Область техники

Изобретение относится к системам, предназначенным для создания комфортных климатических условий для различных потребителей, как при повышенной, так и при пониженной температуре окружающей среды. Под потребителями понимаются в первую очередь люди, а также животные, растения и другие субъекты.

Изобретение может быть использовано для локального создания комфортных климатических условий потребителям, находящимся в помещениях различного назначения. При этом под помещениями в рамках данного изобретения понимаются различные жилые, служебные, производственные и иные помещения стационарного типа, а также салоны автомобилей, вагоны (купе) поездов, каюты судов и иных транспортных средств.

Изобретение также может быть использовано для создания комфортных климатических условий на открытом пространстве - например, уличные кафе, рестораны и т.п., а также при проведении массовых мероприятий типа Open Air на стадионах, открытых концертных площадках и др.

Предшествующий уровень техники.

Начнем с систем охлаждения (cooling systems).

Наибольшее распространение для создания комфортных климатических условий при повышенной температуре окружающей среды - для охлаждения воздуха в помещениях - в настоящее время получили кондиционеры компрессионного типа. Кроме этого, существуют также кондиционеры абсорбционного и испарительного типов. Компрессионные кондиционеры в большинстве случаев могут работать как на охлаждение, так и на нагрев воздуха. Испарительные кондиционеры кроме охлаждения осуществляют также увлажнение воздуха и вентиляцию. Необходимо упомянуть также кондиционеры, основанные на элементах Пельтье, которые используются для охлаждения небольших объёмов (например, внутренних полостей какого- либо оборудования, процессоров ПК).

Все известные на настоящее время кондиционеры имеют следующие базовые, то есть, неустранимые недостатки.

Первый и основной недостаток -- это высокая инерционность. Требуется значительное время для создания требуемых климатических условий в помещении.

Второй недостаток - принципиальная невозможность создания строго локализованных зон с комфортными климатическими условиями как внутри помещений, так и вне помещений на открытом воздухе. Данный недостаток обусловлен самой конвективной схемой функционирования кондиционеров.

Использование сложных систем воздуховодов и вентиляции позволяет лишь частично решить данную проблему

Третий недостаток является прямым следствием первых двух. Это низкая энергетическая эффективность. Или, другими словами, высокий уровень энергетических затрат.

И наконец, четвертый недостаток, который присущ кондиционерам компрессионного типа, - это необходимость использования вредных хладагентов, что создает серьезные экологические проблемы по причине существенного негативного влияния хладагентов на изменение климата.

Далее проведем анализ так называемых систем отопления (heating systems), после чего перейдем к анализу отдельного класса отопительных приборов - инфракрасных обогревателей (infrared heating systems).

Наибольшее распространение в настоящее время получили так называемые коллекторные системы конвективного типа. При их использовании большую часть тепловой энергии человек получает конвективным путем через нагретый воздух. Оконечные устройства, куда поступает нагретый теплоноситель, как правило, горячая вода, так и называются - конвекторами (а не радиаторами). Базовые недостатки коллекторных систем отопления конвективного типа в основном идентичны недостаткам компрессионных кондиционеров.

1. Данные системы отопления имеют высокую инерционность. Требуется значительное время для создания требуемых климатических условий в помещении.

2. Данные системы отопления практически исключают возможность создания строго локализованных зон с комфортными климатическими условиями как внутри помещений, так и вне помещений на открытом воздухе, что обусловлено превалированием конвективной схемы доведения тепловой энергии до потребителей.

3. Данные системы имеют низкую энергетическую эффективность, что следует из вышеизложенных недостатков. То есть, требуют существенных энергетических затрат.

4. Результат функционирования данных конвективных систем - перегретый и, соответственно, пересушенный воздух с большим количеством ультрадисперсной пыли.

Далее более подробно проанализируем системы инфракрасного обогрева. Из уровня техники известно большое количество технических решений, относящихся к системам инфракрасного обогрева (infrared heating systems). Данный вид систем обогрева встречается под самыми различными названиями - например, системы лучевого обогрева, инфракрасные излучатели тепла, инфракрасные обогреватели и т.д.

Принцип действия всех традиционных систем инфракрасного обогрева одинаков - это нагревание рабочего тела, и последующая отдача тепла в окружающую среду посредством инфракрасного излучения.

Все известные из уровня техники традиционные инфракрасные обогреватели, предназначенные для создания комфортных климатических условий, можно структурно представить в виде системы, состоящей из совокупности следующих взаимосвязанных подсистем - источник энергии, подсистема нагрева рабочего тела, оптическая подсистема и подсистема управления.

Современные инфракрасные обогреватели для нагрева рабочего тела могут использовать в качестве источника энергии, как электричество, так и дизельное топливо или газ. Например, в электрических инфракрасных обогревателях нагрев рабочего тела (нагревательного элемента, например, спирали) осуществляется путем пропускания через него электрического тока.

Основной отличительной особенностью всех инфракрасных обогревателей является тот факт, что генерируемое нагревательными элементами инфракрасное излучение имеет широкую полосу излучения, что следует из закона излучения Планка. Кроме того, излучение нагревательных элементов является «всенаправленным» рассеянным излучением. Поэтому для формирования направленности и «геометрии» результирующего выходного теплового потока используются оптические подсистемы различного вида.

Например, высокотемпературные ламповые инфракрасные обогреватели - кварцевые, галогенные, карбоновые - оснащают металлическими зеркалами в виде параболоидов вращения либо параболических цилиндрических зеркал. Назначение этих элементов - концентрация инфракрасного излучения в направлении обогреваемого объекта. Также в своей конструкции электрические инфракрасные обогреватели могут иметь бленды (нем. blenden — заслонять), помогающие формировать диаграмму направленности путем экранирования нежелательных направлений распространения излучения. В низкотемпературных пленочных обогревателях в качестве отражателя используется алюминиевая фольга.

Основной функцией подсистемы управления в большинстве традиционных систем инфракрасного обогрева является регулирование мощности выходного теплового потока посредством изменения температуры нагревательного элемента. Основные недостатки традиционных систем инфракрасного обогрева во многом идентичны недостаткам выше рассмотренных конвективных систем - низкая энергетическая эффективность; высокая инерционность ввиду наличия процессов нагрева при включении и последующего остывания при выключении; сомнительная экология.

Низкая энергетическая эффективность в наибольшей мере свойственна высокотемпературным (более 600°С) инфракрасным обогревателям, в частности, кварцевым, галогенным и карбоновым инфракрасным лампам. Ввиду широкой полосы излучения значительная часть энергии излучения приходится на видимую часть спектра, и даже на ультрафиолетовую. Лампы светятся. Плюс потери энергии на металлизированных отражателях. К тому же высокотемпературное, или коротковолновое, излучение (мода излучения находится в ближнем инфракрасном диапазоне от 0,78 до 3,0 мкм; ISO 20473) относится к так называемому «жесткому» излучению. Его спектр очень близок к спектру пламени сильного костра. Поэтому высокотемпературные инфракрасные обогреватели, как правило, применяют в высоко потолочных производственных помещениях.

Наиболее приемлемыми с экологической точки зрения для человека являются низкотемпературные (ниже 100°С) инфракрасные обогреватели с модой излучения в очень узком диапазоне волн от 8,0 до 9,5 мкм. Они генерируют так называемое «мягкое» или комфортное тепловое излучение. Но низкотемпературные инфракрасные обогреватели, например, пленочные обогреватели, требуют достаточно больших площадей, что следует из закона Стефана-Больцмана. При заданном уровне мощности требуемая площадь излучающей поверхности обратно пропорциональна четвертой степени температуры по шкале Кельвина.

Таким образом, чтобы обеспечить требуемый уровень мощности излучения следует либо поднимать температуру излучающей поверхности при заданной площади, либо увеличивать площадь излучающей поверхности при заданной температуре. Для разрешения данного противоречия на практике используются среднетемпературные (от 100° до 600°С; от 3,0 до 8,0 мкм) инфракрасные обогреватели, большая часть которых относится к классу так называемых керамических обогревателей.

Необходимо отметить, что экологическая и медицинская природа излучений, генерируемых традиционными электрическими обогревателями, весьма сомнительна. Принцип их действия по большому счету аналогичен принципу действия антенно-фидерных устройств. Все они генерируют целый «букет» электромагнитных возмущений, неизбежно возникающих при протекании тока через нагревательный элемент. Свою долю также вносят металлические отражатели. В наибольшей мере, электромагнитный «смог» генерируют керамические электрические обогреватели, когда раскаленный нагревательный элемент из тугоплавких металлов замуровывается в керамику (камень, бетон и др.). Сказанное в полной мере относится и к теплым электрическим полам.

В патенте RU 2430832 предлагается система на основе лазерных диодов, предназначенная для прямой подачи теплового инфракрасного излучения с выбранной длиной волны на целевые объекты с целью их нагрева, то есть, с целью повышения температуры целевых объектов.

В рамках же предлагаемого изобретения не ставится задача нагрева тех или иных объектов. Главная цель - создание комфортных климатических условий. Главный целевой объект - сам человек, его субъективные ощущения, имеющие понятную физическую и физиологическую природу. Главный инструмент достижения цели - количество и качество тепла, получаемого человеком от источника инфракрасного излучения в данный отрезок времени. Все внешние параметры - всего лишь исходные данные для решения главной задачи.

В рамках данного описания нет возможности всесторонне проанализировать все аспекты теории и практики теплового комфорта. Поэтому ограничимся рассмотрением самых значимых фактов. Первое. Теплообмен человека более чем наполовину осуществляется путем излучения. Это установленный факт. Отсюда следует вывод о том, что состояние теплового комфорта определяется не только, и даже не столько температурой окружающей среды, в частности, температурой воздуха, а сколько наличием источника комфортного теплового излучения, а также его мощностью. Очевидный пример - влияние солнечного излучения в ясную и пасмурную погоду при одинаковой температуре воздуха. Другой пример - на горнолыжных курортах в ясный безоблачный полдень люди чувствуют себя достаточно комфортно в самых облегченных вариантах одежды при отрицательных значениях температуры воздуха. И наконец, костер, который обогревает в самые лютые морозы на открытом пространстве.

Второе. Самым комфортным при пониженной температуре окружающей среды для человека является инфракрасное излучение в диапазоне от 8,0 до 9,5 мкм. Этот диапазон соответствует диапазону температур излучающей поверхности от +30°С до +90°С согласно закону Вина.

Таким образом, существует глобальная техническая проблема - необходимо разработать систему, одновременно удовлетворяющую следующим базовым требованиям.

1. Система должна обеспечивать создание комфортных климатических условий для различных потребителей, как при повышенной, так и при пониженной температуре окружающей среды.

2. Система должна быть максимально безынерционной. Другими словами, создание комфортных климатических условий (далее по тексту - ККУ) должно осуществляться практически мгновенно.

3. Система должна иметь локальный принцип функционирования. Другими словами, создание ККУ должно осуществляться для конкретного потребителя (конкретных потребителей) в строго локализованной зоне в необходимое время (период времени). 4. Система должна иметь высокую энергетическую эффективность. По сравнению с известными системами охлаждения и отопления энергетические затраты для создания ККУ должны быть снижены, как минимум, вдвое.

5. Система должна иметь максимальный уровень экологической безопасности.

Система, которая удовлетворяет основным вышеперечисленным требованиям применительно к функции охлаждения, то есть, к созданию ККУ при повышенной температуре окружающей среды, приведена в патенте RU № 2757033 «Система лазерного охлаждения».

Суть изобретения заключается в использовании длинноволновых инфракрасных лазеров (в частности, инфракрасных лазерных диодов), а также инфракрасных светодиодов, с модой излучения более 10 мкм для генерации лучевого потока холода с требуемыми спектральными характеристиками. Для задания требуемых пространственных характеристик используются известные из уровня техники оптические системы.

Основным недостатком данного изобретения является невозможность реализации автоматического режима эксплуатации ввиду отсутствия в системе датчиков температуры. Также существенным недостатком является невозможность создания комфортных климатических условий при пониженной температуре окружающей среды, то есть, невозможность решения задачи нагрева.

Для более полного понимания, а также с целью правильного определения объема правовой охраны данного изобретения необходимо, прежде всего, строго сформулировать основные термины и определения (дефиниции), которые будут использованы в первую очередь в формуле изобретения, а также в рамках данного описания. В качестве основы будут использоваться государственные стандарты (в частности, ГОСТ Р 54814- 2011/IEC/TS 62504:2011), международные словари, стандарты, энциклопедии (в частности, Международный электротехнический словарь МЭК 60050- 845: 1987; International electrotechnical vocabulary IEC 60050-845: 1987). Прежде всего, необходимо отметить, что лазерный диод отличается от обычного светодиода наличием встроенного резонатора, который позволяет получить индуцированное излучение высокой степени когерентности (согласованности между фазами колебаний). У обычного светодиода излучение является спонтанным, или, другими словами, квазикогерентным. Главная отличительная черта между светодиодами и лазерными диодами - это ширина спектра излучения. Светоизлучающие диоды имеют более широкий спектр излучения - до 70 ши. Кроме того, светодиоды имеют по сравнению с лазерными диодами больший угол излучения 40 -90°.

Термин «диодный лазер» используется, как правило, по отношению к законченному устройству. А термин «лазерный диод» обычно означает кристалл полупроводника (или комбинацию кристаллов), который непосредственно выполняет генерацию лазерного излучения, плюс кристалл измерительного фотодиода, если есть необходимость стабилизации выходной мощности, расположенные в корпусе.

Очевидно, что речь не идет о прямом воздействии лазерного излучения на конечных потребителей. Лазерное излучение в данном случае является лишь промежуточным продуктом. Понятно, что его необходимо преобразовать в выходной поток инфракрасного излучения с требуемыми спектральными и пространственными характеристиками, отвечающими самым строгим критериям безопасности. Из существующего уровня техники известно большое количество решений, позволяющих обеспечить требуемое пространственное перепрофилирование исходного лазерного излучения. Данные решения в основном представляют собой различные комбинации дифракционных и рефракционных элементов. Формирование требуемой «геометрии» выходного потока ИИ по существу сводится к следующим основным операциям - расширение, коллимация и гомогенизация исходного лазерного излучения.

Применительно к инфракрасным светодиодам (светодиодным матрицам) из существующего уровня техники также известно большое количество решений, позволяющих задать требуемые пространственные параметры выходного излучения: от использования вторичной оптики до использования инфракрасной люминесценции.

Под модой излучения в соответствии с IEC/TS 62504:2011 будем понимать длину волны в максимуме спектрального распределения (peak emission wavelength).

Известно, что всего существует три простых (элементарных) механизма передачи тепла: кондукция (теплопроводность); конвекция; радиация (излучение или инфракрасное излучение; лучистый или лучевой перенос теплоты; radiation heating). Существуют также различные виды сложного переноса тепла, которые являются сочетанием элементарных видов.

Очевидно, что также существуют три аналогичных механизма передачи холода. С кондукцией и конвекцией ни у кого вопросов не возникает. Понятно всем, что при соприкосновении с холодным объектом, а также при поступлении холодного воздуха человек чувствует холод.

Но при этом, некоторые специалисты отрицают возможность передачи холода лучевым путем (radiation cooling), то есть, отрицают тем самым возможность передачи энергии посредством излучения от более холодного тела (тела с более низкой температурой) к более теплому телу (с более высокой температурой). Они отрицают само понятие «лучи холода» как материальной субстанции. И с ними трудно не согласиться.

Почему? Потому что, если говорить строго с научных позиций, не существует и таких материальных субстанций, как «лучи тепла» или «тепловое излучение».

Очевидно, что такие понятия как «тепло» и «холод» не являются материальными субстанциями в их классическом понимании, в частности, в энергетическом аспекте. Тепло и холод - это всего лишь ощущения конкретного индивидуума в конкретных условиях. А ощущения индивидуумов, как известно, очень сильно различаются даже в абсолютно одинаковых климатических (и не только) условиях. Материальной субстанцией является инфракрасное излучение.

Известно из термодинамики, что все тела с температурой выше абсолютного нуля по шкале Кельвина излучают инфракрасное излучение. Мощность инфракрасного излучения определяется в соответствии с законом Стефана-Больцмана. Спектральное распределение определяется в соответствии с законом Планка. А мода излучения - в соответствии с законом смещения Вина.

В основе изобретения лежит использование известного принципа единства двойственности. В зависимости от спектральных характеристик, прежде всего, мощности и моды, инфракрасное излучение может восприниматься конечным потребителем как тепло (или жар), или как холод (или прохлада).

Далее отметим следующий факт. Как известно, организм человека (и других представителей животного мира) является саморегулируемой системой. Сам человек не нагревается, и не охлаждается. Его температура всегда примерно постоянна - около 36,6 градусов по Цельсию (экстремальные ситуации исключаем). Но, человек чувствует и реагирует на воздействия окружающей климатической среды.

Также отметим следующий важный факт. Мощность инфракрасного излучения объекта в соответствии с законом Стефана-Больцмана прямо пропорциональна четвертой степени его температуры по шкале Кельвина. Соответственно, удельная мощность инфракрасного излучения объекта с более низкой температурой (холодного тела) существенно меньше удельной мощности инфракрасного излучения объекта с более высокой температурой (горячего тела).

Но, использование инфракрасных лазеров, а также инфракрасных светодиодов (infrared LEDs), позволяет обойти это ограничение, и дает возможность генерировать строго направленное инфракрасное излучение с практически любыми требуемыми спектральными характеристиками - мощностью и модой. А использование соответствующих известных из уровня техники оптических систем позволяет реализовать практически любые требуемые пространственные характеристики инфракрасного излучения.

Исходя из вышеизложенного, в рамках данного описания в соответствии с законом Стефана-Больцмана и других законов термодинамики будем придерживаться следующих понятийных и терминологических правил.

1. В рамках данного описания применительно к решаемой задаче будем использовать следующую схему деления инфракрасного излучения (далее по тексту - ИИ): ИИ с модой излучения до 10 мкм - это коротковолновое ИИ, или зона тепла; ИИ с модой излучения более 10 мкм - это длинноволновое ИИ, или зона холода.

Соответственно, инфракрасные светодиоды с модой излучения менее 10 мкм будем называть коротковолновыми, а инфракрасные светодиоды с модой излучения более 10 мкм - длинноволновыми.

Мода излучения 10 мкм в соответствии с законом смещения Вина соответствует моде излучения абсолютно черного тела с температурой примерно 17 градусов по Цельсию.

Например, максимум излучения для абсолютно черного тела с температурой по шкале Цельсия t° = 0° соответствует длине волны Макс=2898/273=10,6 мкм. В частности, температурам -40°, -90° и -200° по шкале Цельсия соответствуют длины волн 12,4 мкм, 16 мкм и 40 мкм соответственно.

2. Общий случай: если мода внешнего инфракрасного излучения меньше моды собственного ИИ целевого объекта, то целевой объект под воздействием данного внешнего ИИ начинает нагреваться, то есть, температура целевого объекта начинает повышаться.

Частный случай: если мода внешнего инфракрасного излучения меньше 10 мкм (а более того, меньше 9,4 мкм, что соответствует моде собственного ИИ человека), то человек начинает чувствовать тепло. 3. Общий случай: если мода внешнего инфракрасного излучения превышает моду собственного ИИ целевого объекта, то целевой объект под воздействием данного внешнего ИИ начинает охлаждаться, то есть, температура целевого объекта начинает уменьшаться.

Частный случай: если мода внешнего инфракрасного излучения более 10 мкм, то человек начинает чувствовать холод (прохладу).

Необходимо отметить, что вышеизложенная конкретизация терминологических аспектов применительно к решаемой задаче - создание комфортных климатических условий посредством локального воздействия на потребителей инфракрасного излучения с требуемыми спектральными и пространственными - никоим образом не вступает в противоречие с основными постулатами термодинамики и фотоники.

Для полноты изложения отметим, что Нобелевская премия по физике 1997 года была присуждена за разработку методов и систем лазерного охлаждения. Для многих специалистов лазеры ассоциируются с теплом. Но их можно использовать и для охлаждения вплоть до криогенных (ниже 120 К) и сверхнизких (ниже 0,3 К) температур.

Более подробно физика процессов лазерного охлаждения твердых тел изложена в журнале Report on Progress in Physics в обзорной статье «Laser cooling in solids: advances and prospects», 79, 096401 - Published 03.08.2016.

Система, которая удовлетворяет основным вышеперечисленным требованиям применительно к решению вышеизложенной технической проблемы в области отопления (нагрева), то есть, к созданию ККУ при пониженной температуре окружающей среды, приведена в заявке на изобретение «Elektrische Heizvorrichtung zum Heizen durch Warmeabstrahlung und deren Verwendung» № 102017104172.9 DE.

Суть изобретения заключается в использовании коротковолновых инфракрасных лазерных диодов, а также инфракрасных светодиодов, с модой излучения менее 10 мкм для генерации теплового излучения с требуемыми спектральными характеристиками. Для задания требуемых пространственных характеристик используются известные из уровня техники оптические системы.

Основным недостатком данного изобретения также является невозможность реализации автоматического режима эксплуатации ввиду отсутствия в системе датчиков температуры.

Основным и самым ближайшим аналогом-прототипом инфракрасного кондиционера и в конструктивном исполнении, и в функциональном назначении является современная светодиодная система освещения во всех известных вариантах.

Обзор систем светодиодных модулей и устройств управления приведен в ГОСТ Р 54814-2011/IEC/TS 62504:2011 (Приложение А). А в целом характеристики и функциональные возможности светодиодной системы освещения определяются всем объемом научно-технической и патентной информации, известной на данный момент времени.

Раскрытие изобретения

Инфракрасный кондиционер - это модифицированная светодиодная система освещения, в которой для создания ККУ при повышенной температуре окружающей среды (cooling) используются длинноволновые инфракрасные LEDs с модой излучения более 10 мкм, а для создания ККУ при пониженной температуре окружающей среды (heating) - коротковолновые инфракрасные LEDs с модой излучения менее 10 мкм.

Приведем общие конструктивные и функциональные аспекты инфракрасного кондиционера (далее по тексту - ИК) и светодиодной системы освещения (далее по тексту - ССО).

1. Основная функция ИК и ССО - это генерация направленного электромагнитного излучения (далее по тексту - ЭМИ) с требуемыми пространственно-спектральными характеристиками в соответствии с требуемым режимом эксплуатации системы.

2. Основной инструментарий для генерации ЭМИ - LEDs. 3. Основной принцип функционирования ИК и ССО - это безынерционный локально-временной режим эксплуатации системы, при котором генерация электромагнитного излучения с требуемыми параметрами осуществляется в требуемых местах и в требуемые интервалы времени в соответствии с потребностями конечных потребителей.

4. ИК и ССО являются практически безынерционными системами. Время срабатывания LEDs измеряется микросекундами. Генерация требуемого излучения в соответствии с режимом эксплуатации, и, соответственно, удовлетворение потребностей конечных потребителей осуществляется практически мгновенно.

5. ИК и ССО могут функционировать в автоматическом режиме. При этом подсистема автоматического управления является практически безынерционной системой, которая позволяет обеспечить как статический, так и динамический (конечные потребители находятся в движении) режим непрерывного удовлетворения потребностей конечных потребителей. Для реализации автоматического режима эксплуатации ИК и ССО необходимы две основные группы датчиков. Первая группа - датчики, позволяющие контролировать необходимые параметры окружающей среды. Вторая группа - датчики, позволяющие мгновенно определять местонахождение конечного потребителя (потребителей).

Далее приведем основные конструктивные и функциональные различия ИК и ССО.

1. Основная функция ССО - генерация видимого ЭМИ.

Основная функция ИК - генерация инфракрасного ЭМИ в двух основных режимах.

Первый режим - генерация коротковолнового инфракрасного излучения с модой излучения менее 10 мкм при пониженной температуре окружающей среды (heating). Второй режим - генерация длинноволнового инфракрасного излучения с модой излучения более 10 мкм при повышенной температуре окружающей среды (cooling).

2. В ССО используются LEDs видимого спектра.

В ИК используются инфракрасные (infrared) LEDs двух типов.

Первый тип - коротковолновые infrared LEDs с модой излучения менее 10 мкм (heating). Второй тип - длинноволновые infrared LEDs с модой излучения более 10 мкм (cooling).

При необходимости использования люминофоров в инфракрасных излучателях (лампах, радиаторах и пр.) соответственно используются инфракрасные люминофоры.

3. Основным типом конечных устройств в ССО являются светодиодные лампы, генерирующие спонтанное излучение видимого спектра.

Основным типом конечных устройств в ИК являются излучатели (радиаторы), генерирующие строго направленное инфракрасное излучение.

Очевидно, что в оконечных устройствах ИК должны использоваться материалы, прозрачные для инфракрасного излучения. В частности, защитное покрытие излучающей поверхности инфракрасного радиатора должно быть прозрачным для инфракрасного излучения. Отметим, что современный уровень техники предлагает самый широкий спектр материалов, максимально прозрачных для инфракрасного излучения, с требуемыми термомеханическими характеристиками. Например, большой класс халькогенидных стекол.

4. В ССО основными датчиками, позволяющими контролировать параметры окружающей среды, являются датчики освещенности.

В ИК основные датчики - это датчики температуры.

Очевидно, что виды датчиков определения местонахождения конечных потребителей в обеих системах являются идентичными.

Таким образом, сущность изобретения определяется следующей неочевидной совокупностью существенных признаков. 1. Использование ССО как основы (прототипа) для создания ИК.

В рамках данного описания ССО рассматривается как безынерционная система для генерации ЭМИ (видимого излучения в диапазоне от 0,38 до 0,74 мкм) с требуемыми спектральными характеристиками в требуемом месте в требуемое время.

2. Использование длинноволновых infrared LEDs с модой излучения более 10 мкм для создания ККУ при повышенной температуре окружающей среды (cooling).

3. Использование коротковолновых infrared LEDs с модой излучения менее 10 мкм для создания ККУ при пониженной температуре окружающей среды (heating).

4. Использование инфракрасных люминофоров для инфракрасных ламп.

5. Использование для инфракрасных радиаторов материалов, прозрачных для инфракрасного излучения.

6. Использование датчиков температуры для контроля температуры окружающей среды с целью безынерционного автоматического управления режимами функционирования ИК.

Резюме - создание принципиально новой безынерционной системы для создания ККУ путем генерации и воздействия на потребителей направленного ИИ с требуемыми спектральными и пространственными характеристиками в требуемом месте в требуемое время при различных температурных и иных параметрах окружающей среды.

Технический результат, обеспечиваемый ИК, характеризуется следующими показателями.

1. Практически мгновенное создание ККУ, как при повышенной, так и при пониженной температуре окружающей среды, а также практически мгновенное отключение ИК.

2. Строго локализованное создание зон ККУ в необходимые для конечных потребителей интервалы времени.

3. Уменьшение энергетических затрат в 2 и более раз. Приведем элементарное и всем известное доказательство. Даже использование традиционных электрических инфракрасных обогревателей, принцип действия которых основан на резистивном нагреве, дает снижение энергетических затрат более чем в 2 раза.

4. Повышение экологической безопасности, практически полностью исключающее вредные воздействия ПК на окружающую среду и на конечных потребителей.

Глобальное преимущество ПК - принципиальное изменение концепции создания комфортных климатических условий для конечных потребителей (людей, животных, растений, оборудования, предметов и т.д.). В традиционной терминологии - изменение концепции охлаждения и отопления.

Приведем принципиальные аспекты новой Концепции.

1. Комфортные условия создаются посредством воздействия на потребителей инфракрасного излучения с требуемыми пространственно - спектральными характеристиками.

2. Комфортные условия создаются в режиме реального времени - то есть, практически мгновенно - конкретно в том месте, где находится в данный момент времени конечный потребитель.

3. В полной мере реализуется локальный (а не объемно- пространственный) принцип функционирования системы с динамической привязкой к месту нахождения конечного потребителя (потребителей), позволяющий многократно снизить энергетические затраты - в 2 и более раз.

Приведем основные конкурентные преимущества ПК.

1. Полномасштабная реализация ПК позволит снизить общемировые энергетические затраты, связанные с созданием комфортных климатических условий (в традиционной терминологии - энергетические затраты на охлаждение и отопление), более чем в 2 раза. 2. В конструкции ИК не используются никакие хладагенты, что в глобальном масштабе наряду со снижением энергетических затрат внесет существенный вклад в решение климатической проблемы.

3. Конструкция ИК обладает всеми достоинствами ССО - простота конструкции, удобство эксплуатации, высокая ремонтопригодность, возможность автономной работы от ВИЭ и/или АБ, комфортный высокоинтеллектуальный интерфейс управления и др.

4. Использование ИК позволит создать максимально благоприятные климатические условия, что особенно важно для здоровья конечных потребителей. В существующих системах основной акцент был на количественных параметрах - количество килокалорий, температура воздуха и т.п. Использование же ИК позволит оперировать качественными характеристиками таких понятий как «тепло» и «холод» через возможность динамического управления пространственно-спектральными характеристиками ИИ (в первую очередь - мощностью и модой излучения).

5. ИК в отличие от существующих систем можно использовать вне помещений на открытом воздухе (open air).

6. Снижение энергетических затрат при эксплуатации ИК автоматически приводит к существенному снижению финансовых затрат (операционных затрат - Op Ех) для потребителей.

Таким образом, изобретение в полной мере решает техническую проблему, заключающуюся в одновременном повышении энергетической эффективности, решении экологических проблем и улучшении управляемости процессом создания ККУ через использование всех преимуществ ССО, включающих весь спектр известных решений в данной области. А также путем расширения (модификации) арсенала технических средств, включающих использование инфракрасных светодиодов, инфракрасных люминофоров, прозрачных для ИИ материалов и датчиков температуры. Следует отметить, что при необходимости создания более мощных ИК с более строгими требованиями к «геометрии» ИИ вместо инфракрасных светодиодов могут быть использованы инфракрасные лазерные диоды.

Для окончательного понимания сущности изобретения приведем ряд прикладных примеров.

Первый пример. Если человеку необходимо ночью почитать книгу, он включает для этого настольную лампу, и, соответственно, использует ее ровно столько времени, сколько необходимо. Теперь представим, что система освещения функционирует аналогично традиционным системам охлаждения и отопления. Тогда для решения той же задачи свет должен был гореть во всех помещениях дома практически все темное время суток.

Другой пример. Рассмотрим использование камина. Традиционный камин - это костер, обложенный камнями, к которому сверху приделан дымоход. В холодное время года камин создает ККУ для людей, находящихся в непосредственной близости прямо перед камином, посредством воздействия на них ИИ пламени костра. Отметим, что использование камина приводит к снижению температуры воздуха в помещении, так как он использует для горения теплый воздух из помещения, на смену которому поступает более холодный воздух с улицы.

Инфракрасный кондиционер можно представить в виде совокупности большого количества модифицированных каминов - потолочных, настенных, напольных; стационарных, мобильных - установленных в необходимых местах, например, загородного дома. Режим управления на выбор - ручной, автоматизированный, автоматический.

При этом сам «модифицированный камин» в единичном экземпляре представляет собой инфракрасный излучатель, внешне похожий на обычный светодиодный светильник. Очевидно, что использование «модифицированных каминов» (в отличие от использования традиционных) приводит к опосредованному повышению температуры воздуха в помещениях. Лучший вариант осуществления изобретения. Промышленная применимость

Лучший вариант осуществления изобретения определяется независимым пунктом формулы изобретения. Конкретные варианты осуществления определяются результатами решения конкретных технико-экономических задач с использованием всего спектра известных научных, технических и технологических решений в области светодиодного освещения.

Современный уровень техники позволяет в кратчайшие сроки и максимально широко реализовать данное изобретение. Все необходимое для этого есть. Инфракрасный кондиционер характеризуется использованием средств, известных до даты приоритета изобретения. Поэтому далее раскроем основные средства таким образом, чтобы можно было осуществить изобретение.

В основе изобретения, по существу, лежит использование одного из наиболее эффективных научных и изобретательских методов, а именно, использование метода аналогии. Как известно, метод аналогии - это метод познания, основанный на переносе одного или нескольких свойств известного явления на неизвестное (частный случай индукции).

По существу, изобретение относится к классу так называемых «идеальных систем». Под идеальной системой понимается система, которой нет. При этом, ее функции выполняет другая уже существующая и, как правило, модифицированная система.

Так, идеальным кондиционером конвективного типа (air conditioner), предназначенным для подачи охлажденного или нагретого воздуха в помещение, является отсутствие этого кондиционера как такового. При этом его конечную функцию, а именно, создание комфортных климатических условий для потребителей, исполнит модифицированная светодиодная система освещения, в которой вместо светодиодов видимого спектра используются инфракрасные светодиоды. Таким образом, идеальным кондиционером является инфракрасный кондиционер, предназначенный для создания комфортных климатических условий посредством локального воздействия на потребителей направленного инфракрасного излучения с требуемыми пространственно - спектральными характеристиками. При этом требуемые характеристики инфракрасного излучения определяются в первую очередь температурными параметрами окружающей среды.

Так как конструктивной основой инфракрасного кондиционера является светодиодная система освещения, обратимся к истории развития электрических систем освещения. На начальном этапе - лампы накаливания, то есть, резистивный нагрев. Далее - так называемые энергоэффективные лампы в различных вариациях. И наконец - светодиодное освещение. Главные достоинства - высокая энергетическая эффективность плюс интеллектуальный интерфейс.

В самом начале эволюции полупроводниковой светотехники был только один вектор развития — увеличение мощности одного светодиода. Это направление получило название Power LED. Совершенствование технологий позволило повысить мощность светодиода до 10 Вт. Хотя практическое применение нашли, главным образом, светодиоды мощностью 1ЕЗ Вт.

В дальнейшем был начат выпуск светильников на так называемых SMD- светодиодах (Surface Mounting Device - устройство с креплением на поверхность). Дальнейшим развитием такого подхода в светотехнике стала технология Chip-on-Board, сокращенно СОВ. Суть технологии СОВ заключается в размещении на плате кристаллов без корпусов и керамических подложек, а также покрытие этих кристаллов общим слоем люминофора. Благодаря этому, значительно повышается энергетическая эффективность и, соответственно, снижается стоимость матрицы светодиодов.

Кристаллы светодиодов при технологии СОВ расположены гораздо ближе друг к другу, чем при использовании SMD-свето диодов. Плотность размещения может достигать 70 кристаллов на 1 кв. см и более. К тому же, они имеют общее покрытие люминофором. При равной мощности размер СОВ-матрицы меньше, чем размер матрицы из SMD-свето диодов. С помощью СОВ технологии можно изготавливать матрицы абсолютно любой геометрической формы с малой себестоимостью.

Ключевым моментом, долгое время не позволявшим реализовать технологию СОВ на практике, была необходимость нанесения на подложку очень тонкого равномерного слоя адгезивного материала. Задача была решена путем использования метода магнетронного распыления (magnetron sputering), обеспечивающего равномерное нанесение адгезивного вещества с точно заданной толщиной. В итоге, тепловой контакт между подложкой и кристаллом стал значительно лучше. Новая технология получила название Multi Chip-on-Board или сокращенно МСОВ. В научно-технической литературе понятия СОВ и МСОВ зачастую имеют один общий смысл. Практически все выпускаемые сейчас светодиодные матрицы изготавливаются по технологии МСОВ. Мощность современных светодиодных матриц может достигать 100 Вт и более.

Таким образом, отметим следующий очевидный факт - светодиодная революция в области освещения уже свершилась!

Эволюция технологий для инфракрасных светодиодов аналогична эволюции технологий для светоизлучающих диодов. По существу светодиод инфракрасного спектра излучения отличается от светоизлучающего диода видимого спектра только материалом, из которого изготовлен полупроводник. Принцип же работы и у тех, и у других одинаков. Технологии изготовления практически идентичны. Аналогичные утверждения полностью применимы и к инфракрасным лазерным диодам.

В настоящее время для различных практических приложений широко используются инфракрасные матрицы различных типов, исполненные по технологиям SMD и МСОВ. Выходная мощность данных матриц измеряется сотнями ватт. Анализ трендов спектральных (мощность и мода излучения), энергетических и стоимостных характеристик инфракрасных матриц позволяет сделать следующие выводы.

Во-первых, в самое ближайшее время выходная мощность данных матриц будет измеряться киловаттами. Например, компания OSRAM анонсировала, что в 2022 году доведет мощность излучения до 2 кВт. В настоящее время в портфеле данной компании уже имеются инфракрасные матрицы с выходной мощностью в сотни ватт. Например, матрица SPL ВК 102-40 с выходной мощностью 250 Вт. Размеры данной матрицы составляют 11,4x4,0x0,115 мм, мода излучения (длина волны) - 1016 ± 5 нм. Среди традиционных практических приложений анонсировано такое приложение, как нагрев (heating).

Во-вторых, моды излучения (длина волны) инфракрасных матриц различных типов будут возрастать - от коротковолнового диапазона к средневолновому диапазону и далее (ISO 20473). Необходимый научнотехнологический задел для этого уже создан. В настоящее время уже существуют и отработаны технологии изготовления инфракрасных светодиодов с модой излучения (длиной волны) до 40 мкм.

В-третьих, энергетическая эффективность современных инфракрасных светодиодов (излучателей) уже превысила 70%.

При этом, теоретически и экспериментально доказана возможность доведения коэффициента полезного действия инфракрасных светодиодов до 100 %. Подробности изложены в статье в Physical Review Letters «Thermoelectrically Pumped Light-Emitting Diodes Operating above Unity Efficiency», 108, 097403 - Published 27.02.2012.

В-четвертых, стоимость киловатта выходной мощности у инфракрасных излучателей в ближайшие годы, несомненно, будет снижаться. У светодиодных систем освещения процесс выравнивания стоимости выходного люмена со стоимостью люмена других систем освещения занял менее 10-ти лет. Основной вывод - в области инфракрасных светодиодов (матриц, излучателей) произойдут те же события, что и в области светодиодов видимого спектра. Но только значительно быстрее.

Все необходимые условия, в первую очередь, научно -технологический задел, уже созданы. И главная причина, которая стимулирует данный процесс, - существующие экологические проблемы, требующие снижения энергетических затрат и отказа от использования вредных хладагентов.

В данном описании сознательно опущены чертежи и схемы, иллюстрирующие сущность изобретения и его промышленную применимость по следующим причинам.

Данное изобретение характеризуется неочевидной совокупностью известных из уровня техники существенных признаков.

В основу изобретения положено использование известных конструктивно-функциональных схем светодиодных систем освещения. При этом характеристики и функциональные возможности светодиодной системы освещения определяются всем объемом научно-технической и патентной информации, известной на данный момент времени. То же самое относится и к каждому из других существенных признаков изобретения. Полное копирование известных схем и чертежей вместе с известными описаниями не имеет практического смысла.

А неполное копирование и воспроизводство известных из уровня техники схем и чертежей может привести к уменьшению объема правовой охраны настоящего изобретения.

Для специалистов в данной области техники должно быть понятно, что изложенные существенные признаки изобретения в полной мере определяют базовые принципы конструирования и функционирования инфракрасных кондиционеров, позволяющие наилучшим образом обеспечить промышленную применимость изобретения.