ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ИСТОЧНИК УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК H01J61/02 

Область техники

Изобретение относится к газоразрядным приборам, воздействующим на объекты и материалы с целью их обработки, в частности для очистки и стерилизации жидкостей ультрафиолетовым излучением газового разряда. Оно может применяться в медицине, системах очистки питьевой или сточных вод в промышленности или в бытовых условиях, а также на производственных или торговых предприятиях для обработки жидкостных продуктов, натуральных соков, молока и пр.

Предшествующий уровень техники

Широко известны расходные электродуговые генераторы плазмы постоянного тока, содержащие средства возбуждения газового разряда в виде электродов, источника электропитания и системы подачи газа в межэлектродное пространство (см., например, авт. свид. СССР №SU 667032, М. кл. Н 05 Н 1/06, 1977). Такие устройства позволяют генерировать плазменную струю, которую используют, в частности, в качестве источника ультрафиолетового излучения, способного очищать и стерилизовать жидкости. Недостатки подобных устройств состоят в сложности и дороговизне вакуумной техники, необходимой для обеспечения пониженного давления, при котором возможно получение необходимой интенсивности ультрафиолетовой составляющей излучения плазмы, в высоком уровне загрязнений плазмы продуктами эрозии электродов, в малом ресурсе дуговых плазмотронов (до нескольких десятков часов).

Существенное снижение стоимости оборудования и повышение его ресурса обеспечивают источники ультрафиолетового излучения, содержащие наполненную газом пониженного давления отпаянную диэлектрическую колбу со средствами возбуждения в ее полости тлеющего разряда и имеющие либо отдельный тракт жидкостного охлаждения, либо окруженные жидкостью, в которую они погружены, причем указанные средства возбуждения газового разряда представляют собой холодные электроды, подключенные к источнику электропитания (см., например, Рохлин Г.Н. "Разрядные источники света", М.: Энергоатомиздат, 1991, с.327-328). Указанные источники в виде отпаянной колбы не требуют применения громоздкой и дорогостоящей вакуумной техники и обеспечивают технический ресурс до величин порядка тысячи часов. Однако их эффективность в очистке жидкости невысока в силу относительно низкой интенсивности ультрафиолетовой компоненты испускаемого излучения.

Указанный недостаток ликвидируют газоразрядные источники ультрафиолетового излучения, содержащие наполненную инертным газом высокого давления и ртутью (в виде капли в исходном состоянии) диэлектрическую колбу, обычно выполняемую из кварца, со средствами возбуждения в ее полости газового разряда повышенного давления и трактом жидкостного охлаждения, причем указанные средства представляют собой введенные в полость колбы тугоплавкие электроды (см., например, Рохлин Г.Н. "Разрядные источники света", М.: Энергоатомиздат, 1991, с.487-489). Технический ресурс указанных источников достигает 1000-2700 ч для ламп разных марок в связи с непрерывным разрушением (эрозией) их электродов в процессе горения разряда. По той же причине интенсивность излучения этих источников непрерывно убывает в процессе их эксплуатации из-за поглощения света в пленке материала электродов, осаждающейся на внутренней поверхности стенки колбы в процессе эрозии электродов.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является газоразрядный источник ультрафиолетового излучения, состоящий из СВЧ-генератора, соединенного с газонаполненной разрядной емкостью из диэлектрика линией передачи СВЧ, содержащей подсоединенный к СВЧ-генератору волновод, емкости для обрабатываемой среды, смежной с газоразрядной емкостью, причем общие стенки этих емкостей выполнены из прозрачного для УФ-излучения материала (см., например, Bergmann H. et al. "New UV irradiation and direct electrolysis-promising methods for water disinfection", Chem. Eng. Journal, 2002, v.85, pp.111-117). Однако это устройство также несвободно от недостатков. Более половины энергии УФ-излучения уходит в окружающее пространство, а некоторая часть энергии СВЧ расходуется на прямой нагрев обрабатываемой жидкостной среды, что связано с конструктивными особенностями прототипа.

Раскрытие изобретения

С целью устранения указанных недостатков, т.е. для повышения энергетической эффективности обработки среды воздействием УФ-излучения и упрощения конструкции оборудования в газоразрядный источник ультрафиолетового излучения, состоящий из СВЧ-генератора, соединенного с газонаполненной разрядной емкостью из диэлектрика линией передачи СВЧ, содержащей подсоединенный к СВЧ-генератору волновод, емкости для обрабатываемой среды, смежной с газоразрядной емкостью, причем общие стенки этих емкостей выполнены из прозрачного для УФ-излучения материала, предложено стенку газоразрядной емкости соединить непосредственно с торцом внешнего электрода коаксиального волновода, центральный электрод которого ввести во внутреннюю полость газоразрядной емкости, и эту часть центрального электрода герметически отделить от этой полости электроизоляционным материалом, прозрачным для СВЧ-излучения.

Целесообразно разрядную емкость установить внутри емкости для обрабатываемой среды с зазором к ее стенкам. Это дает возможность более полно использовать УФ-излучение для воздействия на обрабатываемую среду. Предложено часть центрального электрода, введенную во внутреннюю полость газоразрядной емкости, расположить между противоположными стенками этой камеры по всей ее длине. Это обеспечивает полноту использования газового наполнения разрядной емкости.

Для обеспечения круговой симметрии разряда, характерной для возбуждающего электромагнитного поля, что увеличивает кпд устройства, предложено придать газоразрядной емкости форму кругового цилиндра, а часть центрального электрода, введенную во внутреннюю полость этой емкости, расположить между торцами газоразрядной емкости по ее оси. Если конец части центрального электрода, введенной в полость газоразрядной емкости, продлить за пределы этой полости и герметично покрыть электроизоляционным материалом, то значительно упростится и улучшится согласование разряда с СВЧ-генератором.

Целесообразно изоляцию выведенного из газоразрядной емкости конца центрального электрода выполнить из материала стенки газоразрядной емкости или материала электроизоляции центрального электрода, что упростит технологию изготовления изделия. По той же причине в ряде случаев возможно стенки газоразрядной емкости и электроизоляцию части центрального электрода, введенной в газоразрядную емкость, выполнить из одного и того же материала.

В том случае, когда необходимо исключить воздействие электромагнитного поля на обрабатываемую среду стенки газоразрядной емкости покрывают сеткой из непрозрачного для СВЧ-излучения материала. В варианте конструктивного выполнения сеткой из непрозрачного для СВЧ-излучения материала покрывают и конец центрального электрода, выведенного за пределы газоразрядной емкости.

Краткое описание фигур чертежей.

На фиг.1 показано схематически предлагаемое устройство, на фиг.2 - это же устройство с защитной сеткой из непрозрачного для СВЧ-излучения материала на разрядной емкости.

На чертежах приняты следующие обозначения: 1 - СВЧ-генератор, 2 - газоразрядная емкость, 3 - коаксиальный волновод, 4 - емкость для обрабатываемой среды, 5 - внешний электрод волновода, 6 - внутренний центральный электрод волновода, 7 - патрубок для подачи (дренажа) обрабатываемой среды, 8 - экранирующая сетка.

Лучший вариант осуществления изобретения.

Представленный на чертежах газоразрядный источник ультрафиолетового излучения содержит СВЧ-генератор 1, соединенный с газоразрядной емкостью 2 через коаксиальный волновод 3, являющийся линией передачи СВЧ. Емкость 4 для обрабатываемой среды и емкость 2 выполнены соосными и имеют форму круговых цилиндров. Такова же геометрия и коаксиального волновода 3. Торец внешнего электрода 5 волновода 3 подведен вплотную к стенке разрядной емкости 2, а центральный электрод 6 волновода 3 введен в полость емкости 2, продлен до ее противоположной стенки и далее - за пределы этой емкости. Патрубки 7 емкости 4 служат для ввода и дренажа обрабатываемой среды, преимущественно жидкости, например питьевой или иной воды, соков и пр.

Работает заявленное устройство следующим образом. Включают подачу охлаждающей (обрабатываемой) жидкости через емкость 4 и запускают генератор 1 подачей на него напряжения электропитания. В емкости 2 предварительно аргоном с добавкой ртути возбуждается СВЧ-разряд, спектр оптического излучения которого значительно обогащен в ультрафиолетовой области, где особый интерес в плане задачи дезинфекции жидкости представляет диапазон длин волн 200-295 нм, обладающий наибольшей антибактерицидной активностью. В устройстве на фиг.1 высокая эффективность очистки и стерилизации прокачиваемой жидкости достигается тем, что воздействуют на нее не только биологически активным ультрафиолетовым излучением, но и неаддитивным по отношению к нему СВЧ электромагнитным полем, действующим в том же направлении, но с реализацией иных биологических механизмов. В варианте устройства на фиг.2, где разрядная емкость 2 покрыта экранирующей сеткой 8, СВЧ электромагнитное поле сосредоточено только в газоразрядной емкости 2, что повышает интесивность СВЧ-поля в зоне разряда, увеличивая энерговклад СВЧ-поля в разряд и, следовательно, интенсивность ультрафиолетового излучения емкости 2. Тем самым достигается усиление только ультрафиолетовой обработки жидкости.

Заявленное устройство было изготовлено и испытано в Институте общей физики РАН. Емкость 2 была выполнена из кварца и имела следующие размеры: наружный и внутренний диаметры 100 и 8 мм соответственно, длина 160 мм. Перед отпайкой она заполнялась аргоном давления ~3-4 мм рт.ст. с вводом в ее полость капли ртути. В качестве генератора СВЧ-колебаний был применен магнетрон бытовых микроволновых печей типа Samsung OM75P(31), работающий на частоте 2,45 ГГц при средней мощности ~1 кВт. Емкость 4 для обрабатываемой среды была выполнена из стали для дополнительной защиты персонала от СВЧ-излучения. Расход обрабатываемой жидкости достигал 2 л/мин. В качестве таковой использовались водопроводная вода и различные физиологические растворы (солей, бактерий и пр.). В результате проведенных испытаний была определена энергетическая цена обработки: до 0,02 Дж/см³ ≈ 0,005 кВт-ч/м³; мощность ультрафиолетового излучения, поступающего в воду, составила при этом около 20 Вт. Обработка физиологического раствора, зараженного бактериями E-coli на уровне ~10⁶-10⁷ см^-3, привела к полной их гибели. В итоге производительность процесса стерилизации оказалась равной порядка 4 м³/ч. Особенность использованного здесь оборудования заключается в том, что камера 4, окружающая газоразрядную емкость 2, отвечала требованию только жидкостной герметичности. Исполнение же подобной камеры в виде СВЧ-резонатора, характерное для прототипа, существенно сложнее и, следовательно, дороже.

Промышленная применимость.

В качестве базового объекта для сравнения технико-экономической эффективности изобретения был выбран прототип изобретения. Заявленное техническое решение позволило повысить эффективность УФ-обработки жидкости более чем в 2 раза, т.к. в прототипе УФ-излучение во внешнее пространство, испускаемое большей внешней поверхностью разряда, бесполезно теряется в окружающей конструкции. Кроме того, часть СВЧ-поля резонатора поглощается в торцевых участках разрядной емкости, бесплодно подогревая обрабатываемую среду. Одновременно изобретением достигнуто упрощение технологического оборудования, уменьшающее его стоимость.

Назначение данного изобретения - производство оборудования, необходимого для улучшения экологической обстановки как в бытовых условиях, так и в промышленности и торговле. Основанное на использовании преимущественно недорогих бытовых комплектующих изделий, оно позволит эффективно решить важнейшую проблему жизнеобеспечения.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к газоразрядному источнику ультрафиолетового (УФ) излучения для обработки объектов и материалов, в частности, для очистки и стерилизации жидкостей УФ-излучением, и содержит СВЧ-генератор, у которого внешний электрод коаксиального волновода соединен со стенкой газоразрядной емкости (ГЕ), в полость которой введен покрытый прозрачной для СВЧ-излучения изоляцией центральный электрод волновода. ГЕ размещена внутри емкости для обрабатываемой среды. Общие стенки ГЕ и емкости для обрабатываемой среды выполнены из материала, прозрачного для УФ-излучения. Наиболее вероятный вариант исполнения газоразрядного источника УФ-излучения имеет ГЕ и емкость для обрабатываемой среды в виде круговых соосных цилиндров, по оси которых от торца до торца ГЕ расположен центральный электрод волновода. Конец его продлен за пределы ГЕ. ГЕ и конец центрального электрода, выходящий за пределы ГЕ, покрыт сеткой из непрозрачного для СВЧ-излучения материала. Изоляция центрального электрода и стенки ГЕ выполнены из одного и того же материала. Техническим результатом изобретения является высокая степень используемого УФ-излучения, простота выполнения устройства. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Газоразрядный источник ультрафиолетового излучения, состоящий из СВЧ-генератора, соединенного с газонаполненной разрядной емкостью из диэлектрика линией передачи СВЧ, содержащей подсоединенный к СВЧ-генератору волновод, емкости для обрабатываемой среды, смежной с газоразрядной емкостью, причем общие стенки этих емкостей выполнены из прозрачного для УФ-излучения материала, отличающийся тем, что стенка газоразрядной емкости соединена непосредственно с торцом внешнего электрода коаксиального волновода, центральный электрод которого введен во внутреннюю полость газоразрядной емкости, и эта часть центрального электрода герметически отделена от этой полости электроизоляционным материалом, прозрачным для СВЧ излучения.2. Газоразрядный источник ультрафиолетового излучения по п.1, отличающийся тем, что газоразрядная емкость установлена внутри емкости для обрабатываемой среды с зазором к ее стенкам.3. Газоразрядный источник по п.1 или 2, отличающийся тем, что часть центрального электрода, введенная во внутреннюю полость газоразрядной емкости, расположена между противоположными стенками этой камеры по всей ее длине.4. Газоразрядный источник по п.3, отличающийся тем, что газоразрядная емкость имеет форму кругового цилиндра, а часть центрального электрода, введенная во внутреннюю полость этой емкости, расположена между торцами газоразрядной емкости по ее оси.5. Газоразрядный источник по п.4, отличающийся тем, что конец части центрального электрода, введенной в полость газоразрядной емкости, выведен из этой полости и герметично покрыт электроизоляционным материалом.6. Газоразрядный источник по п.5, отличающийся тем, что изоляция выведенного из газоразрядной емкости конца центрального электрода выполнена из материала стенки газоразрядной емкости или материала электроизоляции центрального электрода.7. Газоразрядный источник по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что стенки газоразрядной емкости и электроизоляция части центрального электрода, введенной в газоразрядную емкость, выполнены из одного и того же материала.8. Газоразрядный источник ультрафиолетового излучения по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что стенки газоразрядной емкости покрыты сеткой из непрозрачного для СВЧ-излучения материала.9. Газоразрядный источник по п.5, или 6, или 7, или 8, отличающийся тем, что конец центрального электрода, выведенный из газоразрядной емкости, покрыт сеткой из непрозрачного для СВЧ-излучения материала.