Способ инактивации микроорганизмов в воздухе и электрический стерилизатор
Группа изобретений относится медицинской технике применительно к инактивации микроорганизмов в воздухе и может быть использована для дезинфекции воздуха на различных объектах. Способ инактивации микроорганизмов в воздухе заключается в том, что воздух пропускают через систему коронирующих электродов и электродов ионизаторов, находящихся в стерилизационной камере в магнитном поле, подают импульсы высокого напряжения положительной и отрицательной полярности амплитудой 14-100 кВ продолжительностью 2-200 мс и скважностью от 1 до 100, с возможностью независимо устанавливать величину напряжения. Электрический стерилизатор состоит из корпуса и нескольких групп коронирующих электродов подключенных к высоковольтным импульсных источников питания, стерилизационной камеры, в которой установлены положительные и отрицательные коронирующие электроды. Между положительными и отрицательными коронирующими электродами установлены изолированные электроды, изготовленные в форме диэлектрического корпуса со встроенными в него металлическими сетками и электроды ионизаторы, установлены на последнем по направлению воздуха отрицательном электроде. На стерилизационной камере установлено не менее четыре электромагнита, источники питания которых установлены снаружи корпуса стерилизационной камеры и синхронизированы с источниками питания электродов. Перед входом установлены турбина и инжектор дополнительной подачи газа определенного состава. Достигается повышение эффективности и надежности инактивации. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение касается медицинской техники, в частности способов и устройств для инактивации микроорганизмов в воздухе и может быть использовано для дезинфекции воздуха, а также повышения уровня отрицательных аэроионов в медицинской, фармацевтической, пищевой, сельскохозяйственной отраслях, в помещениях с большим скоплением людей, а также в быту.
Известный очиститель воздуха фирмы «ZENET» (Интернет-ресурс: http./www.mobilluck.com.ua/brands/Zenet), очищающий воздух механическим способом и с помощью электростатики, однако условия для инактивации в нем отсутствуют.
Аналогичным является очиститель воздуха фирмы «AIRcomfort» (Интернет-ресурсах: www.aircomfort.ru). Примененные в этом очистителе элементы фильтрации типа «Nano фильтр» и «TRUNERA фильтр» являются ловушками микрочастиц. Внутренние ионизаторы могут незначительно повысить концентрацию отрицательных аэроионов в исходном потоке воздуха, однако условия инактивации в нем отсутствуют.
Известно также устройство для стерилизации и тонкой фильтрации газа (Патент РФ №2026751, кл. В03С /14, публ. 1995 г.), имеющее конструкцию подобную конструкции очистителя фирмы «ZENET» и фирмы «AIRcomfort». Однако отличается наличием ионизационной камеры. В патенте не описано конкретных условий работы ионизационной камеры, речь идет только о напряжении питания 10 кВ. При таких значениях напряжения питания невозможно создать эффективные условия инактивации при любом расположении и форме электродов.
Известен также электрический стерилизатор воздуха (Патент Украины, №101136, кл. В03С 3/14; A61L2 /02; A61L2 /03 публ. 2013 г.), содержащий корпус, внутри которого размещена ионизационная камера, внешние электроды - ионизаторы, источник питания и турбину. Внутри ионизационной камеры размещены положительные и отрицательные коронирующие электроды под напряжением разной полярности величиной 12,5-100 кВ, а для продувки воздуха через ионизационную камеру предусмотрена турбина.
Образование в этом стерилизаторе биполярного коронного разряда обеспечивает инактивацию микроорганизмов, а ионизация воздуха высоким напряжением повышает насыщенность воздуха отрицательными аэронами, однако этот стерилизатор имеет малое быстродействие и большую энергозатратность.
Прототипом выбран способ ионизации воздуха и биполярный генератор ионов (Патент РФ №2301377 С2, кл. F24F3 / 16, публ. 2007 г.).
Способ ионизации воздуха заключается в том, что воздух пропускают через установленную в воздуховоде систему коронирующих электродов, на которые подают импульсы переменного напряжения, амплитуда которых в оба полупериода выше порога коронования. Систему коронирующих электродов выполняют из двух одинаковых и рядом расположенных групп электродов, высоковольтные импульсы селектуют по полярности и направляют импульсы разной полярности на различные группы коронирующих электродов, а концентрацию ионов и коэффициент униполярности ионов регулируют путем независимого изменения длительности импульсов положительной и отрицательной полярности.
Биполярный генератор ионов состоит из корпуса и нескольких групп коронирующих электродов подключенных к высоковольтным источникам питания, воздуховода и турбины. Источники питания импульсные. На электроды независимо друг от друга подают импульсы переменного напряжения. Изменение длительности импульсов также независимое. Скважность импульсов равна двум.
Однако этот генератор предназначен только для ионизации воздуха и регулирования концентрации положительных и отрицательных ионов. Использовать его для инактивации микроорганизмов в воздухе не позволяет отсутствие в нем необходимых инактивацийних условий.
В основу изобретения поставлена задача обеспечения возможности образования в стерилизаторе импульсного биполярного коронного разряда путем подачи импульсного напряжения положительной и отрицательной полярности с возможностью независимо устанавливать величину напряжения и длительности импульсов, а также обеспечение синхронизации источников питания электродов, что обеспечит полную инактивацию микроорганизмов в воздухе.
Поставленная задача решается тем, что в способе инактивации микроорганизмов в воздухе, заключающийся в том, что воздух пропускают через систему электродов, на которые подают импульсное напряжение, согласно изобретению на коронирующие электроды и электроды ионизаторы, находящиеся в стерилизационной камере в постоянном или переменном магнитном поле, подают импульсы высокого напряжения положительной и отрицательной полярности амплитудой 14-100 кВ продолжительностью 2-200 мс и скважностью от 1 до 100, с возможностью независимо устанавливать величину напряжения и продолжительности импульсов на каждом электроде, продолжительность импульсов определяют по формуле
t=S/Va, где
t - длительность импульса, мс,
S - длина стерилизационной камеры, м,
V - скорость потока воздуха через камеру, м/с,
а - коэффициент магнитного взаимодействия
коронирующие электроды подсоединяют к синхронизированным источникам питания, допускающих смещение фаз до 2 π, магнитное поле создают электромагнитами, источники питания которых синхронизированы с источниками питания электродов и меняют полярность напряжения питания обмоток электромагнитов на половине длительности высоковольтного импульса.
Согласно изобретению при необходимости в стерилизационную камеру дополнительно подают газ определенного состава, который ионизируется и обеспечивает повышенную концентрацию ионов на выходе.
Поставленная задача достигается еще и тем, что в электрическом стерилизаторе, состоящем из корпуса и нескольких групп коронирующих электродов подключенных к высоковольтным импульсным источникам питания, воздуховода и турбины согласно изобретению воздуховодом служит стерилизационная камера, в которой установлены положительные и отрицательные коронирующие электроды, между положительными и отрицательными коронирующими электродами установлены изолированные электроды, изготовленные в форме диэлектрического корпуса со встроенными в него металлическими сетками и электроды ионизаторы, установленные на последнем по направлению воздуха отрицательном электроде, на стерилизационной камере установлено минимум четыре электромагнита для создания переменного или постоянного магнитного поля, источники питания электромагнитов установлены снаружи корпуса стерилизационной камеры и синхронизированы с источниками питания электродов, перед входом турбины установлен инжектор дополнительной подачи газа определенного состава.
Согласно изобретению электромагниты изготовлены в форме катушек с ферромагнитным сердечником и установлены с противоположных сторон стерилизационной камеры друг к другу противоположными полюсами.
Подача импульсов высокого напряжения положительной и отрицательной полярности амплитудой 14-100 кВ продолжительностью 2-200 мс и скважностью от 1 до 100, а также возможность независимо устанавливать величину напряжения и длительность импульсов на каждом электроде, позволяет увеличить ударную ионизацию. Использование электромагнитов и синхронизация источников питания дополнительно увеличивает вероятность актов ионизации. Работа стерилизатора при переменном магнитном поле повышает эффективность стерилизации в два раза, чем при работе в условиях постоянного магнитного поля. Установление изолированных электродов обеспечивает стабильную работу стерилизатора при передпробойных значениях напряжения, устраняя возникновения стримерных процессов, что позволяет повысить напряжение питания электродов и повысить энергию ионизации.
Кроме того предложенный стерилизатор позволяет повысить концентрацию ионизированных частей определенного газа в воздухе с целью использования его в лечебных целях.
На фиг. 1 схематически изображен электрический стерилизатор; на фиг 2. - блок-схема питания и управления электрического стерилизатора.
Электрический стерилизатор содержит корпус 1, стерилизационную камеру 2, корпус 3, выполненный в виде трубы, к торцу корпуса 1 прикреплена турбина 4, нагнетающая воздух в стерилизационную камеру 2. Перед турбиной 4 установлен инжектор 5 с запорной арматурой 6 для дополнительной подачи газа определенного состава. В корпусе 3 стерилизационной камеры 2 установлены по порядку: блок негативных коронирующих электродов 7 в виде гальванически соединенных металлических сеток, за ними расположен блок изолированных электродов 8 в виде диэлектрического корпуса со встроенными металлическими сетками, далее блок положительных коронирующих электродов 9 в виде гальванически соединенных металлических сеток, за ними снова блок изолированных электродов 8 и последним расположен блок негативных коронирующих электродов 7, гальванически соединенных с электродами ионизаторами 10. На корпусе 3 стерилизационной камеры 2 в зоне изолированных электродов 8 установлено обмотки электромагнитов 11. Блок управления 12, источник питания негативных коронирующих электродов 13, источник питания положительных коронирующих электродов 14, источник питания электромагнитов 15, блок регулирования 16 и блок индикации 17 выполнены в отдельных корпусах. Источники питания 13, 14, 15, блок регулирования 16 и блок индикации 17 подключены к блоку управления 12.
Стерилизатор работает следующим образом.
Турбина 4 нагнетает воздух в стерилизационную камеру 2, проходя через нее поток воздуха попадает под действие электрического поля, которое создается коронирующими электродами 7, 9 на которые из источников питания 13, 14 подают импульсы высокого напряжения положительной и отрицательной полярности амплитудой 14-100 кВ длительностью 2 -200 мс и скважностью от 1 до 100, с возможностью независимо устанавливать величину напряжения и длительности импульсов на каждом электроде, длительность импульсов определяют по формуле
t=S/Va, где
t - длительность импульса, мс,
S - длина стерилизационной камеры, м,
V - скорость потока воздуха через камеру, м/с,
а - коэффициент магнитного взаимодействия.
Со стерилизационной камеры 2 выходит стерильный воздух. Электроды ионизаторы 10 повышают концентрацию отрицательных аэроионов в исходном потоке воздуха.
Инжектор 5 дает возможность подачи дополнительного газа в воздушную смесь. Основным инактивационным фактором в стерилизаторе является ток коронного газового разряда. При подаче на коронирующие электроды 7, 9 напряжения в форме п-образных импульсов в межэлектродном пространстве протекает импульсный электрический ток. Фронты п-образных импульсов электрического тока близки к 90°. Питание коронирующих электродов 7, 9 импульсным напряжением увеличивает эффект ударной ионизации. Ток в зоне переноса зарядов, то есть в межэлектродном пространстве, увеличивается примерно в десять раз по сравнению с питанием электродов постоянным напряжением, а следовательно повышается инактивацийнное действие и скорость инактивации микроорганизмов.
Источник питания негативного коронирующего электрода 13 и источник питания положительного коронирующего электрода 14 синхронизированы блоком управления 12 построенным на контроллере «ATmega 238р» и имеют возможность сдвига фаз в 2π. При сдвиге фаз равном «0» напряжение между коронирующими электродами 7, 9 максимальное. Продолжительность разрядного импульса равна длительности импульса напряжения. Энергия ионизации при этом максимальная.
При сдвиге фаз неравном «0» напряжение на одном из коронирующих электродов отсутствует на время величины этого смещения. Величина тока в этот момент зависит от напряжения на коронирующем электроде, ток в это время будет всегда меньше, чем при сдвиге фаз равном «0», согласно энергия ионизации также будет меньше максимальной. При сдвиге фаз равном 2π энергия ионизации минимальна.
Изменение энергии ионизации необходимо для селекции ионов определенных газов в исходном потоке электрического стерилизатора. При регулировании сдвига фаз меняется плотность.
Повышение концентрации ионов определенного газа увеличивается также дополнительной подачей его в стерилизационную камеру 2 через инжектор 5.
Увеличение ионов газа в исходном потоке воздуха стерилизатора используется в физиотерапии с лечебной целью.
Для достижения максимально возможных значений энергии ионизации в стерилизаторе используется высокое напряжение, величина которого доходит до передпробойных значений. При таких значениях напряжения в межэлектродном пространстве образуются стримеры, снижающие эффективность инактивационного действия стерилизатора. Для устранения этого явления и повышения электромощности межэлектродного промежутка между положительными и отрицательными электродами установлены блоки изолированных электродов 8, основа которых изготовлена из изоляционного материала, в камеру встроено не менее двух сеток параллельных между собой и коронирующими электродами 7 и 9.
Размещение электродов ионизаторов 10 непосредственно на последнем по направлению движения воздушного потока негативном коронирующем электроде 7 обеспечивает увеличение отрицательных аэроионов в 8-10 раз в исходном потоке стерилизатора.
Ионизированные неорганические и органические микрочастицы, находящиеся в очищенном воздухе помещения, в котором проводится стерилизация, оседают на пол и стены, поскольку они являются положительным электродом по отношению к последнему негативному коронирующему электроду 7 стерилизатора. Это дает возможность дополнительно повысить стерильность помещения, применив влажную уборку.
Созданные электромагнитами 11 магнитные поля в стерилизационной камере 2 стерилизатора меняют траекторию ионизированных частей, увеличивая при этом вероятность актов ионизации. При изменении величины магнитного потока изменяются условия инактивации. Увеличение величины магнитного потока позволяет уменьшить продолжительность электрического импульса, который подают на коронирующие электроды. Установлена эмпирическая зависимость продолжительности импульса от величины магнитного потока. Для вычисления длительности импульса в формулу расчета длительности импульсов введен коэффициент магнитного взаимодействия «а». Его зависимость от величины магнитного потока «В» (в условных единицах) показана на графике.
Это дает дополнительное повышение инактивационного действия стерилизатора.
Работа источника питания электромагнитов 15 синхронизирована блоком управления 12 с работой источников питания негативных и позитивных коронирующих электродов 13, 14. Изменение полярности напряжения питания электромагнитов 11 происходит на половине длительности импульса отрицательного коронирующего электрода 7. Это дополнительно увеличивает вероятность актов ионизации.
Установка параметров (величины напряжения питания, длительности импульсов и плотности) осуществляется с помощью блока регулирования 16, а индикация параметров с помощью блока индикации 17.
Пример осуществления способа.
Эффективность инактивации микроорганизмов в воздухе данным способом определялась методом забора воздуха аппаратом Кротова. В помещении объемом 150 м в течение 5 часов периодически находилось 150 человек. Взято пробу и установлено, что на чашке Петри выявлено 250 колоний, образованных различными микроорганизмами. После 10 мин. обработки воздуха предложенным электрическим стерилизатором на чашке Петри выявлено 10 колоний, после 20 мин. обработки воздуха - 4 колонии, после 30 мин. - 0. Продолжительность негативного импульса составляла 125 мс при плотности 1,2. Продолжительность положительного импульса 100 мс при плотности 1,5. Амплитуда отрицательного импульса составляла 38 кВ, положительного - 32 кВ.
1. Способ инактивации микроорганизмов в воздухе, заключающийся в том, что воздух пропускают через систему электродов, на которые подают импульсное напряжение, отличающийся тем, что на коронирующие электроды и электроды ионизаторы, находящиеся в стерилизационной камере в постоянном или переменном магнитном поле, подают импульсы высокого напряжения положительной и отрицательной полярности амплитудой 14-100 кВ продолжительностью 2-200 мс и скважностью от 1 до 100, с возможностью независимо устанавливать величину напряжения и продолжительности импульсов на каждом электроде, продолжительность импульсов определяют по формуле
t=S/Va, где
t - продолжительность импульса, мс,
S - длина стерилизационной камеры, м,
V - скорость потока воздуха через камеру, м/с,
а - коэффициент магнитного взаимодействия,
коронирующие электроды подсоединяют к синхронизированным источникам питания, допускающих смещение фаз до 2%, магнитное поле создают электромагнитами, источники питания которых, синхронизированы с источниками питания электродов и меняют полярность напряжения питания обмоток электромагнитов на половине продолжительности высоковольтного импульса.
2. Способ инактивации микроорганизмов согласно п. 1, отличающийся тем, что при необходимости в стерилизационную камеру дополнительно подают газ определенного состава, который ионизируется и обеспечивает повышенную концентрацию ионов на выходе.
3. Электрический стерилизатор, состоящий из корпуса и нескольких групп коронирующих электродов, подключенных к высоковольтным импульсным блокам питания, воздуховоду и турбины, отличающийся тем, что воздуховодом служит стерилизационная камера, в которой установлены положительные и отрицательные коронирующие электроды, между положительными и отрицательными коронирующими электродами установлены изолированные электроды, изготовленные в форме диэлектрического корпуса со встроенными в него металлическими сетками и электроды ионизаторы установлены на последнем по направлению воздуха отрицательном электроде, на стерилизационной камере установлено минимум четыре электромагнита для создания переменного или постоянного магнитного поля, источники питания электромагнитов установлены снаружи корпуса стерилизационной камеры и синхронизированы с блоками питания электродов, перед входом турбины установлен инжектор дополнительной подачи газа определенного состава.
4. Электрический стерилизатор согласно п. 3, отличающийся тем, что электромагниты изготовлены в форме катушек с ферромагнитным сердечником.
5. Электрический стерилизатор согласно п. 3, отличающийся тем, что электромагниты установлены с противоположных сторон стерилизационной камеры друг к другу противоположными полюсами.
6. Способ инактивации микроорганизмов согласно п. 1, отличающийся тем, что коэффициент магнитного взаимодействия определяют экспериментально из опытов по максимальному инактивационному воздействию на микроорганизмы совокупности электрических и магнитных характеристик.
7. Способ инактивации микроорганизмов согласно п. 1, отличающийся тем, что магнитное поле взаимодействует с ионизированными частицами газа, создающими ток в электродном пространстве.
8. Способ инактивации микроорганизмов согласно п. 1, отличающийся тем, что в стерилизационную камеру дополнительно подают воздух или газовую смесь, имеющую 21% кислорода и 78% азота, который ионизируется и обеспечивает повышенную концентрацию отрицательных ионов на выходе.
