УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТЕРИЛИЗАЦИИ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМОЙ
DEVICE FOR STERILISING GAS PLASMA

Данное изобретение имеет отношение к устройству для стерилизации, в частности для стерилизации медицинских инструментов, в котором используется газоразрядная плазма.
Известно, что в способах стерилизации с использованием упомянутой плазмы используется газ, который сам по себе не имеет бактерицидных свойств и подвергается действию достаточно сильного электрического поля, которое вызывает ионизацию и расщепление молекул газа. Газ, образованный за потоком плазмы, который называют «постразрядным» газом, имеет стерилизующие свойства. Этот газ попадает в камеру очистки, где оказывает свое бактерицидное действие на инструменты, которые подлежат стерилизации.
В существующих способах были предложены два основных пути, обеспечивающих создание электрических полей, интенсивность которых является достаточной, чтобы вызвать образование плазмы, а именно токи высокой частоты (ВЧ) и микроволны.
Технология токов высокой частоты имеет недостаток, который состоит в использовании электродов, подверженных износу, при использовании которых невозможно получить хорошую стабильность устройства, и оно нуждается в постоянной регулировке.
Микроволновая технология не имеет этих недостатков, но она не избавлена от некоторых ограничений, в частности, в отношении срока службы и устойчивости частоты магнетрона, генерирующего микроволны.
Известно, что источник микроволн состоит из магнетрона, передающего энергию внутри волновода, который направляет эту энергию в поглощающий энергию объемный резонатор, имеющий определенное назначение. Полость этого резонатора поглощает часть излучаемой энергии, а часть оставшейся энергии отражается по направлению к магнетрону. Срок службы магнетрона непосредственно связан с этой отраженной мощностью. Если она слишком высока, возникает повышение температуры магнетрона, которое может привести к невостанавливаемому выходу из строя.
Если в промышленном масштабе требуется вырабатывать газоразрядную плазму, в частности, для того, чтобы использовать вторичный постразрядный газ для стерилизации медицинских инструментов, то важно, чтобы магнетрон имел длительный срок службы, сопоставимый со сроками службы, общепринятыми в медицинской промышленности. Однако по определению мощность, поглощенная в объемном резонаторе, по существу переменная, поскольку зависит от массы инструментов, которые должны стерилизоваться. Исходя из этого, важно, чтобы магнетрон мог работать с отраженной мощностью, соответствующей своей полной мощности (которая соответствует почти пустому объемному резонатору) и длительное время без необратимых повреждений.
Также известно, что возбуждение газоразрядной плазмы микроволнами требует строго стабильной частоты, поскольку объемный резонатор имеет очень чувствительный коэффициент качества, то есть в случае сдвига частоты устройство становится ненастроенным, и мощность, передаваемая в газоразрядную плазму, становится недостаточной, чтобы ее поддерживать.
Целью данного изобретения является создание микроволнового генератора, предназначенного для выработки газоразрядной плазмы, который устраняет эти недостатки путем обеспечения отличной устойчивости работы и оптимального срока службы магнетрона.
Таким образом, предметом настоящего изобретения является устройство для получения газоразрядной плазмы путем ионизации газа с помощью источника микроволн определенной номинальной мощности, содержащее магнетрон, получающий электрическую энергию из цепи питания, отличающееся тем, что мощность, подаваемая цепью питания на магнетрон, составляет по меньшей мере одну четверть от номинальной мощности магнетрона. Предпочтительно эта мощность составляет от одной десятой до одной четвертой номинальной мощности магнетрона.
Также предпочтительно, чтобы мощность, подаваемая цепью питания на магнетрон, составляла не более одной четвертой номинальной мощности магнетрона, умноженной на его коэффициент отражения.
Устройство по данному изобретению может содержать элементы, позволяющие ограничивать мощность, подаваемую на магнетрон таким образом, что его температура не превышает 80°С.
Данное изобретение представляет особенный интерес с точки зрения себестоимости изготовления, поскольку оно может быть использовано в устройствах, которые имеются на рынке изделий бытовой техники и которые при массовом производстве имеют особенно конкурентную себестоимость. Один недостаток таких устройств при их использовании в таких областях техники, как стерилизация в медицине, состоит в том, что они, во-первых, имеют мощность порядка 800 Вт, тогда как для стерилизации мощность, которая может быть поглощена полостью отсека обработки, имеет порядок только 100 Вт, а во-вторых, их надежность недостаточно высока.
В отношении избыточной мощности очевидно, что она не может быть использована в данном устройстве как таковая, так как отраженная мощность составляет порядка 700 Вт, немедленным результатом чего является нагрев магнетрона, приводящий к его повреждению.
Таким образом, чтобы использовать упомянутые устройства, необходимо ограничить их мощность. Также известно, что магнетроны при запуске требуют относительно высокого пикового напряжения порядка 3-4 кВ.
Таким образом, необходимо ограничить эту мощность без какого-либо заметного ущерба пиковому напряжению, требуемому для запуска магнетрона.
По данному изобретению мощность, подаваемая на магнетрон, ограничена, что ограничивает отраженную на него энергию, и указанное ограничение достигается без уменьшения пикового напряжения, необходимого для запуска.
Способом, заслуживающим особого внимания для уменьшения электрической мощности, подаваемой на магнетрон, при поддержании достаточного значения упомянутого пикового напряжения, является использование удвоителя напряжения, имеющего диод и конденсатор, подключенные последовательно к контактам вторичной обмотки, а также использование конденсатора достаточно низкой емкости для падения напряжения. При этих условиях было обнаружено, что мощность, подаваемая на магнетрон, достаточно уменьшена, чтобы обеспечить его достаточную надежность, при этом сохраняя пусковую пиковую нагрузку.
Известно, что магнетроны характеризуются коэффициентом, который показывает их максимально допустимую мощность. Это коэффициент стоячей волны (КСВ)
КСВ=1+r/1-r,
где r - коэффициент отражения, который равняется отношению отраженной мощности к излученной мощности.
Таким образом было установлено, что энергия, которая может быть рассеяна магнетроном в виде тепла, пропорциональна его мощности. Таким образом, учитывая, что средний КСВ для магнетрона имеет порядок 4, соответствующий коэффициент отражения г составляет 0,6. Это означает, что магнетрон номинальной мощностью 800 Вт будет иметь допустимую отраженную мощность 480 Вт, тогда как то же значение для магнетрона, имеющего номинальную мощность 300 Вт, будет только 180 Вт.
d
При этих условиях, если мощность, необходимая для определенной работы, например стерилизации, принята 100 Вт, и если необходимо, чтобы устройство могло без проблем рассеивать 100% полученной мощности (которая по существу относится к случаю пустого объемного резонатора), то требуется, чтобы мощность Р, подаваемая на магнетрон, была не более чем
d
n
P=P·r,
n
где Р - номинальная мощность магнетрона.
Следует отметить, что при использовании магнетрона бытового типа его номинальная мощность составляет приблизительно 800 Вт, и он будет иметь допустимую отраженную мощность 480 Вт, то есть будет полностью способен надежно обеспечить получение плазмы для стерилизации, для чего требуется мощность 100 Вт.
Таким образом, обнаружено, что при этих условиях повышение температуры магнетрона очень низкое, что обеспечивает отличную стабильность частоты и возможность вырабатывать плазму, когда мощность, подаваемая на магнетрон, составляет от одной десятой до одной четвертой его номинальной мощности.
Далее описан один из вариантов осуществления данного изобретения, представляющий собой пример, не ограничивающий объем изобретения и описанный со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 представляет собой схематическое изображение устройства по данному изобретению;
Фиг.2 представляет собой график, показывающий изменение мощности, подаваемой на магнетрон, в зависимости от значения емкости конденсатора питания;
Фиг.3 представляет собой график, показывающий изменение напряжения в зависимости от времени на выводах магнетрона в устройстве, показанном на Фиг.1;
Фиг.4 представляет собой схему варианта осуществления изобретения.
На Фиг.1 показан блок питания, выполненный с возможностью подачи на магнетрон энергии, необходимой для того, чтобы вырабатывать газоразрядную плазму. Эта газоразрядная плазма, в частности, предназначена, благодаря своему постразрядному газу, для выполнения стерилизации.
Блок питания по существу состоит из повышающего напряжение трансформатора 1 питания, имеющего коэффициент приблизительно 10, так что при двойной амплитуде напряжения питания 220 В двойная амплитуда напряжения во вторичной обмотке будет приблизительно 2200 В. Последовательно во вторичной цепи 1b имеется конденсатор С и диод D, между выводами А и В которого включен магнетрон 7. Этот магнетрон подсоединен к объемному резонатору 9 с помощью волновода 8.
Диод D и конденсатор С образуют удвоитель напряжения, выполненный с возможностью умножать на 2 выходное напряжение трансформатора 1, так как конденсатор С заряжается во время положительного полупериода, а во время отрицательного полупериода напряжение конденсатора добавляется к его значению напряжения.
График построен с указанием изменения мощности Р, подаваемой цепью питания на магнетрон 7, в зависимости от емкости конденсатора С. При этом из Фиг.2 видно, что энергия Р уменьшается с емкостью конденсатора. Таким образом, для конденсатора С емкостью 0,9 мкФ, который обычно используют для электропитания микроволновых бытовых печей, мощность составляет приблизительно 900 Вт, а если емкость конденсатора С уменьшается до 0,1 мкФ, мощность падает до 100 Вт, что является значением, соответствующим мощности, используемой в области выработки газоразрядной плазмы для стерилизации с использованием постразрядного газа. Это представляет особый интерес: даже если мощность полностью отражается, ее значение будет ниже допустимого значения, которое для магнетрона номинальной мощностью 800 Вт составляет 480 Вт.
Установлено, что путем простой замены элемента, например, такого простого и дешевого, как конденсатор, возможно приспособить и преобразовать дешевый коммерчески доступный источник питания таким образом, чтобы он мог надежно и эффективно обеспечивать питание магнетрона, предназначенного для интенсивного использования, в частности, в медицине и промышленности.
Также на Фиг.3 показан график изменения напряжения на выводах А и В питания магнетрона. Оказалось, что максимальное напряжение на них в начале полупериода поддерживается хорошо, обеспечивая возможность выполнить магнетрон с надлежащей пусковой нагрузкой.
Также по данному изобретению возможно, как показано на Фиг.4, выполнить питание переменного тока магнетрона с удвоением. В этой конструкции выполнен контур, содержащий два диода, включенных последовательно, а именно первый диод D1 и второй диод D2, причем выход первого подключен ко входу второго, а также два конденсатора С1 и С2. Выходной контакт Е трансформатора 1 подсоединен между двумя конденсаторами С1 и С2, а другой выходной контакт F подсоединен через сопротивление R ко входу диода D2. Питание магнетрона осуществляется от входного контакта А' первого диода D1 и выходного контакта В' второго диода D2. Упомянутая конструкция объединяет два удвоителя напряжения, и напряжение, подаваемое между контактами А' и В', является суммой напряжений на контактах конденсаторов С1 и С2. Во время положительного полупериода конденсатор С1 заряжается через диод D1. Во время отрицательного полупериода конденсатор С2 заряжается через диод D2.