаемая поверхность покрывается светоизлучающей оптической средой для борьбы с обрастанием, она существенно уменьшает рост микроорганизмов на этой среде. Поскольку микроорганизмы уничтожаются на эмиссионной поверхности оптической среды, корпус непрерывно очищается потоком воды вдоль корпуса, который уносит мусор от судна, и у микроорганизмов не остается возможности нарастания на корпусе.
Преимуществом предложенных решений является то, что микроорганизмы не уничтожаются после их прилипания и укоренения на загрязняющейся поверхности, как это имеет место для известных рассеивающих ядовитые вещества покрытий, а вместо этого предотвращается само укоренение микроорганизмов на загрязняющейся поверхности. Более эффективно активно уничтожать микроорганизмы непосредственно перед или сразу после того, как они войдут в контакт с загрязняющейся поверхностью, по сравнению со световой обработкой для удаления уже существующего обрастания с большими структурами микроорганизмов. Этот эффект может быть подобен эффекту, создаваемому при использовании наноповерхностей, которые являются настолько гладкими, что микроорганизмы не могут прилипнуть к ним.
Поскольку для того, чтобы уничтожить микроорганизмы на начальной стадии укоренения, требуется небольшое количество световой энергии, система может работать непрерывно, обеспечивая свет для борьбы с обрастанием на большой поверхности при небольших энергетических потребностях.
Сетка светоизлучающих диодов, создающая поверхность освещения, может быть снабжена средствами сбора энергии, такими как, например, встроенные солнечные батареи, небольшие турбины, работающие в воде, пьезоэлектрические элементы, работающие от давления волн, и т.д. С этой целью система освещения может также включать в себя энергетическую систему для обеспечения энергией источника света и других электрических компонентов.
2
Некоторые преимущества предлагаемой технологии включают в себя сохранение чистой поверхности, снижение стоимости антикоррозионной обработки, уменьшение расхода топлива для судов, уменьшение времени обслуживания для корпусов, уменьшение выбросов CO, уменьшенное использование токсичных веществ и т.д. По существу плоская и гладкая эмиссионная поверхность дополнительно имеет то преимущество, не увеличивает трение и может дополнительно уменьшать трение за счет покрытия оптической средой имеющихся шероховатостей (заклепки, сварные швы и т.д.) защищаемой поверхности.
Объект (см. также ниже) может содержать один или более элементов, которые по меньшей мере временно подвергаются воздействию жидкости. Такой элемент может включать в себя первую поверхность элемента, которая может по меньшей мере временно подвергаться воздействию жидкости. Такой элемент может также содержать вторую поверхность элемента, которая может быть направлена к телу объекта.
Вместо или в дополнение к силикону в качестве материала для оптической среды может быть применен один или более материалов, выбираемых из группы, состоящей из пропускающего органического материала, такого как материал, выбираемый из группы, состоящей из полиэтилена (PE), полипропилена (PP), полиэтиленнафталата (PEN), поликарбоната (PC), полиметилакрилата (PMA), полиметилметакрилата (PMMA) (Плексиглас или Perspex), ацетобутирата целлюлозы (CAB), поливинилхлорида (PVC), полиэтилентерефталата (PET), модифицированного гликолем полиэтилентерефталата (PETG), полидиметилсилоксана (PDMS) и циклоолефинового сополимера (COC). Предпочтительно оптическая среда не является жесткой. Например, оптическая среда может быть нанесена на корпус судна. Однако оптическая среда также может быть создана на корпусе судна материалом покрытия корпуса, формируя тем самым оптическую среду.
Оптическая среда выполнена с возможностью получать от источника света по меньшей мере часть света для борьбы с обрастанием. Следовательно, предпочтительно источник света и оптическая среда являются радиационно связанными. Термин «радиационно связанные» означает, что источник света и оптическая среда связаны друг с другом таким образом, что по меньшей мере часть излучения, испускаемого источником света, получается оптической средой. Оптическая среда выполнена с возможностью распределения света для борьбы с обрастанием через оптическую среду. Это возможно вследствие того, что оптическая среда предпочтительно имеет световодные (волноводные) свойства. Опционально, источник света является встроенным в оптическую среду (см. также ниже).
Кроме того, оптическая среда может также включать в себя структуры вывода излучения для вывода наружу света для борьбы с обрастанием. Следовательно, свет для борьбы с обрастанием, который может быть захвачен внутри оптической среды полным внутренним отражением, может выходить наружу благодаря выводу излучения через структуру вывода излучения. Эти структуры вывода излучения могут быть встроенными в оптическую среду и/или могут быть сконфигурированными на поверхности оптической среды. В частности структуры вывода излучения, опционально в комбинации с отражателем по меньшей мере на части первой поверхности среды, выполнены с возможностью облегчения испускания света для борьбы с обрастанием из эмиссионной поверхности в направлении от первой поверхности среды (то есть во время использования модуля освещения: от первой поверхности элемента). Этот свет используется для того, чтобы предотвратить биологическое обрастание и/или удалить биологическое обрастание эмиссионной поверхности модуля освещения.
Как указано выше и ниже, модуль освещения может по существу состоять из оптической среды. Например, одно или больше из системы управления и источника питания может быть встроенным в оптическую среду. Кроме того, поскольку одиночный светоизлучающий диод может обеспечить свет для борьбы с обрастанием на большой площади оптической среды, в одном варианте осуществления площадь поверхности модуля освещения может составлять по меньшей мере 80% оптической среды. Оптическая среда может использоваться для герметизации элемента. Следовательно, первая поверхность среды может быть площадь поверхности, по существу равную площади первой поверхности элемента, хотя она также может быть меньше, когда применяется множество оптических сред (см. также ниже). Предпочтительно первая поверхность среды находится в физическом контакте с первой поверхностью элемента. Еще более предпочтительно вся первая поверхность среды находится в физическом контакте с первой поверхностью элемента. Фраза «с эмиссионной поверхностью, расположенной дальше от первой поверхности элемента, чем первая поверхность среды» означает, что первая поверхность оптической среды находится ближе к первой поверхности элемента, чем эмиссионная поверхность. Таким образом, свет для борьбы с обрастанием может выходить в направлении от элемента. Как указано выше, в некотором варианте осуществления по меньшей мере часть первой поверхности среды, или особенно всей первой поверхности среды, может находиться в физическом контакте с (первой поверхностью) элемента.
Более одного модуля освещения может применяться к единственному элементу. Следовательно, термин «осветительный модуль» может также относиться ко множеству осветительных модулей. Кроме того, единственная система освещения может включать в себя множество оптических сред. Следовательно, термин «оптическая среда» может также относиться ко множеству оптических сред. Конечно, система освещения для борьбы с обрастанием может также включать в себя множество элементов. Следовательно, как указано выше, термин «элемент» может также относиться ко множеству осветительных элементов.
В одном варианте осуществления осветительный модуль содержит упомянутую систему управления и опционально также источник питания. Таким образом, система может быть обеспечена у первой поверхности элемента без необходимости в сквозных отверстиях в этом элементе. Это может быть выгодно, среди прочего, принимая во внимание защиту элемента. Кроме того, источник питания может опционально включать в себя локальную систему сбора энергии, такую как система, которая генерирует электроэнергию из воды, в частности морской воды, и/или фотоэлектрическая система. Обе системы могут быть выгодно расположены на таком элементе, причем первая предпочтительно ниже (ожидаемой) ватерлинии, а последняя предпочтительно выше (ожидаемой) ватерлинии.
Как указано выше, система управления выполнена с возможностью управления интенсивностью света для борьбы с обрастанием в зависимости от одного или более из сигнала обратной связи и таймера.
Термин «система управления» может относиться к электронной схеме, такой как чувствительный элемент в схеме, которая после достижения порогового уровня позволяет или индуцирует другое действие, такое как включение или выключение света, и/или может относиться к блоку управления, который может включить в себя (программируемое) программное обеспечение. В одном варианте осуществления система управления включает в себя (линейную) систему обратной связи. Система управления таким образом может быть выполнена с возможностью управления модулем освещения (особенно его светом для борьбы с обрастанием). Термин, «управлять интенсивностью» может относиться к состоянию включения/выключения света для борьбы с обрастанием, но может альтернативно или дополнительно также относиться к высокой и низкой интенсивности света для борьбы с обрастанием. Он может также относиться к ступенчатому или плавному увеличению или уменьшению света для борьбы с обрастанием между максимумом и минимумом (таким как нулевая интенсивность).
Таймер может быть например системой, которая включает модуль освещения для того, чтобы обеспечить свет во время определенного периода, и выключает его во время другого периода. Следовательно, в одном варианте осуществления система освещения выполнена с возможностью обеспечения света для борьбы с обрастанием пульсирующим образом, в котором периоды света для борьбы с обрастанием чередуются с периодами без света для борьбы с обрастанием. С этой целью, например, система управления в комбинации с таймером может быть применена для того, чтобы обеспечить свет для борьбы с обрастанием пульсирующим образом. Световые импульсы могут включать в себя одно или более из блочных (квадратных) импульсов, треугольных импульсов, пилообразных импульсов, однополярных синусоидальных импульсов (как например при выпрямлении) и т.д. Частота может варьироваться от секунд до часов, или даже дней. Опционально пульсирующий свет может включать в себя медленные и быстрые импульсы, например включение на 3 час и выключение на 3 час, причем во время включенного состояния свет обеспечивается с частотой в диапазоне от 0,001 до 200 Гц, например от 0,01 до 20 Гц. При использовании пульсирующего света, особенно с относительной низкой частотой, такой как < 0,01 Гц, биологическое обрастание может формироваться в темные периоды, и во время периода включения биологическое обрастание может быть эффективно удалено. Таким образом меньшее количество света может быть потрачено впустую. В одном варианте осуществления свет для борьбы с обрастанием включается на 0,2-10 мин каждый час. В еще одном варианте осуществления свет для борьбы с обрастанием включается на 30-300 мин каждый день, то есть каждые 24 часа. Время включения и/или время выключения может быть переменным, например оно может основываться на сигнале обратной связи.
Система управления также может включать в себя чувствительный элемент. Термин «чувствительный элемент» может также относиться ко множеству чувствительных элементов. Типичный вариант осуществления системы освещения для борьбы с обрастанием может предпочтительно включать в себя следующее:
- Чувствительные элементы для одного или более параметров (см. ниже);
- Программное обеспечение для вычисления необходимой мощности на основе значений параметра и знания (например, предопределенных настроек) минимальной энергии для предотвращения обрастания;
- Блок управления для регулирования эффективной выходной мощности; в целом, или по секциям, например, корпуса или другого элемента.
В одном конкретном варианте осуществления система управления выполнена с возможностью управления интенсивностью света для борьбы с обрастанием в зависимости от обратной связи чувствительного элемента, причем чувствительный элемент выполнен с возможностью измерения одного или более из (i) скорости судна, содержащего упомянутый модуль освещения, (ii) относительной скорости потока воды (со стороны загрязняющейся поверхности), (iii) температуры воды (со стороны загрязняющейся поверхности), (iv) загрузки судна, содержащего упомянутый модуль освещения, (v) положения загрязняющейся поверхности относительно уровня воды (со стороны загрязняющейся поверхности), и (vi) присутствия одного или более загрязняющих организмов и их питательных веществ в воде (со стороны загрязняющейся поверхности).
Следовательно, в одном варианте осуществления чувствительный элемент выполнен с возможностью измерения скорости судна, содержащего упомянутый модуль освещения. Чувствительный элемент может быть выполнен с возможностью определения этого путем измерения скорость судна относительно воды, или может получать сигнал от центра управления судна, который содержит информацию о скорости. Следовательно, в одном конкретном варианте осуществления чувствительный элемент выполнен с возможностью измерения относительной скорости потока воды (со стороны загрязняющейся поверхности). Например, при встречном течении низкая скорость судна относительно поверхности земли может быть достаточно высокой для того, чтобы предотвратить биологическое обрастание. В таком случае свет для борьбы с биологическим обрастанием может быть выключен. Однако при попутном течении высокая скорость судна относительно поверхности земли может быть достаточно низкой для того, чтобы позволять биологическое обрастание. В таком случае свет для борьбы с биологическим обрастанием может быть включен.
В одном дополнительном варианте осуществления чувствительный элемент выполнен с возможностью измерения температуры воды (со стороны загрязняющейся поверхности) упомянутой оптической среды. Известно, что в (ант)арктических водах биологическое обрастание может быть по существу нулевым, тогда как в тропических водах биологическое обрастание может быть очень быстрым. Система управления может включать и выключать модуль освещения в зависимости от температуры, измеряемой чувствительным элементом.
В еще одном дополнительном варианте осуществления чувствительный элемент выполнен с возможностью измерения загрузки судна, содержащего упомянутый модуль освещения. Это может быть простым измерением, в котором чувствительный элемент в элементе или в модуле освещения определяет, находится ли вода перед чувствительным элементом. Если чувствительный элемент погружен в воду, модуль освещения может быть включен благодаря взаимодействию между системой управления и чувствительным элементом. Если чувствительный элемент не погружен в воду, модуль освещения может быть выключен. Следовательно, в одном конкретном варианте осуществления чувствительный элемент выполнен с возможностью измерения положения загрязняющейся поверхности относительно уровня воды (со стороны загрязняющейся поверхности). Однако в другом варианте осуществления чувствительный элемент может получать от центра управления судном сигнал, который содержит информацию о приблизительной загрузке судна. Следовательно, чувствительный элемент может быть выполнен с возможностью измерения, прямо или косвенно, загрузки судна, содержащего упомянутый модуль освещения.
2
2
В еще одном дополнительном варианте осуществления чувствительный элемент выполнен с возможностью обнаружения присутствия одного или более загрязняющих организмов и их питательных веществ в воде (со стороны загрязняющейся поверхности). Когда уровень достигает определенного порога, тогда система управления может включить свет для борьбы с обрастанием; когда порог не достигается, система управления может выключить свет для борьбы с обрастанием. Например, такой чувствительный элемент может быть выполнен с возможностью обнаружения одного или более из бактерий, сахара, а также других питательных веществ для разновидностей, формирующих биологическое обрастание. Следовательно, термин «присутствие» может также включать в себя концентрацию. Такой чувствительный элемент может, например, включать в себя датчик CO, датчик (растворенного) O, датчик оптической плотности бактерий или другой тип биодатчика, и т.д. Кроме того, дополнительно или альтернативно чувствительный элемент может включать в себя чувствительный элемент, выполненный с возможностью обнаружения присутствия загрязняющего организма на загрязняющейся поверхности, например в вариантах осуществления эмиссионной поверхности. Такой чувствительный элемент может включать в себя оптический чувствительный элемент, такой как чувствительный элемент, выполненный с возможностью измерения одного или более из поглощения излучения, отражения излучения, пропускания излучения и испускания излучения. Здесь термин «излучение» относится к одному или более из ультрафиолетового излучения, видимого света и инфракрасного излучения, предпочтительно к одному или более из ультрафиолетового излучения и видимого света.
Вышеупомянутые чувствительные элементы описываются относительно их использования на судне, находящемся в воде. Однако чувствительные элементы могут быть применены также в других приложениях и/или других жидкостях. Кроме того, чувствительные элементы в частности описываются в отношении состояния включения/выключения. Однако опционально или дополнительно это может относиться к высокой интенсивности и низкой интенсивности света для борьбы с обрастанием. Кроме того, чувствительный элемент каждый раз описывается как имеющий единственную функцию. Однако единственный чувствительный элемент в вариантах осуществления может включать в себя различные чувствительные элементы. Кроме того, может использоваться множество чувствительных элементов, которые могут измерять одно и то же свойство в различных положениях и/или могут измерять множество свойств.
Система освещения для борьбы с обрастанием может содержать множество источников света. Например, модуль освещения может содержать множество источников света. Альтернативно или дополнительно к этому система освещения для борьбы с обрастанием может содержать множество модулей освещения. Также в этом варианте осуществления система освещения для борьбы с обрастанием может содержать множество источников света. Следовательно, система освещения для борьбы с обрастанием или модуль освещения, соответственно, могут содержать два или более подмножеств, которыми можно управлять независимо.
Как указано выше, система управления предпочтительно выполнена с возможностью управления интенсивностью света для борьбы с обрастанием в зависимости от одного или более из (i) сигнала обратной связи, относящегося к риску биологического обрастания, и (ii) таймера для основанного на времени варьирования интенсивности света для борьбы с обрастанием. Однако альтернативно или дополнительно система управления выполнена с возможностью управления интенсивностью света для борьбы с обрастанием первого источника света в зависимости от интенсивности света для борьбы с обрастанием другого источника света. Следовательно, в одном варианте осуществления система освещения для борьбы с обрастанием содержит множество источников света, а система управления выполнена с возможностью управления интенсивностью света для борьбы с обрастанием первого источника света в зависимости от интенсивности света для борьбы с обрастанием другого источника света. В еще одном дополнительном варианте осуществления модуль освещения содержит множество источников света, а система управления выполнена с возможностью управления интенсивностью света для борьбы с обрастанием первого источника света в зависимости от интенсивности света для борьбы с обрастанием другого источника света.
Следовательно, в одном варианте осуществления система управления выполнена с возможностью управления интенсивностью света для борьбы с обрастанием в зависимости от (i) сигнала обратной связи, относящегося к риску биологического обрастания, и опционально одного или более из (ii) таймера для основанного на времени варьирования интенсивности света для борьбы с обрастанием, и (iii) другого параметра (параметров), определенного в настоящем документе.
В еще одном варианте осуществления система управления выполнена с возможностью управления интенсивностью света для борьбы с обрастанием в зависимости от одного или более из (i) таймера для основанного на времени варьирования интенсивности света для борьбы с обрастанием, и опционально одного или более из (ii) сигнала обратной связи, относящегося к риску биологического обрастания, и (iii) другого параметра (параметров), определенного в настоящем документе.
В еще одном варианте осуществления система управления выполнена с возможностью управления интенсивностью света для борьбы с обрастанием в зависимости от параметра (параметров), определенного в настоящем документе, отличающегося от одного или более из (i) сигнала обратной связи, относящегося к риску биологического обрастания, и (ii) таймера для основанного на времени варьирования интенсивности света для борьбы с обрастанием; однако опционально в комбинации с одним или более из (i) сигнала обратной связи, относящегося к риску биологического обрастания, и (ii) таймера для основанного на времени варьирования интенсивности света для борьбы с обрастанием.
Следовательно, в одном варианте осуществления определенный в настоящем документе объект содержит множество модулей освещения, расположенных (в матрице) по меньшей мере над частью высоты (h) объекта, причем система управления выполнена с возможностью управления интенсивностью света для борьбы с обрастанием в зависимости от положения загрязняющихся поверхностей относительно уровня воды со стороны поверхности системы. Например, может быть предложено судно, содержащее множество модулей освещения, расположенных (в матрице) по меньшей мере над частью высоты (h) корпуса, причем система управления выполнена с возможностью управления интенсивностью света для борьбы с обрастанием в зависимости от положения одного или более из первых поверхностей элемента и эмиссионных поверхностей относительно уровня воды со стороны первых поверхностей элемента. В частности, высота объекта определяется как высота объекта при его использовании, например в воде, от самой низкой точки ниже уровня жидкости до самой высокой точки объекта. Высота элементов такого объекта определяется высотой, определенной относительно вертикального направления от самой низкой точки до самой высокой точки. Например, высота корпуса может быть высотой от киля до, например, леерного ограждения. Нежелательный свет для борьбы с обрастанием выше ватерлинии может быть с выгодой уменьшен (и непроизводительные затраты света и энергии могут быть уменьшены), тогда как ниже ватерлинии свет для борьбы с обрастанием может обеспечиваться. Это также улучшает безопасность людей и/или животных, поскольку желательно, чтобы облучение людей ультрафиолетовым светом было настолько низким, насколько это возможно.
Кроме того, вышеприведенные варианты осуществления, включающие чувствительный элемент, не исключают комбинации с таймером. Например, таймер в комбинации с системой управления может уменьшать интенсивность света для борьбы с обрастанием в течение ночи и может увеличивать эту интенсивность в течение дня.
Опять же, те же самые варианты осуществления, что и описанные для судна, могут относиться к подвижной конструкции, находящейся в воде.
В еще одном дополнительном аспекте настоящее изобретение предлагает способ для борьбы с обрастанием загрязняющейся поверхности объекта, который во время его использования, по меньшей мере временно подвергается воздействию воды или другой жидкости (которая может вызывать биологическое обрастание), содержащий: (a) обеспечение определенного в настоящем документе модуля освещения; (b) генерирование света для борьбы с обрастанием в зависимости от одного или более из (i) сигнала обратной связи, относящегося к риску биологического обрастания, и (ii) таймера для основанного на времени изменения интенсивности света для борьбы с обрастанием; и (c) подачу упомянутого света для борьбы с обрастанием к упомянутой загрязняющейся поверхности, как дополнительно определено в приложенной формуле изобретения.
2
В одном конкретном варианте осуществления настоящее изобретение предлагает также способ для борьбы с обрастанием элемента, который (во время его использования) по меньшей мере частично погружается в жидкость, причем этот элемент содержит первую поверхность элемента (и вторую поверхность), имеющую площадь по меньшей мере 0,4 м, содержащий: (a) обеспечение модуля освещения, содержащего (i) источник света, выполненный с возможностью генерирования света для борьбы с обрастанием, и (ii) оптическую среду, выполненную с возможностью получения по меньшей мере части света для борьбы с обрастанием, а также выполненную с возможностью распределения по меньшей мере части света для борьбы с обрастанием через оптическую среду, причем эта оптическая среда содержит (iia) первую поверхность среды, предпочтительно имеющую площадь по меньшей мере 0,4 м2, причем первая поверхность этой оптической среды направлена к первой поверхности элемента, и (iib) эмиссионную поверхность, выполненную с возможностью испускания по меньшей мере части распределенного света для борьбы с обрастанием в направлении от первой поверхности оптической среды, тогда как в одном конкретном варианте осуществления по меньшей мере часть модуля освещения выполнена с возможностью герметизации по меньшей мере части первой поверхности элемента эмиссионной поверхностью, находящейся дальше от первой поверхности элемента, чем первая поверхность среды; и (b) генерирование света для борьбы с обрастанием в зависимости от одного или более из сигнала обратной связи и таймера. В таком варианте осуществления загрязняющаяся поверхность может содержать эмиссионную поверхность, например когда оптическая среда герметизирует первую поверхность элемента. Опционально и дополнительно дополнительный свет для борьбы с обрастанием может подаваться к другой защищаемой поверхности (которая не является эмиссионной поверхностью).
Фраза «способ для борьбы с обрастанием» означает, что обрастание предотвращается и/или обрастание может быть удалено. Следовательно, способ может быть радикальным и/или профилактическим. Способ может, в частности, дополнительно содержать управление интенсивностью света для борьбы с обрастанием в зависимости от обратной связи чувствительного элемента, такой как, среди прочих, определенная выше. Например, можно вообразить схему «3 часа выключения, 5 минут включения» (см. также другие схемы выше).
В еще одном дополнительном аспекте настоящее изобретение предлагает способ обеспечения системы освещения для борьбы с обрастанием для объекта, который во время его использования по меньшей мере временно подвергается воздействию воды, содержащий присоединение определенного в настоящем документе модуля освещения к объекту (такому как его элемент), причем модуль освещения выполнен с возможностью подачи упомянутого света для борьбы с обрастанием к загрязняющейся поверхности одного или более из объекта и модуля освещения, присоединенного к объекту, как дополнительно определено в приложенной формуле изобретения. В частности, объект выбирается из группы, состоящей из судна, плотины, дамбы, рыбного или устричного садка, водовода, клетки для разведения рыбы, бакена и т.д.
Используемый в настоящем документе термин «по существу», такой как «по существу весь свет» или «по существу состоит из», будет понятным специалистам в данной области техники. Термин «по существу» может также включать в себя варианты осуществления «в целом», «полностью», «все» и т.д. Следовательно, в вариантах осуществления прилагательное «существенно» также может быть удалено. Когда это применимо, термин «по существу» может также относиться к 90% или больше, например к 95% или больше, предпочтительно к 99% или больше, и еще более предпочтительно к 99,5% или больше, включая 100%. Термин «содержит» включает в себя также варианты осуществления, в которых термин «содержит» означает «состоит из». Термин «и/или» относится к одной или более сущностям, упомянутым до и после термина «и/или». Например, фраза «сущность 1 и/или сущность 2» и подобные ей фразы могут относиться к одной или более из сущности 1 и сущности 2. Термин «содержащий» в одном варианте осуществления может относиться к термину «состоящий из», но в другом варианте осуществления может также относиться к термину «содержащий по меньшей мере определенные разновидности и опционально одну или более других разновидностей».
Кроме того, термины «первый», «второй», «третий» и т.п. в описании и в формуле изобретения используются для различения подобных элементов, а не обязательно для того, чтобы описать последовательный или хронологический порядок. Следует понимать, что используемые таким образом термины являются взаимозаменяемыми при соответствующих обстоятельствах, и что описанные в настоящем документе варианты осуществления настоящего изобретения могут работать в других последовательностях, отличающихся от описанных или проиллюстрированных в настоящем документе.
Эти устройства в настоящем документе находятся среди других, описываемых во время работы. Как будет понятно специалисту в данной области техники, настоящее изобретение не ограничивается способами работы или устройствами, участвующими в работе.
Следует отметить, что вышеупомянутые варианты осуществления иллюстрируют, а не ограничивают настоящее изобретение, и что специалисты в данной области техники будут в состоянии разработать альтернативные варианты осуществления, не отступая от области охвата прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения любые ссылочные знаки, помещенные в круглые скобки, не должны рассматриваться как ограничивающие соответствующий пункт формулы изобретения. Использование глагола «содержать» и его спряжений не исключает присутствия элементов или стадий, отличающихся от заявленных в формуле изобретения. Упоминание элементов в единственном числе не исключает наличия множества таких элементов. Настоящее изобретение может быть осуществлено посредством технических средств, содержащих несколько различных элементов, а также посредством подходящим образом запрограммированного компьютера. В пункте формулы изобретения, описывающем устройство и перечисляющем несколько средств, некоторые из этих средств могут быть воплощены одним и тем же аппаратным средством. Тот факт, что некоторые меры приведены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинация этих мер не может быть использована для получения выгоды.
Настоящее изобретение дополнительно относится к устройству, содержащему одну или более характеризующих особенностей, описанных в описании и/или показанных в прилагаемых чертежах. Настоящее изобретение дополнительно относится к способу или процессу, содержащему одну или более характеризующих особенностей, описанных в описании и/или показанных в прилагаемых чертежах.
Различные аспекты, обсужденные в этом патенте, могут быть скомбинированы для того, чтобы обеспечить дополнительные преимущества. Кроме того, некоторые из особенностей могут формировать базис для одной или более выделенных заявок.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее будут описаны варианты осуществления настоящего изобретения, посредством только примеров и со ссылками на сопровождающие схематические чертежи, в которых соответствующие ссылочные символы обозначают соответствующие детали, и в которых:
Фиг. 1 представляет собой график, показывающий бактерицидное действие спектра для различных биологических материалов в зависимости от длины волны света;
Фиг. 2 представляет собой схематическое поперечное сечение модуля освещения со световодом;
Фиг. 3 показывает один вариант осуществления, содержащий отражатель перераспределения и материал преобразования длины волны;
Фиг. 4a-c показывают варианты осуществления мелкой проволочной сетки; и
Фиг. 5a-5d схематично изображают некоторый аспект описанной в настоящем документе системы освещения.
Чертежи не обязательно выполнены в масштабе.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В то время как настоящее изобретение было подробно проиллюстрировано и описано в чертежах и предшествующем описании, такую иллюстрацию и описание следует считать иллюстративными или примерными, а не ограничивающими; настоящее изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления.
Фиг. 1 представляет собой график, показывающий бактерицидное действие спектра для различных биологических материалов в зависимости от длины волны света, где RE означает относительную эффективность, кривая 1 показывает бактерицидное действие в соответствии с публикацией IES Lighting Handbook, Application Volume, 1987, 14-19; кривая 2 показывает поглощение света бактериями E. Coli (в соответствии с публикацией W. Harm, Biological Effects of ultraviolet radiation, Cambridge University Press, 1980), и кривая 3 показывает поглощение ДНК (также в соответствии с публикацией IES Lighting Handbook, Application Volume, 1987).
Фиг. 2 показывает в качестве основного варианта осуществления поперечное сечение модуля 200 освещения, содержащего множество источников 210 света (здесь: излучающих вбок светодиодов, в которых свет излучается прежде всего из стороны светоизлучающего диода, и более или менее параллельно к поверхности), заключенных в непроницаемую для жидкости оптическую среду 220 для того, чтобы направлять по меньшей мере часть света 211, испускаемого из источников 210 света, посредством полного внутреннего отражения через оптическую среду, которая дополнительно снабжается оптическими структурами 7 для рассеяния света 211 и направления света 211 из оптической среды 220 к объекту 1200, являющемуся целью для света (к организму биологического обрастания). Оптическая среда 220 обычно проходит в двух измерениях значительно дальше, чем в третьем измерении, так, чтобы обеспечивался практически двумерный объект. Оптические структуры 7 для рассеяния света 211 могут быть распределены в одной или более частях материала оптической среды, возможно по всем частям, причем в таких частях это распределение может быть в целом однородным или локализованным. Рассеивающие центры с различными структурными свойствами могут быть скомбинированы для того, чтобы обеспечить помимо оптических также и структурные характеристики, такие как стойкость к износу и/или удару. Подходящие рассеивающие элементы содержат непрозрачные объекты, но также могут использоваться в значительной степени просвечивающие объекты, например небольшие воздушные пузырьки, стекло и/или кремнезем; от них требуется лишь то, чтобы происходило изменение коэффициента преломления для используемой длины (длин) волны. Ссылочная цифра 222 означает эмиссионную поверхность.
Принцип направления света и распределения света по поверхности является известным и широко применяемым в различных областях. Здесь этот принцип применяется к ультрафиолетовому свету с целью борьбы с обрастанием. Следует отметить, что идея сделать поверхность, например, корпуса судна самоосвещаемой ультрафиолетовым светом является решением, явно отличным от текущих и общепринятых решений для борьбы с обрастанием, которые полагаются на гладкие покрытия, химические вещества, очистку, программное обеспечение для управления скоростью судна и т.д.
Полное внутреннее отражение является одним способом пропускания света через оптическую среду, которая поэтому часто упоминается как световод. Для поддержания условий для полного внутреннего отражения показатель преломления световода должен быть более высоким, чем у окружающей среды. Однако использование (частично) отражающих покрытий на световоде и/или использование отражающих свойств защищаемой поверхности, например корпуса судна, также могут использоваться для того, чтобы создать условия для направления света через оптическую среду.
В некоторых вариантах осуществления оптическая среда может быть расположена относительно защищаемой поверхности, например корпуса судна, так, что небольшой воздушный зазор вводится между оптической средой и защищаемой поверхностью; ультрафиолетовый свет может проходить даже лучше - с меньшим поглощением - в воздухе, чем в оптической среде, даже когда эта оптическая среда разрабатывается как материал световода. В других вариантах осуществления заполненные газом каналы, например воздушные каналы, могут быть сформированы внутри силиконового материала. Также может быть предусмотрен массив отдельных заполненных газом карманов, например с регулярным рисунком, таким как прямоугольный или сотовый, или с нерегулярным рисунком. Вместо заполнения газом (например, воздухом) каналы и/или карманы могут быть по меньшей мере частично заполнены пропускающей ультрафиолетовый свет жидкостью, например пресной и/или очищенной водой. В том случае, когда защищаемая поверхность, которая покрывается такой оптической средой, подвергается ударам, например о причал, небольшие карманы могут смягчать удар, перераспределять энергию удара и следовательно предохранять поверхность, причем заполненные жидкостью карманы могут быть более прочными при деформации, чем воздушные карманы, которые могут более легко разрываться.
Поскольку большинство материалов имеет (очень) ограниченное пропускание для ультрафиолетового света, необходимо позаботиться об этом при проектировании оптической среды. Далее перечисляется ряд конкретных особенностей и/или вариантов осуществления, которые посвящены этой цели:
- Относительно малый шаг маломощных светоизлучающих диодов может быть выбран для того, чтобы минимизировать передачу света на большие расстояния через оптическую среду.
- Может использоваться «полая» структура, например маты из силиконового каучука с распорными деталями, которые поддерживают их на небольшом расстоянии от защищаемой поверхности. Это создает воздушные «каналы», через которые ультрафиолетовый свет может распространяться с высокой эффективностью (воздух является высокопрозрачным для ультрафиолетового света). Использование заполненных газом каналов, обеспечиваемых такими структурами, позволяет распределять ультрафиолетовый свет на значительные расстояния в оптической среде из материала, который в противном случае поглощал бы ультрафиолетовый свет слишком сильно для того, чтобы быть полезным для борьбы с обрастанием. Аналогичным образом могут быть сформированы отдельные карманы.
- Может быть выбран специальный материал с высокой прозрачностью для ультрафиолетового света, такой как некоторые кремнийорганические материалы, или прозрачный для ультрафиолетового света (плавленый) кремнезем. В вариантах осуществления этот специальный материал может использоваться только для того, чтобы создать каналы для распространения света на большую часть расстояния; более дешевый/более стойкий материал может использоваться для остальной части поверхности.
Дополнительные варианты осуществления раскрываются в сопутствующих чертежах, причем главным моментом является освещение большой поверхности светом для борьбы с обрастанием, предпочтительно ультрафиолетовым светом, используя при этом точечные источники света. Типичной проблемой является распределение света от точечных источников для освещения поверхности. Более подробно:
2
- Защищаемая площадь поверхности типичного контейнерного судна составляет ~10000 м.
2
10
- Типичный светодиодный источник имеет площадь ~ 1 мм. Эта площадь является в 10 раз более малой.
- Принимая во внимание требуемые уровни мощности, может потребоваться приблизительно 10 светоизлучающих диодов на квадратный метр.
2
- Это означает, что свет от одного светоизлучающего диода должен распределяться на площади ~1000 см.
- В качестве другого граничного условия принимается, что это решение должно быть тонким (порядка 1 см толщины), например по таким причинам, как:
- Чтобы можно было добавить это решение в качестве «покрытия» к судну;
- Чтобы не увеличивать трение за счет увеличения размера поперечного сечения судна;
- Чтобы ограничить (общие) материальные затраты.
Поэтому предлагается использование оптической среды, в частности в целом плоского световода. Типичным размером световода является толщина от приблизительно 1 мм до приблизительно 10 мм. В других измерениях нет никаких ограничений на размер с оптической точки зрения; в частности, если множественные источники света обеспечиваются так, чтобы противостоять затуханию интенсивности света по световоду вследствие частичного выхода света и возможных потерь на поглощение.
В данном случае существуют оптические проблемы, аналогичные возникающим при проектировании ламп подсветки жидкокристаллических телевизоров, хотя требование однородности интенсивности излучаемого света является менее строгим при борьбе с обрастанием, чем в случае с лампами подсветки жидкокристаллических телевизоров.
Существуют дополнительные идеи и решения для того, чтобы получить более высокую однородность в более тонкой оптической структуре, такие как введение рассеивателей и/или отражателей или других светораспределителей непосредственно перед одним или более источниками света.
Фиг. 3 показывает (с левой стороны) включение светораспределителя в форме отражающего конуса 25 в оптическую среду 220 с вершиной, направленной к источнику 210 света. Это направляет свет 211 в направлении, имеющем компонент, существенно параллельный к поверхности 101, защищаемой от обрастания. Если конус 25 не является ни полностью отражающим, ни непрозрачным, то некоторое количество света от источника света будет проходить через него, и тем самым будет предотвращаться создание теней, приводящих к снижению эффективности борьбы с обрастанием.
Кроме того, Фиг. 3 показывает материал СМ преобразования длины волны, который содержится в оптической среде 220. Проиллюстрированный вариант осуществления выполнен с возможностью генерирования по меньшей мере части света для борьбы с обрастанием путем фотовозбуждения материала СМ преобразования длины волны светом 31 от источника 210 света, имеющим первую длину волны, заставляющим материал преобразования длины волны излучать свет 211 для борьбы с обрастанием с другой длиной волны из оптической среды 220 в окружающую среду E, то есть от эмиссионной поверхности 222. Распределение материала преобразования длины волны в оптической среде 220 может пространственно изменяться, например, в соответствии с (ожидаемым) распределением интенсивности света (с различными длинами волн) в оптической среде 220. Термины «перед» и «после» относятся к расположению деталей или особенностей относительно распространения света от средства генерирования света (здесь, в частности, первого источника света), причем относительно первого положения внутри луча света от средства генерирования света второе положение в луче света, находящееся ближе к средству генерирования света, считается находящимся «перед» первым положением, а третье положение внутри луча света, находящееся дальше от средства генерирования света, считается находящимся «после» первого положения.
Фиг. 4a-4c показывают один вариант осуществления мелкой проволочной сетки, где источники 210 света (здесь обозначенные ссылочными цифрами 3), такие как ультрафиолетовые светоизлучающие диоды, располагаются в сетке и соединяются в ряд параллельных соединений. Светоизлучающие диоды могут быть установлены в узлах сетки, как показано на Фиг. 4b, посредством спаивания, склеивания или посредством любой другой известной методики электрического соединения для соединения светоизлучающих диодов с мелкими проволочными сетками 4. Один или более светоизлучающих диодов могут быть размещены в каждом узле сетки. Может использоваться питание постоянного тока или переменного тока. В случае использования постоянного тока светоизлучающие диоды устанавливаются как показано на Фиг. 4c. В случае использования переменного тока используется пара светоизлучающих диодов в антипараллельной конфигурации, как показано на Фиг. 4c. Специалисту в данной области техники известно, что в каждом узле сетки может использоваться более одной пары светоизлучающих диодов в антипараллельной конфигурации. Фактический размер мелкой проволочной сетки и расстояние между ультрафиолетовыми светоизлучающими диодами в сетке может быть отрегулировано путем растягивания структуры наподобие гармошки. Мелкая проволочная сетка может быть встроена в оптическую среду, причем опционально предусматривается параллельная сетка рассеивающих особенностей, как проиллюстрировано на Фиг. 3.
Помимо применения для борьбы с обрастанием корпусов судов возможны следующие альтернативные применения и варианты осуществления:
- Настоящее раскрытие может быть применено к большому разнообразию областей. Почти любой объект, входящий в контакт с природной водой, будет с течением времени подвергаться биологическому обрастанию. Это может служить помехой, например, водозаборам опреснительных установок, трубам насосных станций, или даже может покрывать стенки и дно открытых бассейнов. Все эти применения могли бы извлечь выгоду из предложенного способа, модулей освещения и/или системы, то есть эффективного тонкого дополнительного поверхностного слоя, который предотвращает биологическое обрастание на всей площади поверхности.
- Хотя ультрафиолетовый свет является предпочтительным решением, другие длины волн также возможны. Неультрафиолетовый свет (видимый свет) также является эффективным против биологического обрастания. Типичные микроорганизмы менее чувствительны к неультрафиолетовому свету, чем к ультрафиолетовому свету, но намного более высокая доза может быть сгенерирована в видимой части спектра на единицу мощности, подводимой к источникам света.
- Ультрафиолетовые светоизлучающие диоды представляют собой идеальный источник для тонких светоизлучающих поверхностей. Однако также могут использоваться ультрафиолетовые источники, отличающиеся от светоизлучающих диодов, такие как ртутные паросветящие лампы низкого давления. Форм-фактор этих источников света является совершенно другим; главным образом такие источники имеют намного больший размер. Это приводит к другим оптическим конструктивным решениям для «распределения» всего света от единственного источника по большой площади. Концепция световода, обсужденная в настоящем документе, при этом не изменяется. Кроме того, может быть реализован значительный вклад света в желаемые длины волн и/или комбинации длин волн.
Вместо того, чтобы использовать тонкий слой, который испускает ультрафиолетовый свет, направленный наружу от защищаемой поверхности, чтобы избежать биологического обрастания, биологическое обрастание потенциально также может быть удалено путем применения ультрафиолетового света с внешней стороны в направлении защищаемой поверхности. Это можно сделать, например, направляя ультрафиолетовый свет на корпус или поверхность, содержащую подходящую оптическую среду, как было описано выше. Таким образом, единственная оптическая среда, излучающая свет для борьбы с обрастанием в направлениях к и от защищаемых поверхностей, может быть еще более эффективной.
Фиг. 5a-5d схематично изображают некоторые варианты осуществления и вариации системы для борьбы с обрастанием. Фиг. 5a схематично изображает систему 1 освещения для борьбы с обрастанием, содержащую элемент 100, такой как, например, корпус 21, модуль 200 освещения и систему 300 управления. Здесь в качестве примера объекта 1200 с загрязняющейся поверхностью 1201 схематично изображается судно 20 с упомянутым корпусом 21. Загрязняющаяся поверхность 1201 может быть (частью) элементом 100 и/или поверхностью элемента или системы, связанной с упомянутым объектом 1200. Элемент 100 означает элемент объекта, такой как, например, корпус 21 судна 20. В этом схематично изображенном варианте осуществления объект 1200 дополнительно содержит систему освещения для борьбы с обрастанием, которая включает в себя эмиссионную поверхность (см. ниже). Следовательно, загрязняющаяся поверхность может, например, также содержать такую эмиссионную поверхность.
2
Элемент 100 содержит первую поверхность 101 элемента (и вторую поверхность 102), причем первая поверхность 101 элемента имеет, например, площадь по меньшей мере 0,4 м. Например, вторая поверхность 102 может быть внутренней стенкой корпуса 21 судна 20. Первая поверхность 101 элемента является поверхностью, обращенной наружу, в данном варианте осуществления наружу судна 20, которая будет во время использования по меньшей мере частично находиться в контакте с жидкостью 5, в частности водой. Уровень жидкости обозначается ссылочной цифрой 15. Как можно заметить, по меньшей мере часть элемента 100 является погруженной в жидкость.
2
Модуль 200 освещения содержит источник света и оптическую среду 220. Предпочтительно источник 210 света выполнен с возможностью генерировать свет 211 для борьбы с обрастанием, который может предпочтительно включать в себя ультрафиолетовый свет, еще более предпочтительно по меньшей мере ультрафиолетовый свет диапазона С. Оптическая среда 220 предпочтительно выполнена с возможностью получения по меньшей мере части света 211 для борьбы с обрастанием, и дополнительно выполнена с возможностью распределения по меньшей мере части света 211 для борьбы с обрастанием через оптическую среду 220. Оптическая среда содержит первую поверхность 221 среды, которая может, например, иметь площадь по меньшей мере 0,4 м, а также эмиссионную поверхность 222, выполненную с возможностью испускать по меньшей мере часть распределенного света 211 для борьбы с обрастанием в направлении от первой поверхности 221 оптической среды 220. Здесь, первая поверхность 221 среды направлена к первой поверхности 101 элемента 100. В этом варианте осуществления оптическая среда 220 находится в физическом контакте с первой поверхностью 101 оптического элемента. Например, в таком варианте осуществления по меньшей мере часть модуля 200 освещения является таким образом выполненной с возможностью герметизации по меньшей мере части первой поверхности 101 элемента эмиссионной поверхностью 222, находящейся дальше от первой поверхности 101 элемента, чем первая поверхность 221 среды. Кроме того, система 1 освещения содержит систему 300 управления, выполненную с возможностью управления интенсивностью света 211 для борьбы с обрастанием в зависимости от одного или более из сигнала обратной связи и таймера. Опциональный таймер не изображен, но опционально может быть интегрирован в систему управления. Альтернативно чувствительный элемент, обозначенный ссылочной цифрой 400, может измерять сигнал времени. Ссылочная цифра 230 обозначает источник питания, который может локально собирать энергию, или который может быть, например, батареей. Опционально электроэнергия может также подаваться с судна. Ссылочное обозначение h указывает высоту элемента 100.
В качестве примера, источник 230 питания, система 300 управления и чувствительный элемент 400 интегрируются в модуле 200 освещения и формируют единый блок с оптической средой 220. Модуль 200 освещения может по существу покрывать весь элемент 100. Здесь, для примера, покрытой является только часть первой поверхности 101. В варианте осуществления, изображенном на Фиг. 5a, первая поверхность оптической среды присоединена к первой поверхности элемента 100. Фиг. 5b схематично изображает один вариант осуществления в качестве примера, в котором оптическая среда не присоединяется к элементу 100; тем самым могут быть созданы пустоты 107. Следует отметить, что по меньшей мере часть блока освещения герметизирует первую поверхность элемента 100. Здесь в качестве примера элемент представляет собой стенку или дверцу или подвижную конструкцию 40, например дамбу или водовод. Фиг. 5c в качестве примеров показывает множество элементов 100, а также множество модулей 200 освещения. Система освещения включает в себя также множество чувствительных элементов 400, а также одну систему 300 управления. Кроме того, локальная система 230 сбора энергии может представлять собой, например, фотоэлемент с запирающим слоем. Модули 200 освещения в одном варианте осуществления могут формировать единый интегрированный блок, а также герметизацию элементов 100 в целом. При использовании такой системы можно контролировать, какие оптические среды 220 находятся ниже уровня 15 жидкости. Только те оптические среды, которые находятся ниже уровня 15 жидкости, могут обеспечивать свет 211 для борьбы с обрастанием, как показано на чертеже. Конечно же, может использоваться больше модулей освещения, чем схематично изображено на чертеже. Фиг. 5d схематично изображает индивидуальную систему 1 освещения, которая опционально также может быть соединенной. Например, системы 300 управления опционально могут обмениваться информацией (беспроводным образом). Однако эти системы освещения могут также действовать независимо.
Чувствительный элемент 400 может быть, например, выполнен с возможностью измерения одного или более из (i) скорости судна, содержащего упомянутый модуль 200 освещения, (ii) относительной скорости потока воды, (iii) температуры воды, (iv) загрузки судна, содержащего упомянутый модуль 220 освещения, (v) положения загрязняющейся поверхности 1201 относительно уровня воды, и (vi) присутствия одного или более загрязняющих организмов и их питательных веществ в воде. Например, чувствительный элемент может содержать датчик растворенного кислорода и/или датчик уровня воды. Также могут применяться комбинации двух или более различных типов чувствительных элементов, и/или один и тот же тип чувствительных элементов может применяться на различных высотах. Следует отметить, что загрязняющаяся поверхность 1201 может в некоторых из вариантов осуществления (также) содержать эмиссионную поверхность (222), см. среди прочего Фиг. 5a-5b.
Эти варианты осуществления, схематически проиллюстрированные на Фиг. 5a-5d, показывают модули 200 освещения, которые могут по меньшей мере частично герметизировать поверхность. Однако могут быть применены также и другие варианты осуществления, например оптические среды, такие как волокно или волноводы, направляющие свет к загрязняющейся поверхности 1201.
Интегрированный блок 700, такой как показанный, например, в некоторых из схематично изображенных вариантов осуществления, может быть закрытым блоком, одной из поверхностей которого является эмиссионная поверхность 221.
Что касается, например, Фиг. 5c-5d, система освещения для борьбы с обрастанием может включать в себя множество источников света (не изображенных, но включенных в модули освещения). Блок управления может управлять источниками света, например, в зависимости от необходимой интенсивности. Например, вместо того, чтобы одновременно включать и выключать все источники света, можно также иметь близкие/соседние источники света, включающиеся в противофазе. То есть, скажем, программируется, что свет будет включаться на 50% времени, при этом соседний источник света будет выключен, когда первый источник света будет включен, и наоборот. Преимущество заключается в том, что, например, то же самое количество энергии сохраняется (50%), но лучший эффект может быть достигнут в некоторых местах (то есть на полпути между двумя источниками света, загрязняющий организм теперь будет получать непрерывную дозу вместо того, чтобы иметь «время восстановления» между световыми дозами). Следовательно, система освещения для борьбы с обрастанием (или модуль освещения) содержит множество источников света, и система 300 управления выполнена с возможностью управления интенсивностью света 211 для борьбы с обрастанием первого источника света в зависимости от интенсивности света 211 для борьбы с обрастанием другого источника 210 света. Использование множества модулей в вариантах осуществления может также подразумевать, что система 300 управления выполнена с возможностью управления интенсивностью света 211 для борьбы с обрастанием первого модуля освещения в зависимости от интенсивности света 211 для борьбы с обрастанием другого модуля освещения.
Эти концепции не ограничиваются вышеописанными вариантами осуществления, которые могут варьироваться многими способами в пределах области охвата формулы изобретения. Например, использование света, в частности ультрафиолетового света, в качестве средства борьбы с биологическим обрастанием может предложить интересную возможность в других областях. Это уникально в том смысле, что может быть обеспечена непрерывная защита в режиме «24/7» на большой площади. Такое применение является особенно интересным для корпусов судов, но может быть использовано также в бассейнах, установках для водоподготовки и т.д. Вместо воды биологическое обрастание может происходить и обрабатываться в других жидких средах, например в нефти, рассолах и/или жидкостях в других средах, включая пищевую промышленность. Следовательно, настоящее изобретение в частности объясняется относительно воды, такой как морская вода. Однако настоящее изобретение не ограничивается только такими приложениями. Следовательно, в вариантах осуществления термин «вода» может быть заменен на термин «жидкость». В частности, такая жидкость может также включать в себя разновидности биологического обрастания, а также питательные вещества для таких разновидностей.
Элементы и аспекты, обсужденные для или в соотношении одного конкретного варианта осуществления, могут быть соответственно скомбинированы с элементами и аспектами других вариантов осуществления, если явно не указано иное.
Следовательно, решения для борьбы с обрастанием, которые выделяют некоторые химикаты или пестициды, в настоящее время имеют большую долю на рынке. Для того, чтобы быть эффективными, эти покрытия должны обеспечивать среду, которая была бы агрессивной для живых существ. Недостаток заключается в том, что с течением времени - либо при плановом выбросе, либо при неизбежной очистке поверхности - эти химикаты попадают в воду. Эти химикаты довольно часто остаются активными, оказывая отрицательное воздействие на окружающую среду. Фундаментально другим способом предотвращения биологического обрастания является использование ультрафиолетового излучения. Ультрафиолетовый свет, как известно, является эффективным при дезактивации или даже уничтожении микроорганизмов, если применяется достаточная доза излучения подходящей длины волны. Одним примером этого является обработка балластной воды. Мы представляем новый подход для борьбы с биологическим обрастанием, в котором испускающий ультрафиолетовое излучение слой наносится снаружи корпуса судна. Введение ультрафиолетовых светоизлучающих диодов в качестве источника света позволяет получить тонкие структуры типа покрытия, в которых ультрафиолетовый свет распыляется равномерно в пределах поверхности. Дополнительные оптические конструктивные элементы будут гарантировать более или менее равномерный выход света по всему слою покрытия. Испускающий ультрафиолетовое излучение слой будет уменьшать для микроорганизмов возможность присоединения к корпусу или даже предотвращать его.
В экспериментальной установке мы достигли обещающих результатов в сохранении поверхности свободной от биологического обрастания в течение длительного периода времени. Два элемента были расположены в морской воде и выдерживались там в течение четырех недель. Один элемент облучался ультрафиолетовым светом; другой элемент не облучался ультрафиолетовым светом. После четырех недель первый элемент имел обрастание только у осветительной лампы, где ультрафиолетовый свет не получался; сама осветительная лампа была свободна от обрастания. Второй элемент был полностью покрыт обрастанием.