УСТАНОВКА ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ И ДЕЗОДОРАЦИИ ВОЗДУХА Российский патент 1997 года по МПК A61L9/20 A61L2/10 

Изобретение относится к технике обеззараживания и дезодорации, в частности, для оперативного обеззараживания воздуха в операционных перевязочных, процедурных кабинетах, в поликлиниках и госпиталях, в помещениях бактериологических лабораторий и т.д.

Известно устройство для очистки воздуха с помощью ультрафиолетового (УФ) излучения, содержащее вертикальный корпус с УФ лампой, размещенной в его верхней части (заявка ЕПВ (ЕР) N 0220050, кл. А 61 L 9/18, 1987). УФ лампа создает постоянный во времени бактерицидный поток излучения, убивающий находящиеся в воздухе микроорганизмы. Перемещение обрабатываемого воздуха относительно УФ лампы осуществляется за счет конвекции или активного втягивания.

Недостатками известного устройства являются низкая производительность, обусловленная использованием низкоинтенсивного источника непрерывного УФ излучения линейчатого спектра (ртутная бактерицидная лампа низкого давления) и нежелательная наработка в воздухе значительных концентраций озона и других токсичных газов, связанная с длительным воздействием на воздух УФ излучения.

Известна также установка для обеззараживания воздуха, содержащая размещенные в подвижном корпусе блок питания и управления, вентилятор и облучатель с источником УФ излучения, установленным вертикально в держателе и подключенным к блоку питания и управления (см. Приложение стерилизатор SANITRON, модель J 258).

За счет применения мощных ртутных ламп непрерывного горения производительность известного стерилизатора повышена, однако, она остается явно недостаточной для оперативного экспресс-обеззараживания. Hапример, как следует из Приложения, для стерилизации воздуха в помещении размером 5 х 7 м необходима непрерывная работа стерилизатора в течение 3 ч. Кроме того, стерилизация сопровождается наработкой озона.

В результате известный стерилизатор может применяться лишь в тех помещениях, в которых отсутствуют люди в течение длительного времени (несколько часов), необходимого собственно для стерилизации воздуха и последующего снижения концентрации озона до допустимого уровня.

Известна также установка для обеззараживания воздуха, являющаяся наиболее близким аналогом предлагаемой установки, и содержащая корпус, блок питания и управления с накопительным конденсатором и системой зажигания в виде генератора импульсов поджига, вентилятор, облучатель с источником ультрафиолетового излучения в виде импульсной газоразрядной лампы, установленный вертикально в держателе и подключенный к блоку питания и управления, при этом накопительный конденсатор и газоразрядная лампа образуют разрядный контур, связанный с генератором импульсов поджига (патент РФ N 2031659, кл. A 61 L 2/10, 9/20).

Известная установка позволяет значительно сократить время обработки воздуха в помещении (до нескольких минут) за счет применения мощных импульсных газоразрядных ламп, обеспечивающих облучение воздуха высокоинтенсивным импульсным УФ излучением преимущественно сплошного спектра, а также благодаря снижению суммарной энергетической дозы, необходимой для стерилизации.

Однако, известная установка имеет недостаточно высокую эффективность и надежность. Под эффективностью установки, предназначенной для обеззараживания и дезодорации воздуха, следует понимать степень обеззараживания или очистки воздуха в помещении заданного объема, достигаемую при определенных затратах электрической энергии от сети. Таким образом, повышение эффективности установки может быть достигнуто за счет увеличения бактерицидного потока УФ излучения или за счет уменьшения потребляемой мощности при сохранении неизменными всех остальных параметров.

Большие потери при преобразовании энергии электрической сети в энергию бактерицидного УФ излучения обусловлены следующим.

1) При заряде накопительного конденсатора от источника постоянного напряжения имеют место значительные потери энергии за счет чрезмерно больших токов в начальный период заряда. Кроме того, элементы электрической схемы установки, работающие при больших значениях тока, обладают невысокой надежностью из-за напряженного режима.

2) Для решения задачи обеззараживания воздуха в помещениях значительного объема (порядка 100 куб. м и более) к импульсной газоразрядной лампе необходимо подводить значительную электрическую мощность (порядка 1 кВт и более), что требует организации эффективного охлаждения лампы и ограничения озонообразующей части спектра излучения. Т. е. для такого применения установки лампу необходимо помещать в жидкий хладагент (дистиллированную воду) и реализация индуктивной связи генератора поджига с разрядным контуром возможна лишь в виде трансформатора, так как размещение специального поджигающего электрода в жидкости при высоких подводимых напряжениях невозможно.

В фазе перехода от предварительного маломощного высоковольтного пробоя межэлектродного промежутка лампы к основному разрядному импульсу имеют место потери энергии, связанные с тем, что для реализации высокой температуры излучающей плазмы индуктивность L разрядного контура необходимо уменьшать (для увеличения максимального разрядного тока), а для надежного формирования основного разрядного импульса необходимо увеличивать L (для увеличения длительности поджигающего импульса до 1 мкс). В результате компромиссного решения, с одной стороны, температура плазмы не достигает оптимальных величин, что обуславливает недостаточный бактерицидный поток УФ излучения и эффективность установки, с другой стороны, из за неизбежных разбросов и флюктуаций параметров ламп и плазмы в начальный период формирование разряда становится неустойчивым, что приводит к сбоям и пропускам импульсов излучения, т.е. к ненадежной и нестабильной работе установки.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является повышение эффективности и надежности работы установки.

Предложенная установка содержит (фиг. 1) корпус 1, в котором размещены блок питания и управления 2, вентилятор 3 и насос 4.

На корпусе 1 закреплен облучатель 5, который содержит источник ультрафиолетового излучения в виде импульсной газоразрядной лампы 6, установленной вертикально в держателе 7. Лампа 6 подключена к блоку питания и управления 2. Для подавления озонообраpующей части спектра УФ излучения (с длиной волны менее 210 нм) и охлаждения газоразрядная лампа 6 может быть помещена в кварцевую трубку 8, полость которой заполнена дистиллированной водой 9. Колба импульсной газоразрядной лампы 6 заполнена инертным газом, например, ксеноном, при давлении, близком к атмосферному (300 700 мм рт. ст.).

Блок питания и управления 2 содержит (фиг. 2) высоковольтный источник постоянного тока 10, генератор импульсов поджига 11, накопительный конденсатор 12 и схему управления 13, подключенную к источнику постоянного тока 10 и к генератору поджига 11. В конкретном примере выполнения высоковольтный источник постоянного тока может быть реализован в виде высоковольтного выпрямителя и высоковольтного дросселя.

Лампа 6 подключена к блоку питания и управления 2 с помощью импульсного трансформатора 14. Обмотки импульсного трансформатора 14 намотаны на ферритовом сердечнике (например, в виде кольца), первичная обмотка подключена к выходу генератора поджига 11, вторичная повышающая обмотка включена последовательно с накопительным конденсатором 12 и лампой 6.

Разрядный контур образован накопительным конденсатором 12, вторичной обмоткой импульсного трансформатора 14 и газоразрядной лампой 6.

Параметры контура и разряда выбраны из следующего соотношения:

где
U напряжение накопительного конденсатора, В:
С емкость накопительного конденсатора, Ф;
L₀ начальная индуктивность разрядного контура, Г_н;
d внутренний диаметр газоразрядной лампы, м;
h расстояние между электродами газоразрядной лампы, м;
А 10⁹ постоянный коэффициент, Вт/м².

Отличительными признаками заявленной установки от известной являются:
наличие в блоке питания и управления высоковольтного источника постоянного тока;
размещение обмоток импульсного трансформатора на ферритовом сердечнике:
соотношение между параметрами контура.

Перечисленные отличия позволяют сделать вывод о новизне заявленного изобретения.

Из известного уровня техники не следует явным образом достижение вышеперечисленных видов технического результата за счет совокупности признаков, изложенных в формуле изобретения, что обеспечивает заявленному решению необходимый для защиты патентом изобретательский уровень. Промышленная применимость предлагаемого изобретения становится очевидной из описания работы установки.

Установка работает следующим образом.

Для обеззараживания и дезодорации воздуха установка располагается приблизительно в центре обрабатываемого помещения. В зависимости от размеров помещения органами управления задается необходимый режим работы установки, который определяется числом импульсов излучения, вырабатываемых установкой. Затем оператор включает рабочий режим и покидает помещение.

Через необходимое время задержки (20 40 с) схема управления 13 включает высоковольтный источник постоянного тока 10 и начинается заряд накопительного конденсатора 12. Напряжение на конденсаторе контролируется схемой управления 13, для чего в ее составе имеется делитель напряжения, компаратор и источник опорного напряжения, компаратор и источник опорного напряжения (на фиг. не показаны). При достижении напряжения на обкладках накопительного конденсатора 12 заданной величины (обычно 1 2 кВ) схема управления 13 отключает высоковольтный источник постоянного тока 12 и подает управляющий импульс на генератор поджига 11. Генератор поджига 11 вырабатывает импульс поджига амплитудой 1 2 кВ, длительностью 0,1 1 мкс, вызывающий протекание соответствующего тока по первичной обмотке импульсного трансформатора 14. Во вторичной обмотке импульсного трансформатора при этом формируется импульс амплитудой 20 40 кВ. Это напряжение благодаря электрическому соединению накопительного конденсатора, вторичной обмотки трансформатора и лампы оказывается приложенным к электродам лампы 6. В лампе, заполненной инертным газом, возникает электрический пробой между электродами в виде проводящего канала слабоионизированной плазмы. Накопительный конденсатор разряжается через лампу 6, при этом мощный импульс разрядного тока вызывает интенсивный разогрев и ионизацию газа. Образующаяся плазма газа интенсивно излучает в широкой области спектра, в том числе и в УФ. Это излучение через кварцевую колбу лампы 6, слой дистиллированной воды 9 и кварцевую трубку 8 распространяется по всем направлениям, осуществляя дезактивацию бактерий и патогенной микрофлоры воздуха.

Одновременно с этим происходит и дезодорация воздуха за счет деструктивного фотохимического разложения органических молекул веществ, обладающих запахом.

По мере окончания разряда накопительного конденсатора 12 плазма инертного газа в лампе остывает, газ переходит в атомарное состояние, излучение прекращается. Схема приходит в исходное состояние.

Затем процесс повторяется, схема управления включает источник постоянного тока, после заряда накопительного конденсатора до заданного напряжения вырабатывается импульс поджига и т.д.

Наиболее интенсивное воздействие на воздух осуществляется в радиусе 1 2 м от лампы. Вентилятор 3 обеспечивает циркуляцию и подвод воздуха к зоне наиболее эффективной обработки.

После обработки заданного оператором количества импульсов схема управления отключает установку, сразу после чего обработанное помещение пригодно для использования по основному назначению.

По отношению к известным устройствам того же назначения предложенная установка имеет значительные преимущества, обусловленные снижением суммарной энергетической дозы: сокращение необходимого времени обработки до нескольких минут, повышение безопасности и удобства в работе.

Снижение суммарной энергетической дозы при использовании высокоинтенсивного импульсного УФ излучения сплошного спектра вместо низкоинтенсивного УФ излучения линейчатого спектра, характерного для известных устройств аналогов, связано с рядом факторов:
1) скорость подавления патогенной микрофлоры превышает скорость ее роста за счет собственного размножения (при низкоинтенсивном воздействии возможно обратное);
2) отсутствует временная адаптация микроорганизмов к УФ излучению (из-за короткого времени воздействия);
3) отсутствует возможность для спектральной адаптации микроорганизмов (перекрывается весь спектр);
4) осуществляется одновременное воздействие на все виды микроорганизмов с различными спектральными характеристиками бактерицидной эффективности.

По отношению к известной установке прототипу предложенная установка характеризуется более высокой эффективностью при том же потреблении энергии и более высокой надежностью работы. Эти преимущества предложенной установки обусловлены следующим.

Как уже указывалось выше, для уменьшения потерь энергии при формировании основного разряда (разряд накопительного коденсатора через лампу) необходимо увеличить длительность импульса поджига, поступающего на лампу, с 0,1 0,3 мкс до 1 мкс, что можно было бы обеспечить соответствующим увеличением индуктивности разрядного контура. В то же время для обеспечения высокой температуры и достаточной оптической плотности излучающей плазмы длительность основного разряда необходимо сократить до 100 200 мкс, сохранив при этом величину накопленной в конденсаторе энергии, что диктует необходимость уменьшения индуктивности разрядного контура. Эти противоположные требования удалось преодолеть за счет выполнения импульсного трансформатора на ферритовом сердечнике и выполнения расчетного соотношения (1).

Действительно, собственная индуктивность вторичной обмотки импульсного трансформатора составляет не более 10 мкГн при отсутствии ферритового сердечника. Во время поджига, когда в разрядном контуре формируется высоковольтный импульс пробивного напряжения, действующее значение индуктивности вторичной обмотки трансформатора за счет влияния ферритового сердечника увеличивается в μ раз ( m относительная магнитная проницаемость феррита). На графике зависимости магнитная проницаемости сердечника от величины напряженности магнитного поля H (фиг. 3) зона работы во время поджига обозначена "А А" и соответствует небольшим токам (порядка 1 А). Для использованного феррита марки М2000MH m≈ 2000, таким образом эффективная величина индуктивности разрядного контура при первичном (предварительном) пробое лампы составляет приблизительно 20 мГн, что является вполне достаточным для увеличения длительности импульса поджига до 5 10 мкс и, следовательно, для сокращения потерь при формировании основного разряда импульса.

Во время основного разряда сила тока в разрядном контуре достигает нескольких кА, что соответствует зоне "Б Б" на графике. Магнитная проницаемость феррита при таких значениях немагниченности падает до μ≈ 1, и эффективное значение индуктивности вторичной обмотки трансформатора приближается к ее минимальному статическому (т.е. без сердечника) значению. Таким образом, во время основного разряда индуктивность разрядного контура минимальна и обеспечиваются оптимальные условия для формирования оптически плотной высокотемпературной плазмы, интенсивно излучающей в УФ области спектра.

Специально выполненные исследования показали, что условиями насыщения ферритового сердечника импульсного трансформатора (смещение рабочей точки в зону "Б Б") и снижения за счет этого потерь при формировании основного разрядного импульса является определенная взаимосвязь параметров разрядного контура, описываемая соотношением (1).

При этом верхняя граница соотношения (1) определяет уверенное попадание рабочей точки сердечника в зону "Б Б", нижняя граница при реальных значениях индуктивностей подводящих проводников, накопительного конденсатора и монтажа может быть достигнута лишь при снижении напряжения или емкости накопительного конденсатора, что соответствует уменьшению подводимой к лампе энергии и, следовательно, приводит к снижению температуры и оптической плотности плазмы.

Таким образом, выполнение импульсного трансформатора на ферритовом сердечнике с учетом соотношения (1) обеспечивает нелинейный характер индуктивности такого трансформатора: во время действия предварительного поджигающего импульса и во время основного разряда величина индуктивности разрядного контура значительно отличается, что позволяет достичь оптимальных сочетаний параметров на той и на другой стадии работы.

Кроме того, использование высоковольтного источника тока в блоке питания и управления позволило обеспечить неизменность зарядного тока и тем самым уменьшить потери энергии при заряде накопительного конденсатора, и увеличить надежность работы электрических элементов установки.

Таким образом, отличительные признаки предложенной установки обуславливают сокращение потерь энергии на всех циклах работы установки: при заряде накопительного конденсатора, при формировании основного разрядного импульса и при формировании высокотемпературной эффективно излучающей в УФ области спектра плазмы. При этом каждый из факторов сокращения потерь приводит к увеличению доли энергии, вкладываемой в плазму, однако, раздельное использование каждого из них не обеспечивает решение поставленной задачи, так как важно не просто увеличение энерговклада в плазму, а лишь такое, которое обеспечивает возрастание излучаемой доли УФ непрерывного спектра высокой интенсивности. Это обстоятельство, а также нелинейная зависимость оптической плотности в УФ области от параметров плазмы показывают, что в данном случае имеет место синергетический (сверсуммарный) эффект при одновременном использовании всей заявленной совокупности признаков.

Сказанное относится и к надежности установки.

Экспериментальные исследования, выполненные на лабораторном образце установки в помещении объем 60 м³ при искусственном заражении воздуха в помещении золотистым стафилококком в пределах 20000 42000 микробных тел в м³, показывают, что эффективность обеззараживания достигает 99,4% уже через 2 мин работы.

Одновременно с повышением эффективности достигнуто и повышение надежности установки, которое проявляется в исключении пропусков импульсов излучения и в стабильности их параметров.

Эффективность дезодорации воздуха в помещениях с помощью предложенной установки исследовалась на парах сильнопахнущего вещества ацетона (диметилкетона) CH₃COOH₃. При исходном содержании ацетона в пределах 0,73 1,1 мг/м³ обработка воздуха установкой в течение 2 мин уменьшает содержание ацетона до значения менее 0,1 мг/м³.

Использование: изобретение относится к медицинской технике, может быть использовано для обеззараживания и дезодорации воздуха. Сущность изобретения: установка содержит корпус с размещенными в нем блоком питания и управления, вентилятором и насосом. На корпусе закреплены облучатель с источником УФ излучения в виде газоразрядной лампы, установленной вертикально в держатале. Блок питания и управления содержит высоковольтный источник постоянного тока, генератор импульсов поджога, накопительный конденсатор и схему управления, подключенную к источнику постоянного тока и генератору импульсов поджига. Лампа подключена к блоку питания и управления с помощью импульсного трансформатора, обмотки которого намотаны на ферритовом сердечнике. Разрядный контур образован конденсатором, вторичной обмоткой трансформатора и лампой. 3 ил.

Установка для обеззараживания и дезодорации воздуха, содержащая корпус, блок питания и управления с накопительным конденсатором и системой зажигания в виде генератора импульсов поджига, вентилятор и облучатель с источником ультрафиолетового излучения в виде импульсной газоразрядной лампы, установленный вертикально в держателе и подключенный к блоку питания и управления, при этом накопительный конденсатор и газоразрядная лампа образуют разрядный контур, связанный с генератором импульсов поджига посредством импульсного трансформатора, отличающаяся тем, что блок питания и управления снабжен высоковольтным источником постоянного тока, импульсный трансформатор снабжен ферритовым сердечником, а параметры разрядного контура определяются следующим соотношением:

где U напряжение накопительного конденсатора, В;
C емкость накопительного конденсатора, Ф;
L₀ начальная индуктивность разрядного контура, Гн;
d внутренний диаметр газоразрядной лампы, м;
h расстояние между электродами газоразрядной лампы, м;
A 10⁹ постоянный коэффициент, Вт/м².