ОБЛУЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, А ТАКЖЕ СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
IRRADIATING DEVICE FOR GENERATING ULTRAVIOLET RADIATION AND METHOD FOR ITS MANUFACTURE

Настоящее изобретение касается облучающего устройства для генерации ультрафиолетового излучения, в частности для применения при переработке пищевых продуктов или при подготовке воды, включающего в себя ультрафиолетовый облучатель, имеющий трубку облучателя из кварцевого стекла, или окруженный цилиндрической защитной трубкой из кварцевого стекла ультрафиолетовый облучатель, имеющий трубку облучателя из кварцевого стекла.
Настоящее изобретение касается также способа изготовления облучающего устройства.
Уровень техники
Возможными областями применения облучающих устройств являются, например, подготовка и дезинфекция воды, очистка и стерилизация газов или газовых смесей, в частности воздуха, а также стерилизация поверхностей.
Такого рода облучающие устройства включают в себя ультрафиолетовый облучатель, имеющий трубку облучателя из кварцевого стекла; они применятся, например, в водоподготовительных установках, вентиляционных системах, вытяжных устройствах для газов или установках подготовки и очистки воздуха. В зависимости от цели применения такое облучающее устройство может, например, служить для уничтожения микроорганизмов, для устранения возникающих запахов или для разложения загрязнений.
Часто облучающие устройства используются при обработке пищевых продуктов. Они находят применение как в промышленном производстве пищевых продуктов, так и в пищеблоках или в домашнем хозяйстве.
При переработке пищевых продуктов возникают испарения от варки и выпечки, которые также называются выпаром. Наряду с водяным паром они содержат множество взвешенных пахнущих веществ, в частности жиры.
Чтобы нейтрализовать запахи, возникающие при переработке пищевых продуктов (дезодорирование), и одновременно сократить отложение взвешенных веществ, например, в вентиляционных системах или вентиляционных системах, наряду с механическими фильтрами применяются также облучающие устройства для генерации ультрафиолетового излучения. Применение ультрафиолетового излучения обеспечивает возможность химического разложения ароматических и взвешенных веществ.
Для обеспечения эффективного облучения ультрафиолетовым излучением облучающие устройства, как правило, расположены так, чтобы они обтекались выпаром. Поэтому во время эксплуатации облучающего устройства на трубке облучателя могут осаждаться частицы пыли или загрязнения, в частности отложения жира. Эти загрязнения абсорбируют эмитируемое ультрафиолетовым облучателем ультрафиолетовое излучение, так что прозрачность трубки облучателя и вместе с тем эффективность ультрафиолетового излучения с увеличением продолжительности эксплуатации уменьшаются. Это приводит к необходимости регулярной чистки трубки излучателя или замены излучателя. Для уменьшения загрязнения трубки облучателя известно осуществление установки перед трубкой облучателя механических фильтров. Впрочем, эти фильтры также приводят лишь к частичному отслоению загрязнений. Кроме того, наличие механических фильтров предполагает регулярную замену фильтров и поэтому является трудоемким и дорогостоящим.
Кроме того, во многих облучающих устройствах, в частности у таких, которые применяются для подготовки жидкостей, ультрафиолетовый облучатель часто защищен от загрязнения таким образом, что он расположен в защитной трубке из кварцевого стекла. Благодаря защитной трубке трубка облучателя не обтекается текучей средой непосредственно, так что отложения загрязнений на трубке облучателя уменьшаются.
Так, например, из WO 2008/059503 A1 известна установка для стерилизации жидкостей посредством ультрафиолетового излучения, которая имеет проточный канал. Внутри проточного канала перпендикулярно направлению течения расположены несколько облучателей, которые окружены защитной трубкой.
Впрочем, при применении защитной трубки сама она подвержена загрязнению, так что в зависимости от степени загрязнения пропускающие свойства защитной трубки и вместе с тем эффективность мощности облучателя ухудшаются. Кроме того, на защитной трубке могут образовываться биопленки, которые тоже ухудшают пропускание ультрафиолетового излучения, так что защитные трубки также должны с регулярными интервалами трудоемким образом чиститься машинным способом или вручную.
Техническая задача
Поэтому в основе изобретения лежит задача предложить облучающее устройство для генерации ультрафиолетового излучения, которое пригодно, чтобы в течение долгого срока эксплуатации эмитировать излучение высокой мощности, и которое, кроме того, является простым и оптимальным по стоимости в изготовлении.
Кроме того, в основе изобретения лежит задача предложить способ изготовления такого облучающего устройства.
Общее описание изобретения
В отношении облучающего устройства эта задача, исходя из облучающего устройства для генерации ультрафиолетового излучения вышеназванного рода, в соответствии с изобретением решается таким образом, что на трубку облучателя и/или защитную трубку нанесено грязе- и водоотталкивающее покрытие, которое получено с использованием наночастиц двуокиси кремния или двуокиси титана.
Покрытие, полученное из наночастиц двуокиси кремния или двуокиси титана, обладает, в частности, высокой прозрачностью для ультрафиолетового излучения. Поэтому оно пригодно для покрытия защитной трубки или, соответственно, трубки облучателя.
Такое покрытие практически не ухудшает мощность излучения облучателя.
Кроме того, такое покрытие вследствие его химических свойств может на продолжительное время наноситься на поверхность кварцевого стекла. Покрытие, полученное из наночастиц двуокиси кремния или двуокиси титана, обладает высокой устойчивостью к ультрафиолету, хорошей абразивной стойкостью и хорошей термостойкостью. Кроме того, оно обладает высокой химической устойчивостью.
В соответствии с изобретением покрытие нанесено на трубку облучателя и/или защитную трубку, окружающую трубку облучателя. Ниже для упрощения описания вместо терминов «трубка облучателя» и «защитная трубка» используется обобщающий термин «трубка», при этом соответствующее описание должно справедливо для обоих вариантов.
Покрытие покрывает трубку полностью или частично. Предпочтительно покрытие нанесено на наружную поверхность трубки.
Изготовленные из кварцевого стекла трубки могут иметь слегка шероховатую поверхность, которая принципиально способствует отложению частиц грязи. Поэтому покрытие наночастицами, в частности, пригодно, чтобы заполнять неровности поверхности кварцевого стекла. При нанесении покрытия из наночастиц шероховатость поверхности уменьшается, так что получается более гладкая поверхность, к которой меньше прилипают частицы грязи.
Кроме того, физико-химические свойства наночастиц двуокиси кремния или двуокиси титана способствуют прекращению адсорбции и отложения частиц грязи. Так, поверхность трубки, снабженная покрытием в соответствии с изобретением, по сравнению с не снабженной покрытием, обладает более высокой гидрофильностью, благодаря чему затрудняется отложение липофильных загрязнений.
Поэтому облучающее устройство, имеющее снабженную покрытием защитную трубку или трубку облучателя, может эксплуатироваться без очистки в течение длительного периода времени при высокой мощности излучения. Благодаря увеличенным интервалам очистки обеспечивается возможность более простой и оптимальной по стоимости эксплуатации облучающего устройства.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого изобретением облучающего устройства предусмотрено, что покрытие не включает в себя органических веществ.
Покрытие защитной колбы или трубки облучателя во время эксплуатации облучающего устройства подвержено длительному облучению ультрафиолетовым излучением. Однако облучение органических веществ ультрафиолетовым излучением способствует их разложению и приводит к короткому сроку службы покрытия. Покрытие с большим сроком службы получается, если покрытие включает в себя исключительно неорганические вещества.
a
В одном из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого изобретением облучающего устройства предусмотрено, что покрытие имеет поверхность со средней шероховатостью R меньше 0,05 мкм.
a
a
Средняя шероховатость R определяется как величина при перпендикулярном измерении по DIN EN ISO 4288:1988. Она указывает среднее расстояние от точки измерения относительно средней линии профиля поверхности. Поверхность с шероховатостью больше 0,05 мкм является только ограниченно водо- и грязеотталкивающей. Поэтому оказалось предпочтительным, если средняя шероховатость R снабженной покрытием поверхности составляет меньше 0,05 мкм.
Оказалось предпочтительным, если наночастицы двуокиси кремния имеют средний размер частиц в пределах от 10 нм до 75 нм.
Наночастицы двуокиси кремния со средним размером частиц в пределах от 10 нм до 75 нм могут получаться простым и экономичным образом. Они, в частности, пригодны для выравнивания неровности на поверхности кварцевого стекла.
Оказалось предпочтительным, если наночастицы двуокиси титана имеют средний размер частиц в пределах от 10 нм до 80 нм.
Наночастицы двуокиси титана со средним размером частиц в пределах от 10 нм до 80 нм могут получаться простым и экономичным бразом. Средний размер наночастиц влияет на структуру поверхности покрытия. Покрытие с наночастицами двуокиси титана со средним размером частиц больше 80 нм имеет сравнительно грубую структуру поверхности. Наночастицы со средним размером частиц меньше 10 нм трудоемки в переработке.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления облучающего устройства средняя толщина слоя покрытия составляет от 60 нм до 150 нм.
Толщина слоя покрытия влияет на пропускание трубки облучателя или, соответственно, защитной трубки. Но однородное покрытие со средней толщиной слоя меньше 60 нм является трудоемким в изготовлении. Покрытия со средней толщиной слоя больше 150 нм могут легко отслаиваться и имеют более короткий срок службы.
a
Оказалось предпочтительным, если трубка облучателя и/или защитная трубка имеет поверхность со средней шероховатостью R в пределах от 0,01 мкм до 1 мкм, на которую нанесено покрытие.
a
a
На адгезию покрытия к поверхности трубки облучателя/защитной трубки влияет средняя шероховатость поверхности. Трубка облучателя со средней шероховатостью R меньше 0,01 мкм имеет слабо выраженную структуру поверхности и приводит к худшей адгезии покрытия. Поверхность со средней шероховатостью R больше 0,01 мкм требует сравнительно большой толщины слоя сглаживающего покрытия.
В другом предпочтительном варианте осуществления предусмотрено, что трубка облучателя имеет излучающую поверхность , которая полностью снабжена покрытием.
У трубки облучателя, имеющей излучающую поверхность , полностью снабженную покрытием, вся излучающая поверхность является водо- и грязеотталкивающей. Такая трубка облучателя способствует равномерной мощности излучения облучателя в течение всей продолжительности использования облучателя.
В отношении способа изготовления эта задача, исходя из способа вышеназванного рода, в соответствии с изобретением решается за счет того, что способ включает в себя следующие этапы:
(a) нанесение спиртовой дисперсии наночастиц двуокиси кремния или двуокиси титана на наружные стенки с образованием дисперсионного слоя, при этом спиртовая дисперсия включает в себя от 20 об. % до 60 об. % этанола, соответственно относительно объема дисперсии;
(b) затвердевание дисперсионного слоя с образованием покрытия.
Для нанесения покрытия на наружную стенку трубки облучателя или защитной трубки наносится спиртовая дисперсия наночастиц двуокиси кремния или двуокиси титана. Наряду с этанолом в пределах концентрации от 20 об. % до 60 об. %, дисперсия может содержать другие летучие растворители, например метанол, изопропанол или их смеси. Этанол обладает некоторой гидрофильностью и, кроме того, может ограниченно смешиваться с липофильными веществами. Кроме того, точка кипения этанола около 78°C. Поэтому благодаря этаноловой дисперсии высыхание дисперсии становится возможным уже при низких температурах, например при комнатной температуре. После испарения растворителя наночастицы двуокиси кремния сцепляются в плотную сетку. Наночастицы двуокиси титана, напротив, образуют покрытие из преимущественно дискретных частиц двуокиси титана.
В одной из предпочтительных модификаций способа предусмотрено, что спиртовая дисперсия включает в себя от 0,25 об. % до 1,5 об. % 2-бутанона.
2-Бутанон имеет точку кипения 80°C и является хорошим растворителем для липофильных веществ. Добавление 2-бутаона к дисперсии повышает липофильность диспергатора.
Пример осуществления
Ниже изобретение описывается подробнее с помощью одного из примеров осуществления и чертежей. В частности, в схематичном изображении показано:
фиг. 1 - один из вариантов осуществления предлагаемого изобретением облучающего устройства, имеющего снабженную покрытием трубку облучателя, на виде сбоку, и
фиг. 2 - второй вариант осуществления предлагаемого изобретением облучающего устройства, имеющего снабженную покрытием защитную трубку, в поперечном сечении.
На фиг. 1 схематично показан один из вариантов осуществления предлагаемого изобретением облучающего устройства для генерации ультрафиолетового излучения, которому в целом присвоено ссылочное обозначение 1. Облучающее устройство 1 пригодно для применения на пищеблоках, в частности для уменьшения возникающих запахов или, соответственно, для сокращения отложений жира, ароматических и взвешенных веществ выпара от варки и выпечки.
Облучающее устройство 1 включает в себя ультрафиолетовый облучатель 2, имеющий трубку 3 облучателя из кварцевого стекла. Ультрафиолетовый облучатель 2 характеризуется номинальной мощностью 500 В при номинальном токе лампы 2,5 А, длиной освещения 1000 мм и наружным диаметром светящейся трубки 24 мм. На наружные стенки трубки 3 облучателя нанесено водо- и грязеотталкивающее покрытие 4, при этом покрытие 4 полностью покрывает излучающую поверхность трубки 3 облучателя. Покрытие 4 не содержит органических веществ.
a
a
Для получения покрытия на наружной стенке трубки 3 облучателя применяется этаноловая дисперсия наночастиц двуокиси кремния следующего состава: 50 об. % этанола, 49 об. % наночастиц двуокиси кремния (средний размер частиц 50 нм), 1 об. % 2-бутанона. Этаноловая дисперсия наносится на наружную стенку трубки 3 облучателя вручную, при этом наружная стенка имеет среднюю шероховатость R 0,25 мкм. Альтернативно дисперсия может также напыляться на наружную стенку. Затем трубка 3 облучателя сушится в течение 24 часов при комнатной температуре с образованием покрытия 4. Снабженная покрытием трубка 3 облучателя имеет среднюю шероховатость R 0,02 мкм. Толщина слоя покрытия 4 составляет 120 нм.
В одном из альтернативных вариантов осуществления предлагаемого изобретением облучающего устройства покрытие 4 изготовлено из наночастиц двуокиси титана со средним размером частиц 75 нм.
На фиг. 2 показан в поперечном сечении второй вариант осуществления предлагаемого изобретением облучающего устройства 10, имеющего цилиндрический облучатель 11, который окружен защитной трубкой 12 из кварцевого стекла. Облучающее устройство 10 пригодно для применения в водоподготовительной установке (не изображено).
На цилиндрическую защитную трубку 12 нанесено грязе- и водоотталкивающее покрытие 13, полученное с использованием наночастиц двуокиси кремния. Поверхность снабженной покрытием трубки облучателя имеет среднюю шероховатость 0,007 мкм.
Пример 1
В целях сравнения одна кухонная вытяжка эксплуатировалась с предлагаемым изобретением облучающим устройством в соответствии с фиг. 1, а другая кухонная вытяжка с одинаковым по конструкции, традиционным облучающим устройством. Затем визуально оценивалась прозрачность колбы лампы. Результаты этих исследований объединены в следующих таблицах:
Результаты 1
Тип лампы
Продолжительность эксплуатации
Визуальный контроль
Трубка облучателя, снабженная односторонним покрытием
3 месяца (900 рабочих часов)
Светлая, прозрачная трубка облучателя
Стандарт
3 месяца (900 рабочих часов)
Мутная, тусклая трубка облучателя
Результаты 2
Тип лампы
Продолжительность эксплуатации
Визуальный контроль
Трубка облучателя, снабженная односторонним покрытием
7 месяцев (2100 рабочих часов)
Светлая, прозрачная трубка облучателя, некоторые тусклые места
Стандарт
7 месяцев (2100 рабочих часов)
Мутная, тусклая трубка облучателя
Облучающие устройства, имеющие трубку облучателя, снабженную покрытием, отличаются также при более долгой продолжительности эксплуатации отсутствием или наличием только незначительных отложений загрязнений. Более того, трубки облучателя, снабженные покрытием, являются светлыми и прозрачными даже более чем через 2000 рабочих часов.
Пример 2
В целях сравнения кварцевая пластинка частично покрывалась наночастицами двуокиси кремния, и измерялся краевой угол смачивания водой. Результаты этих исследований объединены в следующей таблице:
Кварцевая пластинка
Краевой угол смачивания через 1 час (при 120°C)
Краевой угол смачивания через 24 часа (при 120°C)
С покрытием
60°
62°
Без покрытия
25°
30°