Газоразрядный источник ультрафиолетового излучения

Газоразрядный источник ультрафиолетового излучения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Изобретение относится к области приборостроения, точнее к газоразрядным приборам для очистки и стерилизации материалов и оборудования ультрафиолетовым излучением газового разряда. Оно предназначено для использования в медицине, биотехнологии, пищевой и фармацевтической промышленности, а также может применяться для очистки питьевой или сточных вод, для стерилизации производственных и иных помещений и расположенного в них оборудования в промышленности или в бытовых условиях.

Предшествующий уровень техники.

Известны расходные электродуговые генераторы плазмы постоянного тока, содержащие средства возбуждения газового разряда в виде электродов, источника электропитания и системы подачи газа в межэлектродное пространство (SU 667032, 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 (Рохлин Г.Н. "Разрядные источники света", М.: Энергоатомиздат, 1991, с.327-328), содержащие наполненную газом при пониженном давлении отпаянную диэлектрическую колбу со средствами возбуждения в ее полости тлеющего разряда. Указанные средства возбуждения газового разряда представляют собой холодные электроды, подключенные к источнику электропитания, и имеют либо отдельный тракт жидкостного охлаждения, либо погружены непосредственно в жидкость.

Подобные приборы 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 (Рохлин Г.Н. "Разрядные источники света", М.: Энергоатомиздат, 1991, с.487-489).

Технический ресурс указанных источников достигает 1000-2700 ч для ламп разных марок. Однако интенсивность излучения этих источников непрерывно убывает в процессе их эксплуатации в связи с непрерывным разрушением (эрозией) их электродов в процессе горения разряда и из-за поглощения света в пленке материала электродов, осаждающейся на внутренней поверхности стенки колбы в процессе эрозии электродов.

Наиболее эффективными из электродных систем являются ртутные лампы (аргон+пары ртути) низкого давления, генерирующие УФ-излучение в основном на длине волны λ=254 нм (например, лампы Philips TUV с мощностью УФ-излучения до 100 Вт). Однако соответствующие установки, созданные на их основе мощностью энергопотребления N=1 кВт, слишком громоздки.

Известен газоразрядный источник ультрафиолетового излучения, состоящий из СВЧ-генератора, соединенного с газонаполненной разрядной емкостью линией передачи СВЧ, содержащей подсоединенный к СВЧ-генератору волновод, емкости для обрабатываемой среды, смежной с газоразрядной емкостью, причем общие стенки этих емкостей выполнены из диэлектрика, прозрачного для УФ-излучения (Bergmann Н, et al. "New UV irradion and direct electrolysis-promising methods for water disinfection", Chem. Eng. J., 2002, v.85, pp.111-117). Однако это устройство недостаточно эффективно, т.к. более половины энергии УФ-излучения уходит в окружающее пространство, а некоторая часть энергии СВЧ расходуется на прямой нагрев обрабатываемой жидкостной среды.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является разработанный ранее авторами газоразрядный источник УФ-излучения (RU 2236060, 2002, Кл. Н 01 J 61/02), состоящий из СВЧ-генератора, волновода, газоразрядной емкости (ГЕ) и емкости для обрабатываемой среды (ЕОС), снабженной патрубками для ввода и дренажа обрабатываемой среды (воды, соков и т.п.). Внешний коаксиальный электрод волновода СВЧ-генератора соединен со стенкой ГЕ, а центральный электрод волновода введен в специальную полость, выполненную по оси ГЕ. ГЕ находится внутри ЕОС, причем ГЕ и ЕОС выполнены соосными и имеют форму круговых цилиндров.

Недостатками устройства являются невозможность регулирования температуры стенок ГЕ, что не позволяет осуществлять работу лампы в оптимальном температурном режиме (при 40°С), когда достигается пик интенсивности потока излучения при длине волны 254 нм, обеспечивая максимальное бактерицидное воздействие. Кроме того, в ходе эксплуатации необходимо периодически очищать стенки ГЕ от образующегося осадка, а также существует опасность выхода из строя СВЧ-генератора за счет отраженного излучения.

Технической задачей, решаемой в ходе создания данного изобретения, было создание источника достаточно простого и надежного в эксплуатации, в котором обеспечивалась бы оптимальная температура стенок ГЕ, отпала бы необходимость периодической очистки поверхности ламп и была бы обеспечена защита магнетрона от отраженного излучения.

Технический результат достигался путем включения в состав газоразрядного источника ультрафиолетового излучения (ИУИ), состоящего из СВЧ-генератора, связанного с разрядной емкостью, выполненного из диэлектрика волноводом, а также емкости для обрабатываемой среды (ЕОС), имеющей форму круговой цилиндрической камеры, причем ИУИ

- дополнительно содержит кварцевую трубку, установленную внутри ЕОС коаксиально без зазора между ними;

- содержит антенну, расположенную по центральной оси устройства,

- в качестве разрядной емкости содержит по крайней мере одну безэлектродную ультрафиолетовую лампу (БЭУФЛ), размещенную в пространстве между антенной и внутренней стенкой кварцевой трубки.

Для уменьшения воздействия электромагнитного излучения на окружающую среду и лучшей транспортировки излучения в объеме, занимаемом УФ-лампами, между внутренней стенкой кварцевой трубки и ультрафиолетовой лампой может быть размещена экранирующая металлическая сетка, которая прозрачна для УФ-излучения и практически не прозрачна для СВЧ-излучения.

При использовании одной БЭУФЛ она, как правило, имеет форму тороида, расположенного внутри кварцевой трубки соосно с ней, при использовании двух и более безэлектродных ультрафиолетовых ламп их размещают симметрично в пространстве между антенной и внутренней стенкой кварцевой трубки.

Для лучшего регулирования температуры стенок внутреннее пространство емкости для обрабатываемой среды может быть связано с вентилятором, включаемым, как правило, на всасывание.

Для защиты магнетрона от излучения он может быть размещен сбоку от центральной оси источника, при этом его связь с волноводом осуществляется через отрезок прямоугольного волновода.

Краткое описание чертежей.

ЕОС либо выполняется хотя бы частично (например, внутренняя стенка) из прозрачного для УФ-излучения материала и может располагаться с зазором в отношении кварцевой трубки, либо выполняться, например, из нержавеющей стали, в виде камеры, надеваемой на кварцевую трубку без зазора (в этом случае вода подается в пространство камеры, ограниченное наружной поверхностью кварцевой трубки).

На фиг.1 показано предлагаемое устройство с несколькими (четырьмя) БЭУФЛ (вид сверху и вид сбоку); на фиг.2 - это же устройство с одной центральной БЭУФЛ. Устройство на фиг.1 дополнительно снабжено вентилятором.

На чертежах приняты следующие обозначения: 1 - антенна, 2 - СВЧ-генератор (магнетрон), 3 - емкость для обрабатываемой среды (ЕОС), 4 - кварцевая трубка, 5 - безэлектродная УФ-лампа (БЭУФЛ), 6 - экранирующая металлическая сетка, 7 - фланец, 8 - патрубок для подачи (дренажа) обрабатываемой среды, 9 - вентилятор, 10 - отрезок прямоугольного волновода.

Лучший вариант осуществления изобретения.

Представленный на чертеже 1 газоразрядный источник ультрафиолетового излучения содержит магнетрон 2, который связан с БЭУФЛ 5 через антенну 1 и отрезок прямоугольного волновода 10, являющийся линией передачи СВЧ. Отрезок прямоугольного волновода 10 защищает магнетрон от отраженного СВЧ-излучения.

Емкость для обрабатываемой среды 3 выполнена в виде цилиндра и снабжена патрубками 8 для ввода и дренажа обрабатываемой среды, преимущественно жидкости, например питьевой или иной воды, соков и пр. В полости ЕОС 3 по центральной оси расположена антенна 1, вокруг которой размещены соосно экранирующая сетка 6 и кварцевая трубка 4. В зоне между антенной 1 и сеткой 6 размещены симметрично БЭУФЛ 5 (в данном случае 4 лампы). Над верхним концом лампы установлен вентилятор 9.

Работает заявленное устройство следующим образом. Заполняют ЕОС 3 жидкостью и запускают генератор 2 подачей на него напряжения электропитания. После включения генератора включают прокачивание охлаждающей (обрабатываемой) жидкости через ЕОС.

Напряжение передается через антенну 1 на БЭУФЛ 5, в которых возбуждается СВЧ-разряд и начинается генерация УФ-излучения, которое после прохождения через стенки лампы 5 сетку 6 и кварцевую трубку 4 воздействует на прокачиваемую через ЕОС 3 жидкость, обеспечивая ее стерилизацию. В ходе работы ламп температура стенок лампы 5, трубки 4 и емкости 3 при необходимости регулируется с помощью вентилятора 9 таким образом, чтобы она была в диапазоне 40°С, обеспечивая тем самым максимум излучения при длине волны 254 нм, характеризующейся максимальным бактерицидным воздействием на микроорганизмы.

Заявленное устройство было изготовлено и испытано в Институте общей физики РАН. В качестве генератора СВЧ-колебаний был применен магнетрон бытовых микроволновых печей типа Samsung JV75P(31), работающий на частоте 2,45 ГГц при средней мощности ˜1 кВт. В качестве БЭУФЛ использовали 5 ламп, изготовленных в мастерских института.

ЕОС 3 была выполнена из стали. Расход обрабатываемой жидкости достигал 3 л/мин. В качестве таковой использовались водопроводная вода и различные физиологические растворы (солей, бактерий и пр.). В результате проведенных испытаний была определена мощность ультрафиолетового излучения, поступающего в воду: N=80 Вт. Обработка физиологического раствора, зараженного бактериями Е.coli на уровне 10⁶-10⁷ клеток/см³, привела к полной их гибели. В итоге производительность процесса стерилизации оказалась равной 30 м³/ч.

Промышленная применимость

В качестве базового объекта для сравнения технико-экономической эффективности изобретения был выбран прототип изобретения. Заявленное техническое решение позволило повысить КПД источника с 6 до 10-15% за счет оптимизации спектра УФ-излучения. Одинаковые результаты по обеззараживанию воды удается получить при снижения времени нахождения жидкости в зоне облучения на 40-50%. Предлагаемое устройство более безопасно и просто в эксплуатации по сравнению с прототипом, позволяет легко заменять детали, вышедшие из строя в ходе его эксплуатации.

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 решать проблемы экологии и жизнеобеспечения человека.

1. Газоразрядный источник ультрафиолетового излучения, состоящий из СВЧ-генератора, связанного волноводом с разрядной емкостью, выполненной из диэлектрика, емкости для обрабатываемой среды, имеющей форму кругового цилиндра, причем стенки этих емкостей выполнены из прозрачного для ультрафиолетового излучения материала, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кварцевую трубку, установленную внутри емкости для обрабатываемой среды коаксиально, с антенной, расположенной по центральной оси устройства, а в качестве излучателя содержит по крайней мере одну безэлектродную ультрафиолетовую лампу, размещенную в пространстве между антенной и внутренней стенкой кварцевой трубки.

2. Газоразрядный источник ультрафиолетового излучения по п.1, отличающийся тем, что между внутренней стенкой кварцевой трубки и ультрафиолетовой лампой размещена экранирующая металлическая сетка.

3. Газоразрядный источник ультрафиолетового излучения по п.1, отличающийся тем, что безэлектродная ультрафиолетовая лампа имеет форму тороида, расположенного внутри кварцевой трубки соосно с ней.

4. Газоразрядный источник ультрафиолетового излучения по п.1, отличающийся тем, что он содержит не менее двух безэлектродных ультрафиолетовых ламп, расположенных симметрично в пространстве между антенной и внутренней стенкой кварцевой трубки.

5. Газоразрядный источник ультрафиолетового излучения по п.1, отличающийся тем, что внутреннее пространство емкости для обрабатываемой среды связано с вентилятором.