УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОЗДУХА СО СПИРАЛЕВИДНЫМ ДИФФУЗОРОМ

Область техники
Полезная модель относится к области средств для обеззараживания воздуха, в частности – к устройствам для дезинфекции и стерилизации воздуха с использованием ультрафиолетового излучения (далее - УФ-излучение).
Предпосылки к созданию полезной модели
Свойство УФ-излучения оказывать губительное воздействие на микроорганизмы (бактерии, вирусы, грибки) достоверно установлено, и в результате этого УФ-излучение находит широкое применение в обширном спектре устройств для бактерицидной обработки воздуха. Под УФ-излучением обычно понимается электромагнитное излучение в диапазоне длин волн 400-10 нм, при этом выраженное бактерицидное действие УФ-излучение приобретает в диапазоне 350-200 нм с максимизацией эффективности вблизи значения 265 нм. Следует отметить, что бактерицидное действие УФ-излучения сохраняется лишь на небольшом расстоянии от его источника, поэтому конструкция устройств для обеззараживания воздуха на основе данного эффекта предусматривает пропускание воздуха через замкнутый объем, в котором размещен источник УФ-излучения.
Наряду с промышленными и крупными бытовыми системами, обеспечивающими обеззараживание воздуха с использованием УФ-излучения, востребованы и компактные устройства данного предназначения, например настольного или прикроватного исполнения, которые способны функционировать в непосредственной близости от людей, не подвергая их опасности и не нарушая их комфорта. Такие устройства должны исключать прямой зрительный контакт с источником УФ-излучения, прокачивать достаточный объем воздуха с обеспечением его экспозиции под УФ-излучением, работать бесшумно и не создавать беспокоящих воздушных потоков.
В патентной публикации CN106739969A, 31.05.2017 раскрыто устройство для стерилизации воздуха, впускные и выпускные отверстия которого выполнены соответственно в нижней и верхней частях корпуса с образованием воздушного канала, под которым здесь и далее понимается проточная полость корпуса между впускными и выпускными отверстиями. Источник УФ-излучения (далее также - УФ-лампа) расположен вблизи дна корпуса, а вентилятор, также расположенный в нижней части, но выше УФ-лампы, нагнетает воздух через ряд фильтров к выпускным отверстиям.
В отношении данного устройства отметим, что нагнетание воздуха через препятствие в виде фильтров не является эффективным с точки зрения объема прокачиваемого воздуха, поскольку часть воздуха будет отражаться от препятствия, вызывая турбулентность в области всасывания и понижая перепад давления между областью всасывания и внешней средой. Таким образом, данное устройство не способно прокачать и стерилизовать сколько-нибудь заметный объем воздуха, и его использование для обеззараживания воздуха в помещении будет неэффективным.
В патентной публикации CN203628870U, 04.06.2014 раскрыто устройство для очистки воздуха, в котором впускные отверстия выполнены в верхней части корпуса, а выпускные - в средней его части. В воздушном канале, начиная от впускных отверстий, в следующем порядке расположены: вентилятор, УФ-лампа, блок активированного угля. Однако и в этом случае вентилятор нагнетает воздух в сторону большего гидравлического сопротивления, что по указанным выше причинам неминуемо снижает производительность устройства. Еще одним недостатком устройства является расположение выпускных отверстий на боковой стенке корпуса, поскольку выпуск воздуха через них может создавать направленный поток и вызывать дискомфорт для потребителя при расположении устройства на столе.
В патентной публикации CN111472988A, 31.07.2020 раскрыто устройство для дезинфекции воздуха, в котором вентилятор расположен непосредственно перед выпускными отверстиями, а светодиодная УФ-лампа расположена между вентилятором и впускными отверстиями, при этом впускные и выпускные отверстия выполнены на торцах цилиндрического корпуса. В этом случае вентилятор просасывает воздух через всю длину корпуса, что в значительной степени устраняет недостатки указанных выше аналогов, и данное устройство послужило прототипом для полезной модели.
Однако в прототипе вентилятор создает разрежение в широкой части воздушного канала, в то время как воздух поступает в воздушный канал через его узкую часть, скорость воздуха в которой становится велика. Поскольку УФ-лампа расположена на выходе из узкой части, то воздух проходит мимо нее очень быстро, и время экспозиции, т.е. время, в течение которого каждая содержащаяся в воздухе частица подвергается УФ-излучению, является недостаточным для эффективного обеззараживания.
Для того чтобы несколько увеличить время экспозиции в прототипе применены направляющие, которые заставляют поток воздуха дважды изменять свое направление под тупым углом. Второй указанный поворот при этом совершается потоком воздуха в широкой части воздушного канала за пределами воздействия УФ-лампы, а значит, обуславливаемое им повышение гидравлического сопротивления не сопровождается соответствующим увеличением эффективности дезинфекции. Тем не менее, для преодоления указанного обстоятельства возникает необходимость использования более мощного вентилятора, что однако приводит к увеличению габаритов устройства, возникновению шума и повышенному потреблению электроэнергии.
Техническая проблема, решаемая полезной моделью, состоит в создании такой модификации устройства для обеззараживания воздуха, которая позволила бы увеличить время экспозиции воздуха перед УФ-излучением без увеличения габаритов устройства.
Сущность полезной модели
Для решения указанной технической проблемы в качестве полезной модели предложено устройство для обеззараживания воздуха, содержащее вертикальный корпус, в котором установлены вентилятор и расположенный под вентилятором светодиодный источник УФ-излучения, причем вентилятор создает поток воздуха, направленный вверх. Между вентилятором и светодиодным источником УФ-излучения установлен диффузор, содержащий спиралевидную решетку, которая закручивается в направлении, противоположном направлению вращения вентилятора, а на стенках корпуса снизу от диффузора выполнены впускные отверстия.
Технический результат состоит в том, что благодаря закручиванию потока воздуха вокруг светодиодного источника УФ-излучения, каждая содержащаяся в воздухе частица проходит более длинный путь от впускного отверстия до диффузора, в результате чего увеличивается время, в течение которого каждая содержащаяся в воздухе частица подвергается УФ-излучению (время экспозиции). Одновременно с этим, воздушный канал на участке выше диффузора является прямоточным, и дополнительной мощности вентилятора на преодоление препятствий, не связанных с процессом обеззараживания, не требуется.
Впускные отверстия могут быть выполнены на вертикальной стенке корпуса и/или на нижней торцевой стенке корпуса. Следует отметить, что любое расположение впускных отверстий, при условии, что они выполнены ниже диффузора, позволит в той или иной степени обеспечить достижение технического результата. Поступающий воздух будет попадать в закручивающийся поток, находиться некоторое время под УФ-излучением и направляться через диффузор к вентилятору. Тем не менее, выглядит предпочтительным расположение впускных отверстий ближе к нижней торцевой стенке корпуса.
В частном случае полезной модели светодиодный источник УФ-излучения закреплен на диффузоре, что позволяет минимизировать количество деталей и технологических операций.
Далее, светодиодный источник УФ-излучения может быть выполнен в виде первого множества светодиодов, прикрепленных к цилиндрической стенке стаканообразной основы, и второго множества светодиодов, прикрепленных к торцевой стенке стаканообразной основы, причем стаканообразная основа расположена соосно вентилятору. Технический результат данного исполнения состоит в том, что благодаря соосному с вентилятором расположению стаканообразной основы, первое множество светодиодов испускает УФ-излучение во всех радиальных направлениях и облучает все внутреннее пространство корпуса вокруг светодиодного источника УФ-излучения с небольшого расстояния. Кроме того, поток воздуха в течение определенного времени движется вдоль светодиодного источника УФ-излучения от одного светодиода первого множества к другому. Второе множество светодиодов, облучает воздух в той области, которая не облучается первым множеством. Таким образом, светодиодный источник УФ-излучения воздействует на максимально возможный объем воздуха, находящийся между нижней торцевой стенкой и диффузором.
В частном случае полезной модели наружная поверхность вертикальной стенки корпуса имеет цилиндрическую форму. Данная форма наружной поверхности вертикальной стенки корпуса с учетом цилиндрического вентиляторного канала и спиралевидной решетки диффузора предпочтительна с точки зрения материалоемкости, хотя в дизайнерских и т.п. целях форма корпуса может быть иной.
В частном случае полезной модели диффузор на сечении, выполненном вдоль его продольной оси, имеет плоскую форму. Данная форма диффузора позволяет минимизировать вертикальный габарит устройства, а также является наиболее простой в изготовлении.
Однако в предпочтительном случае полезной модели, диффузор на сечении, выполненном вдоль его продольной оси, имеет конусообразную форму, заостряющуюся вниз. Это способствует более эффективному закручиванию воздушного потока, а значит, увеличивает время экспозиции.
Краткое описание чертежей
Осуществление полезной модели будет пояснено ссылками на фигуры:
фиг. 1 - устройство для обеззараживания воздуха, выполненное согласно полезной модели, в продольном разрезе;
фиг. 2 - устройство для обеззараживания воздуха, выполненное согласно предпочтительному случаю полезной модели, в продольном разрезе;
фиг. 3 - вид на диффузор снизу (светодиодная УФ-лампа снята).
Следует отметить, что форма и размеры отдельных элементов устройства, отображенных на фигурах, являются условными и показаны так, чтобы наиболее наглядно проиллюстрировать взаимное расположение элементов устройства и их причинно-следственную связь с заявленным техническим результатом.
Осуществление полезной модели
Осуществление полезной модели будет показано на наилучших известных авторам примерах ее реализации, которые не являются ограничениями в отношении объема охраняемых прав.
Устройство 1 для обеззараживания воздуха (далее также - устройство 1), продольный разрез которого показан на фиг. 1, содержит корпус 2, имеющий вертикальное расположение. Корпус 2 образован вертикальной стенкой 21 и нижней торцевой стенкой 22, причем вертикальная стенка 21 имеет по всей своей высоте цилиндрическую наружную поверхность и на большей части своей высоты – цилиндрическую внутреннюю поверхность.
В корпусе 2 установлен вентилятор 3, который включает в себя крыльчатку 31, расположенную в вентиляторном канале 32 корпуса 1, и электродвигатель 33, при этом вентилятор 3 способен создавать поток воздуха, направленный вверх. Снизу от вентилятора 3 в корпусе 1 размещена светодиодная УФ-лампа 4. Между вентилятором 3 и светодиодной УФ-лампой 4 установлен диффузор 5, создающий гидравлическое сопротивление для потока воздуха от светодиодной УФ-лампы 4 к вентилятору 3 с целью увеличения времени экспозиции находящихся в воздухе частиц перед УФ-излучением.
На вертикальной стенке 21 снизу от диффузора 5 выполнены впускные отверстия 210, а на нижней торцевой стенке 22 выполнены впускные отверстия 220. Кроме того, нижняя торцевая стенка 22 снабжена ножками 23, которые для поступления достаточного объема воздуха к впускным отверстиям 220 создают зазор между нижней торцевой стенкой 22 и опорной поверхностью, на которой размещено устройство 1. Впускные отверстия 210 и 220 выполнены так, чтобы исключить прохождение прямого луча, испускаемого светодиодной УФ-лампой 4, за пределы корпуса 1, что необходимо для обеспечения безопасности пользователя. Отметим, что при отражении от поверхностей впускных отверстий 210 и 220 УФ-излучение в значительной степени рассеивается и далее никакого риска для пользователя не создает.
Светодиодная УФ-лампа 4 выполнена в виде первого множества светодиодов 41, прикрепленных к цилиндрической стенке 43 стаканообразной основы 45, и второго множества светодиодов 42, прикрепленных к торцевой стенке 44 стаканообразной основы 45. Стаканообразная основа 45 представляет собой тонкостенную металлическую гильзу, которая закреплена на диффузоре 5 так, что ее ось совпадает с осью вращения крыльчатки 31, или другими словами, стаканообразная основа 45 расположена соосно вентилятору 3.
Светодиоды 41 и 42 закреплены соответственно на первом участке и втором участках гибкого диэлектрического материала, при этом первый участок обернут вокруг цилиндрической стенки 43 стаканообразной основы 45 и приклеен к ней, а второй участок размещен на торцевой стенке 44 стаканообразной основы 45 и приклеен к ней. Гибкий диэлектрический материал содержит проводящие дорожки, выполненные на его поверхности и соединяющие светодиоды 41 и 42 между собой, при этом первый и второй участки скроены в виде единой детали, что облегчает соединение светодиодов 41 и 42. Закрепление светодиодов 41 и 42 на гибком диэлектрическом материале осуществляется до того, как он будет прикреплен к стаканообразной основе 45, т.е. тогда, когда он находится в развернутом состоянии.
Внутри стаканообразной основы 45 размещен блок питания светодиодной УФ-лампы 4 (не показан), который содержит, по меньшей мере, выпрямитель и преобразует переменное сетевое напряжение 220 В так, чтобы параметры выходного напряжения обеспечивали надлежащий режим функционирования светодиодов 41 и 42. Блок питания светодиодной УФ-лампы 4 соединен с проводящими дорожками гибкого диэлектрического материала через отверстие в торцевой стенке 44.
Светодиодная УФ-лампа 4 снабжена прозрачным корпусом (не показан), способным пропускать УФ-излучение. Светодиододы 41 и 42 размещены в этом прозрачном корпусе, который предотвращает осаждение пыли на светодиодах 41 и 42, а значит, препятствует снижению интенсивности УФ-излучения.
Светодиоды 41 и 42, представляют собой светодиоды, которые испускают УФ-излучение в диапазоне длин волн, по меньшей мере, частично перекрывающемся с диапазоном 200-400 нм, в наиболее предпочтительном случае – с диапазоном 250-350 нм. Суммарная мощность УФ-излучения от всех светодиодов 41 и 42 составляет, например, 15 Вт. Одновременно с этим светодиоды 41 и 42 могут излучать видимый свет с длиной волны, близкой к верхней границе УФ-излучения, например, синий или фиолетовый. В этом случае внутри корпуса 2 создается свечение, которое предупреждает пользователя о работе светодиодной УФ-лампы. Обратим внимание, что УФ-излучение с длиной волны ниже 200 нм исключается, что гарантирует предотвращение образования озона, являющегося токсичным для человека.
Корпус 2 снабжен выпускной решеткой 6, которая закреплена у верхнего торца вертикальной стенки 21. Выпускная решетка 6 имеет широкие выпускные проходы 61, по существу, не создающие гидравлического сопротивления, и призвана предотвратить проникновение крупных предметов к вентилятору 3. В центральной части выпускной решетки 6 закреплен воздушный рассеиватель 7.
Боковая стенка 71 воздушного рассеивателя 7 имеет внешнюю поверхность 72, выполненную так, чтобы отклонять выходящий от вентилятора 3 поток воздуха от вертикального направления. В результате этого выходящий поток воздуха сразу распределяется в той области помещения, которая находится вблизи пользователя, что обеспечивает ускоренное обеззараживание воздуха вокруг пользователя и недопущение возникновения беспокоящих направленных потоков. Внешняя поверхность 72 может представлять собой поверхность вращения участка кривой линии, например, параболы или гиперболы. В предпочтительном случае проекция внешней поверхности 72 на горизонтальную плоскость перекрывает проходное сечение вентиляторного канала 32.
Крышка 73 прилегает к боковой стенке 71 с образованием в воздушном рассеивателе 7 замкнутого объема, в котором размещен блок питания 8 и опционально светодиод 81. В предпочтительном случае боковая стенка 71 и крышка 73 выполнены из матового светопроводящего материала, который способен пропускать видимый свет от светодиода 81, информирующий пользователя о подключении устройства 1 к электросети.
Блок питания 8 преобразует сетевое переменное напряжение 220 В в постоянное напряжение, например 12 В, являющееся достаточным для питания вентилятора 3. Размещение блока питания 8 в воздушном рассеивателе 7 дает возможность не занимать под него пространство воздушного канала и не снижать тем самым производительность устройства 1.
На фиг. 3 показан вид на диффузор 5, если смотреть со стороны нижней торцевой стенки 22, с демонтированной светодиодной УФ-лампой 4. Диффузор 5 содержит спиралевидную решетку 51, образованную изогнутыми профилями 52, между которыми имеются изогнутые щели 53, причем ширина каждой щели 53 увеличивается с удалением от центра диффузора 5. Если двигаться вдоль любой щели 53 от ее внешнего конца к внутреннему концу, то мысленно продолженная траектория закрутится вокруг центра диффузора 5, что указывает на направление закручивания спиралевидной решетки 51.
При прохождении воздуха через щель 53 давление в ее узкой части 531 будет меньше давления в ее широкой части 532, что побудит воздух перетекать по щели в сторону узкой части 531, увлекая за собой и весь входящий поток. Таким образом, диффузор, показанный на фиг. 3 будет закручивать воздух вокруг светодиодной УФ-лампы 4 против часовой стрелки. В результате этого каждая содержащаяся в воздухе частица (микроорганизм), попавшая внутрь корпуса 1, например через впускное отверстие 220, направится к щели 53 не напрямую, а по дуге или спирали вокруг светодиодной УФ-лампы 4, что увеличивает длину ее пути, а значит, и время экспозиции.
Кроме того, поток воздуха, закрученный в спиралевидной решетке 51, подхватывается крыльчаткой 31, вращающейся в направлении, которое является противоположным по отношению к направлению закручивания спиралевидной решетки 51. Такая конфигурация, как известно, повышает эффективность вентилятора 3, т.е. объем перекачиваемого им воздуха за единицу времени, что при прочих равных условиях позволит уменьшить мощность или размеры вентилятора с соответствующим уменьшением габаритов устройства 1.
Далее, как показано на фиг. 1, диффузор 5 на сечении, выполненном вдоль его продольной оси, имеет плоскую форму. Данная форма диффузора 5 позволяет минимизировать вертикальный габарит устройства 1, а также является наиболее простой в изготовлении. Тем не менее, в предпочтительном случае устройства 1, показанном на фиг. 3, диффузор 5 на сечении, выполненном вдоль его продольной оси, имеет конусообразную форму, заостряющуюся вниз. Это способствует более эффективному закручиванию воздушного потока, а значит, увеличивает время экспозиции.
Таким образом, воздушный канал устройства 1, включающий в себя впускные отверстия 210 и 220, щели 53, вентиляторный канал 32 и выпускные проходы 61 является прямоточным и не содержит поворотов, а суммарное проходное сечение как впускных отверстий 210 и 220, так и выпускных проходов 61 является большим. Благодаря этому гидравлическое сопротивление воздушного канала устройства 1 на участках выше и ниже по потоку по отношению к диффузору 5 является существенно меньшим, чем гидравлическое сопротивление на аналогичных участках в известных решениях, что выражается в возможности использования менее мощного вентилятора 3 с соответствующим уменьшением габаритов и энергопотребления устройства 1.
Здесь отметим, что хотя поступающий через впускные отверстия 210 воздух изменяет свое направление под тупым углом, это происходит в зоне действия светодиодной УФ-лампы, что способствует повышению времени экспозиции и эффективности обеззараживания. Однако в любом случае суммарное проходное сечение впускных отверстий 210 велико, что нивелирует данный фактор повышения гидравлического сопротивления в области всасывания.
Одновременно с этим эффективность обеззараживания обеспечивается на должном уровне путем закручивания потока воздуха вокруг светодиодной УФ-лампы 4, в результате чего достигается интенсивное перемешивание воздуха, и увеличивается время экспозиции, т.е. время, в течение которого каждая содержащаяся в воздухе частица подвергается УФ-излучению.
Далее, светодиодная УФ-лампа 4 закреплена непосредственно на диффузоре 5 при помощи креплений 54, что позволяет избежать применения дополнительных крепежных конструкций.
В технологическом плане корпус 2 образован верхней корпусной частью 24 и нижней корпусной частью 25 (фиг. 2). Верхняя корпусная часть 24 включает в себя верхний участок 211 вертикальной стенки 21 и вентиляторный канал 32, а нижняя корпусная часть 25 включает в себя нижний участок 212 вертикальной стенки 21 и нижнюю торцевую стенку 22. Верхняя и нижняя корпусные части 24 и 25 изготавливаются в виде отдельных деталей, т.е. входящие в них элементы выполняются заодно. Вентилятор 3 и диффузор 5 с закрепленной на нем светодиодной УФ-лампой 4 устанавливаются в верхнюю корпусную часть 24 перед ее соединением с нижней корпусной частью 25. Диффузор 5 при этом может включать в себя средний участок 213 вертикальной стенки 21, и тогда верхняя корпусная часть 24 соединяется с нижней корпусной частью 25 через диффузор 5.
Верхняя корпусная часть 24, нижняя корпусная часть 25, крыльчатка 31, диффузор 5, выпускная решетка 6, воздушный рассеиватель 7 выполняются из полимерных материалов, что обеспечивает малый вес устройства 1, а также технологичность процесса изготовлении указанных деталей.
Следует также отметить, что цилиндрическая форма наружной поверхности вертикальной стенки 21 не является обязательной, в дизайнерских целях и т.п. наружная поверхность вертикальной стенки 21 может иметь призматическую или иную форму.