Источник УФ-излучения для закрытых бактерицидных установок

Полезная модель относится к области электротехники и для очистки или обеззараживания воздушных сред при больших скоростях обдува, в частности для обеззараживания воздуха в системах вентиляции и кондиционирования транспортных средств.
Бактерицидные установки применяются в системах вентиляции и кондиционирования в случае потенциального риска контаминации воздушной среды патогенными, санитарно-показательными и иными микроорганизмами в количествах, влияющих на безопасность потребления воды и пребывания людей. Эксплуатация УФ-ламп в системах вентиляции и кондиционирования транспортных средств накладывает ряд требований, среди которых энергоэффективность из-за ограничения по потребляемой мощности, поэтому могут применяться только источники с высоким значением преобразования потребляемой электроэнергии в бактерицидное излучение и требование к малым габаритам из-за ограниченных размеров воздуховодов в транспортных средствах и, как следствие – ограничение максимального линейного размера УФ-ламп.
Наиболее полно указанным требованиям отвечают амальгамные разрядные лампы низкого давления. В амальгамных лампах источником УФ-излучения является дуговой разряд низкого давления в парах ртути и инертных газах. Источником паров ртути является амальгама – твердый сплав ртути с металлами. Одной из основных характеристик разрядных ртутных ламп низкого давления является давление паров ртути к колбе. Оптимальное давление паров ртути составляет 0,7-1,5 Па. При таких условиях до 60% от электрической мощности разряда переходит в излучение с длиной волны 254 нм, обладающее высокой бактерицидной эффективностью. Как снижение, так и превышение оптимального давления паров ртути приводит к значительному снижению этого показателя. При применении амальгамы оптимальное давление паров ртути достигается при высоких температурах колбы лампы, а, следовательно, и при высоких мощностях разряда. Таким образом, можно поднять погонную электрическую мощность разряда до 2-3 Вт/см, что позволяет создать компактные и мощные источники бактерицидного излучения. В наиболее простом варианте амальгамной лампы, содержащий сплав ртути размещение амальгамы непосредственно на внутренней стенке разрядной трубки. Фиксация навеска амальгамы к внутренней стенке достигается предварительным нанесениям на внутреннюю поверхность разрядной трубки «золотого» пятна» - мазка золотой краски для керамики. При этом температура стенки примерно совпадает с рабочей температурой амальгамы. В зависимости от состава амальгамы оптимальное давление паров ртути достигается при рабочей температуре в пределах от 80 до 1300С. Температура амальгамы в таких лампах зависит от количества тепла, подводимого к амальгаме и интенсивности отвода тепла от стенки колбы лампы, находящейся под амальгамой. Характеристики закрытых бактерицидных облучателей при применении их для обеззараживания воздуха в системах вентиляции и кондиционирования транспортных средств значительно ухудшаются. В первую очередь это связано с тем, что облучатели работают в режиме обдува со скоростями от 2 до 7 м/с, из-за чего значительно увеличивается теплоотвод от стенок лампы. При этом температура стенок и амальгамы уменьшается. Как следствие, снижается давление паров ртути в колбе лампы и эффективность преобразования электрической мощности в бактерицидное излучение. При скоростях обдува, превышающих 4 м/сек, бактерицидная отдача таких ламп может уменьшиться в 2-5 раз. Следовательно, для эффективного использования амальгамных ламп в таких установках должны быть предусмотрены технические решения, позволяющие регулировать температуру амальгамы в зависимости от внешних условий.
Известен источник УФ–излучения (RU 2325727, кл. H01J61/24, 2008 г), включающий ртутную амальгамную лампу низкого давления, содержащую, по крайней мере, один слой амальгамы, и средство поддержания оптимальной температуры амальгамы, размещенное в области расположения амальгамы. Средство поддержания оптимальной температуры амальгамы выполнено в виде воздухонепроницаемой насадки, из материала, устойчивого к воздействию ультрафиолетового излучения, установленной вокруг лампы непосредственно в месте расположения амальгамы, с образованием воздушного зазора от 1 до 6 мм между боковыми стенками лампы и насадки.
Недостатком известного устройства является сложность обеспечения воздухонепроницаемости насадки. Воздухонепроницаемость насадки необходима для исключения эжекции воздуха внутрь насадки, которая может возникнуть из-за разницы скоростей и давлений вдоль основной поверхности лампы и около насадки при обтекании воздушным потоком, что приведет к охлаждению амальгамы. Кроме того, предложенное решение не является универсальным, и для различных режимов обдува величина воздушного зазора между лампой и насадкой должна составлять от 1 до 6 мм. Это, в свою очередь, приводит к необходимости производства большой номенклатуры ламп ограниченными сериями, что значительно ухудшает экономические показатели лампового производства.
Прототипом полезной модели является устройство ртутной амальгамной лампы низкого давления с местом размещения амальгамы и окружающей эту лампу трубчатой оболочкой, причем в области места размещения амальгамы лампа имеет механический контакт с трубчатой оболочкой. Лампа в области места размещения амальгамы окружена кольцеобразно прилегающей к лампе лентой, которая осуществляет механический контакт с трубчатой оболочкой. Лента может быть выполнена из металла или полимера, в частности из фторполимера. Коэффициент теплопередачи ленты, по меньшей мере, соответствует коэффициенту теплопередачи трубчатой оболочки (RU 2378737, кл. H01J 61/52, 2010 г)
Однако известная ртутная амальгамная лампа сложная по конструкции и не может использоваться для обеззараживания воздуха в системах вентиляции и кондиционирования транспортного средства, т.к. предлагаемая трубчатая оболочка по предложенному устройству должна покрывать всю амальгамную лампу. Это технически недостижимо при использовании ламп сложной (в том числе U-образной) формы. Применение же прямых ламп в системах вентиляции и кондиционирования транспортных средств не отвечает требованиям, предъявляемым в системах вентиляции и кондиционирования транспортного средства из-за ограничения размеров УФ-ламп. Кроме того, при применении такой трубчатой оболочки бактерицидная отдача УФ-лампы снижается на 10-15%.
Проблемой полезной модели является разработка источника УФ-излучения для закрытых бактерицидных установок, применяемых в системах обеззараживания и кондиционирования воздуха на транспортных средствах, в частности в пассажирских железнодорожных вагонах и в метро.
Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности источника УФ – излучения за счет поддержания оптимальной температуры.
Поставленная проблема и указанный технический результат достигаются за счет того, что источник УФ-излучения для закрытых бактерицидных установок включает цилиндрическую колбу, внутри которой размещена амальгама, а в области размещения амальгамы на колбу сверху надета трубчатая оболочка. Согласно полезной модели амальгама внутри цилиндрической колбы расположена на золотой подложке. Трубчатая оболочка выполнена из материала с высоким коэффициентом отражения электромагнитного излучения и низкой теплопроводностью. Трубчатая оболочка выполнена толщиной от 1 мм до 50 мм и длиной от 5 мм до 100 мм. Внутренняя поверхность цилиндрической колбы покрыта защитным слоем из окислов металлов.
Трубчатую оболочку выполняют в виде втулки плотно надетой на колбу, желательно торцы втулки выполнять со скошенными торцами.
Трубчатую оболочку преимущественно выполняют из фторопласта.
Внутреннюю поверхность цилиндрической колбы целесообразно покрыть защитным слоем из окислов алюминия или цинка или редкоземельных металлов.
Цилиндрическую колбу выполняют U-образной формы, которая в месте перегиба снабженная штенгелем.
На концах цилиндрическая колба снабжена керамическими цоколями.
Расположение амальгамы внутри цилиндрической колбы на золотой подложке позволяет жестко зафиксировать амальгаму на определенном месте.
Трубчатая оболочка выполнена из материала с высоким коэффициентом отражения электромагнитного излучения и низкой теплопроводностью для поддержания оптимальной температуры амальгамы за счет локального увеличения потока излучения, попадающего на амальгаму. Компоненты амальгамы: ртуть, металлы, поглощают попадающее на них излучение. Учитывая тот факт, что до 80% электрической мощности разряда в таких лампах переходит в излучение, вклад разогрева амальгамы за счет поглощения излучения достаточно весом.
Выполнение трубчатой оболочки в виде втулки из материала с высоким коэффициентом отражения электромагнитного излучения и низкой теплопроводностью, толщиной от 1 мм до 50 мм и длиной от 5 мм до 100 мм, обусловлено тем, что в зависимости от толщины оболочки из фторопласта h (от 1 до 50 мм) коэффициент отражения от нее может варьироваться в пределах 10 – 99%. При меньшей толщине втулки из фторопласта практически не отражает УФ-излучение. При большей толщине увеличивается вес втулки и ее аэродинамическое сопротивление потоку воздуха. Длина втулки L (от 5 мм до 100 мм) влияет на площадь отражающего покрытия и выбирается в зависимости от размеров устройства и мощности источника УФ-излучения. При меньшей длине втулка не перекрывается золотая подложка, снижая тем самым коэффициент отражения. Увеличение длины втулки не целесообразно из-за необоснованного превышения веса втулки и ее увеличения аэродинамического сопротивление потоку воздуха. Выбранные параметры втулки обеспечивают оптимальные условия температурного режима амальгамы в широких диапазонах температур обрабатываемого воздуха и скорости обдува лампы.
Выполнение втулки со скошенными торцами создают благоприятные аэродинамические условия при обдуве лампы потоком воздуха.
Плотное прилегание втулки к цилиндрической колбе предотвращает ее сдвиг при обдуве ее воздухом, обеспечивая оптимальные условия работы устройства.
Выбор материала для трубчатой оболочки – фторопласта, обусловлено тем, что это доступный материал, обладающий высоким коэффициентом отражения электромагнитного излучения и одновременно низкой теплопроводностью.
Наличие на внутренней поверхности цилиндрической колбы защитного слоя из окислов алюминия или цинка или редкоземельных металлов, уменьшает спад УФ-излучения. Защитный слой препятствует проникновению ионов ртути, уменьшает скорость потемнения кварца и значительно увеличивает полезное время работы устройства и создает условия для работы лампы со спадом излучения, не превышающим 20% через 10000 часов горения.
Выполнение цилиндрической колбы U-образная форма вызвано ограничением ее максимальных габаритов.
Наличие на перегибе колбы U-образной формы штенгеля обусловлено технологической необходимостью при образовании внутри ее защитного слоя.
Полезная модель иллюстрируется следующими чертежами, где, на фиг. 1 сечение колбы в области расположения амальгамы: на фиг. 2 внешний вид источника УФ – излучения.
Источник УФ-излучения для закрытых бактерицидных установок включает цилиндрическую колбу 1, выполненной из кварцевого стекла, внутри которой размещена амальгама 2, на золотой подложке 3. В области размещения амальгамы 2 на колбу 1 сверху надета трубчатая оболочка в виде втулки 4, которая выполнена из материала с высоким коэффициентом отражения электромагнитного излучения и низкой теплопроводностью - фторопласта. Толщина втулки 4 h выполнена от 1 мм до 50 мм, а ее длина L от 5 мм до 100 мм. Внутренняя поверхность цилиндрической колбы покрыта защитным слоем 5 из окислов металлов. Втулка 4 выполнена со скошенными торцами 6 и плотно надета на колбу 1. Колба 1 выполнена  U-образной формы, которая в месте перегиба снабженная штенгелем 7. На одной из прямолинейных участков колбы 1 установлена втулка 4. На концах цилиндрической колбы 1 установлены керамические цоколи 8.
Источник УФ-излучения для закрытых бактерицидных установок работает следующим образом.
При зажигании в колбе 1 лампы дуговой разряд низкого давления в парах ртути и инертных газах становится источником излучения. Часть излучения 9 попадает непосредственно на амальгаму 2 и золотую подложку 3. Часть излучения 10 и 11 попадает на отражающую втулку 4, отражается от нее и снова попадает на амальгаму 2 и золотую подложку 3. В зависимости от толщины и длины втулки 4 количество отраженного от нее излучения 10 и 11 варьируется в широком диапазоне. За счет поглощения амальгамой 2 и золотой подложкой 3 отраженного от втулки излучения 10 и 11 происходит их дополнительный нагрев. Низкая теплопроводность материала втулки 4 препятствует охлаждению этого участка. При эксплуатации источника УФ-излучения в зависимости от заданной температуры воздуха и скорости обдува источника излучения, выбирается втулка определенного размера, который находится в заданном диапазоне.
Использование источника УФ-излучения для закрытых бактерицидных установок для обеззараживания воздуха в системах вентиляции и кондиционирования транспортных средств имеет ограничение по времени. Интенсивность УФ излучения к 8000 часам горения лампы должна быть не менее 85% от первоначальной. Это связано со сложностью технического обслуживания таких систем и требования к возможности замены ламп только в период плановых технических обслуживаний транспортных средств. Сложность заключается в том, что при работе источника УФ-излучения в поверхностном слое кварцевой колбы 1 образуется ртуть, которая поглощает УФ-излучение. В результате уже через 6000 часов горения таких ламп величина спада УФ-излучения составляет более 60%, что не позволяет их использование в системах вентиляции и кондиционирования транспортных средств. Защитный слой 5, покрывающий внутреннюю поверхность колбы 1 получают термическим разложением солей металлов при температурах выше 6000 С. Для этого производится предварительный полив внутренней поверхности колбы 1 раствором металлоорганического соединения в органическом растворителе, обеспечивающий образование тонкого слоя 5. Последующая сушка, отжиг и продувка потоком воздуха для создания избытка кислорода, обеспечивает, превращает нанесенное покрытие в тончайший слой 5 из оксидов металлов, имеющих физическую связь с кварцем. При производстве колб 1 сложной (в том числе U-образной) формы нанести тонкий и однородный защитный слой 5 удается за счет того, что в конструкцию колбы лампы вносится технологический патрубок-шенкель, причем он располагается в точке изгиба лампы, как показано на фиг. 2.
Выполнение конструкции источника УФ-излучения для закрытых бактерицидных установок не ограничивается приведенным описанием. В объеме формулы полезной модели возможно выполнение втулки и без скошенных торцов, например при малых толщинах втулки, т.к. малая толщина втулки не будет оказывать существенного влияния на аэродинамические характеристики устройства в процессе его обдува потоком воздуха.
Общая совокупность конструктивных решений, а именно: выполнение колбы U-образной формы, оснащение ее втулкой и штенгелем, позволяет обеспечить все требования, предъявляемые к источникам УФ-излучения для закрытых бактерицидных установок для обеззараживания воздуха в системах вентиляции и кондиционирования транспортных средств.
В настоящее время источник УФ-излучения для закрытых бактерицидных установок прошел экспериментальные испытания и готов к серийному производству для обеспечения систем кондиционирования и вентиляции железнодорожных вагонов и вагонов метро.