PL186659B1

PL186659B1 - Sposób stosowania włókien światłowodowych do przenoszenia światła oraz urządzenie do wprowadzania światła do światłowodów

Info

Publication number: PL186659B1
Application number: PL98337777A
Authority: PL
Inventors: Leo Hatjasalo; Reijo Johansson
Original assignee: Mtg Meltron Ltd Oy
Priority date: 1997-06-06
Filing date: 1998-06-01
Publication date: 2004-02-27
Also published as: BR9810079A; HK1028453A1; KR20010013493A; AU7655698A; CA2290534A1; BR9810079B1; HU224578B1; EP0986769A2; HUP0002860A3; AU736310B2; KR100507619B1; WO1998058286A3; JP4435877B2; FI972399A7; HUP0002860A2; FI972399A0; FI114046B; CN1204429C; TR199902979T2; RU2190868C2

Abstract

1. Sposób stosowania wlókien swiatlowodowych do przenoszenia swiatla, wytworzonego przez urzadze- nie generujace, i wprowadzenie go do wlókna swia- tlowodu, z ewentualnym ukierunkowaniem swiatla wprost na zakonczenie swiatlowodu z jednoczesnym chlodzeniem urzadzenia chlodzacego wykorzystujacego zjawisko Peltiera, znamienny tym, ze obszar chlodze- nia (5b), oddziela sie od obszaru lampy (5a) i chlo- dzi sie poprzez plytke Peltiera (3a), a powstajacy stru- mien powietrza (w) przeprowadza sie do obszaru lam- py (5a) przez otwór dla swiatla (A), znajdujacy sie w punkcie wejscia swiatla do koncówki swiatlowo- du (2a) i jednoczesnie chlodzi sie koncówke wejscio- wa (2a) poprzez wymuszona konwekcje, kierujac na nia strumien powietrza (w). FIG 2 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie mające na celu osiągnięcie zdecydowanej poprawy problemów opisanych powyżej i wzrostu poziomu dotychczasowych rozwiązań.

Sposób według wynalazku polega na chłodzeniu końcówki wejściowej dla światła włókna światłowodowego przez konwekcję, chłodzeniu strumienia powietrza za pomocą elementów chłodzących wykorzystując zjawisko Peltiera i kierowaniu tego strumienia na końcówkę światłowodu. W urządzeniu tworzy się obszar chłodzący, w którym umieszcza się na stałe lub przenośnie płytkę Peltiera. Za jej pomocą otrzymuje się chłodzący strumień powietrza, który konwekcyjnie kieruje się na końcówkę wejściową włókna światłowodu poprzez urządzenia prowadzące. Dalej kieruje się strumień powietrza przez otwór dla światła, istniejący w ścianie oddzielającej obszar lampy od obszaru chłodzenia, przez obszar lampy i obszar układu elektronicznego. Strumień przepływa na zewnątrz urządzenia przez wylotową dmuchawę, znajdującą się na drugim końcu urządzenia, korzystnie jako wydmuch. Dmuchawę lub korzystnie kilka, umieszcza się w obszarze lampy i/lub obszarze układu elektronicznego. Zimną stronę płytki Peltiera łączy się z jedną lub kilkoma wewnętrznymi powierzchniami obszaru chłodzenia. Powierzchnie te korzystnie wykonuje się z metalu, a najkorzystniej z aluminium. Gorącą stronę płytki Peltiera łączy się z jedną lub kilkoma zewnętrznymi powierzchniami obudowy. Obudowę korzystnie profiluje się. Zespół prowadzący chłodzący strumień powietrza umieszcza się na ścianie obszaru lampy jako krawędzie otworu dla światła, i kieruje się chłodzący strumień powietrza na końcówkę światłowodu.

186 659

Urządzenie według wynalazku charakteryzuje się tym, że płytka Peltiera jest umieszczona w obszarze chłodzenia, który jest oddzielony od obszaru lampy. Powstający w obszarze chłodzenia strumień powietrza jest poprowadzony do obszaru lampy poprzez otwór dla światła. Otwór dla światła jest umieszczony w punkcie końcówki wejściowej dla światła włókna światłowodu. Końcówka włókna światłowodu jest chłodzona przez wymuszoną konwekcję, skierowanym na nią chłodzącym strumieniem powietrza. W obszarze lampy i/lub w obszarze układu elektronicznego są umieszczone jedna lub kilka dmuchaw na ścianie tylnej urządzenia, znajdującej się po przeciwnej stronie niż element chłodzący. Zimna strona płytki Peltiera jest połączona z jedną lub kilkoma wewnętrznymi powierzchniami obszaru chłodzenia, korzystnie zbudowanymi z metalu, najkorzystniej z aluminium. Gorąca strona płytki Peltiera jest połączona z jedną lub kilkoma zewnętrznymi powierzchniami obudowy. Powierzchnia obudowy jest korzystnie wyprofilowana. Zespół prowadzący jest umieszczony w obszarze chłodzenia na ścianie obszaru lampy, są to krawędzie otworu dla światła, skierowane na wprost końcówki włókna światłowodowego. Chłodzący strumień powietrza jest prowadzony przez krawędzie otworu na końcówkę wejściową włókna światłowodu.

W urządzeniu może być umieszczony na stałe lub rozłącznie silnik krokowy, napędzający zespół filtrujący umieszczony w celu dokonywania zmian długości fali światła wchodzącego do włókna światłowodu i otrzymywania różnych kolorów światła. Mogą też być umieszczone inne zespoły pomocnicze.

Korzystnie gorąca strona płytki Peltiera jest sprzężona z profilowaną zewnętrzną obudową urządzenia generującego światło, i w tym przypadku ciepło wytwarzane przez płytkę Peltiera, jest efektywnie rozpraszane.

W rozwiązaniu według wynalazku uzyskuje się bardzo sprawne konwekcyjne chłodzenie, dzięki któremu osiąga się optymalne jaskrawości dostarczanego światła. Dlatego nie trzeba ograniczać jaskrawości z powodu nadmiernego ogrzania końcówki światłowodu, i można wykorzystać wszystkie możliwe efekty świetlne. Praktyczne testy wykazały wielokrotny wzrost jaskrawości lamp w przypadku rozwiązania według wynalazku, przy porównywaniu ze stosowaniem przyrządów ze światłowodami z tradycyjnym chłodzeniem.

Najważniejszymi zaletami rozwiązania według wynalazku jest prostota konstrukcji oraz niezawodność i sprawność działania. Są to wymagania technicznie korzystne i ekonomicznie konkurencyjne. Rozwiązanie wynalazku umożliwia zastosowanie lamp o znacząco wyższej jaskrawości niż obecnie stosowane, ponieważ chłodzący strumień powietrza dzięki konwekcji i zastosowaniu płytki Peltiera zmierza bardzo dokładnie do punktu krytycznego przy pomocy korzystnych układów w praktyce.

Przedmiot wynalazku, w przykładzie wykonania, jest pokazany na rysunku, na którym:

Figura 1 przedstawia widok perspektywiczny urządzenia generującego światło, działającego według opisanego sposobu,

Figura 2 przedstawia przekrój poprzeczny urządzenia zgodnie z fig. 1,

Figura 3 przedstawia przekrój wzdłuż linii 3-3 z fig. 2,

Figura 4 przedstawia korzystne rozwiązanie konstrukcji ściany obszaru chłodzenia jako widok perspektywiczny i widok boczny.

Sposób według wynalazku polega na użyciu włókna światłowodu i prowadzenia światła przez to włókno światła, które jest otrzymywane w urządzeniu. Urządzenie generujące światło zawiera co najmniej elementy generujące światło 1, takie jak lampa la i obiektyw 1b. Obiektyw kieruje światło wprost na końcówkę włókna światłowodu 2a i przeprowadza dalej światło przez światłowód 2. Końcówkę wejściową dla światła 2a włókna światłowodu chłodzi się konwekcyjnie. Strumień powietrza w chłodzi się za pomocą elementu chłodzącego 3, korzystnie wykorzystującego zjawisko Peltiera i kieruje się go na tę końcówkę.

W przykładzie wykonania wynalazku, zgodnie z fig. 1 i 2 umieszcza się urządzenie generujące światło, zawierające lampę la, obiektyw 1b oraz układ elektroniczny 4 sterujący obiektywem, wewnątrz jednolitej i zasadniczo zamkniętej obudowy 5. Pokazany na rysunku obszar chłodzący 5b, znajduje się istotnie obok obszaru lampy 5a i chłodzi się przez płytkę Peltiera 3a, pracującąjako element chłodzący 3. Chłodzący strumień powietrza w wytwarza się

186 659 w obszarze chłodzącym i prowadzi się do obszaru lampy 5a przez otwór dla światła A, istniejący w punkcie końcówki wejściowej dla światła 2a włókna światłowodu.

W kolejnym przykładzie wykonania wynalazku, zgodnie z fig. 1 i 2, umieszcza się jedną lub kilka dmuchaw 3b w obszarze lampy 5a i/lub w obszarze układu elektronicznego 5c, powodujące, że chłodzący strumień powietrza w prowadzi się korzystnie jako przelotowy przepływ poprzez ścianę zewnętrzną 5x, która jest przeciwległa do elementu chłodzącego 3, na zewnątrz obudowy 5.

W następnym przykładzie wykonania wynalazku, zgodnie z fig. 1 - 3, łączy się zimną stronę płytki Peltiera 3a z jedną lub kilkoma wewnętrznymi powierzchniami obszaru chłodzenia 5b, korzystnie z metalowymi ścianami, najkorzystniej wykonanymi z aluminium. Gorącą ścianę płytki łączy się z jedną lub kilkoma zewnętrznymi powierzchniami obudowy 5, korzystnie wyprofilowanymi.

W kolejnym przykładzie wykonania wynalazku strumień chłodzącego powietrza w prowadzi się przez obszar chłodzący 5b do końcówki wejściowej światła 2a włókna światłowodowego przez przyrząd prowadzący 6, umieszczony na ścianie 5b' z tej samej strony co obszar lampy 5a. Przyrząd prowadzący znajduje się przy otworze dla światła A, na ścianie wspomnianej powyżej, i posiada krawędzie pokazane na fig. 4, które są skierowane na wprost końcówki 2a włókna światłowodu.

Urządzenie do przeprowadzania światła do światłowodów według wynalazku zawiera lampę 1a i obiektyw 1b, oraz włókno światłowodowe 2, ułożone w taki sposób, że światło lampy 1 jest kierowane do końcówki wejściowej 2a dla światła włókna światłowodu, i prowadzone dalej poprzez włókno światłowodu 2. Urządzenie według wynalazku zawiera także element chłodzący 3, korzystnie wykorzystujący zjawisko Peltiera, za pomocą którego końcówka wejściowa 2a włókna światłowodowego jest chłodzona przez konwekcję poprzez skierowanie strumienia chłodzącego powietrza w na tę końcówkę.

Przykład urządzenia według wynalazku, które jest istotnie integralną całością, w- której przynajmniej lampa la, obiektyw 1b, oraz układ elektroniczny 4 sterujący obiektywem, znajdują się w jednolitej i zasadniczo zamkniętej obudowie 5. Korzystnie płytka Peltiera 3 jest umieszczona w obszarze chłodzenia 5b, który znajduje się obok obszaru lampy 5a, za pomocą której chłodzący strumień powietrza w wytwarzany w obszarze chłodzenia jest prowadzony do obszaru lampy 5a poprzez otwór dla światła A, istniejący w punkcie końcówki wejściowej dla światła 2a włókna światłowodowego.

Jak pokazano na fig. 1 i 2, korzystnie zwykła dmuchawa 3b jest umieszczona w obszarze lampy 5a i w obszarze układu elektronicznego 5c, które to obszary są oddzielone od siebie ścianą pośrednią 5ac. Chłodzący strumień powietrza w jest przeprowadzany korzystnie jako przepływ na zewnątrz obudowy 5 poprzez dmuchawę, przez ścianę zewnętrzną 5x, znajdującą się po przeciwnej stronie niż przyrząd chłodzący 3.

W następnym przykładzie wykonania urządzenia według wynalazku zimna strona płytki Peltiera 3a, zgodnie z fig.2, jest połączona z jedną lub kilkoma wewnętrznymi powierzchniami obszaru chłodzenia 5b, korzystnie z metalowymi ścianami obudowy, wykonanymi najkorzystniej z aluminium. Gorąca ściana tej płytki jest odpowiednio połączona z jedną lub kilkoma zewnętrznymi powierzchniami obudowy 5, która jest wyprofilowana jak pokazane na fig. 1 - 3.

W następnym przykładzie wykonania urządzenia według wynalazku przejście strumienia powietrza w do końcówki wejściowej dla światła 2a włókna światłowodu jest prowadzone poprzez obszar chłodzenia 5b przez zespół prowadzący 6, umieszczony na ścianie 5b', istniejącej z tej samej strony, co obszar lampy 5a, oraz przez krawędzie otworu dla światła A, który jest skierowany na wprost końcówki 2a włókna światłowodu. To rozwiązanie jest pokazane szczególnie na fig. 4; w tym przypadku przez zastosowanie odpowiednich technik wytwarzania takich jak, tłoczenie i przebijanie otworów płytki metalowej, otrzymuje się stożkową krawędź otworu dla światła A, w ścianie pośredniej 5b'.

Figura 3, która jest przekrojem wzdłuż linii 3-3 na fig. 2, przedstawia tylną ścianę 5y urządzenia, na której jest umieszczona perforacja R do obszaru chłodzenia 5b, przez co jest umożliwione przejście powietrza poprzez perforację do obszaru chłodzenia. W dodatku na fig. 1, 2 i 3

186 659 jest pokazany pomocniczy obszar 5b, w którym korzystnie jest umieszczony silnik krokowy sterujący zespołem filtrującym.

Użycie włókna światłowodowego w tym przypadku zawiera wszystkie możliwe zastosowania techniki światłowodowej. Włókno światłowodowe może być zrobione z tworzywa sztucznego lub ze szkła. Przez nazwę przezroczysty materiał rozumie się czysty materiał, przez który bardzo dobrze przenika światło. Najpopularniejszą żywicą używaną w technice światłowodowej jest PMMA (polimetakrylan metylu) lub tworzywo akrylowe. Nowe materiały, oparte na poliwęglowodorach etylenowych, są przezroczyste i użyteczne dla optycznych zastosowań. Wytwarzanie tych materiałów odbywa się przy pomocy katalizy niemetali.

Jest oczywiste, że przedstawione lub opisane przykłady wynalazku nie wyczerpują możliwości jego zastosowań, może on być znacząco modyfikowany, wykorzystując tę samą ideę. Te prezentowane konstrukcje przedstawiają tylko kilka korzystnych rozwiązań. I tak jeżeli chodzi o fragmenty ze strumieniem powietrza i umieszczaniem innych przyrządów, mogą być zastosowane odchylenia od tego, co zostało pokazane. W dodatku jest możliwe zastosowanie kilku płytek Peltiera, połączonych z bocznymi powierzchniami kilku przyrządów, w przypadku potrzeby zwiększenia znacząco efektywności chłodzenia. W związku z tym, można skonstruować różnorodne rozwiązania, przez użycie kilku dmuchaw, ale w tym przypadku hałas dmuchaw może powodować problem, co może wymagać z kolei zastosowanie innych zespołów, odnoszących się do technik likwidowania hałasu. Jest możliwe w związku z tym, użycie wielu różnorodnych materiałów do produkcji dla oddzielnych części urządzenia, takich, że koszty wytwarzania urządzenia mogą zostać zoptymalizowane. Z drugiej strony, jest możliwe produkowanie urządzenia generującego światło, poprzez odlewanie, formowanie wtryskowe lub odpowiednio jako bardzo prostą, niepodzielną całość, lub wytworzenie oddzielnych części, które są łączone ze sobą za pomocą prostych łączników. Jest możliwe w związku z tym, utworzenie szczególnie obszaru chłodzenia przenośnego, tzn. możliwego do występowania w innych częściach urządzenia, dlatego podstawowe urządzenie mogłoby być używane z różnymi rodzajami elementów chłodzących. Rodzaj modułu urządzenia opisanego powyżej jest obowiązujący, przy zastosowaniu również innych komponentów do instalacj i w urządzeniu.

FIG.2

186 659

o° °

O O °O o oo% ooo O o o o o ° / ο.oοΰ / °nO

5d

3q R

FIG. 3

FIG. 4

186 659

FtG.3 ζ-ι-ιΐί i ΓΡ RP Nakład 50 egz. Departament^»™^, '

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób stosowania włókien światłowodowych do przenoszenia światła, wytworzonego przez urządzenie generujące, i wprowadzenie go do włókna światłowodu, z ewentualnym ukierunkowaniem światła wprost na zakończenie światłowodu z jednoczesnym chłodzeniem urządzenia chłodzącego wykorzystującego zjawisko Peltiera, znamienny tym, że obszar chłodzenia (5b), oddziela się od obszaru lampy (5a) i chłodzi się poprzez płytkę Peltiera (3a), a powstający strumień powietrza (w) przeprowadza się do obszaru lampy (5a) przez otwór dla światła (A), znajdujący się w punkcie wejścia światła do końcówki światłowodu (2a) i jednocześnie chłodzi się końcówkę wejściową (2a) poprzez wymuszoną konwekcję, kierując na nią strumień powietrza (w).
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że umieszcza się jedną lub kilka dmuchaw (3b) w obszarze lampy (5a) i/lub w obszarze układu elektronicznego (5c), a chłodzący strumień powietrza (w) prowadzi się na zewnątrz obudowy (5), korzystnie jako wydmuch przez tylną ścianę (5x), znajdującą się po przeciwnej stronie elementu chłodzącego (3).
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że płytkę Peltiera (3a) zimną stroną łączy się z jedną lub kilkoma wewnętrznymi powierzchniami obszaru chłodzenia (5b), korzystnie wykonanymi z metalu, najkorzystniej z aluminium, a gorącą stronę płytki łączy się z jedną lub kilkoma zewnętrznymi powierzchniami obudowy (5), korzystnie wyprofilowanymi.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że chłodzący strumień powietrza (w) w obszarze chłodzenia (5b) prowadzi się na końcówkę wejściową dla światła (2a) włókna światłowodu poprzez zespół prowadzący (6), który umieszcza się na ścianie (5b'), usytuowanej z tej samej strony co obszar lampy (5a), jako krawędzie otworu dla światła (A), i kieruje się na wprost końcówki (2a) włókna światłowodu.
5. Urządzenie do wprowadzania światła do światłowodów umieszczone w jednej obudowie, zawierające co najmniej lampę, obiektyw, układ elektroniczny do sterowania oraz element chłodzący, wykorzystujący zjawisko Peltiera, znamienne tym, że płytka Peltiera (3a) jest umieszczona w obszarze chłodzenia (5b), który jest oddzielony od obszaru lampy (5a), a powstający w obszarze chłodzenia chłodzący strumień powietrza (w) jest przeprowadzony dalej do obszaru lampy (5a) poprzez otwór dla światła (A), znajdujący się w punkcie końcówki wejściowej dla światła światłowodu (2a), która jest chłodzona przez wymuszoną konwekcję skierowanym na nią chłodzącym strumieniem powietrza (w).
6. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że w obszarze lampy (5a) i/lub w obszarze układu elektronicznego (5c) są umieszczone jedna lub kilka dmuchaw (3b), a chłodzący strumień powietrza (w) jest prowadzony przez nie na zewnątrz obudowy (5), korzystnie jako wydmuch poprzez tylną ścianę (5x), znajdującą się po przeciwnej stronie elementu chłodzącego (3).
7. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że zimna strona płytki Peltiera (3a) jest połączona z jedną lub kilkoma wewnętrznymi powierzchniami obszaru chłodzenia (5b), korzystnie zbudowanej z metalu, najkorzystniej z aluminium, a gorąca strona tej płytki jest połączona z jedną lub kilkoma zewnętrznymi powierzchniami obudowy (5), korzystnie wyprofilowanymi.
8. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że zespół prowadzący (6) jest umieszczony w obszarze chłodzenia (5b) na ścianie (5b') usytuowanej po tej samej stronie co obszar lampy (5a), jako krawędzie otworu dla światła (A), skierowane na wprost końcówki wejściowej (2 a) światłowodu, i poprzez nie jest prowadzony na tę końcówkę chłodzący strumień powietrza (w).

* * *

186 659

Wynalazek dotyczy sposobu stosowania włókien światłowodowych do przenoszenia światła oraz urządzenie do wprowadzania do włókna światłowodu z ewentualnym ukierunkowaniem światła na zakończenie światłowodu oraz do dalszego jego prowadzenia przez światłowód. Urządzenie generujące zawiera co najmniej generator światła, na przykład lampę oraz obiektyw.

Aby wprowadzić światło do włókna światłowodu wymieniona lampa musi być chłodzona zwykle poprzez przepływ powietrza występujący wokół. W związku z tym, że przepływ powietrza następuje wprost z otoczenia lampy, taki sposób chłodzenia ma ograniczony skutek. Chłodzące działanie zależy przede wszystkim od temperatury otoczenia; przy szczególnie niekorzystnych warunkach pracy, kiedy lampa umieszczona jest w najgorętszym miejscu, zwykle w związku z górną obudową, efekt chłodzenia może nie być w ogóle osiągnięty. Dlatego też muszą być używane lampy o bardzo małej jaskrawości, aby faktyczna końcówka dla światła włókna światłowodowego nie została uszkodzona z powodu przegrzania. Wobec powyższego urządzenia generujące światło, obsługujące włókna światłowodowe, nie ulegają obecnie zbytniemu rozwojowi i dlatego jaskrawość lamp musi być zbyt niska.

W zgłoszeniu patentowym PCT Nr WO 89/03539 jest opisane urządzenie zbudowane z przyrządów uzyskujących światło, to znaczy przenoszących promień światła poprzez przyrząd taki jak włókno światłowodowe, z przyrządów odbierających ten promień oraz obiektywu znajdującego się pomiędzy nimi, w celu skierowania światła z końcówki włókna światłowodu do przyrządów odbierających. Za końcówką światłowodu jest umieszczony wzmacniacz, na przykład laser, a promień światła jest przeprowadzany dalej poprzez obiektyw, na przykład do diody PIN, pracującej jako przyrząd odbierający. Zastosowane diody elektroluminescencyjne o wysokich częstotliwościach wymuszają niezawodną stałość temperatury, dlatego też wzmacniacz laserowy jest połączony z ramą urządzenia poprzez przyrząd zwany płytką Peltiera.

Działanie urządzenia opisanego powyżej różni się od działania urządzenia generującego światło w rozwiązaniu według wynalazku, ponieważ tutaj włókno światłowodowe jest użyte jako źródło światła, prowadzące światło do diody elektroluminescencyjnej. W dodatku użyty laser wymaga chłodzenia jak opisano powyżej, a jest to spełnione przez stałe konstrukcje wykorzystujące przewodność cieplną, dlatego pośrednia rama utrzymująca laser jest połączona z obudową urządzenia poprzez płytkę Peltiera. W takim typie rozwiązania nie jest możliwe osiągnięcie odpowiedniej efektywności chłodzenia z powodów opisanych na początku, to znaczy chłodzenia przede wszystkim końcówki włókna światłowodowego, która jest najbardziej krytycznym miejscem tego włókna, z powodu panujących tam wysokich temperatur.