Устройство для обеззараживания воздуха и поверхностей

Полезная модель относится к технике обеззараживания и дезинфекции материалов, и может быть использовано  для оперативного обеззараживания воздуха и открытых поверхностей в помещениях без присутствия персонала.
Ультрафиолетовое (УФ) бактерицидное облучение воздушной среды и открытых поверхностей помещений, направленное на снижение количества микроорганизмов–наиболее распространенное санитарно-противоэпидемическое или профилактическое мероприятие.
Для обеззараживания воздуха используют ксеноновые импульсные лампы, в которых происходит  электрический разряд в парах металлов, при этом  в этих лампах генерируется излучение с диапазоном длин волн 205–315 нм (остальная область спектра излучения играет второстепенную роль.
Из уровня техники известна установка для обеззараживания и дезодорации воздуха, патент RU 2092191, содержащая корпус, в котором размещены блок питания и управления, включающий накопительный конденсатор, высоковольтный источник постоянного тока, генератор импульсов поджига, импульсный трансформатор на ферритовом сердечнике и схему управления, и закрепленный на корпусе источник ультрафиолетового излучения в виде импульсной газоразрядной лампы, заключенной в трубчатый кварцевый кожух, охлаждаемый водой, при этом накопительный конденсатор и импульсная газоразрядная лампа образуют разрядный контур, связанный с генератором импульсов поджига посредством импульсного трансформатора на ферритовом сердечнике.
Недостатками известного устройства являются низкая энергетическая эффективность преобразования разрядного импульса, обусловленная наличием водяного охлаждения импульсной газоразрядной лампы, которая  вызывает потери энергии.
Известна также установка для обеззараживания воздуха, являющаяся наиболее близким аналогом, RU 2396092,  содержащая корпус, в котором размещены блок питания и управления, включающий накопительный конденсатор, высоковольтный источник постоянного тока, генератор импульсов поджига, импульсный трансформатор на ферритовом сердечнике и блок программного управления, и закрепленный на корпусе источник ультрафиолетового излучения в виде импульсной газоразрядной лампы, заключенной в трубчатый прозрачный для бактерицидного излучения охлаждаемый кожух, при этом накопительный конденсатор и импульсная газоразрядная лампа образуют разрядный контур, связанный с генератором импульсов поджига посредством импульсного трансформатора на ферритовом сердечнике, согласно изобретению, импульсная газоразрядная лампа размещена в прозрачном для бактерицидного излучения кожухе с возможностью конвективного охлаждения воздухом за счет создания естественной тяги внутри кожуха.
Известная установка имеет недостаточно высокую энергетическую эффективность и ресурс работы газоразрядной лампы, для использования в больших по объёму помещениях.
Энергетическая эффективность установки, предназначенной для обеззараживания воздуха  и поверхностей зависит от соотношения потребляемой мощности и количеством ее использования непосредственно для процесса обеззараживания.
Задачей полезной модели является создание устройства для обеззараживания с повышенной энергетической эффективностью  процесса преобразования энергии электрической сети в энергию бактерицидного УФ излучения,  и повышение ресурса его работы.
Задача с достижением технического результата решается за счет того, что в устройстве  для обеззараживания воздуха и поверхностей, в корпусе которого размещены  накопительный конденсатор, высоковольтный источник постоянного тока, генератор импульсов поджига, импульсный трансформатор на ферритовом сердечнике и контроллер управления, соединенный с высоковольтным источником постоянного тока и генератором импульсов поджига, а также закрепленный на корпусе источник ультрафиолетового излучения в виде импульсной газоразрядной ксеноновой лампы, заключенной в  прозрачную для бактерицидного излучения охлаждаемою колбу, при этом, согласно полезной модели, в газоразрядный контур, образованный накопительным конденсатором и импульсной газоразрядной лампой, связанный с генератором импульсов поджига посредством импульсного трансформатора на ферритовом сердечнике, дополнительно включен  транзистор IGBT, связанный с функциональным генератором, соединенным с  контроллером управления.
Повышение энергетической эффективности установки может быть достигнуто за счет уменьшения потребляемой мощности от сети при сохранении бактерицидной  эффективности. Эффективность преобразование энергии электрической сети в энергию бактерицидного УФ излучения зависит от формы импульса тока импульсной газоразрядной лампы.
Реализация устройства поясняется чертежами.
Фиг.1 – Функциональная схема устройства
Фиг.2 – Форма разрядного тока
Устройство  для обеззараживания воздуха и поверхностей содержит корпус 1, на котором  закреплен источник ультрафиолетового излучения в виде импульсной газоразрядной ксеноновой лампы 4 с токоподводами 2 и 3. Для защиты от механических повреждений лампа 4 помещена в охлаждаемую кварцевую колбу, не показана.
В корпусе 1 размещены  накопительный конденсатор 7, подключенный к высоковольтному источнику 8 постоянного тока, генератор 6 импульсов поджига, к которому подключен импульсный трансформатор 5 на ферритовом сердечнике, транзистор IGBT 9, соединенный с функциональным генератором 10, и  контроллер управления 11 , подключенный к  генератору 6 импульсов поджига,  к высоковольтному источнику 8 постоянного тока и функциональному генератору  10.    Газоразрядная лампа 4 образует  замкнутый разрядный контур с последовательно соединенными между токоподводами 2 и 3 накопительным конденсатором 9, вторичной обмоткой импульсного трансформатора 5 на ферритовом сердечнике и транзистором IGBT 9.
При поступлении   на вход  блока управления  11 команды на включение устройства, включается зарядное устройство – высоковольтный источник постоянного тока 8, который обеспечивает заряд накопительного конденсатора 7. По достижении заданного значения напряжения, контроллер управления 11 останавливает работу зарядного устройства 8 и запускает  схему инициирования разряда – генератор импульсного поджига 6,  и функциональный  генератор 10, который открывает транзистор 9. Высоковольтный импульс напряжения на вторичной повышающей обмотке трансформатора 5  обеспечивает  пробой межэлектродного промежутка лампы 4 и  инициирует разряд накопительного конденсатора 7 через импульсную ксеноновую лампу 4 которая  формирует мощный импульс излучения.
При включении IGBT-транзистора 9 происходит разряд накопительного конденсатора 7, заряженного до напряжения, равного электродвижущей силе (ЭДС) высоковольтного источника  постоянного тока 8. При этом формируется импульс тока  импульсной ксеноновой лампой  (ИКЛ) 4, модулируемый IGBT-транзистором 9. Напряжение между электродами импульсной ксеноновой лампы 4 равно напряжению на накопительном  конденсаторе 7 и в процессе формирования импульса тока  остается практически постоянным, так как при выбранной емкости накопительного конденсатора 15-20 мФ его разряд за время импульса тока пренебрежимо мал. При этом электрическая энергия, поступившая в импульсную ксеноновую лампу 4, может регулироваться либо за счет изменения величины ЭДС высоковольтного источника  постоянного тока 8, либо за счет изменения длительности импульса тока.
Процессы формирования плазменного канала в лампе включают в себя следующие стадии развития плазменного дугового разряда: стадию увеличения ионной температуры неравновесного плазменного канала (в состав которой входит стадия расширения плазменного канала), стадию увеличения температуры равновесного плазменного канала вплоть до максимальной величины и стадию поддержания температуры равновесного плазменного канала. На первых двух стадиях формируется фронт импульса тока  в ИКЛ, на третьей – плоская часть импульса. Важно подчеркнуть, что на всех трех стадиях поведение тока  в ИКЛ определяется процессом формирования плазменного канала и величиной ЭДС высоковольтного источника постоянного тока 8.
Для уменьшения потерь энергии при формировании основного разряда накопительного конденсатора через лампу,  импульс поджига, поступающего на импульсную ксеноновую лампу,  модулируется прямоугольными импульсами поступающими с функционального генератора  10 на транзистор  9, чтобы   обеспечить прерывистость тока разрядного контура, Фиг.2. Для обеспечения высокой температуры и достаточной оптической плотности излучающей плазмы длительность основного разряда  сокращается до 100 -  200 нс, сохраняя при этом величину накопленной в конденсаторе энергии.
Устройство работает следующим образом.
Для обеззараживания воздуха и открытых поверхностей обрабатываемого помещения устройство располагается непосредственно на территории  помещения. В зависимости от  объема помещения котроллером управления 11 задается  режим работы устройства, который определяется формой импульсов питания и временем работы установки. Затем оператор устанавливает выбранный режим и покидает помещение.
Посредством пульта дистанционного управления,  производится включение устройства. Через некоторое время  контроллер управления 11 включает высоковольтный блок питания 8 и начинается заряд накопительного конденсатора 7. При достижении заданного напряжения на накопительном конденсаторе 7 заданной величины (1- 2 кВ) контроллер  управления 11 отключает высоковольтный источника  8 постоянного тока  и подает сигнал управления на функциональный генератор 10, который формирует прямоугольные импульсы для управления транзистором 9.  В соответствии с прямоугольными импульсами управления транзистор 9 открывается и формирует импульс разряда, который поступает на импульсную ксеноновую лампу 4. Импульсное напряжение разряжает накопительный конденсатор  7, через электроды импульсной ксеноновой лампы 4. В лампе возникает электрический пробой между электродами, при этом импульс разрядного тока вызывает интенсивный разогрев и ионизацию газа. Образующаяся плазма  интенсивно излучает в широкой области спектра, в том числе и в УФ. Это излучение через кварцевую колбу лампы 4 распространяется по объему обрабатываемого помещения, осуществляя дезактивацию бактерий и патогенной микрофлоры воздуха а также открытых поверхностей.
При окончании разряда накопительного конденсатора 7, ксеноновая плазма в импульсной ксеноновой лампе 4 остывает, газ переходит в атомарное состояние и излучение прекращается. Устройство приходит в исходное состояние.
2
Процесс повторяется до тех пор, пока таймер контроллера управления 11 не отключит питание от высоковольтного источника постоянного тока 8. Интенсивность воздействия УФ излучения на окружающий воздух  в радиусе 10-15 метров от лампы составляет  пиковой плотностью УФ-излучения 33 кВт/см.  После отработки заданного оператором времени контроллер управления 11 отключает устройство, после чего обработанное помещение пригодно для использования по основному назначению.
Таким образом, как это видно из примера реализации полезной модели, происходит сокращение потерь энергии на всех циклах работы устройства: при заряде накопительного конденсатора, при формировании основного разрядного импульса и при формировании высокотемпературной эффективно излучающей в УФ области спектра плазмы. Предложенное устрйство характеризуется более высокой энергетической эффективностью при том же потреблении электрической энергии и более высоким ресурсом работы за счет того что при питании импульсной ксеноновой лампы используется схема с частичной модуляцией разряда.