Бактерицидный ультрафиолетовый светодиодный облучатель

Полезная модель относится к средствам обеззараживания, стерилизации и очистки помещений в присутствии людей.
Бактерицидное действие ультрафиолетового излучения на биологические объекты (клетки, бактерии, вирусы и пр.) хорошо известно. К бактерицидному диапазону обычно относят излучение в диапазоне длин волн, ориентировочно, от 215 до 300 нм (по уровню бактерицидной эффективности 10% от максимального значения при длине волны примерно 265 нм), которое за счет фотохимических реакций в клетке приводит к ее необратимым повреждениям, прежде всего ДНК и РНК, а также белков и других компонентов клетки. Этим обусловлен универсальный характер действия бактерицидного ультрафиолетового излучения на микроорганизмы, в результате которого они теряют способность к нормальной жизнедеятельности и размножению и гибнут в первом или последующем поколении.
Бактерицидное действие света дает возможность: использовать ультрафиолетовые излучатели соответствующего диапазона для стерилизации воздуха. В качестве таких источников наиболее часто применяются ртутные лампы низкого давления как в безозоновом варианте (излучаемая длина волны 253,7 нм, соответствующая резонансному переходу атома ртути 63P1-61S0), так и в варианте излучения на обеих длинах волн основных резонансных переходов атома ртути, включая переход 61Р1-61S0 с длиной волны 184,9 нм (Руководство Р 3.5.1904-04 «Использование ультрафиолетового бактерицидного излучения для обеззараживания воздуха в помещениях». М.: Федеральный центр Госсанэпиднадзора Минздрава России, 2005. - 46 с). В ряде случаев предпочтительным, прежде всего для подавления репарационных возможностей клеток, является использование широкополосных источников излучения, таких как ртутные лампы высокого давления, импульcно - периодические ксеноновые лампы, эксимерные (эксиплексные) лампы.
Бактерицидные устройства (облучатели) применяются в случае потенциального риска контаминации воздушной среды помещений патогенными, санитарно-показательными и иными микроорганизмами в количествах, влияющих на безопасность пребывания в них людей. По конструктивному исполнению бактерицидные облучатели и установки подразделяются на две группы – открытые и закрытые.
В закрытых облучателях (облучатели в системах приточно-вытяжной вентиляции и кондиционирования, рециркуляторы) бактерицидный поток от ламп распределяется в ограниченном замкнутом пространстве и не имеет выхода наружу, при этом обеззараживание воздуха осуществляется в процессе его прокачки через вентиляционные отверстия.
У открытых облучателей бактерицидный поток от источников УФ излучения охватывает широкую зону воздушной среды и поверхностей помещения. Открытые облучатели предназначены для процесса обеззараживания в отсутствие людей или при их кратковременном пребывании в помещении при соблюдении норм техники безопасности и охраны труда (с применением средств индивидуальной защиты лица, глаз и кожных покровов).
2
Однако в практике ультрафиолетового обеззараживания воздуха существует целое направление, когда открытые УФ-облучатели используются в присутствии людей. Это так называемый «upper room» способ применения УФ-излучения для обеззараживания воздуха в помещении в присутствии людей. При достижении средней плотности мощности УФ излучения в помещении 20 мВт/м воздух очищается так же, как при 3-5-кратной вентиляции .
При применении таких приборов необходимо следить за интенсивностью УФ-излучения в нижней части помещения, в которой находятся люди. Отраженное, фоновое ультрафиолетовое излучение также может причинить значительный вред здоровью присутствующих людей, а так как не известен коэффициент отражения стен и потолков в помещениях, где размещены открытые облучатели, находящиеся в помещении люди с незащищенными кожными покровами и слизистыми оболочками могут получить дозу облучения, превышающую разрешенный уровень.
Известен бактерицидный потолочный облучатель, содержащий корпус, в котором установлена по крайней мере одна ультрафиолетовая лампа, и отражатель с щелью и/или отверстиями в нижней части, при этом облучатель также снабжен поглотителем в виде угольного сорбента, закрепленным в щели и/или отверстиях отражателя (RU 2521321, A61L 9/20, 27.06.2014).
Недостатком известного устройства является то, что при применении традиционных «щелевых» облучателей с ртутными лампами, даже при относительно низком коэффициенте отражения от стен и потолка помещения (10-20%) плотность мощности в нижней части помещения не позволяет находится в нем людям более 1 часа. Это определяет повторно-кратковременный режим работы таких облучателей, что резко снижает их бактерицидную эффективность.
Известен ультрафиолетовый (УФ) источник, включающий полупроводниковое устройство, содержащее активный слой, расположенный между областью n-типа и областью p-типа. Активный слой испускает излучение, имеющее пиковую длину волны в УФ-диапазоне. Чаша рефлектора расположена вокруг ультрафиолетового источника. Над чашей отражателя расположена прозрачная крышка. Использование источника УФ-излучения может быть в устройстве для дезинфекции, пригодном для дезинфекции объекта, жидкости, такой как вода или воздух, или любого другого подходящего материала или структуры. (US10046076, A61L2/10; A61L9/20; C02F1/32, 14.08.2018).
Недостаткам известного облучателя является то, что ультрафиолетовое излучение выходит за пределы облучателя с довольно широким телесным углом, что недопустимо для его использования в помещениях, где находятся люди. Как прямой, распространяющийся с широким телесным углом, так и отраженный от поверхностей помещения ультрафиолет может причинить значительный вред здоровью присутствующих в помещении людей, где размещены открытые облучатели. Находящиеся в помещении люди с незащищенными кожными покровами и слизистыми оболочками могут получить дозу облучения, превышающую разрешенный уровень
Прототипом полезной модели является бактерицидный облучатель, включающий корпус с отражающей дугообразной поверхностью. Внутренняя стенка отражающей поверхности выполнена параболической формы, диаметр которой постепенно увеличивается от светового входного конца до светового выходного конца. Свет, выходящий из светоизлучающего конца после его отражения и собирания отражающей полостью, образует угол фокусировки с вертикальной осевой линией, причем угол фокусировки составляет α и 0°. В качестве источника ультрафиолетового излучения используют ультрафиолетовый светодиод, закрепленный на плате с теплоотводящей пластиной. (CN109200323, A61L2/10; A61L2/26; A61L9/20, 15.01.2019).
К недостаткам известного облучателя относится неполное фокусирование ультрафиолетового излучения светодиода. Часть излучения светодиода попадает на отражающую поверхность и формируется в виде высоконаправленного пучка с малым углом расхождения. Другая часть излучения не попадает на отражающую полость и распространяется в помещение с широким телесным углом, что резко повышает вероятность попадания ультрафиолета на людей с незащищенными кожными покровами и слизистыми оболочками.
Проблемой, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в разработке бактерицидных ультрафиолетовых облучателей с использованием ультрафиолетовых светодиодов.
Техническим результатом полезной модели является обеспечение возможности использования бактерицидного ультрафиолетового облучателя в присутствии людей в течение длительного времени работы облучателя.
Поставленная проблема и указанный технический результат достигается за счет того, что бактерицидный ультрафиолетовый светодиодный облучатель включает корпус с отражающей параболической поверхностью, внутри которого расположен источник ультрафиолетового излучения в виде светодиода, закрепленный на теплоотводящей пластине. Согласно полезной модели, внутри корпуса дополнительно установлена линза, а светодиод закреплен в фокусе линзы. На светодиоде закреплена сферическая линза для формирования направленности потока УФ-излучения от светодиода. Внутренняя параболическая поверхность корпуса покрыта зеркальным отражающим покрытием.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен внешний вид бактерицидного облучателя; на  фиг. 2 – бактерицидный облучатель, вид спереди; на фиг. 3 - бактерицидный ультрафиолетовый светодиодный облучатель в разрезе.
Бактерицидный ультрафиолетовый облучатель состоит из корпуса 1. Внутренняя поверхность корпуса 1 выполнена параболической, и покрыта зеркальным отражающим покрытием, например, анодированным полированным алюминием. Параболическая форма внутренней поверхности корпуса 1 выполняет отражающую функцию. Внутри корпуса 1 расположена линза 2. В фокусе линзы 2 закреплен источник ультрафиолетового излучения в виде светодиода 3, на котором смонтирована сферическая линза 4. Светодиод 3 закреплен на теплоотводящей пластине 5, в качестве которой могут использоваться металлические пластины с развитой поверхностью, элементы Пельтье и тому подобное.
Расположение светодиода 3 в фокусе линзы 2 позволяет части излучения, область А на фиг. 3, попадающему на линзу 2, формироваться в узконаправленный пучок. Часть излучения светодиода 3, область Б на рис. 3, колимируется в узкий параллельный пучок за счет отражения от параболических стенок корпуса 1.
Необходимость наличия в облучателе светодиодной линзы 4 обусловлено тем, что, в случае ее отсутствия часть излучения светодиода, область В на рис. 3, одновременно попадает и на отражающую поверхность корпуса 1, и на линзу 2. При этом такое излучение распространяется в помещение с широким телесным углом, что недопустимо.
Сферическая линза 4 позволяет получить пучок ультрафиолетового излучения с расходимостью в пределах 30-90°. В результате исключается наличие УФ излучения в области В на рис. 3, и весь поток излучения от источника светодиода 3 колимируется в узкий параллельный пучок.
Использование в бактерицидном ультрафиолетовом облучателе открытого типа линз 2 и 4, а также отражающего покрытия внутренней параболической поверхности корпуса 1 создает условия для направленного луча с малым углом раскрытия (не более 2 градусов). Это позволяет располагать облучатели в верхней части помещения, где производят обеззараживание с помощью бактерицидных облучателей. Такое решение обеспечивает снижение облученности в нижней части помещения в несколько раз по сравнению с традиционными «щелевыми» облучателями, для безопасного присутствия людей в течение длительного времени работы бактерицидного ультрафиолетового облучателя.
Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения на светодиод 3 он становится точечным источником УФ-излучения. В качестве светодиодов 3 можно использовать, например, светодиоды NCSU334A (Япония) или светодиоды Innotek серии 6060 (Юж.Корея). Эти светодиоды исполнены по технологии SMD и уже имеют в своем составе сферическую линзу 4. Светодиоды 3 имеют мощность бактерицидного излучения в пределах 50-100 мВт на длине волны 280 Нм. В качестве линзы 2 можно использовать, например, линзы ООО «Завод оптических изделий» (Россия) или линзы LBX Castech (Великобритания). Эти линзы прозрачны для УФ излучения, имеют небольшой (10 мм и менее) диаметр и фокусное расстояние.
2
2
В случае применения таких облучателей для обеззараживания воздуха в помещении габаритами 8 м ×6 м ×3 м при длительном пребывании большого количества людей, необходимая мощность облучателей определяется произведением требуемой для режима «upper room» плотности мощности излучения 20 мВт/м на площадь минимального сечения помещения 6 м × 3 м = 18 м и составляет 0,36 Вт. При использовании светодиодных источников направленного УФ излучения с углом раскрытия луча, не превышающего 2 градуса, размещенных на одной из стен помещения, диаметр «светового пятна» на противоположной стене не превысит 30 см. Это позволяет без ущерба интерьеру помещения разместить в области «светового пятна» светопоглощающие экраны. Коэффициент отражения УФ излучения светопоглощающими экранами не превышает 2%.
Для предложенного примера, достаточно будет применение четырех светодиодных облучателей единичной мощности 100 мВт и четырех светопоглащающих экранов диаметром 30 см.
Применение светодиодных облучателей не ограничивается предложенным примером. В частности, они могут применяться для обеззараживания поверхностей и для обеззараживания воздушной среды в закрытых бактерицидных установках.