Генератор аэрозоля галогенида щелочного металла
ALKALI METAL HALOGEN AEROSOL GENERATOR

Область техники
Изобретение относится к технике получения аэрозолей и может быть использовано в устройствах и системах создания микроклимата помещений для обогащения воздуха полезными микроэлементами.
Уровень техники
Для воспроизведения в бытовых и лечебных помещениях микроклимата используется оборудование для генерирования искусственных аэрозолей - генераторы аэрозолей, которые производят сухой солевой аэрозоль и обогащают им помещение до уровня природной концентрации. При возгонке образуются аэрозоли устойчивые в атмосферном воздухе, которые легко разносятся по помещению конвекционными потоками и практически не осаждаются на поверхностях, находясь во взвешенном состоянии, так что по насыщенности аэрозоля воздух становится подобным воздуху морских побережий. В качестве активного вещества для получения субмикронного аэрозоля для создания микроклимата используются галогениды щелочных металлов, в частности, таких как KI, NaI (или их смесь), KBr.
Известно устройство для получения субмикронного аэрозоля галогенидов щелочных металлов, содержащее стеклянный цилиндрический реактор, в котором установлена платиновая проволока с хлористым натрием (NaCl) или иодидом калия (KI), подключённая к источнику тока, камеру охлаждения парогазового потока и конденсации пересыщенных паров с образованием субмикронных частиц с размером от 0,005 до 0,1 мкм, см [1].
Недостатком данного устройства является необходимость использования очищенного инертного газа (баллон с азотом) и проволоки из благородного металла (платина) для исключения образования оксидов металлов на поверхности проволоки, а также временная нестабильность по размеру и концентрации субмикронного аэрозоля неорганических солей щелочных металлов.
Известно устройство для получения субмикронного аэрозоля галогенидов щелочных металлов, включающее цилиндрическую электропечь, в которой установлен кварцевый цилиндрический реактор с испаряющимся гигроскопичным галогенидом щелочного металла, патрубок подачи воздуха от компрессора в кварцевый цилиндрический реактор, камеру турбулентного смешения на выходе из кварцевого цилиндрического реактора паровоздушной смеси с холодным воздухом с образованием субмикронного аэрозоля галогенида щелочного металла. В качестве галогенида щелочного металла используют хлористый натрий, см. [2].
Недостатком данного устройства является низкое давление паров NaCl, что требует высокой температуры нагрева (от 800 до 900°С) для его интенсивного испарения с давлением насыщенных паров Р > 0,1 мм Hg и соответствующего термического оборудования и энергозатрат. Кроме того, используют компрессор (баллон сжатого воздуха) для получения воздушного потока в цилиндрическом кварцевом реакторе и не используются атмосферные потоки для генерации и разбавления субмикронного аэрозоля внутри помещения или при ингаляции. Наконец, субмикронный аэрозоль неорганической соли не заряжен и не содержит иодида щелочного металла, что снижает его лечебные и профилактические свойства.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату является устройство для получения гигроскопичного субмикронного аэрозоля. галогенидов щелочных металлов в атмосферном воздухе, в котором генератора аэрозоля выполнен виде цилиндрической электропечи установленной в центральной части цилиндрической корпуса с кольцевым зазором и соосно с ним, в трубчатом канале печи размещён химически инертный керамический реактор с испаряющимся иодидом щелочного металла, см. RU2334560, опубл. 22.12. 2008 [3].
Недостатком печи генератора аэрозоля по прототипу является:
- ненадёжность нагревательного элемента, установленного в печи генератора аэрозоли, изготовленного из нихромовой NI-Cr проволоки диаметром 0.3 мм, которая взаимодействует с парами галогенида щелочного металла, например, иодида калия (KI) в результате время жизни генератора аэрозоли в целом снижается, зачастую ниже гарантийного срока в 1 год.
- корпус печи выполнен из кварца, что приводит при высоких температурах до 850°С к диффузии ионов калия в кварц и снижению температуры его плавления ниже 800°С;
- деформации корпуса печи приводят к преждевременному выходу из строя всего прибора;
- при диффузии ионов калия в кварц корпуса печи происходит образование молекулярного йода J2 и выделение в объём обрабатываемого помещения, что учитывая малое значение его ПДК, крайне нежелательно.
Техническое решение по настоящему изобретению позволяет преодолеть указанные выше недостатки. Техническим результатом изобретения является повышение тепловой эффективность печи генератора аэрозоля, обеспечивающей создание конвекционного потока мелкодисперсного аэрозоля за счёт сочетания материалов, используемых для изготовления конструктивных элементов печи. Указанный технически результат достигается генератором аэрозоля галогенида щелочного металла, выполненного в виде печи, содержащей
корпус, образованный обечайкой, установленной на основании корпуса, крышку корпуса с центральным отверстием, и средства соединения крышки корпуса с основанием (4) корпуса,
тигель, для активного вещества галогенида щелочного металла, выполненный в виде капсулы, снабжённой фланцем-держателем,
нагреватель тигля для плавления упомянутого активного вещества в тигле,
термоизолятор с нишей для размещения тигля и нагревателя тигля, соединённый с источником электропитания.
Для обеспечения требуемого теплового баланса печи, корпус печи выполнен из нержавеющей стали, нагреватель тигля выполнен в виде цилиндрической спирали из проволоки с высоким электросопротивлением, охватывающей тигель с фланцем-держателем, и установленной в упомянутой нише термоизолятора так, что выводы спирали проходят через термоизолятор, причём один вывод спирали проходит по осевой линии упомянутой ниши, при этом участки выводов спирали на выходе из теплоизолятора заключены в керамические втулки. Совокупность упомянутых составных элементов печи создаёт тепловой баланс печи, обеспечивающий естественную конвекцию воздуха от генератора аэрозоля для рассевания её в воздухе помещения с достижением концентрирования субмикронного аэрозоля в объёме окружающего воздуха.
Генератор аэрозоля может, как составная часть, устанавливаться в различные устройства для создания микроклимата в помещениях посредством насыщения окружающего воздуха аэрозолем соответствующего назначения. В настоящем изобретении предлагается устройство для создания микроклимата, подобного морскому воздуху, путём насыщения воздуха помещения мелкодисперсными аэрозольными частицами иодида калия (KI).
Наиболее близким, по технической сущности технического решения устройства для создания микроклимата по изобретению, является устройство для получения гигроскопичного субмикронного аэрозоля галогенида щелочного металла, в частности, иодида калия в атмосферном воздухе, в котором генератор аэрозоля выполнен в виде цилиндрической электропечи, установленной в центральной части цилиндрического корпуса с кольцевым зазором и соосно с ним. Данное устройство содержит вентилятор для подачи через сетку, установленную в нижнем торце цилиндрического корпуса, атмосферного воздуха внутрь трубчатого канала цилиндрической электропечи, камеру турбулентного разбавления с охлаждением паровоздушной смеси на выходе из керамического реактора потоком атмосферного воздуха из кольцевого зазора между цилиндрическим корпусом и цилиндрической электропечью, блоки питания вентилятора и электропечи регулируемым напряжением, см. [3].
Одним из существенных недостатков технического решения по устройству для получения гигроскопичного субмикронного аэрозоля галогенида щелочных металлов в атмосферном воздухе является наличие вентилятора, необходимого для подачи частиц аэрозоля в окружающее воздушное пространство. Наличие вентилятора вызывает быстрое загрязнение входных решёток крупными фракциями бытовых загрязнений, мелкие же фракции осаждаются на всех внутренних поверхностях труднодоступных для самостоятельной очистки пользователем, в том числе нагретых до 200-250°С в местах, где термическое разложение бытовых загрязнений создаёт неприятные запахи и ещё более опасные загрязнения чем поступающие бытовые, а это до 80% частички эпителий кожи человека и животных. При длительной эксплуатации в бытовых помещениях увеличивается вероятность возгорания загрязнений, попавших внутрь прибора.
Задачей изобретения, касающегося устройства является обеспечение насыщения воздуха субмикронным аэрозолем иодида калия (KI) имитируя морской воздух.
Техническим результатом заявленного устройства для насыщения воздуха аэрозолем иодида калия является упрощение устройства за счёт обеспечения естественной конвекции воздуха от генератора аэрозоля, рассеивающего аэрозоль с достижением требуемого насыщения субмикронного аэрозоля в объёме окружающего воздуха, и снижение степени загрязнения поверхностей устройства фракциями бытовых загрязнений при работе устройства.
Указанный технический результат достигается устройством насыщения воздуха аэрозолем иодида калия, содержащим несущий кожух со съёмной передней стенкой, выполненной как одно целое с верхней перфорированной крышкой, перфорированное днище и установленные на нём составные части устройства: электропечь со съемным тиглем, блок электропитания с массивным трансформатором, элементы управления работы устройства, в том числе общего выключателя, предохранителя и автовыключателя, срабатывающего при опрокидывании данного устройства.
Причём, упомянутые составные части устройства собраны в единый узел соединением несущих элементов составных частей посредством резьбовых шпилек.
Остальные признаки изобретения будут понятны из последующего описания изобретения.
Устройство в указанной совокупности признаков обеспечивает безопасное насыщение окружающего воздуха субмикронным аэрозолем иодида калия.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами. Прилагаемые чертежи иллюстрируют осуществление изобретения и не ограничивают его объём. Изображения представляют конструктивные схемы, в связи с чем, размеры элементов и частей и пропорции между ними отличаются от действительных и не ограничивают изобретение.
Фиг. 1 представляет вид сверху генератора аэрозоля галогенида щелочных металлов.
Фиг. 2 представляет сечение генератора аэрозоли на фиг. 1 по линии А-А.
Фиг. 3 общий вид устройства насыщение воздуха аэрозолем иодида калия.
Описание осуществления изобретения
Генератор аэрозоля галогенида щелочных металлов будет описан со ссылкой на фиг. 1 и фиг. 2.
1
2
4
3
9
9
4
7
8
Генератор аэрозоля галогенида щелочных металлов (далее также упоминаемый как генератор аэрозоля) выполнен в виде печи , образованной корпусом  в виде обечайки, основанием  корпуса и верхней крышкой  корпуса, выполненной с центральным отверстием. Крышка корпуса соединена с основанием корпуса печи посредством соединительного средства , выполненного в виде двух резьбовых шпилек . Основание  корпуса служит несущим элементом корпуса. Внутри корпуса печи размещён термоизолятор  с центральной нишей , ось которой совпадает с осью печи, и соединительные резьбовые шпильки проходят через тело термоизолятора.
6
5
5а
10
В нише печи установлен нагреватель  тигля , выполненный в виде цилиндрической спирали, охватывающей капсулу  тигля, наполняемую активным веществом, например, галогенидом щелочного металла. Спираль нагревателя сделана из проволоки с высоким электросопротивлением и установлена в нише 9 таким образом, что выводы спирали проходят через термоизолятор, располагаясь в протяжённых каналах, образованных в нём, причём один вывод спирали проходит по осевой линии ниши, при этом участки выводов спирали на выходе из теплоизолятора заключены в керамические втулки , при этом концы упомянутых выводов свободно входят в керамические втулки. За счёт упомянутых протяжённых каналов в термоизоляторе и керамических втулок для выводов спирали достигается свободная установка спирали, что обеспечивает устойчивое позиционирование витков спирали в нише термоизолятора. Спираль нагревателя может быть изготовлена, например, из фехралевой проволоки стали марок Х23Ю5Т и Х27Ю5Т.
5
8
5a
5b
8
7
2
3
2
Тигель  располагается внутри спирали соосно с нишей . Тигель выполнен в виде удлинённой капсулы , снабжённой фланцем-держателем  капсулы, который при установке тигля в нишу  ложится на верхнюю поверхность теплоизолятора . Материалом тигля служит, например, корундовая керамика на основе оксида алюминия (AlO) с добавкой оксида кремния (SiO). Массовое содержание оксида кремния в корунде не превышает 5%. Их температура плавления (более 1600°С) существенно превышает рабочую температуру химически инертного тигля с галогенидом щелочного металла и обеспечивает максимальную вакуумную плотность, а значит и проникновение расплава в пространство печи.
2
4
3
4
3
Корпус , основание  и крышка  изготовлены из тонколистовой нержавеющей стали, например, медицинской нержавеющей стали марки 12Х18Н10Е. Основания  и крышка  корпуса могут быть выполнены как, например, из углеродистой стали с покрытием, такой как оцинкованная сталь Ст 3 ГОСТ 16523-97 с высокотемпературной полиэфирной порошковой покраской Neotec PP210, так и из материала корпуса печи.
2
3
2
5
6
Теплоизолятор выполнен из керамоволокнистой плиты с массовой долей ALO не менее 45%, SiO не менее 35%. Такой материала отличается малой теплопроводностью при 1600°С. Отличные теплоизоляционные свойства материала теплоизолятора обеспечивают заданную тепловую эффективность в выбранных габаритах, а наличие в нем двуокиси кремния создаёт условия защиты нагревателя, в виде проволочной спирали из фехраля, путём создания оксидной пленки на поверхности проволоки и уменьшения микроконцентрации паров галогенида щелочного металла, используемого в качестве активного вещества для получения аэрозоля (иодида калия), проникающих через стенки керамического тигля  при высоких температурах. Выбор фехраля в качестве материала проволоки спирального нагревателя обусловлен тем, что он позволяет создавать нагреватели с самыми высокими рабочими температурами среди материалов, не содержащих в своём составе тугоплавкие металлы, такие как, например, вольфрам, молибден, ниобий и другие. Отсутствие никеля существенно сказывается на стоимости продукции в сторону ее уменьшения по сравнению с нихромом. Принятая установка спирального нагревателя , при которой выводы спирали свободно входят в керамические втулки обеспечивает устойчивую работу спирали в высоко агрессивной среде паров галогенида щелочного металла, например, иодида калия, за счёт минимального трение пружины об материал теплоизолятора при циклах нагрева-охлаждения и значительно увеличивает срок службы нагревателя.
Выбор материалов составных элементов печи позволяет обеспечить требуемые тепловые условия для конвекции субмикронного аэрозоля, обеспечивающей насыщение воздуха субмикронным аэрозолем без вспомогательных средств таких как, например, вентилятор.
3
5a
6
5
8
5b
Верхняя крышка  печи выполнена с центральным отверстием, диаметр которого больше диаметра фланца держателя 6. Допустимые величины разницы диаметров определяются из условия исключения контакта капсулы  тигля с фехралевой проволокой спирального нагревателя . Максимальная разница диаметров (определяется исходя из конструктивных параметров ниши, капсулы тигля и диаметра проволоки спирального нагревателя). В частности, при диаметре фехралевой проволоки 1,2 мм и диаметре капсулы тигля 17 мм упомянутая разница диаметров не превышает 5 мм. В предпочтительном варианте, при более высоких требованиях к величине отклонения оси тигля  от оси ниши , упомянутая разница диаметров составляет 4 мм. Наличие фланца-держателя  керамического тигля обеспечивает дополнительную локальную герметизацию зоны нагрева и тем самым повысить тепловую эффективность печи, а также уменьшает вероятность конденсации паров иодида на выходе из тигля.
Генератор аэрозоля галогенида щелочных металлов по предложенному изобретению позволяет генерировать субмикронные частицы активного вещества галогенида щелочного металла размером от 0,005 до 1 мкм.
В качестве активного вещества для получения субмикронной аэрозоли могут использоваться, например, галогениды калия, как для воспроизведения микроклимата, так и ингаляции воздуха.
Генератор аэрозоля по изобретению позволяет получать субмикронные аэрозоли галогенидов различных щелочных металлом, например, таких как иодид калия (KI), смесь иодида калия и иодида натрия (KI и NaI), бромистый калий (КBr).
Аэрозоль галогенида щелочного металла калия - иодид калия (KI) используется для имитации морского воздуха по компоненту иодида калия.
Аэрозоль смеси 10 к 1 по весу галогенидов щелочных металлов KI и NaI - также может также использоваться генератором для имитации морского воздуха.
Аэрозоль КBr - бромистого натрия может быть использован для галотерапии в профилактических и медицинских целях.
В собранном виде генератор аэрозоля устанавливается в несущий кожух устройства для насыщения воздуха аэрозолем галогенида щелочного металла посредством закрепления в несущем кожухе его днища, который является несущим элементов печи в целом, соединительным средствам несущего кожуха.
При использовании генератора аэрозоли в устройстве насыщения воздуха аэрозолем для воспроизведения воздушной среды морского воздуха капсула заполняется солью иодида калия.
Способ восполнения йода в организм через насыщенный йодистым калием воздух - наиболее перспективный. При возгонке, в воздухе образуются аэрозоли, устойчивые в атмосферном воздухе, они легко разносятся, находясь во взвешенном состоянии. Помимо насыщения солями йода, устройство обеспечивает ионизацию воздуха. Так что, по насыщенности йодом в ионной форме воздух в помещении становится подобным воздуху морской прибрежной зоны. Попадая в организм в процессе дыхания, частицы проникают в лёгкие и бронхи и, минуя желудок, поступают в кровь. Перенасыщения не наступает, организм сам следит за этим, не усваивая больше, чем требуется.
1
1
1
2
1
3
1
4
1
5а
5
1
5
1
6
4
1
6
1
8
1
4
1
2
1
3
1
1
1
3
1
9
1
7
,
Общий вид устройства насыщения воздуха аэрозолем иодида калия показан на фиг. 3 и содержит несущий кожух . со съёмной передней стенкой ., выполненной за одно целое с верхней перфорированной крышкой ., перфорированным днищем ., и установленные на нем составные части устройства: генератор аэрозоля  выполненный как вышеупомянуто, капсула () тигля  которого наполнена галогенидом щелочного металла иодида калия в качестве активного вещества, блок . электропитания с массивным трансформатором. Блок электропитания закреплён на несущем элементе . выполненным в виде плиты, с несущей способностью, достаточной, чтобы выдерживать вес блока электропитания. Упомянутые составные части устройства собраны в единый узел соединением несущих элементов  генератора аэрозоля и несущей пластины . посредством резьбовых шпилек ., которые соединены с днищем .. Передняя стенка ., выполненная за одно целое с верхней крышкой . (далее также упоминаемая как передняя стенка), фиксируется на несущем кожухе . посредством крепёжного средства (не показан). Крепления передней стенки на несущем кожухе может быть сделано в любом удобном месте, в качестве средства крепления может быть крепёжный винт. Например, передняя стенка может крепиться на несущем кожухе путём соединения крепёжным винтов верхней перфорированной крышки . с задней стенкой несущего кожуха. Устройство для насыщения воздуха аэрозолем также имеет элементы управления работой - общим выключателем . и автоматическим выключателем, установленным в нижней части днища (не показан) и срабатывающим при опрокидывании упомянутого устройства. Зона установки блока электропитания закрыта экраном ..
В таком конструктивном исполнении устройство насыщения воздуха аэрозолем иодида калия отличается простотой в сборке и обслуживании и обеспечивает естественную конвекцию воздуха от генератора аэрозоля, рассеивающей аэрозоль в объёме помещения и как следствие этого - снижение степени загрязнения поверхностей устройства фракциями крупных бытовых загрязнений и мелких фракций, которые осаждаются на всех внутренних поверхностях несущего кожуха, труднодоступных для самостоятельной очистки пользователем.
Наличие массивного трансформатора в блоке электропитания, расположенного в нижней части генератора, существенно повышает устойчивость всей конструкции к опрокидыванию.
Работа устройства насыщения воздуха аэрозолем с генератором аэрозоля по изобретению представлена со ссылкой на фиг. 3, на которой показан общий вид такого устройства со снятой передней стенкой несущего кожуха, и на фиг. 2, где показано распределение температур на поверхностях составных элементов печи.
1
2
1
3
1
1
7
6
5
1
1
Устройство насыщения воздуха аэрозолем устанавливается вертикально на горизонтальную поверхность выше 0,5 метра от уровня пола. Передняя стенка ., выполненная как одно целое с верхней перфорированной крышкой ., освобождается от крепёжного средства, например, крепёжного винта, и снимается с несущего кожуха .. В нишу 8 термоизолятора  печи с нагревателем , аккуратно помещается керамический тигель , предварительно заправленный солью йодистого калия (KJ). Снятая передняя стенка устанавливается на исходное место и закрепляется на несущем кожухе . крепёжным средством.
1
9
1
1
1
10
1
5
6
5а
t
t
1
4
1
3
t
5b
t
H
KJ
Ф
T
Далее, генератор включается нажатием клавиши общего выключателя ., расположенной внизу передней панели несущего кожуха . устройства и загорается индикатор . включения, который показывает, что устройство начало работать. От мощного массивного трансформатора блока . электропитания запитывается нагреватель  в виде спирали из фехралевой проволоки, который нагревает капсулу , заполненную солью йодистого калия (KJ). Спираль разогревается до температуры  = 800°С (см. фиг. 2). Время выхода на рабочий режим составляет около 40 минут. За это время соль йодистого калия нагревается до температуры кипения  = 690-710°С, которая превышает 681°С - температуру плавления иодида калия. Соль йодистого калия в результате нагрева расплавляется с образованием субмикронных частиц KI, которые переходят в аэрозольное состояние и возгоняются за счёт конвекции из-за большого перепада температур входящего воздуха, обеспечиваемого перфорированными отверстиями днища . и верхней крышки ., комнатной температуры, и воздуха вокруг корпуса печи - около верха печи температура  достигает 120-140°С, при температуре поверхности соприкосновения фланца держателя  тигля с верхней поверхностью теплоизолятора  = 250°С, и температуре выходного отверстия тигля, которая достигает 300°С. Выше крышки прибора более 5 см, температура не превышает 50°С и уже, в основном, за счёт естественной конвекции воздуха субмикронные частицы аэрозоля рассеиваются в воздухе окружающего пространства.
1
4
В случае случайного падения устройства при работе, срабатывает автовыключатель, расположенный в нижней части перфорированного днища ..
Устройство насыщения воздуха аэрозолем иодида калия в таком конструктивном исполнении обеспечивают выработку субмикронного аэрозоля иодида калия с диаметром частицы от 0.05 до 0.3 мкм.
Производительность устройство насыщения воздуха аэрозолем иодида калия обеспечивает суточную норму йода, необходимую для человека. Перенасыщения йодом не происходит, поскольку организм сам контролирует необходимое ему количество усваиваемого йода.
Устройство также отличается высокой эффективностью терапии: в бронхах и лёгких оседает до 80% аэрозольных частиц KI. Помимо насыщения солями йода, устройство обеспечивает ионизацию воздуха. Кроме того, отмечены стерилизующие качества воздуха, обработанного данным устройством.
Предлагаемое изобретение не ограничивается описанным выше вариантом осуществления. Данное устройство может быть модифицировано, а составные части могут быть выполнены из других материалов, обладающих свойствами, позволяющими обеспечивать режимы работы генератора аэрозоля и устройства насыщения аэрозолем воздушного пространства, в объёме притязаний согласно формулы изобретения.
Цитируемые документы
1. D.L. Swift, Properties of aerosol produced by evaporation from a hotwire. Proceedings of the 7-the international conference on condensation and ice nuclei, September 18-24, 1969, Prague and Vienna, p.128-131.
2. Н.А. Фукс, А.Г. Сутугин, Высокодисперсные аэрозоли. Успехи химии, том 37, выпуск 11, с.1965-1976, 1968.
3. Патент РФ RU2334560, МПК В05В 17/00, опубл. 22.12. 2008.