RU2236060C1

RU2236060C1 - Gas-discharge ultraviolet radiation source

Info

Publication number: RU2236060C1
Application number: RU2002134931/09A
Authority: RU
Inventors: Э.М. Бархударов (RU); Э.М. Бархударов; И.А. Коссый (RU); И.А. Коссый; н М.А. Мисак (RU); М.А. Мисакян
Original assignee: Закрытое акционерное общество Научно-производственный центр "СОЛИТОН-НТТ"
Priority date: 2002-12-25
Filing date: 2002-12-25
Publication date: 2004-09-10
Also published as: WO2004059694A1; AU2003277761A1

Abstract

FIELD: electrical engineering; treatment of objects and materials, cleaning and sterilization of liquids with ultraviolet rays.

SUBSTANCE: proposed gas-discharge ultraviolet radiation source has microwave oscillator whose coaxial-waveguide external electrode is connected to wall of gas-discharge bowl that receives waveguide central electrode coated with insulation transparent for microwave radiation. Gas-discharge bowl is disposed inside reservoir for medium to be treated. Common walls of gas-discharge bowl and this reservoir are made of material transparent for ultraviolet radiation. Most probable design alternative of ultraviolet radiation source has gas-discharge bowl and reservoir for medium to be treated in the form of circular cylinders with waveguide electrode disposed along their axis from one end of gas-discharge bowl to other. Electrode end extends beyond gas-discharge bowl. The latter and central electrode end extending from this bowl are covered with net made of material that does not pass microwave radiation. Insulation of central electrode and that of gas-discharge bowl wall are made of same material.

EFFECT: enhanced effectiveness of ultraviolet radiation and simplified design of device.

9 cl, 2 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к газоразрядным приборам, воздействующим на объекты и материалы с целью их обработки, в частности для очистки и стерилизации жидкостей ультрафиолетовым излучением газового разряда. Оно может применяться в медицине, системах очистки питьевой или сточных вод в промышленности или в бытовых условиях, а также на производственных или торговых предприятиях для обработки жидкостных продуктов, натуральных соков, молока и пр.The invention relates to gas-discharge devices acting on objects and materials for the purpose of processing them, in particular for cleaning and sterilizing liquids by ultraviolet radiation of a gas discharge. It can be used in medicine, drinking or wastewater treatment systems in industry or in domestic conditions, as well as in industrial or commercial enterprises for the processing of liquid products, natural juices, milk, etc.

Предшествующий уровень техникиState of the art

Широко известны расходные электродуговые генераторы плазмы постоянного тока, содержащие средства возбуждения газового разряда в виде электродов, источника электропитания и системы подачи газа в межэлектродное пространство (см., например, авт. свид. СССР №SU 667032, М. кл. Н 05 Н 1/06, 1977). Такие устройства позволяют генерировать плазменную струю, которую используют, в частности, в качестве источника ультрафиолетового излучения, способного очищать и стерилизовать жидкости. Недостатки подобных устройств состоят в сложности и дороговизне вакуумной техники, необходимой для обеспечения пониженного давления, при котором возможно получение необходимой интенсивности ультрафиолетовой составляющей излучения плазмы, в высоком уровне загрязнений плазмы продуктами эрозии электродов, в малом ресурсе дуговых плазмотронов (до нескольких десятков часов).Widely known consumable electric arc generators of direct current plasma containing means for exciting a gas discharge in the form of electrodes, a power source and a gas supply system in the interelectrode space (see, for example, ed. Certificate of the USSR No. SU 667032, M. class. N 05 N 1 / 06, 1977). Such devices allow the generation of a plasma jet, which is used, in particular, as a source of ultraviolet radiation capable of cleaning and sterilizing liquids. The disadvantages of such devices are the complexity and high cost of the vacuum equipment necessary to provide a reduced pressure, at which it is possible to obtain the necessary intensity of the ultraviolet component of the plasma radiation, a high level of plasma contamination by erosion of the electrodes, and a small resource of arc plasmatrons (up to several tens of hours).

Существенное снижение стоимости оборудования и повышение его ресурса обеспечивают источники ультрафиолетового излучения, содержащие наполненную газом пониженного давления отпаянную диэлектрическую колбу со средствами возбуждения в ее полости тлеющего разряда и имеющие либо отдельный тракт жидкостного охлаждения, либо окруженные жидкостью, в которую они погружены, причем указанные средства возбуждения газового разряда представляют собой холодные электроды, подключенные к источнику электропитания (см., например, Рохлин Г.Н. "Разрядные источники света", М.: Энергоатомиздат, 1991, с.327-328). Указанные источники в виде отпаянной колбы не требуют применения громоздкой и дорогостоящей вакуумной техники и обеспечивают технический ресурс до величин порядка тысячи часов. Однако их эффективность в очистке жидкости невысока в силу относительно низкой интенсивности ультрафиолетовой компоненты испускаемого излучения.A significant reduction in the cost of equipment and an increase in its service life are provided by ultraviolet radiation sources containing a sealed dielectric flask filled with a low-pressure gas with excitation means in its glow discharge cavity and having either a separate liquid cooling path or surrounded by the liquid into which they are immersed, and these excitation means gas discharge are cold electrodes connected to a power source (see, for example, Rokhlin G.N. "Razryadn ry sources of light ", M .: Energoatomizdat, 1991, S. 327-328). These sources in the form of a sealed-off flask do not require the use of bulky and expensive vacuum equipment and provide a technical resource up to values of the order of a thousand hours. However, their effectiveness in cleaning the liquid is low due to the relatively low intensity of the ultraviolet component of the emitted radiation.

Указанный недостаток ликвидируют газоразрядные источники ультрафиолетового излучения, содержащие наполненную инертным газом высокого давления и ртутью (в виде капли в исходном состоянии) диэлектрическую колбу, обычно выполняемую из кварца, со средствами возбуждения в ее полости газового разряда повышенного давления и трактом жидкостного охлаждения, причем указанные средства представляют собой введенные в полость колбы тугоплавкие электроды (см., например, Рохлин Г.Н. "Разрядные источники света", М.: Энергоатомиздат, 1991, с.487-489). Технический ресурс указанных источников достигает 1000-2700 ч для ламп разных марок в связи с непрерывным разрушением (эрозией) их электродов в процессе горения разряда. По той же причине интенсивность излучения этих источников непрерывно убывает в процессе их эксплуатации из-за поглощения света в пленке материала электродов, осаждающейся на внутренней поверхности стенки колбы в процессе эрозии электродов.This drawback is eliminated by gas-discharge sources of ultraviolet radiation containing a dielectric flask filled with an inert high-pressure gas and mercury (in the form of a droplet in the initial state), usually made of quartz, with means of excitation in its cavity of a high-pressure gas discharge and a liquid cooling path, these means represent refractory electrodes introduced into the flask cavity (see, for example, Rokhlin GN “Discharge light sources”, M .: Energoatomizdat, 1991, p. 487-489). The technical resource of these sources reaches 1000-2700 h for lamps of different brands in connection with the continuous destruction (erosion) of their electrodes in the process of burning the discharge. For the same reason, the radiation intensity of these sources continuously decreases during their operation due to the absorption of light in the film of electrode material, deposited on the inner surface of the wall of the bulb during erosion of the electrodes.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является газоразрядный источник ультрафиолетового излучения, состоящий из СВЧ-генератора, соединенного с газонаполненной разрядной емкостью из диэлектрика линией передачи СВЧ, содержащей подсоединенный к СВЧ-генератору волновод, емкости для обрабатываемой среды, смежной с газоразрядной емкостью, причем общие стенки этих емкостей выполнены из прозрачного для УФ-излучения материала (см., например, Bergmann H. et al. "New UV irradiation and direct electrolysis-promising methods for water disinfection", Chem. Eng. Journal, 2002, v.85, pp.111-117). Однако это устройство также несвободно от недостатков. Более половины энергии УФ-излучения уходит в окружающее пространство, а некоторая часть энергии СВЧ расходуется на прямой нагрев обрабатываемой жидкостной среды, что связано с конструктивными особенностями прототипа.The closest technical solution to the invention is a gas-discharge source of ultraviolet radiation, consisting of a microwave generator connected to a gas-filled discharge capacitance from a dielectric microwave transmission line containing a waveguide connected to the microwave generator, a container for the medium to be treated adjacent to the gas-discharge capacitor, and the common walls these containers are made of UV-transparent material (see, for example, Bergmann H. et al. "New UV irradiation and direct electrolysis-promising methods for water disinfection", Chem. Journal of Journal, 2002, v. 85, pp. .111-117). However, this device is also not free from disadvantages. More than half of the energy of UV radiation goes into the environment, and some of the microwave energy is spent on direct heating of the processed liquid medium, which is associated with the design features of the prototype.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

С целью устранения указанных недостатков, т.е. для повышения энергетической эффективности обработки среды воздействием УФ-излучения и упрощения конструкции оборудования в газоразрядный источник ультрафиолетового излучения, состоящий из СВЧ-генератора, соединенного с газонаполненной разрядной емкостью из диэлектрика линией передачи СВЧ, содержащей подсоединенный к СВЧ-генератору волновод, емкости для обрабатываемой среды, смежной с газоразрядной емкостью, причем общие стенки этих емкостей выполнены из прозрачного для УФ-излучения материала, предложено стенку газоразрядной емкости соединить непосредственно с торцом внешнего электрода коаксиального волновода, центральный электрод которого ввести во внутреннюю полость газоразрядной емкости, и эту часть центрального электрода герметически отделить от этой полости электроизоляционным материалом, прозрачным для СВЧ-излучения.In order to eliminate these disadvantages, i.e. to increase the energy efficiency of processing the medium by exposure to UV radiation and to simplify the design of the equipment into a gas-discharge source of ultraviolet radiation, consisting of a microwave generator connected to a gas-filled discharge capacitance from a dielectric microwave transmission line containing a waveguide connected to the microwave generator, containers for the medium to be treated, adjacent to the gas discharge tank, and the common walls of these tanks are made of a material transparent to UV radiation, the wall of the gas discharge tank is proposed connect the spacers directly to the end of the external electrode of the coaxial waveguide, the central electrode of which is inserted into the internal cavity of the gas-discharge capacity, and this part of the central electrode is hermetically separated from this cavity by an insulating material transparent to microwave radiation.

Целесообразно разрядную емкость установить внутри емкости для обрабатываемой среды с зазором к ее стенкам. Это дает возможность более полно использовать УФ-излучение для воздействия на обрабатываемую среду. Предложено часть центрального электрода, введенную во внутреннюю полость газоразрядной емкости, расположить между противоположными стенками этой камеры по всей ее длине. Это обеспечивает полноту использования газового наполнения разрядной емкости.It is advisable to install the discharge tank inside the tank for the medium with a gap to its walls. This makes it possible to more fully use UV radiation to affect the medium being treated. It is proposed that the part of the central electrode introduced into the internal cavity of the gas-discharge container be arranged between the opposite walls of this chamber along its entire length. This ensures the full use of gas filling of the discharge tank.

Для обеспечения круговой симметрии разряда, характерной для возбуждающего электромагнитного поля, что увеличивает кпд устройства, предложено придать газоразрядной емкости форму кругового цилиндра, а часть центрального электрода, введенную во внутреннюю полость этой емкости, расположить между торцами газоразрядной емкости по ее оси. Если конец части центрального электрода, введенной в полость газоразрядной емкости, продлить за пределы этой полости и герметично покрыть электроизоляционным материалом, то значительно упростится и улучшится согласование разряда с СВЧ-генератором.To ensure circular symmetry of the discharge, characteristic of an exciting electromagnetic field, which increases the efficiency of the device, it is proposed to give the gas-discharge capacitance the shape of a circular cylinder, and to position the part of the central electrode introduced into the internal cavity of this capacitance between the ends of the gas-discharge capacitance along its axis. If the end of the part of the central electrode introduced into the cavity of the gas-discharge container is extended beyond this cavity and hermetically coated with an insulating material, then the coordination of the discharge with the microwave generator will be greatly simplified and improved.

Целесообразно изоляцию выведенного из газоразрядной емкости конца центрального электрода выполнить из материала стенки газоразрядной емкости или материала электроизоляции центрального электрода, что упростит технологию изготовления изделия. По той же причине в ряде случаев возможно стенки газоразрядной емкости и электроизоляцию части центрального электрода, введенной в газоразрядную емкость, выполнить из одного и того же материала.It is advisable to isolate the end of the central electrode removed from the gas discharge container from the wall material of the gas discharge container or the insulation material of the central electrode, which will simplify the manufacturing technology of the product. For the same reason, in some cases, it is possible to discharge the walls of the gas discharge container and to insulate the part of the central electrode introduced into the gas discharge container from the same material.

В том случае, когда необходимо исключить воздействие электромагнитного поля на обрабатываемую среду стенки газоразрядной емкости покрывают сеткой из непрозрачного для СВЧ-излучения материала. В варианте конструктивного выполнения сеткой из непрозрачного для СВЧ-излучения материала покрывают и конец центрального электрода, выведенного за пределы газоразрядной емкости.In the case when it is necessary to exclude the influence of an electromagnetic field on the medium being treated, the walls of the gas-discharge capacity are covered with a grid of material opaque to microwave radiation. In an embodiment of the structural embodiment, the end of the central electrode removed outside the gas-discharge capacitance is also covered with a grid of material opaque to microwave radiation.

Краткое описание фигур чертежей.A brief description of the figures of the drawings.

На фиг.1 показано схематически предлагаемое устройство, на фиг.2 - это же устройство с защитной сеткой из непрозрачного для СВЧ-излучения материала на разрядной емкости.Figure 1 shows a schematically proposed device, figure 2 is the same device with a protective grid of opaque material for microwave radiation material on the discharge tank.

На чертежах приняты следующие обозначения: 1 - СВЧ-генератор, 2 - газоразрядная емкость, 3 - коаксиальный волновод, 4 - емкость для обрабатываемой среды, 5 - внешний электрод волновода, 6 - внутренний центральный электрод волновода, 7 - патрубок для подачи (дренажа) обрабатываемой среды, 8 - экранирующая сетка.The following notation is used in the drawings: 1 - microwave generator, 2 - gas discharge capacity, 3 - coaxial waveguide, 4 - capacity for the medium to be treated, 5 - external waveguide electrode, 6 - internal central waveguide electrode, 7 - supply pipe (drainage) the processed environment, 8 - a shielding grid.

Лучший вариант осуществления изобретения.The best embodiment of the invention.

Представленный на чертежах газоразрядный источник ультрафиолетового излучения содержит СВЧ-генератор 1, соединенный с газоразрядной емкостью 2 через коаксиальный волновод 3, являющийся линией передачи СВЧ. Емкость 4 для обрабатываемой среды и емкость 2 выполнены соосными и имеют форму круговых цилиндров. Такова же геометрия и коаксиального волновода 3. Торец внешнего электрода 5 волновода 3 подведен вплотную к стенке разрядной емкости 2, а центральный электрод 6 волновода 3 введен в полость емкости 2, продлен до ее противоположной стенки и далее - за пределы этой емкости. Патрубки 7 емкости 4 служат для ввода и дренажа обрабатываемой среды, преимущественно жидкости, например питьевой или иной воды, соков и пр.The gas-discharge source of ultraviolet radiation shown in the drawings comprises a microwave generator 1 connected to a gas-discharge capacity 2 through a coaxial waveguide 3, which is a microwave transmission line. The tank 4 for the medium and the tank 2 are made coaxial and have the form of circular cylinders. The geometry of the coaxial waveguide 3 is the same. The end face of the external electrode 5 of the waveguide 3 is brought close to the wall of the discharge capacitance 2, and the central electrode 6 of the waveguide 3 is inserted into the cavity of the capacitance 2, extended to its opposite wall and further beyond this capacitance. The nozzles 7 of the tank 4 are used for input and drainage of the processed medium, mainly liquids, such as drinking or other water, juices, etc.

Работает заявленное устройство следующим образом. Включают подачу охлаждающей (обрабатываемой) жидкости через емкость 4 и запускают генератор 1 подачей на него напряжения электропитания. В емкости 2 предварительно аргоном с добавкой ртути возбуждается СВЧ-разряд, спектр оптического излучения которого значительно обогащен в ультрафиолетовой области, где особый интерес в плане задачи дезинфекции жидкости представляет диапазон длин волн 200-295 нм, обладающий наибольшей антибактерицидной активностью. В устройстве на фиг.1 высокая эффективность очистки и стерилизации прокачиваемой жидкости достигается тем, что воздействуют на нее не только биологически активным ультрафиолетовым излучением, но и неаддитивным по отношению к нему СВЧ электромагнитным полем, действующим в том же направлении, но с реализацией иных биологических механизмов. В варианте устройства на фиг.2, где разрядная емкость 2 покрыта экранирующей сеткой 8, СВЧ электромагнитное поле сосредоточено только в газоразрядной емкости 2, что повышает интесивность СВЧ-поля в зоне разряда, увеличивая энерговклад СВЧ-поля в разряд и, следовательно, интенсивность ультрафиолетового излучения емкости 2. Тем самым достигается усиление только ультрафиолетовой обработки жидкости.The claimed device operates as follows. Turn on the supply of cooling (processed) liquid through the tank 4 and start the generator 1 by applying voltage to it. In a container 2, a microwave discharge is preliminarily excited with mercury-added argon, the spectrum of the optical radiation of which is significantly enriched in the ultraviolet region, where the wavelength range of 200-295 nm, which has the greatest antibacterial activity, is of particular interest in terms of liquid disinfection. In the device of Fig. 1, a high efficiency of cleaning and sterilization of the pumped liquid is achieved by acting on it not only with biologically active ultraviolet radiation, but also with a microwave field non-additive with respect to it, acting in the same direction, but with the implementation of other biological mechanisms . In the embodiment of the device of FIG. 2, where the discharge capacitance 2 is covered with a shielding grid 8, the microwave electromagnetic field is concentrated only in the gas discharge capacitance 2, which increases the intensity of the microwave field in the discharge zone, increasing the energy input of the microwave field into the discharge and, consequently, the intensity of ultraviolet radiation capacitance 2. Thereby, only ultraviolet treatment of the liquid is achieved.

Заявленное устройство было изготовлено и испытано в Институте общей физики РАН. Емкость 2 была выполнена из кварца и имела следующие размеры: наружный и внутренний диаметры 100 и 8 мм соответственно, длина 160 мм. Перед отпайкой она заполнялась аргоном давления ~3-4 мм рт.ст. с вводом в ее полость капли ртути. В качестве генератора СВЧ-колебаний был применен магнетрон бытовых микроволновых печей типа Samsung OM75P(31), работающий на частоте 2,45 ГГц при средней мощности ~1 кВт. Емкость 4 для обрабатываемой среды была выполнена из стали для дополнительной защиты персонала от СВЧ-излучения. Расход обрабатываемой жидкости достигал 2 л/мин. В качестве таковой использовались водопроводная вода и различные физиологические растворы (солей, бактерий и пр.). В результате проведенных испытаний была определена энергетическая цена обработки: до 0,02 Дж/см³ ≈ 0,005 кВт-ч/м³; мощность ультрафиолетового излучения, поступающего в воду, составила при этом около 20 Вт. Обработка физиологического раствора, зараженного бактериями E-coli на уровне ~10⁶-10⁷ см^-3, привела к полной их гибели. В итоге производительность процесса стерилизации оказалась равной порядка 4 м³/ч. Особенность использованного здесь оборудования заключается в том, что камера 4, окружающая газоразрядную емкость 2, отвечала требованию только жидкостной герметичности. Исполнение же подобной камеры в виде СВЧ-резонатора, характерное для прототипа, существенно сложнее и, следовательно, дороже.The claimed device was manufactured and tested at the Institute of General Physics of the Russian Academy of Sciences. Capacity 2 was made of quartz and had the following dimensions: outer and inner diameters of 100 and 8 mm, respectively, length 160 mm. Before desoldering, it was filled with argon of pressure ~ 3-4 mm Hg. with the introduction of a drop of mercury into its cavity. As a microwave oscillator, a Samsung OM75P magnetron of domestic microwave ovens was used (31), operating at a frequency of 2.45 GHz with an average power of ~ 1 kW. Capacity 4 for the medium to be treated was made of steel for additional protection of personnel from microwave radiation. The flow rate of the treated fluid reached 2 l / min. As such, tap water and various physiological solutions (salts, bacteria, etc.) were used. As a result of the tests, the processing energy price was determined: up to 0.02 J / cm ³ ≈ 0.005 kWh / m ³ ; the power of ultraviolet radiation entering the water was about 20 watts. Processing saline infected with E-coli bacteria at a level of ~ 10 ⁶ -10 ⁷ cm ^-3 led to their complete death. As a result, the performance of the sterilization process was equal to about 4 m ³ / h. A feature of the equipment used here is that the chamber 4 surrounding the gas-discharge container 2 met the requirement of only liquid tightness. The execution of such a camera in the form of a microwave resonator, characteristic of the prototype, is much more complicated and, therefore, more expensive.

Промышленная применимость.Industrial applicability.

В качестве базового объекта для сравнения технико-экономической эффективности изобретения был выбран прототип изобретения. Заявленное техническое решение позволило повысить эффективность УФ-обработки жидкости более чем в 2 раза, т.к. в прототипе УФ-излучение во внешнее пространство, испускаемое большей внешней поверхностью разряда, бесполезно теряется в окружающей конструкции. Кроме того, часть СВЧ-поля резонатора поглощается в торцевых участках разрядной емкости, бесплодно подогревая обрабатываемую среду. Одновременно изобретением достигнуто упрощение технологического оборудования, уменьшающее его стоимость.As a basic object for comparing the technical and economic efficiency of the invention, a prototype of the invention was selected. The claimed technical solution allowed to increase the efficiency of UV-treatment of the liquid by more than 2 times, because in the prototype, UV radiation into the external space emitted by the larger external surface of the discharge is uselessly lost in the surrounding structure. In addition, part of the microwave field of the resonator is absorbed in the end sections of the discharge capacitance, sterilely warming the medium being treated. At the same time, the invention achieved the simplification of technological equipment, reducing its cost.

Назначение данного изобретения - производство оборудования, необходимого для улучшения экологической обстановки как в бытовых условиях, так и в промышленности и торговле. Основанное на использовании преимущественно недорогих бытовых комплектующих изделий, оно позволит эффективно решить важнейшую проблему жизнеобеспечения.The purpose of this invention is the production of equipment necessary to improve the environmental situation both in domestic conditions and in industry and commerce. Based on the use of predominantly low-cost household components, it will effectively solve the most important problem of life support.

Claims

1. A gas-discharge source of ultraviolet radiation, consisting of a microwave generator connected to a gas-filled discharge capacitance from a dielectric microwave transmission line, containing a waveguide connected to the microwave generator, a container for the medium to be treated adjacent to the gas-discharge tank, the common walls of these containers being made of transparent for UV radiation of a material, characterized in that the wall of the gas discharge capacitance is connected directly to the end face of the external electrode of the coaxial waveguide, the central electrode of which o introduced into the internal cavity of the gas-discharge capacity, and this part of the central electrode is hermetically separated from this cavity by an insulating material transparent to microwave radiation.

2. The gas-discharge source of ultraviolet radiation according to claim 1, characterized in that the gas-discharge tank is installed inside the tank for the medium to be treated with a gap to its walls.

3. The gas discharge source according to claim 1 or 2, characterized in that the part of the central electrode introduced into the internal cavity of the gas discharge container is located between the opposite walls of this chamber along its entire length.

4. The gas discharge source according to claim 3, characterized in that the gas discharge capacity is in the form of a circular cylinder, and a part of the central electrode introduced into the internal cavity of this capacity is located between the ends of the gas discharge capacity along its axis.

5. The gas discharge source according to claim 4, characterized in that the end of the portion of the central electrode introduced into the cavity of the gas discharge container is withdrawn from this cavity and hermetically coated with an insulating material.

6. The gas discharge source according to claim 5, characterized in that the insulation of the end of the central electrode withdrawn from the gas discharge container is made of a wall material of the gas discharge container or the insulation material of the central electrode.

7. A gas discharge source according to one of the preceding paragraphs, characterized in that the walls of the gas discharge tank and the electrical insulation of the part of the central electrode introduced into the gas discharge tank are made of the same material.

8. A gas-discharge source of ultraviolet radiation according to one of the preceding paragraphs, characterized in that the walls of the gas-discharge capacity are covered with a grid of material opaque to microwave radiation.

9. A gas discharge source according to claim 5, 6, or 7, or 8, characterized in that the end of the central electrode withdrawn from the gas discharge container is covered with a grid of material opaque to microwave radiation.