устройство для освещения потока жидкости

Формула изобретения

1. Устройство для освещения потока жидкости, содержащее выполненный из оптически прозрачного материала объемный оптический элемент, имеющий трубчатый полый канал с входным и выходным отверстиями, предназначенный для формирования струи жидкости, а также по меньшей мере один источник света, расположенный сбоку от трубчатого канала в пределах площади проекции оптического элемента на горизонтальную плоскость и установленный с возможностью падения световых лучей на поверхность оптического элемента, при этом форма оптического элемента выбрана из условия обеспечения ввода падающих на его поверхность световых лучей в струю жидкости, отличающееся тем, что в качестве трубчатого полого канала использован центральный сквозной канал, проходящий через оптический элемент, оптический элемент имеет нижнее основание, расположенное вблизи входного отверстия трубчатого канала, и сужающуюся в направлении движения потока жидкости боковую поверхность, в верхней части примыкающую к выходному отверстию трубчатого канала, источник света расположен вблизи нижнего основания оптического элемента, при этом оптический элемент имеет такую форму, что в плоскости продольного сечения точки профиля его боковых сторон выбраны из условия отражения падающего на боковую поверхность в рассматриваемой точке светового луча, испускаемого источником, расположенным в плоскости продольного сечения под рассматриваемой боковой стороной, под углом, обеспечивающим ввод указанного светового луча в струю жидкости под углом, превышающим угол полного внутреннего отражения для границы раздела жидкость-воздух.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник света помещен внутри объема оптического элемента.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник света расположен вне объема оптического элемента под его нижним основанием, при этом в плоскости продольного сечения оптического элемента наружная поверхность нижнего основания с каждой из сторон относительно трубчатого канала на периферии выполнена плоской или вогнутой, а на участке вблизи трубчатого канала выполнена расширяющейся в направлении движения потока жидкости, при этом точки профиля указанного расширяющегося участка выбраны из условия обеспечения ввода в струю жидкости под углом, превышающим угол полного внутреннего отражения для границы раздела жидкость-воздух, световых лучей, излучаемых источником света, расположенным вблизи рассматриваемого расширяющегося участка, и преломленных на его поверхности.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит защитный колпак, помещенный поверх оптического элемента, имеющий центральное сквозное отверстие, совмещенное с выходным отверстием трубчатого канала оптического элемента.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что боковая поверхность оптического элемента снаружи выполнена металлизированной.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к светотехнике и может быть использовано для освещения фонтанов, в частности для освещения струй жидкости.

Современный уровень развития светотехники позволяет создавать устройства для подсветки фонтанов, обеспечивающие различный декоративный эффект. Для рассматриваемого вида устройств актуальной является задача повышения эффективности освещения, что достигается, например, при обеспечении в разрабатываемых конструкциях условий для максимально возможного ввода светового излучения в поток жидкости.

Известно устройство для освещения фонтана [RU 2109208].

Рассматриваемое устройство включает колпак, содержащий центральный трубчатый канал для подвода воды и верхнюю тарельчатую выпуклую поверхность, по которой вода сливается. Указанный колпак имеет профиль тарельчатой поверхности с уменьшающимся от периферии к центру радиусом кривизны. Устройство также включает ограничитель выхода воды, имеющий центральный трубчатый канал и верхнюю тарельчатую поверхность, покрывающую часть выпуклой поверхности колпака, при этом трубчатый канал ограничителя расположен в трубчатом канале колпака с образованием кольцевого выхода для воды. В центральной зоне трубчатого канала ограничителя размещен объемный осветитель, выполненный с возможностью направления света от источника через оптически прозрачные участки стенок трубчатого канала ограничителя в сливающийся поток воды.

За счет выбранной формы тарельчатой поверхности колпака, имеющей переменный профиль, в рассматриваемом устройстве в сливающийся поток воды выходят световые лучи с малой входной апертурой, соответствующей полному внутреннему отражению в световоде вода-воздух, благодаря чему достигается высокая эффективность освещения и интересный декоративный эффект.

Однако данное устройство является сложным по конструкции и предназначено для освещения фонтанов тарельчатого типа, что ограничивает область его применения. В частности, рассматриваемое устройство не приспособлено для освещения струи жидкости, а значит не может использоваться в широко распространенных конструкциях фонтанов, образованных струей или струями жидкости.

Известно устройство для освещения струи жидкости [US 6076741], которое выбрано авторами в качестве ближайшего аналога.

Рассматриваемое устройство содержит выполненный в форме шара полый объемный оптический элемент, заполняемый при работе устройства водой, поверхность которого изготовлена из оптически прозрачного материала. Оптический элемент в верхней и нижней частях конструктивно соединен с выполненным из оптически прозрачного материала трубчатым полым каналом, расположенным вдоль центральной продольной оси оптического элемента. Трубчатый канал снабжен входным и выходным отверстиями и предназначен для формирования струи жидкости, истекающей из его выходного отверстия. Устройство также содержит источники света, в качестве которых использованы выходные концы световых волокон. Источники света расположены сбоку от трубчатого канала по разные стороны от него в пределах площади проекции оптического элемента на горизонтальную плоскость. Оптический элемент установлен с возможностью падения на его поверхность световых лучей, излучаемых источниками света. При этом благодаря выбранной шаровой форме поверхности оптического элемента обеспечивается ввод падающих на нее световых лучей в струю жидкости, истекающую из выходного отверстия трубчатого канала. Часть указанных световых лучей преломляется на поверхности раздела воздух-вода и после этого вводится в струю вблизи выходного отверстия трубчатого канала, а часть лучей направляется в истекающую струю после повторного их преломления на поверхности раздела вода-воздух.

Рассматриваемое устройство обеспечивает подсветку сформированной в нем струи жидкости. Однако оно является сложным по конструкции, в нем применяются дорогостоящие световолоконные источники света, кроме того, оно обладает не достаточно высокой эффективностью освещения, так как значительная часть световых лучей выходит за пределы сечения струи.

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности освещения струи жидкости при обеспечении простоты конструкции устройства.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для освещения потока жидкости, содержащем выполненный из оптически прозрачного материала объемный оптический элемент, имеющий трубчатый полый канал с входным и выходным отверстиями, предназначенный для формирования струи жидкости, а также по меньшей мере один источник света, расположенный сбоку от трубчатого канала в пределах площади проекции оптического элемента на горизонтальную плоскость, и установленный с возможностью падения световых лучей на поверхность оптического элемента, при этом форма оптического элемента выбрана из условия обеспечения ввода падающих на его поверхность световых лучей в струю жидкости, согласно изобретению в качестве трубчатого полого канала использован центральный сквозной канал, проходящий через оптический элемент, оптический элемент имеет нижнее основание, расположенное вблизи входного отверстия трубчатого канала, и сужающуюся в направлении движения потока жидкости боковую поверхность, в верхней части примыкающую к выходному отверстию трубчатого канала, источник света расположен вблизи нижнего основания оптического элемента, при этом оптический элемент имеет такую форму, что в плоскости продольного сечения точки профиля его боковых сторон выбраны из условия отражения падающего на боковую поверхность в рассматриваемой точке светового луча, испускаемого источником, расположенным в плоскости продольного сечения под рассматриваемой боковой стороной, под углом, обеспечивающим ввод указанного светового луча в струю жидкости под углом, превышающим угол полного внутреннего отражения для границы раздела жидкость-воздух.

В частном случае выполнения изобретения источник света помещен внутри объема оптического элемента.

В частном случае выполнения изобретения источник света расположен вне объема оптического элемента под его нижним основанием, при этом в плоскости продольного сечения оптического элемента наружная поверхность нижнего основания с каждой из сторон относительно трубчатого канала на периферии выполнена плоской или вогнутой, а на участке вблизи трубчатого канала выполнена расширяющейся в направлении движения потока жидкости, при этом точки профиля указанного расширяющегося участка выбраны из условия обеспечения ввода в струю жидкости под углом, превышающим угол полного внутреннего отражения для границы раздела жидкость-воздух, световых лучей, излучаемых источником света, расположенным вблизи рассматриваемого расширяющегося участка, и преломленных на его поверхности.

В частном случае выполнения изобретения устройство дополнительно содержит защитный колпак, помещенный поверх оптического элемента, имеющий центральное сквозное отверстие, совмещенное с выходным отверстием трубчатого канала оптического элемента.

В частном случае выполнения изобретения боковая поверхность оптического элемента снаружи выполнена металлизированной.

Принципиальным отличием заявляемого устройства является наличие в нем оптического элемента, выполненного в виде сужающегося в направлении движения потока жидкости оптически прозрачного объемного тела, имеющего сквозной центральный канал. Указанный элемент представляет собой насадку, помещаемую на выходной участок жидкостного трубопровода, с помощью которой формируется струя жидкости, истекающая из выходного отверстия трубчатого канала. При этом рассматриваемый элемент является также важным элементом оптической системы устройства и выполняет роль линзового элемента, обеспечивающего ввод светового излучения в струю.

С целью обеспечения высокой эффективности освещения форма профиля сторон боковой поверхности оптического элемента выбрана такой, чтобы в плоскости его продольного сечения с каждой из сторон оптического элемента световые лучи от источника, расположенного вблизи рассматриваемой стороны оптического элемента, отражались его наружной боковой поверхностью под углом, обеспечивающим их ввод в сформированную струю жидкости под углом, превышающим угол полного внутреннего отражения для границы раздела жидкость-воздух. При таком условии повышается доля полезно используемого излучения, поскольку основная его часть распространяется внутри ламинарного участка струи за счет эффекта полного внутреннего отражения.

Форма профиля боковой стороны оптического элемента определялась путем нахождения совокупности его точек методом трассировки лучей через предлагаемую оптическую систему с помощью ЭВМ с использованием законов геометрической оптики и оптимизационных алгоритмов. Метод нахождения точек профиля является итерационным и основан на определении угла наклона боковой поверхности в каждой точке профиля к оси абсцисс, ориентированной вдоль проекции нижнего основания оптического элемента в плоскости продольного сечения, то есть угла наклона касательной к указанной поверхности, проведенной в рассматриваемой точке.

Исходными данными при нахождении точек профиля боковой стороны оптического элемента являются требуемый поперечный линейный размер трубчатого канала, а также расстояние, на которое удален источник света от центральной продольной оси оптического элемента.

Оптический элемент может быть изготовлен из оптически прозрачного материала, показатель преломления у которого близок к показателю преломления жидкости (в частности, воды), например, из оптически прозрачного компаунда, путем отливки его в заливочную форму. Оптический элемент также может быть выполнен в виде полой оболочки, изготовленной из оптически прозрачного материала, заполненной оптически прозрачным веществом, при этом показатели преломления указанных материала и вещества также должны быть близки к показателю преломления жидкости (в частности, воды).

В рассматриваемом устройстве может быть использован один источник света, или, с целью повышения яркости и равномерности освещения, могут применяться несколько источников света, расположенных вокруг трубчатого канала.

При этом источник (источники) света может быть помещен вблизи нижнего основания оптического элемента как внутри его объема, так и вне его объема. Важным является, чтобы источник (источники) света был установлен в пределах площади проекции оптического элемента на горизонтальную плоскость, поскольку при таком расположении световые лучи падают на наружную боковую поверхность оптического элемента с возможностью их отражения и ввода в струю жидкости.

В качестве источника света преимущественно применяется светоизлучающий диод или светодиодная сборка.

Таким образом, технический эффект, достигаемый при использовании заявленного устройства, заключается в повышении эффективности освещения струи жидкости. При этом устройство просто по конструкции, компактно и может быть адаптировано практически к любым трубопроводам, являющимся конструктивными элементами фонтанов, а также, к бытовым трубопроводным кранам, что обеспечивает широкие возможности применения заявляемого устройства.

В случае, когда источник света помещен внутри объема оптического элемента, целесообразным является, чтобы он располагался на внутренней поверхности его нижнего основания.

В случае, когда источник света расположен вне объема оптического элемента, целесообразным является, чтобы он располагался под его нижним основанием. С целью повышения эффективности освещения струи жидкости форма нижнего основания выбирается такой, что в плоскости продольного сечения оптического элемента наружная поверхность нижнего основания с каждой из сторон относительно трубчатого канала на периферии выполнена плоской или вогнутой, а на участке вблизи входного отверстия трубчатого канала выполнена расширяющейся в направлении движения потока жидкости, при этом точки профиля указанного расширяющегося участка выбраны из условия обеспечения ввода в струю жидкости световых лучей, излучаемых источником света, расположенным в плоскости продольного сечения вблизи рассматриваемого расширяющегося участка, и преломленных на его поверхности под углом, превышающим угол полного внутреннего отражения для границы раздела жидкость-воздух.

В таком случае и световые лучи, отраженные боковой поверхностью оптического элемента, и световые лучи, преломленные на расширяющемся участке поверхности нижнего основания, распространяется внутри ламинарного участка струи за счет эффекта полного внутреннего отражения.

При попадании на наружную боковую поверхность оптического элемента капель жидкости, в зоне их расположения не выполняются условия отражения световых лучей от указанной поверхности, что приводит к снижению эффективности подсветки струи.

Для предотвращения попадания капель жидкости на наружную боковую поверхность оптического элемента целесообразно, чтобы устройство дополнительно содержало защитный колпак, помещенный поверх оптического элемента, имеющий центральное сквозное отверстие, совмещенное с выходным отверстием трубчатого канала оптического элемента.

С целью сохранения требуемых углов отражения для световых лучей, падающих на боковую поверхность оптического элемента, целесообразно, чтобы поверхность оптического элемента снаружи была выполнена металлизированной. В таком случае защитный колпак может не использоваться.

На фиг.1 представлен общий вид заявляемого устройства и схема распространения световых лучей в нем для случая, когда устройство содержит источники света, расположенные в объеме оптического элемента; на фиг.2 - то же для случая, когда устройство содержит источники света, расположенные вне объема оптического элемента.

Устройство содержит оптический элемент 1, выполненный, в частности, в виде сплошного объемного тела, изготовленного из прозрачного материала, внутри которого сформирован центральный цилиндрический сквозной канал 2 с входным 3 и выходным 4 отверстиями. Оптический элемент 1 выполнен в виде насадки, предназначенной для помещения на выходной участок жидкостного трубопровода (не показан), и имеет нижнее основание 5, расположенное вблизи входного отверстия 3 трубчатого канала 2, и сужающуюся в направлении движения потока жидкости боковую поверхность, в верхней части примыкающую к выходному отверстию 4 трубчатого канала 2. Устройство также включает источники 6 и 7 света, расположенные по разные стороны от трубчатого канала 2 вблизи нижнего основания 5 оптического элемента 1 в пределах площади его проекции на горизонтальную плоскость. Форма оптического элемента 1 выбрана из условия обеспечения ввода падающих на нее световых лучей в струю жидкости, истекающую из выходного отверстия 4 трубчатого канала 2. При этом в плоскости продольного сечения (фиг.1) точки профиля каждой из боковых сторон 8 и 9 оптического элемента 1 выбраны из условия, что световой луч "а", падающий на наружную боковую поверхность в рассматриваемой точке 10 профиля от источника света 7, расположенного в плоскости продольного сечения под боковой стороной 9, отражается в рассматриваемой точке 10 под углом, обеспечивающим ввод луча а в струю жидкости под углом , превышающим угол полного внутреннего отражения для границы раздела жидкость-воздух.

В случае, когда источники света 6 и 7 помещены вне объема оптического элемента 1 (фиг.2), они расположены под его нижним основанием 5. При этом в плоскости продольного сечения оптического элемента 1 наружная поверхность нижнего основания 5 с каждой из сторон относительно трубчатого канала 2 на периферии имеет слегка вогнутый участок 11, а вблизи входного отверстия 3 трубчатого канала 2 имеет расширяющийся участок 12, Участок 12 в плоскости продольного сечения имеет форму профиля, обеспечивающую ввод преломленного на его поверхности в рассматриваемой точке 13 светового луча "b", излучаемого источником света 7, расположенным в плоскости продольного сечения вблизи рассматриваемого участка 12, под углом, превышающим угол полного внутреннего отражения для границы раздела жидкость-воздух.

Ход светового луча "а", отраженного боковой поверхностью оптического элемента, показанный на фиг.2, аналогичен ходу луча "а", показанному на фиг.1.

Устройство работает следующим образом.

Устройство с закрепленными на нем источниками 6 и 7 света помещается на выходном участке жидкостного трубопровода (не показан) таким образом, чтобы входное отверстие 3 трубчатого канала 2 оптического элемента 1 совместилось с выходным участком жидкостного трубопровода.

Излучаемые источниками 6 и 7 световые лучи обеспечивают освещение сформированной в трубчатом канале 2 струи жидкости. При этом для каждого из источников 6 и 7 лучи распространяются аналогичным образом. Часть лучей (см. луч "с", излучаемый источником 7 на фиг.1) попадает в струю жидкости непосредственно через поверхность трубчатого канала 2. Основную роль в декоративной подсветке струи жидкости играют лучи (см. лучи "а" на фиг.1 и 2), вводимые в струю после отражения их внешней боковой поверхностью оптического элемента 1, а для устройства, представленного на фиг.2, также лучи (см. луч "в" на фиг.2), преломленные расширяющимися участками поверхности нижнего основания 5 оптического элемента 1. Указанные лучи вводятся в струю жидкости под углами, превышающими угол полного внутреннего отражения для границы раздела жидкость-воздух, и распространяются внутри гладкой (ламинарной) части струи жидкости, создавая интересный декоративный эффект.