ЗАЩИТНАЯ МАСКА С БАКТЕРИЦИДНОЙ ОБРАБОТКОЙ ВОЗДУХА
PROTECTIVE MASK WITH BACTERICIDAL AIR TREATMENT

Изобретение относится к индивидуальным средствам защиты органов дыхания от воздушного и воздушно-капельного способа передачи инфекционных заболеваний, в том числе коронавируса COVID-19.
Широкое распространение для защиты от микроорганизмов получили маски с фильтрующим нетканым материалом, которые удерживаются на голове пользователя с помощью эластичных резиновых полос и могут быть оформлены возле области носа для лучшего прилегания к лицу. Главным недостатком таких масок является недостаточно эффективный уровень защиты от бактерий и вирусов, определяемый таким множеством факторов, как необходимость регулярной смены масок ввиду быстропроходящего эффекта фильтрации, невозможность отследить момент исчерпаемости ресурса маски, одноразовость применения таких масок, что приводит к засорению окружающей среды и необходимости создания специальных средств для их переработки. Кроме того, длительное ношение маски затрудняет дыхание, что особенно неприемлемо для людей с ослабленными легкими, а также повышает риск заболеваний органов дыхания, например, возникновения эмфиземы легких.
Известна конструкция индивидуальной фильтрующей маски с бактерицидной обработкой воздуха на излучающих полупроводниковых элементах (патент РФ №94421, опубл. 27.05.2010 г.), содержащая светодиоды, средства для их крепления, блок электропитания и электрическую схему включения, при этом маска содержит корпус, выполненный из резины или пластмассы, закрывающий рот, нос и подбородок и имеющий свободный объем около рта и носа, корпус в передней лицевой части имеет круглое отверстие, выполненное в виде тонкостенной цилиндрической трубы, в которую вставлена кольцевая плата со светодиодами, световой поток которых направлен внутрь, в сторону отверстия, с внешней стороны цилиндрическая труба снабжена резьбой, на которую навинчена вторая цилиндрическая труба, внутреннее пространство которой заполнено фильтровальными веществами (вата, фетр, марля, фильтровальная бумага, активный уголь), закрывающими входное отверстие. В состав бактерицидного излучателя введены светодиоды, излучающие в диапазоне 620-680 нм и 820-890 нм; маска снабжена клапаном с электрическим контактом, срабатывающим при вдыхании и выдыхании и каждый раз при срабатывании включающим светодиоды; электрическая схема снабжена импульсным многоканальным переключателем, включающим одновременно все световые приборы; электрическая схема снабжена импульсным многоканальным переключателем, каждый из контактов которого включает тот или иной тип светодиодов; маска снабжена клапаном, свободно пропускающим наружу при выдыхании облученный воздух.
Однако рассмотренное решение имеет существенные недостатки. Маска предполагает обеззараживание только входящего воздуха для дыхания, при этом она пропускает воздух наружу без его обработки, что может способствовать распространению бактерий и вирусов, если носитель маски болен. Также маска предполагает использование светодиодов, которые обладают низким КПД при облучении воздуха, что не позволяет полноценно обеззараживать входящий воздух. При этом маска содержит фильтр для защиты от попадания УФ-излучения на лицо и органы дыхания, что затрудняет дыхание, особенно при продолжительном использовании системы, также требует периодической замены данных фильтров из-за неизбежного запыления, которое уменьшает их проницаемость для вдыхаемого воздуха, и, наконец, наличие любого тканевого фильтра вызывает попадание мелких частичек тканевого материала в легкие, что при длительном использовании системы способно привести к ряду заболеваний, например, к эмфиземе легких. Кроме того, излучение в диапазоне 620-680 нм и 820-890 нм не оказывает бактерицидного действия, соответственно не уничтожает РНК и ДНК вирусов и бактерий, содержащихся в воздухе.
Известна конструкция защитной медицинской маски (патент РФ №173502, опубл. 29.08.2017 г.), содержащая корпус со средствами крепления на лице и бактерицидную камеру в передней лицевой части корпуса, снабженную входным фильтром и источником ультрафиолетового излучения, расположенным внутри бактерицидной камеры и соединенным с блоком электропитания, при этом источник ультрафиолетового излучения выполнен в виде малогабаритной амальгамной газоразрядной лампы, внутренняя поверхность бактерицидной камеры выполнена из материала, отражающего ультрафиолетовое излучение, внутри камеры установлена перегородка из материала, прозрачного для ультрафиолетового излучения, а на выходе бактерицидной камеры установлен воздушный фильтр, выполненный из материала, поглощающего ультрафиолетовое излучение.
Недостатками данного решения является наличие только одного канала для дыхания, что приводит частичному вдыханию носителем маски уже выдохнутого воздуха с высоким содержанием углекислого газа, что ведет к быстрому самоотравлению и в особенности неприемлемо для больных с ослабленными легкими. Также маска предполагает использование устройства УФ-излучения для обеззараживания только входящего воздуха, при этом выходящий воздух свободно выходит из маски и может служить источником заражения для других людей. Данная маска содержит входной фильтр, который, как было рассмотрено выше, затрудняет дыхание и предполагает частую замену для обеспечения необходимой защитной функции. Недостатком маски также является наличие огибаемых воздухом неполных перегородок внутри бактерицидной камеры с целью усиления бактерицидного эффекта, что уменьшает пропускную способность канала и затрудняет процесс дыхания.
Известна конструкция индивидуальной фильтрующей маски с бактерицидной обработкой воздуха (патент РФ №2729629, опубл. 11.08.2020 г.), принятая за наиболее близкий аналог к заявляемому решению, содержащая корпус со средствами крепления на голове носителя маски, модуль бактерицидной обработки воздуха, снабженный источником ультрафиолетового излучения, расположенным внутри модуля бактерицидной обработки воздуха и соединенным с блоком электропитания, при этом источник ультрафиолетового излучения выполнен в виде газоразрядной лампы, корпус маски выполнен в форме, закрывающей рот, нос и глаза человека, из прозрачного материала, модуль бактерицидной обработки воздуха установлен сверху и не ограничивает обзор, маска снабжена аккумуляторами, клапанами, срабатывающими при вдыхании и расположенными с внутренней стороны маски, клапаном, при выдыхании пропускающим наружу обработанный воздух, при этом модуль бактерицидной обработки воздуха включает газоразрядную ультрафиолетовую бактерицидную лампу в светоотражающей трубке, преобразователь питания лампы, систему непрерывного энергопитания с возможностью смены аккумулятора, устройство управления, сигнализирующее устройство о заканчивающемся заряде, электрическую схему включения, внешнюю телеметрию. В модуле бактерицидной обработки воздуха может быть установлена как одна, так и две газоразрядных ультрафиолетовых бактерицидных лампы с длиной волны диапазона 230-300 нм (например, с длиной волны 253,7 нм) или излучением с любой другой длиной волны ультрафиолетового диапазона. Применение данного излучения должно приводить к эффективному уничтожению бактерий и вирусов во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе и при этом не нести, с учетом действия рассматриваемого защитного устройства, негативных последствий для здоровья человека и безопасности окружающей среды. Модуль бактерицидной обработки может быть выполнен съемным и/или несъемным.
Разделение потоков воздуха за счет наличия каналов для вдоха и выдоха с соответствующими клапанами и источниками УФ-излучения внутри указанных каналов обеспечивает нормальный воздухообмен для носителя маски с исключением вероятности самоотравления углекислым газом, обработку как вдыхаемого, так и выдыхаемого воздуха. Также данная маска исключает использование каких-либо фильтров или фильтрующих материалов, что позволяет решить указанные выше проблемы и получить маску многоразового использования.
Однако одним из основных недостатков указанного решения является отсутствие системы поглощения УФ-излучения. В результате, при дыхании ультрафиолет будет проходить сквозь просветы входного и выходного каналов, длительно облучая лицо и органы дыхания носителя маски, что является абсолютно неприемлемым как в целом применительно к использованию ультрафиолета, так и в особенности для рассматриваемого диапазона длин волн. Также опасным является прохождение УФ-излучения в направлении забора воздуха из внешнего пространства, что ставит под угрозу облучения как самого носителя маски (отражение от окружающих объектов в течение длительного времени), так и других людей либо домашних животных, находящихся рядом.
Также данная маска предполагает расположение модуля бактерицидной обработки воздуха на голове человека, то есть выше органов дыхания. При этом, как известно, корпус газоразрядной лампы, которая используется в указанном модуле, изготавливается из увиолевого стекла. В случае его повреждения или разрушения, например, при случайном падении носителя маски либо другом механическом воздействии на указанную лампу, существует вероятность втягивания ее мелких осколков в легкие с потоком воздуха. Кроме того, действие существующих бактерицидных газоразрядных ламп основано, в частности, на применении ртути, пары которой необходимы для создания свечения газа в лампе и которая содержится в том или ином виде в элементах внутреннего устройства амальгамной лампы. Возможное попадание ртути внутрь организма в случае разрушения лампы вместе с мелкими ее деталями (в легкие, дыхательный или пищеварительный тракты) является крайне нежелательным. Также при подобном разрушении мелкие частицы лампы могут повредить глаза.
Технической проблемой настоящего изобретения является создание конструкции защитной маски с бактерицидной обработкой воздуха, которая исключает облучение лица и органов дыхания носителя маски при использовании УФ-излучения и при этом надежно защищает его, а также окружающих людей от инфекций, передающихся воздушным и воздушно-капельным путем.
Техническим результатом изобретения является повышение безопасности использования УФ-излучения, а также усиление его бактерицидных свойств за счет обеспечения процесса многократного отражения УФ-излучения и его поглощения в специальных переходах между входным и выходным дыхательными каналами и соответствующими клапанами и/или в местах перехода входного и выходного каналов во внешнее пространство.
Технический результат достигается при использовании защитной маски с бактерицидной обработкой воздуха, содержащей корпус со средствами крепления на голове носителя маски, канал для вдоха с клапаном, открывающимся при вдохе, канал для выдоха с клапаном, открывающимся при выдохе, источники УФ-излучения, установленные внутри каналов для вдоха и выдоха, причем каналы для вдоха и выдоха изнутри облицованы материалом, обеспечивающим отражение УФ-излучения, при этом каналы для вдоха и выдоха имеют изогнутые переходы, соединяющие указанные каналы как с соответствующими клапанами, открывающимися при вдохе или выдохе, так и с внешним пространством, а изнутри указанные переходы облицованы материалом, обеспечивающим поглощение УФ-излучения.
В частном случае, каналы для вдоха и выдоха расположены ниже органов дыхания носителя маски.
В частном случае, корпус маски выполнен в форме, закрывающей рот и нос человека.
В частном случае, длина каналов входа и выдоха не превышает 45 см.
В частном случае, изогнутые переходы выполнены зигзагообразными или спиралевидными. Также может быть предусмотрена другая форма указанных переходов, которая обеспечивает многократное переотражение УФ-излучения, каждый раз сопровождаемое его эффективным поглощением.
В частном случае в качестве материала, обеспечивающего высокое поглощение УФ-излучения и имеющего малую отражающую способность, внутри изогнутых переходов используются цинковые белила, сульфат бария, сульфид цинка, диоксид титана.
В частом случае, внутренние стенки изогнутых переходов выполнены гофрированными для дополнительного усиления отражения УФ-излучения в направлении «назад».
В частном случае, внутренние стенки каналов для вдоха и выдоха выполнены гофрированными для дополнительного отражения УФ-излучения.
В частном случае, источник УФ-излучения выполнен в виде газоразрядной лампы или ультрафиолетовых диодов. Также могут быть использованы другие устройства УФ-излучения с длиной волны 230-300 нм, которые обеспечивают высокий КПД при обеззараживании как входного воздуха, так и воздуха, выдыхаемого носителем маски и поступающего в окружающее пространство.
В частном случае, источник УФ-излучения подключен к системе непрерывного энергопитания с возможностью смены аккумулятора, и предусмотрено устройство управления, сигнализирующее о заканчивающемся заряде.
10
15
Наличие изогнутых переходов (зигзагообразных или спиралевидных), соединяющих каналы вдоха и выдоха с соответствующими клапанами и/или с внешним пространством, а также покрытие внутренних стенок изогнутых каналов материалом с высоким коэффициентом поглощения и малой отражающей способностью, обеспечивает значительное поглощение потока УФ-излучения в процессе многократного отражения от внутренних стенок указанных каналов, что многократно уменьшает энергию УФ-излучения: если коэффициент отражения по энергии в каждом случае составит 0,1 (а для ряда материалов, предназначенных для окраски внутренней поверхности данных каналов, это коэффициент может быть и ниже), то после 10 или 15 или большего числа подобных отражений общая энергия УФ-излучения уменьшится от 10 до 10 или в еще большее число раз. В таком случае при открывании дыхательных клапанов при вдохе и выдохе достигается повышение безопасности для лица и органов дыхания носителя маски. Иначе на пользователя падал бы значительный поток УФ-излучения, как это имеет место в случае наиболее близкого аналога.
Наличие изогнутых переходов через открытые концы на выходе из каналов для вдоха и выдоха аналогично предотвращает попадание УФ-излучения во внешнее пространство.
Кроме того, многократное отражение УФ-излучения приводит к существенному усилению его противовирусного воздействия: вдыхаемый или выдыхаемый воздух подвергается существенно более сильному воздействию УФ-излучения.
Расположение каналов для вдоха и выдоха ниже органов дыхания не загромождает обзор для носителя маски, а также исключает попадание осколков источника излучения (газоразрядной лампы) в непредвиденном случае в органы дыхания и глаза.
Важным преимуществом заявляемой защитной маски является отсутствие любых фильтров и других расходуемых элементов, что позволяет достигать эффекта естественного дыхания, не затрудненного никакими полупроницаемыми преградами, а также исключение необходимости частой замены расходуемого элемента с целью обеспечения полноценной бактерицидной защиты.
На фиг. 1 показан общий вид заявляемой защитной маски.
На фиг. 2 показан канал для вдоха или выдоха с изогнутым переходом.
На фиг. 3а показано гофрирование стенки изогнутого перехода для дополнительного отражения УФ-излучения в направлении «назад», на фиг. 3б показано гофрирование внутренней стенки канала для вдоха или выдоха для дополнительного отражения УФ-излучения.
Защитная маска с бактерицидной обработкой воздуха содержит корпус 1 со средствами крепления на голове носителя маски (не показаны), в качестве которых могут быть использованы любые средства, предназначенные для выполнения данной функции (ремни с застежками, завязки, эластичная лента и т.д.). На корпусе 1 установлен канал для вдоха 2 с клапаном, открывающимся при вдохе (не показан), который устанавливается в верхней части канала 2. Также на корпусе 1 установлен канал для выдоха 3 с клапаном, открывающимся при выдохе (не показан), который устанавливается в верхней части канала 3 (фиг. 1).
Внутри указанных каналов для вдоха 2 и выдоха 3 установлены источники УФ-излучения 4, при этом указанные каналы 2, 3 изнутри облицованы материалом с высоким коэффициентом отражения УФ-излучения с длиной волны 230-300 нм.
В качестве источников УФ-излучения 4 может быть использована газоразрядная лампа либо ультрафиолетовые диоды.
Применение ультрафиолетовых диодов, с учетом новых данных по дозе УФ-излучения, достаточной для инактивации коронавируса COVID-19, означает резкое увеличение их требуемой мощности и соответствующее многократное возрастание цены изделия. Тем не менее, для отдельных случаев («особо важные персоны», военнослужащие, действующие в условиях высокой вероятности повреждения увиолевой лампы и т.д.) использование именно таких систем наиболее востребовано с учетом их намного меньшей чувствительности к механическим воздействиям.
Также каналы для вдоха 2 и выдоха 3 имеют изогнутые переходы 5 и 6, которые могут быть, в частности, выполнены зигзагообразными или спиралевидными. Указанный переход 5 соединяет каналы 2, 3 с внешним пространством, а переход 6 - с соответствующими клапанами, открывающимися при вдохе или выдохе. Изнутри указанные переходы 5 и 6 облицованы материалом, обеспечивающим высокое поглощение УФ-излучения и обладающего малой отражающей способностью (фиг. 2).
При этом дополнительно усиление отражения УФ-излучения в направлении «назад» возможно реализовать за счет выполнения внутренних стенок указанных переходов гофрированными (фиг. 3а). Кроме этого, гофрированными можно выполнить и внутренние стенки каналов для вдоха 2 и выдоха 3, что дополнительно усиливает отражение при прохождении УФ-излучения по ним (фиг. 3б).
Целью такого гофрирования является обеспечение многократного отражения энергии УФ-излучения внутри указанных каналов 2, 3, что означает существенное усиление противовирусного воздействия. Кроме того, при подобном многократном отражении заведомо снижается доля энергии излучения, которое затем проходит в изогнутые (зигзагообразные или спиралевидные) поглотительные переходы. Это дополнительно уменьшает вероятность попадания такого излучения как на лицо и органы дыхания человека, носящего защитную маску, так и во внешнее пространство.
Расчетное сечение каналов для вдоха 2 и выдоха 3 по величине кратно превосходит размер трахеи, что также приводит к почти привычным условиям дыхания. Каналы 2, 3, в частности, могут иметь вид продолговатых трубок, длина которых не превышает 45 см, что позволяет создать вполне эргономичную модель изделия.
Работает защитная маска следующим образом. Пользователь закрепляет корпус 1 маски на голове с помощью средств крепления, закрывая как минимум рот и нос. Включает систему энергопитания и источник УФ-излучения 4 в каналах для вдоха 2 и выдоха 3 с длиной волны 230-300 нм, которая эффективно уничтожает ДНК и РНК вирусов и бактерий, находящихся в воздухе. При вдохе воздух из окружающего пространства через изогнутый переход 5, внутренние стенки которого поглощают УФ-излучение источника 4, не давая ему выйти во внешнее пространство, поступает в канал для вдоха 2, внутренние стенки которого многократно отражают УФ-излучение, создаваемое источником 4, обеспечивая обеззараживание поступающего воздуха. Далее воздух попадает в изогнутый переход 6, стенки которого поглощают УФ-излучение. После чего давление вдыхаемого воздуха открывает соответствующий клапан в верхней части канала для вдоха 2 и воздух поступает к носителю маски. При выдохе открывается соответствующий клапан канала для выдоха 3, расположенный в его верхней части. Далее воздух проходит через переход 6, внутренние стенки которого поглощают УФ-излучение, и попадает в канал выдоха 3 с УФ-излучением с его многократным отражением, и после - попадает в изогнутый переход 5, внутренние стенки которого поглощают УФ-излучение, исключая его выход во внешнее пространство. Затем обеззараженный воздух выходит в окружающее пространство. Таким образом, больной человек не создает опасности для окружающих.
При необходимости замены источника питания энергосистемы, необходимо, не вынимая отработавший аккумулятор, вставить сначала новый аккумулятор и только потом изъять разряженное устройство. Данные меры позволяет защитной маске работать непрерывно и обеспечивать надежную обработку как вдыхаемого, так и выдыхаемого воздуха.
После того, как носитель маски выходит в чистое помещение, он может выключить энергосистему и снять маску.
В заявляемом решении предусматривается возможность синхронной замены направления работы клапана для вдоха 2 и выдоха 3. Полезность такой замены связана с тем, что выдыхаемый человеком воздух значительно слабее запылен, чем вдыхаемый. Поэтому при такой замене появляется возможность использовать выдыхаемый воздух для прочищения потенциально запыленного канала, который ранее использовался для вдыхания внешнего воздуха.
Мощности современных малогабаритных носимых УФ-устройств вполне достаточно, чтобы за время прохождения вдыхаемого и выдыхаемого воздуха по каналам вдоха 2 и выдоха 3 гарантированно инактивировать любые вирусы или бактерии. Расчетное время работы заявляемой защитной маски при использовании среднего банка энергии составляет не менее трех-четырех часов.
Защитная маска имеет предназначенную для противодействия возможному накапливанию статического заряда поверхностей систему снятия электризации элементов внутренних поверхностей каналов для вдоха 2 и выдоха 3. Возникновение статического электричества связано с эффектом ограниченного выбивания ультрафиолетовым и световым излучением электронов как с пылевых частиц, прошедших внутрь указанных каналов 2, 3 с потоком внешнего воздуха, так и с элементов поверхностей самих каналов. При оседании указанных пылевых частиц на данных поверхностях они будут передавать им возникающие вследствие указанного выбивания слабые положительные заряды, также способствуя электризации. Вследствие возникающей электризации указанных каналов 2, 3 при долговременной непрерывной работе защитной маски будет усиливаться прилипание к ним пыли. Система снятия электризации позволяет решить данную проблему.
Данная маска будет эффективна в применении в общественном транспорте, в общественных местах, на улице, в помещениях для медицинских работников, в больницах и т.д. При этом используется излучение ультрафиолета без выделения озона, что не оказывает негативного влияния на органы дыхания пользователя и не засоряет окружающую среду.