БАКТЕРИЦИДНЫЙ ОБЛУЧАТЕЛЬ

Заявляемое техническое решение относится к средствам стерилизации и очистки и представляет интерес для обеззараживания и очистки воздуха с использованием бактерицидного ультрафиолетового излучения. Наибольший интерес оно представляет для закрытых бактерицидных облучателей (рециркуляторов) умеренной производительности, обеспечивающих стерилизацию воздуха в небольших помещениях.
Бактерицидное действие ультрафиолетового излучения на биологические объекты (клетки, бактерии, вирусы и пр.) хорошо известно. К бактерицидному диапазону обычно относят излучение диапазона длин волн, ориентировочно, 215÷300 нм (по уровню бактерицидной эффективности 10% от максимального значения при длине волны ≈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.
3
1
1
1
1
0
1
0
2
2
2
Бактерицидное действие света дает возможность: использовать ультрафиолетовые излучатели соответствующего диапазона для стерилизации воздуха. В качестве таких источников наиболее часто применяются ртутные лампы низкого давления (РЛНД) как в безозновом варианте (излучаемая длина волны 253,7 нм, соответствующая резонансному переходу атома ртути 6P-6S), так и в варианте излучения на обеих длинах волн основных резонансных переходов атома ртути, включая переход 6Р-6S с длиной волны 184,9 нм ([1]: Руководство Р 3.5.1904-04 «Использование ультрафиолетового бактерицидного излучения для обеззараживания воздуха в помещениях». М.: Федеральный центр Госсанэпиднадзора Минздрава России, 2005. - 46 с.; [2]: сайт компании «ЛИТ» http://www.lituv.com/ru/company/). В ряде случаев предпочтительным, прежде всего для подавления репарационных возможностей клеток, является использование широкополосных источников излучения, таких как ртутные лампы высокого давлений ([1]), импульcно-периодические ксеноновые лампы ([3]: сайт компании «НПП Мелитта» http://www.melittauv.ru/technology/work/). В качестве возможного источника света рассматриваются также эксимерные (эксиплексные) лампы ([4]: патент RU 2440147), например в бактерицидном диапазоне излучают эксимерные лампы на молекулах ХеВr* (полоса излучения около 282 нм), XeI* (253 нм), KrCl* (222 нм), а также гомоядерные молекулы Сl* (259 нм) и Вr* (289 нм); в определенных условиях в эксимерной лампе может быть реализовано одновременное излучение на нескольких полосах различных молекул, например KrCl* и Сl*.
3
Во всех указанных случаях в качестве излучателей рассматриваются источники света с достаточно высокой эффективностью от 35-40% в случае РЛНД до 10-12% в случае импульсно-периодических ксеноновых ламп (по доле излучения в бактерицидном диапазоне), что обусловлено значительной энергоемкостью ультрафиолетовой очистки воздуха, требующей для наиболее распространенных микроорганизмов световой энергии ~500 Дж для стерилизации 1 м([1]).
При обеззараживании воздуха источники бактерицидного излучения могут применяться в открытом виде, в этом случае обработка проводится в отсутствие людей. Однако в предпочтительном варианте используется так называемый закрытый бактерицидный облучатель-рециркулятор ([1]), включающий помимо самого источника света (лампы или нескольких ламп) корпус, большая часть внутренней поверхности которого выполнена светоотражающей, а выход бактерицидного излучения из облучателя тем или иным образом блокируется. Как правило, в состав такого облучателя входит по меньшей мере один вентилятор для прокачки стерилизуемого воздушного потока через облучатель и блок (блоки) питания источников света и вентилятора. Кроме того, рециркулятор во многих случаях включает дополнительные (прежде всего противопылевые) фильтры, вспомогательные элементы для крепления облучателя на потолке или стене помещения, а также систему управления, которая, например, контролирует общее время его работы, таймер для программируемого включения-выключения и т.д.
Заявляемый бактерицидный облучатель относится к группе закрытых облучателей (рециркуляторов), когда бактерицидный поток источников света, расположенных в замкнутом пространстве корпуса облучателя, не имеет прямого выхода наружу ([1]). Обеззараживание воздуха в таких установках стерилизации осуществляется путем его облучения в процессе прокачки воздушного потока от входа корпуса облучателя к его выходу, а соответствующий воздушный поток создается с помощью вентилятора (вентиляторов).
Закрытые бактерицидные облучатели указанного типа широко применяются для обеззараживания воздуха в присутствии людей и в известных авторам технических решениях в качестве источников света используются РЛНД.
Известные рециркуляторы разных производителей отличаются теми или иными деталями конструкции и системы управления, включая, например анализаторы ресурса работы, температуры и/или влажности окружающей среды, и/или напряжения сети, и/или времени работы применяемой в облучателе лампы и даже датчики микроорганизмов, использование тех или иных фильтров на входе, чаще всего противопылевых, и на выходе из корпуса облучателя для удаления, например, озона ([5]: патент RU 2542508, [6]: патент RU 2340360, [7]: патент RU 2521321, [8]: патент RU 2270696) и т.д. В случае использования генерирующих озон ртутных ламп, излучающих длины волн 254 и 185 нм (это дополнительный канал обеззараживания воздушного потока), на выходе облучателя устанавливаются поглощающие озон фильтры.
Специфика использования бактерицидного излучения для обеззараживания воздуха в закрытых облучателях состоит в том, что лишь ничтожно малая доля излученной мощности реально расходуется на инактивацию микроорганизмов, а основная часть излучения поглощается поверхностью корпуса облучателя. Это обусловлено тем, что длина поглощения бактерицидного излучения в воздухе даже со значительным количеством микроорганизмов (и пыли) составляет десятки и даже сотни метров, что во много раз превосходит габариты корпуса облучателя.
ф
ф
Таким образом, для увеличения эффективности работы бактерицидного облучателя целесообразно максимально увеличить коэффициент использования бактерицидного потока ламп K ([1]). Этот результат достигают, выполняя по меньшей мере часть поверхности внутренней поверхности корпуса облучателя светоотражающей, чаще всего используется зеркально отражающие нержавеющая сталь или, что предпочтительно, алюминий с его максимальным для металлов коэффициентом отражения в бактерицидном диапазоне. Это позволяет увеличить K от типичной для закрытых рециркуляторов величины 0,3÷0,4 ([1]) до ≈0,6 - в частности, за счет нанесения слоя алюминия, например методом вакуумного напыления, на внутреннюю поверхность корпуса облучателя, выполненного цельнолитым из ударопрочного химически стойкого пластика как в облучателе ДЕЗАР-4 ([9]: http://www.panfundus.ru/dezinfekcia/baktericid/dezar-4.html).
ф
ф
3
3
Однако полученные в известных бактерицидных облучателях с зеркально отражающей бактерицидное излучение поверхностью корпуса значения K далеки от потенциально возможных. В частности, эффективное значение K снижается в известных облучателях с зеркальным отражением излучения вследствие значительной разницы в дозах облучения вблизи источника света и вблизи корпуса облучателя. С учетом того обстоятельства, что при снижении дозы бактерицидного облучения всего в 2÷2,5 раза доля выживших микроорганизмов увеличивается многократно - например, для золотистого стафилококка в 50 раз при уменьшении дозы с 385 Дж/м, до 167 Дж/м, именно минимальная доза бактерицидного излучения по объему корпуса стерилизатора должна соответствовать требуемой степени стерилизации.
Резкий рост эффективности использования бактерицидного излучения может быть реализован при диффузно отражающей внутренней поверхности корпуса облучателя, поскольку эффективный коэффициент отражения ультрафиолетового излучения от такой поверхности может быть гораздо больше, чем от поверхности алюминия. Такое техническое решение описано в заявке US 2012/0315184 А1 с приоритетом от 04.05.2012 г. ([10]) и принято за прототип. Согласно указанному техническому решению, внутренняя поверхность корпуса облучателя выполняется из диффузно отражающего материала с эффективным коэффициентом отражения не менее 95%, что позволяет многократно увеличить интенсивность излучения внутри объема рециркулятора, в том числе по сравнению с рециркуляторами с внутренней поверхностью из зеркально отражающих материалов (нержавеющая сталь, алюминий), а также обеспечить более высокую (по сравнению с зеркальным отражением) однородность излучения в объеме облучателя (рециркулятора). В качестве материала с коэффициентом диффузного отражения бактерицидного излучения >95% в прототипе указывается выпускаемый компанией "W.L. Gore and Associates" (США) экспандированный фторопласт (e-PTFE), то есть фторопласт-4 (тефлон) с достаточно равномерно распределенными в нем многочисленными мельчайшими воздушными порами, занимающими обычно ~60÷70% объема. Рассеяние света на многочисленных границах фторопласт-воздух при соответствующей толщине материала обеспечивает эффективный коэффициент диффузного отражения от него >95%, здесь принципиально важно то, что чистый фторопласт-4 (тефлон) практически не поглощает УФ излучение бактерицидного диапазона.
Под диффузно рассеивающей поверхностью здесь и далее в настоящем изобретении мы понимаем по существу диффузно отражающую поверхность - такую, для которой диффузная составляющая рассеянного (отраженного) света существенно превосходит зеркальную составляющую, например такую поверхность, для которой доля диффузной составляющей в отраженном свете превосходит  (≥70%). На длине волны излучения РЛНД 254 нм коэффициент преломления тефлона менее 1,4 и, таким образом, коэффициент зеркального отражения при нормальном падении <3%.
Здесь также важно указать, что по существу диффузным отражение становится и в том случае, если поверхность является шероховатой с достаточно мелкомасштабными неровностями, в частности отражение от шероховатой поверхности алюминия является по существу диффузным. Однако в этом случае эффективный коэффициент диффузного отражения от шероховатой поверхности алюминия не больше коэффициента отражения от гладкой зеркальной поверхности (физический механизм отражения не меняется) и, соответственно, использование матированной (шероховатой) алюминиевой поверхности корпуса осветителя не дает существенного преимущества в эффективности бактерицидного облучателя.
4
Высокий коэффициент диффузного отражения может также быть обеспечен за счет соответствующих покрытий, например на основе порошков окиси магния (MgO) или сульфата бария (BaSO), такого типа покрытие предлагает, например, компания из США LABSPHERE, INC. ([11]: https://www.labsphere.com/labsphere-products-solutions/materials-coatings-2/). В этом случае корпус облучателя может быть выполнен из стандартного конструкционного материала (от нержавеющей стали, алюминия или алюминиевого сплава до различных пластиков), на внутреннюю поверхность которого нанесено соответствующее диффузно-отражающее покрытие.
П
Если в полости (корпусе облучателя) из диффузно рассеивающего материала с высоким коэффициентом отражения R находится источник (источники) света мощностью Q, то в отсутствие поглощения в материале полости интенсивность I падающего на поверхность полости излучения определяется из закона сохранения энергии:
Σ
здесь S - площадь внутренней поверхности полости с диффузно отражающим покрытием, s - площадь внутренней поверхности полости без диффузно отражающего покрытия, которая поглощает излучение или через которую излучение может покинуть полость (так называемые геометрические потери, связанные, в том числе, и с входом и выходом воздушного потока в объем рециркулятора), общая площадь внутренней поверхности полости S=s+S. Приведенная формула корректна, когда α=s/(s+S)<<1 и за счет диффузного характера отражения излучение в полости «хорошо перемешано». Отсюда
Σ
то есть интенсивность падающего на поверхность такой полости излучения увеличивается в 1/[1-R(1-α)] раз по сравнению со средним значением Q/S для полости, в которой вся внутренняя поверхность поглощает излучение. Интенсивность излучения в объеме полости еще в (1+R) раз больше и, например, для α=0,02 и R=98% рост интенсивности излучения в объеме полости может составить N=50, для α=0,05 и R=96% получим N=22,5. Из приведенных примеров и формулы (2) следует, что для значительного усиления излучения даже при R→1 необходима достаточно малая величина геометрических потерь α (для α=0,1 даже при R=99% величина N~18).
3
3
В примере прототипа корпус облучателя имеет форму прямоугольного параллелепипеда длиной 183 см (72'') и поперечным сечением 61 × 122 см (24'' × 48''), через который прокачивается воздух с номинальным расходом V≈1,65 м/с (около 6000 м/час или 3500 кубических футов в минуту), скорость прокачки воздуха в зоне облучения ν=Q/S≈2,2 м/с.
3
3
Вблизи четырех вершин прямоугольного сечения облучателя располагаются четыре ртутные лампы низкого давления (фиг. 7А, 7В прототипа [10]), обеспечивающие необходимый бактерицидный поток. Для уменьшения неизбежных геометрических потерь излучения на входе и выходе рециркулятора устанавливаются диафрагмы из того же диффузно рассеивающего материала с выполненным в них набором относительно небольших отверстий для прохода воздуха. Общая потребляемая бактерицидным облучателем согласно прототипу мощность составила 3,2 кВт, что соответствует удельной затрате энергии около 1900 Дж на на каждый кубометр прокачиваемого за час воздуха. Это означает, что, наряду с положительным эффектом снижения энергопотребления, в прототипе не был реализован «кардинальный» рост эффективности бактерицидного рециркулятора в целом, поскольку удельные затраты энергии известных бактерицидных облучателей больше всего в 1.2÷1,8 раза: от ~2200 Дж/м для рециркулятора ДЕЗАР-4 с алюминиевой внутренней поверхностью корпуса корпусом ([9]) до 3600 Дж/м для рециркулятора АЭРОЛИТ-400 с нержавеющей внутренней поверхностью ([2]).
Относительно высокая энергоемкость бактерицидного облучателя по прототипу обусловлена двумя основными причинами:
3
1. Необходимость обеспечить низкие геометрические потери приводит к большим потерям давления при прокачке воздуха и значительным затратам мощности на прокачку, которые быстро увеличиваются с ростом производительности рециркулятора: для заданной геометрии ~V, при этом затраты мощности на генерацию бактерицидного излучения ~V.
2. Как обнаружено авторами настоящей заявки, существенным является следующее обстоятельство: ртутная лампа низкого давления в полости из диффузно рассеивающего материала с высоким эффективным коэффициентом отражения не только генерирует излучение, но и является эффективным поглотителем собственного резонансного излучения, снижая его усиление по сравнению с предельно возможным по формуле (2). Для ситуации прототипа, которая является типичной, когда длина лампы близка к длине облучаемой бактерицидным излучением области рециркулятора, доля поглощаемого излучения β пропорциональна отношению диаметра лампы d к характерному поперечному размеру облучателя D: β=k(d/D), причем коэффициент пропорциональности, по измерениям авторов, минимален и составляет ≈0,55, если ртутная лампа расположена вблизи оси (на оси) цилиндрической полости из диффузно отражающего материала.
Для случая β<<1 вместо (2) аналогичным образом получаем
Например, d=19 мм, D=200 мм и оптимальной цилиндрической геометрии корпуса облучателя с ртутной лампой вблизи его оси β=5,2% и для приведенного выше варианта α=0,02 и R=98% рост интенсивности излучения в объеме полости составляет 21,6 раза вместо N=50. В случае расположения РЛНД согласно прототипу вблизи углов корпуса облучателя прямоугольного сечения поглощается значительная часть света, излучаемого «в углы» корпуса облучателя, коэффициент связанных с этим потерь может приближаться к 20%, что приводит к многократным потерям в усилений света даже для очень высокого эффективного коэффициента отражения за счет диффузного рассеяния.
3
Важно указать, что вносимые РЛНД потери приводят к тому, что даже рассчитанные на небольшую производительность рециркуляторы (для малых помещений) в варианте прототипа не удается сделать компактными. Например, для производительности бактерицидного облучателя 5÷10 м/час (салон автомобиля, скорой помощи и т.д.) для цилиндрического рециркулятора с РЛНД диаметром 15 мм на его оси при внутреннем диаметре корпуса облучателя 40 мм потребная скорость воздушного потока составляет всего ~1,5 м/с (это соответствует незначительным затратам мощности на прокачку), однако вносимые РЛНД потери β≈21% и рост в интенсивности излучения внутри корпуса такого облучателя составляет ~7 раз для α=0,02 и R=98% (формула (3) для указанной величины β дает завышенную оценку) по сравнению с N=50 в отсутствие поглощения излучения в полости рециркулятора.
Это означает, что источник бактерицидного света с существено меньшим влиянием собственного поглощения на интенсивность излучения в полоти облучателя с диффузно отражающей поверхностью может обеспечить ту же производительность стерилизации компактного рециркулятора умеренной производительности при многократно меньшей эффективности источника света самого по себе.
Компактность бактерицидного облучателя, которую не может обеспечить РЛНД, существенна для ряда приложений. Кроме того, к недостаткам РЛНД в качестве источника света для бактерицидного облучателя относятся недостаточный в ряде случаев ресурс работы (~ 10 тыс. часов), ограничение по числу включений-выключений (обычно до 3 тыс. циклов), значительная длительность выхода на стационарный режим работы (несколько минут), низкая устойчивость к ударам и вибрациям: Это, в частности, ограничивает возможности использования бактерицидных облучателей в транспортных средствах.
Техническим результатом заявляемого изобретения является возможность создания компактных бактерицидных облучателей с высоким ресурсом по времени работы и числу включений, хорошей стойкостью к ударам и вибрациям.
Технический результат достигается тем, что в бактерицидном облучателе, включающем по меньшей мере один источник ультрафиолетового излучения бактерицидного диапазона для облучения стерилизуемого воздушного потока, корпус облучателя с входным и выходным сечениями для стерилизуемого воздушного потока, охватывающий облучаемую источником ультрафиолетового излучения область воздушного потока, основная часть внутренней поверхности которого выполнена диффузно отражающей, по меньшей мере один вентилятор для прокачки воздушного потока через облучатель, в качестве источника ультрафиолетового излучения бактерицидного диапазона использован светодиод.
В рамках настоящего изобретения «корпус» или «корпус бактерицидного облучателя» - это оболочка, охватывающая источник света и стерилизуемый поток, которая выполнена из диффузно отражающего материала или на внутреннюю сторону которой нанесено диффузно-отражающее покрытие. Таким образом определенный корпус облучателя может не быть его несущим (конструкционным) элементом, в качестве которого тогда используется дополнительный конструкционный элемент, охватывающий и фиксирующий описанный в формуле изобретения корпус бактерицидного облучателя с диффузно отражающей внутренней поверхностью.
2
Светодиоды бактерицидного диапазона с КПД 1,5÷2% хорошо известны и широко производятся, например компанией LG Innotek ([1.2]: http://104.215.62.75/wp-content/uploads/2018/03/LG-Innotek-UV-LED-Catalog-Jan-2018.pdf), разработаны и уже выпускаются светодиоды с эффективностью 3÷4% и более. Мощность отдельных светодиодов и их сборок, как правило, составляет от 1÷2 до 100÷300 мВт при характерной площади излучающей поверхности 1÷10 мм.
Светодиоды имеют ресурс до 50 тыс. часов и выше, прекрасно выдерживают вибрационные нагрузки, практически безынерционны и просто несопоставимы по компактности с РЛНД. Отметим также возможность питания таких светодиодов от постоянного напряжения 5-12 В.
Наиболее распространены светодиоды в диапазоне 265-285 нм с характерной шириной спектра излучения около 10 нм и такие диоды представляются автором настоящей заявки предпочтительными. Ширина спектра излучения, сопоставимая с шириной спектра эксимерных ламп, полезна для инактивации микроорганизмов. Кроме того и прежде всего, для длины волны 275 нм, с одной стороны, бактерицидная эффективность не меньше, чем для длины волны РЛНД 254 нм, а эффективный коэффициент диффузного отражения выше, что обеспечивает больший выигрыш в интенсивности излучения в объеме корпуса облучателя.
В частности, согласно измерениям авторов, для экспандированного фторопласта эффективный коэффициент отражения на длине волны РЛНД 254 нм составляет около 96%, а на длине волны 275 нм достигает 97,5-98%. В этом случае:
- для бактерицидного облучателя с РЛНД диаметром 15 мм при внутреннем диаметре корпуса облучателя с диффузно отражающим покрытием 40 мм при R=96% и геометрических потерях 1,5% выигрыш в интенсивности излучения составляет ~6 раз;
- для бактерицидного облучателя со светодиодом на длине волны 275 нм при незначительной доле собственного поглощения (см. ниже), эффективном коэффициенте отражения внутренней поверхности корпуса облучателя с диффузно отражающим покрытием R=97,5% и геометрических потерях 1,5% выигрыш в интенсивности излучения достигает ~50 раз.
3
Это означает, что уже при КПД светодиода 4% фактические затраты мощности на обеззараживание воздуха с производительностью 5÷10 м/час при использовании светодиодного источника света в рециркуляторе с диффузно отражающей внутренней поверхностью будут близки к затратам мощности при использовании РЛНД с эффективностью ~35%.
3
3
пр
Σ
пр
Σ
Укажем, что для рециркуляторов относительно малой производительности критерий компактности и надежности может быть значительно важнее критерия энергоэффективности, если только она не слишком низка. В самом деле, для обеззараживания 6 м/час вообще без учета выигрыша за счет усиления света в диффузно отражающей полости необходима мощность бактерицидного излучения W ~ 600*6/3600=1 Вт, затраты мощности на прокачку W, исходя из известных данных для вентиляторов (кулеров) на больший расход воздуха 15÷20 м/час, не превышают 1,5÷2 Вт. При выигрыше в интенсивности излучения в полости N=6 раз и КПД лампы η=35% (случай РЛНД) получим общие затраты мощности (без учета эффективности источников питания, превышающей 90%, и минимального потребления мощности системой управления) W=W/Nη+W ~ 2,5 Вт. В случае использования в качестве источника света согласно заявляемому техническому решению светодиода с N=40 и КПД всего η=1,5% аналогично получим W ~3,6 Вт - различие уже не представляется существенным и практически исчезает при большей эффективности светодиода.
3
Необходимо отметить принципиальную важность в заявляемом техническом решении применения бактерицидного облучателя с высоким эффективным коэффициентом отражения его внутренней поверхности и малыми геометрическими потерями излучения, обеспечивающими в совокупности большой выигрыш в интенсивности излучения в полости облучателя. Например, при N ~ 1,5, как в случае облучателей с металлическим корпусом, общие затраты мощности для рецикулятора той же производительности 6 м/час на базе светодиода (светодиодов) с КПД 1,5% составят уже ~ 50 Вт, для РЛНД энергопотребление около 4÷5 Вт - различие становится существенным.
Заметим, что во многих случаях само по себе даже такая разница в потребляемой мощности не является принципиальной проблемой - в отличие от резкого роста стоимости светодиодного источника (источников) света, обеспечивающего мощность бактерицидного излучения уже не 1/50 Вт (20; мВт), а 1/1,5 Вт (700 м Вт), и необходимости утилизации в небольшом объеме дополнительного энерговыделения ~ 50 Вт, что приблизительно соответствует тепловой мощности, выделяемой взрослым человеком.
Из последнего замечания следует, что значительный рост интенсивности излучения в полости бактерицидного облучателя особенно важен именно для светодиодов в качестве источника света. Согласно (2) это означает, что доля площади диффузию отражающей внутренней поверхности облучателя с R→1 должна быть достаточно велика. Авторами принято следующее соотношение между площадью внутренней поверхности облучателя без диффузного отражения s (то есть, поверхности с относительно низким или нулевым коэффициентом отражения) и площадью диффузно отражающей внутренней поверхности облучателя S (поверхности с высоким эффективным коэффициентом отражения): α=s/(s+S)<0,1. То есть, не менее 90% («основная часть») площади внутренней поверхности облучателя, включая эффективные (с точки зрения потерь излучения) площади входного и выходного сечений воздушного потока, является диффузно отражающей.
В предпочтительном варианте реализации заявляемого технического решения доля геометрических потерь α<0,05 и даже меньше 0,02÷0,03, что позволяет дополнительно существенно увеличить усиление бактерицидного излучения в полости рециркулятора. Эта возможность связана с тем, что заявляемый бактерицидный облучатель, в отличие от прототипа, рассчитан на относительно небольшую производительность и, как следствие, затраты мощности на прокачку достаточно малы даже при значительном росте газодинамических потерь, возрастающих при уменьшении величины α, поскольку при меньшем «живом сечении» на входе в облучаемую бактерицидным светом область и на выходе воздушного потока из этой области быстро возрастает потребный для прокачки воздуха перепад давления ΔР и, соответственно, затраты мощности на прокачку, однако пропорциональность мощности прокачки третьей степени расхода воздуха сохраняется.
2
2
3
2
2
Здесь важно указать, что доля собственных потерь излучений, связанных с «самопоглощением» в случае использования светодиодов может быть очень мала. В самом деле, при расположении светодиодов на внутренней поверхности корпуса облучателя (излучение направлено внутрь полости облучателя) диффузно отражающей может быть выполнена вся поверхность светодиода кроме излучающей площадки (например, вся поверхность светодиода может быть «закрыта» слоем экспандированного фторопласта), что дополнительно уменьшает площадь не диффузно отражающей поверхности. Однако даже без учета этой возможности для светодиода мощностью; 10 мВт размер не диффузно отражающей площадки составляет не более 4×4 мм или 0,16 см. Согласно приведенным выше оценкам, трех таких светодиодов вполне достаточно для бактерицидного облучателя производительностью 6÷10 м/час, что дает общую площадь собственного поглощения <0,5 см. В то же время площадь поверхности компактного цилиндрического облучателя с внутренним диаметром 4 см и длиной 20 см составляет ≈250 см и, таким образом, доля собственных потерь минимальна: β<0,5/250=0,2%.
Использование осесимметричной формы корпуса облучателя представляется авторам предпочтительной, поскольку позволяет при той же мощности светодиодного источника света реализовать большую интенсивность (соответственно, дозу) бактерицидного излучения при той же производительности облучателя, то есть большую его бактерицидную эффективность (или большую производительность при той же бактерицидной эффективности).
Действительно, при одной и той же площади сечения воздушного потока окружность имеет минимальный периметр и, как следствие, исходя из (2), именно в этом случае реализуется большая интенсивность излучения в соответствующей полости. Например, при одной и той же площади круга и квадрата длина соответствующей окружности в  раза меньше периметра квадрата - соответственно, интенсивность излучения и бактерицидная доза для того же источника света на 13% больше. Для примера из прототипа, когда сечение корпуса облучателя является прямоугольником с отношением сторон 1:2, длина окружности той же площади в  раза меньше периметра прямоугольника и для соответствующего круглого сечения облучателя бактерицидная доза на 20% больше. Таким образом, при одной и той же скорости прокачки воздушного потока и одной и той же мощности источника света генерируемая бактерицидная доза больше именно в осесимметричном варианте.
Кроме того, меньший периметр сечения корпуса облучателя позволяет также снизить площадь и вес необходимого для облучателя диффузно поглощающего материала, то есть снизить стоимость облучателя.
Для наиболее простой цилиндрической геометрии корпуса облучателя диаметром D и длиной L, когда боковая поверхность цилиндра является диффузно отражающей, а входное и выходное сечения воздушного потока - это круг диаметром D, на котором отражение излучения отсутствует, геометрические потери в первом приближении составляют отношение соответствующих площадей: α=D/(D+2L). При более точном расчете необходимо вычислять соответствующие телесные углы с учетом диаграммы направленности диффузного отражения, однако в качестве первого приближения приведенное соотношение дает, как установлено авторами, достаточно корректные результаты. Для L/D≥5, принятого авторами настоящего технического решения критерия, доля геометрических потерь не превышает 1/11 (9%). Для α<<1 приведенное условие практически эквивалентно простому соотношению L≈D/2α.
Для предпочтительного варианта облучателя с долей геометрических потерь ~0,02 (2%) в случае цилиндрической геометрии с «открытыми» входом и выходом бактерицидного излучения через торцы области с диффузно отражающей поверхностью требуется рециркулятор большой длины: L≈25D и для внутреннего диаметра корпуса облучателя 4 см потребная длина составляет 100 см - это явно не компактный бактерицидный облучатель. Резкое уменьшение диаметра корпуса облучателя - например, до 1 см приводит при даже умеренной его производительности к резкому росту скорости воздушного потока и затрат мощности на прокачку, при этом также быстро увеличивается доля потерь на собственное поглощение (в приведенном примере при уменьшении длины и диаметра корпуса облучателя вчетверо площадь его внутренней поверхности уменьшается в 16 раз).
3
Таким образом, целесообразно снижение доли геометрических потерь без значительного уменьшения внутреннего диаметра основной части корпуса облучателя по сравнению с, оиентировочно, оптимальным диапазоном 4÷8 см для производительности 5÷15 м/час (для другой производительности оптимальный внутренний диаметр основной части корпуса облучателя может измениться). Реализовать уменьшение α можно различными способами.
Например, по аналогии с стандартным техническим решением, использованным, например, в бактерицидном облучателе АЭРОЛИТ-400 ([2]) на входе и выходе воздушного потока в облучаемую область рециркулятора устанавливаются наклонные решетки-жалюзи, которые поворачивают воздушный поток (увеличивая газодинамические потери) и при этом блокируют выход излучения из облучаемой области (что, как отмечалось выше, и само по себе необходимо для закрытых облучателей). В предпочтительном варианте заявляемого технического решения указанные решетки могут быть выполнены из диффузно отражающего материала (например, фторопласта Ф4) или на их обращенную к области бактерицидной обработки сторону может быть нанесено диффузно отражающее покрытие. В результате при умеренных газодинамических потерях при установке решеток, когда площадь «живого сечения» такой решетки сопоставима с площадью сечения воздушного потока, эффективное снижение геометрических потерь может быть многократным.
2
2
3
2
3
3
В другом варианте обеспечения достаточно малой величины геометрических потерь при умеренной длине корпуса облучателя площадь поперечного сечения корпуса облучателя на входе и/или выходе воздушного потока из облучаемой области выполняется меньше, чем площадь поперечного сечения основной части корпуса облучателя. Такая геометрия облучателя может быть реализована за счет применения системы типа конфузор-диффузор, причем расширяющиеся (сужающиеся) части газодинамического контура также имеют диффузно-отражающее покрытие или выполнены из диффузно отражающего материала. При плавно выполненных переходах с меньшего диаметра поперечного сечения на больший (и наоборот) облучатель остается достаточно компактным, геометрические потери излучения существенно снижаются уже для отношения диаметров на входе/выходе облучателя и его основной части ~0,6, при этом дополнительные потери давления могут быть не велики и сопоставимы с динамическим напором воздушного потока ρν/2 (в общем случае потери давления обычно выражают через динамический напор: ΔР=ζ*ρν/2, ζ - численный коэффициент). То есть, для корректно выполненной системы переходов конфузор-диффузор ζ ~ 1, что при типичной скорости потока в основной области облучателя ~ 0,6 м/с (при его диаметре 6 см и производительности 6 м/час) соответствует на двух таких переходах ΔР=ζ*ρν ~0,5 Па (для ζ=1). В результате при характерной производительности облучателя V=0,0017 м/с (6 м/час) рассматриваемый вариант применения системы диффузор-конфузор требует дополнительной мощности на прокачку ΔР*V ~ 1 мВт без учета эффективности используемого вентилятора (вентиляторов). Таким образом, для ζ ~10 (и даже ζ ~100) величина дополнительных энергозатрат на прокачку воздуха ничтожна, тот же вывод относится и к случаю использования блокирующих излучение решеток для рециркуляторов соответствующих габаритов и производительности. Конкретные значения параметра ζ известны для различных геометрий диффузоров, решеток, поворота потока (что тоже может быть использовано для блокирования выхода излучения из закрытого облучателя) и приведены, например в справочнике ([13]: Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1992 - 672 с.).
Для конкретного примера компактного бактерицидного облучателя, с внутренней диффузно отражающей поверхностью следующей геометрии:
- основная цилиндрическая часть диаметром 6 см и длиной 15 см;
- переходные конические участки с диаметра 2,5 см на диаметр 6 см (и обратно) длиной по 5 см на входе и выходе воздушного потока
2
2
геометрические потери составляют 2,2% (s≈9,8 см, S=424,2 см) по сравнению с α=D/(D+2L)≈10,7% для облучателя тех же габаритов (D=6 см, L=25 см).
Вариант реализации заявляемого изобретения показан на фиг. 1, здесь 1 - один или несколько источников бактерицидного излучения (светодиодов), 2 - корпус осветителя с расширяющейся частью 3 и сужающейся частью 4, входом воздушного потока (ВхП на фиг. 1) в область его стерилизации 5 и выходом из нее 6 (ВыхП на фиг. 1). Соответственно, на фиг. 1 внутренняя поверхность облучателя между сечениями 5 и 6 площадью S выполнена диффузно отражающей, а площадь внутренней поверхности облучателя без диффузно отражающего покрытия s - это сумма площадей сечений 5 и 6. Здесь необходимо указать, что общая площадь внутренней поверхности облучателя может существенно превосходить S - например, «выше по воздушному потоку» во входной области облучателя 7 могут быть размещены вентилятор, противопылевые фильтры и пр. Эта область 7 может быть выполнена как с, так и без диффузно отражающего покрытия или не из диффузно отражающего излучение материала, в последнем случае она уже не участвует в бактерицидном облучении воздушного потока.
Отметим также, что на фиг. 1 не показаны обычно входящие в состав закрытого бактерицидного облучателя (рециркулятора) источник питания, вентилятор, система блокирования выхода бактерицидного излучения за пределы облучателя, используемые во многих облучателях дополнительные противопылевые и другие фильтры и т.д. и т.п., поскольку эти компоненты облучателя не являются предметом заявляемого технического решения. В то же время элементы облучателя, находящиеся внутри его ограниченной диффузно отражающим покрытием области, в предпочтительном варианте выполняются также диффузно отражающими, например могут быть изготовлены из тефлона или выполнены с диффузно отражающим покрытием.
Материалом, который обеспечивает высокий коэффициент диффузного отражения в области 260-290 нм при умеренной стоимости и толщине уже 1÷1,5 мм (предпочтительна несколько большая толщина, с ее ростом увеличивается и эффективный коэффициент диффузного отражения) является фторопласт-4 (тефлон, PTFE) и некоторые его сополимеры. Известный и указанный в прототипе экспандированный фторопласт (e-PTFE) обеспечивает даже более высокий коэффициент диффузного отражения при меньшей толщине (уже для толщины 1 мм возможно R≈97%) и также может использоваться в заявляемом техническом решении, а значительно большая стоимость такого материала в расчете на единицу площади здесь может быть не существенной из-за умеренной площади диффузно отражающей поверхности компактного облучателя. Известны также и другие материалы, как правило на основе фторопласта или его аналогов, например «Spectralon» компании из США LABSPHERE, INC., материал референсного отражателя WS-2 производства нидерландской компании Avantes BV и т.д.
4
Высокий коэффициент диффузного отражения может также быть обеспечен за счет соответствующих покрытий, например на основе порошков окиси магния (MgO) или сульфата бария (BaSO), такого типа покрытие предлагает, например, компания из США LABSPHERE, INC. ([14]: https://www.labsphere.com/labsphere-products-solutions/materials-coatings-2/). В таком случае корпус облучателя может быть выполнен из стандартного конструкционного материала от нержавеющей стали, алюминия или алюминиевого сплава до различных пластиков, на внутреннюю поверхность которого нанесено соответствующее диффузно-отражающее покрытие. Укажем, что фактически в качестве покрытия может использоваться слой экспандированного фторопласта (e-PTFE), обладающий, в отличие от стандартного фторопласта Ф4 (тефлона), низкой жесткостью.
2
2
3
2
2
Помимо известных диффузно-отражающих покрытий аналогичные свойства поверхности (высокий коэффициент диффузного отражения) возможно реализовать за счет многократного перерассеяния света на вариациях показателя преломления в прозрачной для излучения (то есть, в не поглощающей излучение) среде. Такую среду можно получить в покрытии, представляющем собой прозрачное для излучения бактерицидного диапазона связующее (матрицу) с распределенными в нем также прозрачными для излучения бактерицидного диапазона частицами с показателем преломления, отличающимся от показателя преломления связующего. Указанные частицы могут представлять собой, например, оксиды кремния SiO и/или оксиды алюминия AlO и/или оксида магния MgO. В качестве связующего может использоваться, например силицированное жидкое стекло NaO⋅nSiO.
С целью реализации покрытия разумной, (умеренной) толщины по указанному варианту необходимо создать достаточное количество границ раздела сред с разными показателями преломления, для чего целесообразно использовать частицы малого размера, предпочтительно не более 30÷50 мкм. В этом случае покрытие может наноситься, в частности, распылением, как жидкая краска (связующее и микропорошок предварительно перешиваются с водой для уменьшения вязкости, затем после нанесения на поверхность вода испаряется при сушке), и уже при толщине <1 мм такое покрытие обеспечивает коэффициент диффузного отражения 94-95% для λ ~ 270 нм. Дополнительно снизить толщину описанного покрытия и увеличить эффективный коэффициент отражения возможно, если в качестве частиц использовать заполненные воздухом полые микросферы, например алюмосиликатные микросферы, поскольку рассеяние на границе с воздухом соответствует максимальному относительному показателю преломления и эффективность такого рассеяния максимальна.
Для компактного корпуса облучателя, в том числе в осесимметричном варианте, нанесение диффузно отражающего покрытия на его внутреннюю поверхность затруднительно. С целью упрощения решения этой задачи авторы предлагают в одном из вариантов реализации заявляемого технического решения выполнить корпус облучателя состоящим из по меньшей мере двух независимо изготовленных частей, которые, например, могут представлять собой половины корпуса, «разрезанные» вдоль его образующей (вдоль оси стерилизуемого потока). Нанесение как известных диффузно-отражающих материалов, включая экспандированный фторопласт, так и описанного прозрачного покрытия с рассеивающими микрочастицами на такие «открытые» поверхности не представляет проблемы, а затем части корпуса облучателя соединяют в единое целое, например, с помощью силового зацепления, с помощью хомутов или специальных фланцев с болтовым соединением. Внешние для бактерицидного излучения части корпуса облучателя могут быть изготовлены, в том числе, из алюминия (алюминиевого сплава) или пластика, например экструзией или литьем, с последующим нанесением на внутреннюю поверхность диффузно отражающего покрытия.
Как указывалось выше, уменьшение геометрических потерь увеличивает световой поток внутри облучателя с диффузно рассеивающей внутренней поверхностью (что является важным преимуществом), но при этом практически всегда в той или иной степени увеличиваются газодинамические потери (увеличивается коэффициент ζ) и возрастают затраты мощности на прокачку воздушного потока (что является значительным недостатком), примером такой ситуации является прототип. Авторы заявляемого технического решения в одном из вариантов его реализации предлагают использовать для уменьшения геометрических потерь тот компонент бактерицидного облучателя, который практически всегда присутствует в его газодинамическом контуре - вентилятор (вентиляторы). А именно: по меньшей мере часть поверхности вентилятора (прежде всего его лопастей), обращенная в сторону облучаемой бактерицидным излучением области воздушного потока, выполняется диффузно отражающей. С указанной целью лопасти вентилятора (а также его центральная часть) могут быть выполнены из тефлона или его сополимеров либо на соответствующие поверхности может быть нанесено диффузно отражающее покрытие.
Вентилятор с такой диффузно отражающей поверхностью может быть установлен со стороны входящего воздушного потока, со стороны выходящего воздушного потока, а также с обеих сторон. Габарит (диаметр) лопастей вентилятора может быть близок к диаметру основной части корпуса облучателя и может существенно от него отличаться, если вентилятор расположен в расширяющейся или сужающейся части корпуса облучателя.
В указанном случае без внесения дополнительных газодинамических потерь геометрические потери излучения в соответствующем сечении (входном и/или выходном) могут быть существенно уменьшены: по результатам измерений авторов эффективное поперечное сечение, через которое бактерицидный свет может выходить за пределы облучаемой области, может уменьшиться до 2,5 раз (и даже более) в зависимости от конкретной геометрий и числа лопастей вентилятора. При этом следует еще раз указать, что для рециркуляторов малой производительности затраты мощности на прокачку в целом достаточно малы.
Далее изобретение поясняется с помощью примеров, которыми изобретение однако не ограничено.
3
3
Использовались три светодиода мощностью около 10 мВт каждый (общая мощность бактерицидного излучения Q=30 мВт) с длиной волны максимума излучения около 275 нм, ширина полосы излучения около 12 нм. Прокачка стерилизуемого воздуха в большинстве случаев устанавливалась на уровне V=6 м/час, при этом предельная производительность расположенного на входе в бактерицидный облучатель вентилятора шириной 10 мм составляла ~20 м/час, потребляемая на прокачку мощность не превышала 2 Вт при общей потребляемой мощности до 4 Вт. Степень стерилизации воздушного потока определялась в соответствии с описанной в [1] методикой. Кроме того, интенсивность излучения на внутренней поверхности корпуса облучателя могла отдельно измеряться приемником излучения диаметром 4 мм с косинус-корректором, вставлявшимся в специально выполненное отверстие в корпусе диаметром 6 мм. Такие отверстия были выполнены в различных участках корпуса и без приемника излучения закрывались специальными тефлоновыми пробками, чтобы минимизировать их влияние на распределение световых потоков в корпусе облучателя.
1. Корпус облучателя с диффузно отражающей внутренней поверхностью представлял собой сборку двух выточенных (чистовое точение с очень мелкой шероховатостью) из качественного (первичного) тефлонового прутка осесимметричных фигур, которые совместно формировали следующую геометрию внутренней поверхности облучателя:
- основная цилиндрическая часть диаметром 7,4 см и длиной 15 см;
- переходные «квазиконические» (с закруглениями) участки с диаметра 2,8 см на диаметр 7,4 см (и обратно) длиной по 6 см на входе и выходе воздушного потока.
2,
2
2
Σ
Общая длина корпуса облучателя с диффузно отражающей поверхностью 27 см, максимальный диаметр 8 см, площадь диффузно отражающей поверхности S≈540 см суммарная площадь входного и выходного сечений воздушного потока s≈12,3 см, S=552 см.
Светодиоды размещались в цилиндрической части облучателя с шагом 5 см (второй светодиод в 135 мм от входного сечения облучателя) с шагом по окружности 120°.
Σ
2
3
Значение интенсивности падающего на внутреннюю поверхность полости бактерицидного излучения было достаточно стабильным и в среднем составило ~700 мкВт/см2, что в ≈13 раз превышает величину Q/S=54; мкВт/см и соответствует росту интенсивности излучения в полости облучателя в N=25÷26 раз (и фактически гарантирует хорошую однородность излучения в объеме облучателя). Соответственно, эффективная доза бактерицидного излучения составила NQ/V ~ 450 Дж/м, что соответствует степени стерилизации >99,9% по золотистому стафилококку ([1]). Фактически измеренная степень стерилизации составила 99,8-99,9%.
2. Аналогичный по геометрии примера 1 корпус облучателя был изготовлен из алюминиевого прутка сплава АД0 (содержание алюминия >99,5%), остальные параметры облучателя без изменений.
2
3
Σ
Значение интенсивности падающего на внутреннюю поверхность полости бактерицидного излучения колебалось в широких пределах и в среднем составило ~100 мкВт/см, что в ≈2 раза превышает величину Q/S и соответствует росту интенсивности излучения в полости облучателя в N ~ 3÷3,5 раза. Средняя эффективная доза бактерицидного излучения составила ~ 60 Дж/м, что не обеспечивает сколько-нибудь значительную степени стерилизации по золотистому стафилококку ([1]), особенно с учетом большой неоднородности излучения в объеме модели рециркулятора. Измерения показали фактическое отсутствие эффекта стерилизации.
3. Из алюминиевого прутка сплава АД0 были изготовлены две «половины» корпуса облучателя с тем же профилем, но увеличенными размерами по радиусу на 1 мм, и затем каждая разрезана на две части вдоль оси корпуса. Затем на внутреннюю поверхность каждой из четырех частей корпуса был наклеен слой экспандированного фторопласта толщиной 1 мм, после чего корпус был собран. Таким образом, после сборки геометрия облучателя соответствовала примерам 1-2, но на внутренней поверхности корпуса было покрытие из экспандированного фторопласта толщиной 1 мм; остальные параметры облучателя не изменились.
2
2
3
3
3
Σ
Значение интенсивности падающего на внутреннюю поверхность полости бактерицидного излучения было стабильным и в среднем составило ~ 950 мкВт/см, что в 17÷18 раз превышает величину Q/S=54 мкВт/см и соответствует росту интенсивности излучения в полости облучателя в N~35 раз (и гарантирует высокую однородность излучения в объеме облучателя). Следовательно, эффективная доза бактерицидного излучения составила NQ/V ~ 630 Дж/м, что соответствует степени стерилизации >99,9% по золотистому стафилококку ([1]). Фактически измеренная степень стерилизации превышала 99,9%, причем не только при производительности прокачки 6 м/час, но и 8 м/час.
4. Аналогичным п. 3 образом из двух частей был изготовлен цилиндрический стерилизатор с внутренним диаметром 5 см длиной 24 см, на внутренней поверхности которого было покрытие из экспандированного фторопласта толщиной 1 мм. Светодиоды располагались на расстоянии 7, 12, 17 см от входного сечения в облучатель.
На входе и выходе из корпуса облучателя с диффузно отражающей внутренней поверхностью располагались решетки-жалюзи, изготовленные из листа первичного фторопласта толщиной 6 мм. Пазы для прохода воздуха имели ширину 4 мм и располагались с шагом 4 мм под углом 70° к оси потока, таким образом «живое сечение» решетки составляло ~ 50%, при этом блокирование выхода бактерицидного излучения осуществлялось эффективно.
2
2
3
3
Σ
Значение интенсивности падающего на внутреннюю поверхность полости бактерицидного излучения было стабильным и в среднем составило ~1100 мкВт/см, что в ~20 раз превышает величину Q/S=54 мкВт/см и соответствует росту интенсивности излучения в полости облучателя в N≈40 раз. Соответственно, эффективная доза бактерицидного излучения составила NQ/V ~ 720 Дж/м. Фактически измеренная степень стерилизации составила 99,9% при производительности прокачки около 10 м/час.
3
3
Использование в заявляемом техническом решении светодиодов позволяет обеспечить ресурс бактерицидного излучателя 30-50 тыс. часов и более при практически неограниченном количестве циклов включения-выключения, ресурс в нашем случае будет определяться уже вентилятором, модели вентиляторов с ресурсом до 50 тыс. часов уже имеются. Кроме того, вентиляторы с производительностью прокачки ~ 10÷20 м/час (до 100 м/час) широко распространены, имеют низкую стоимость, их замена в компактном бактерицидном облучателе согласно заявляемому техническому решению может быть выполнена легко и быстро. Светодиоды практически безынерционны, время выхода бактерицидного облучателя на стационарный режим работы определяется временем «разгона» вентилятора и для компактных моделей не превышает 2÷3 секунд. Как светодиоды, так и компактные легкие вентиляторы устойчивы к ударам и вибрациям (именно легкий вентилятор весом 15-40 граммов может иметь виброгасящие прокладки, быть установлен на простом демпфирующем основании-подвесе и .т.д.).
Таким образом, техническим результатом, обеспечиваемым приведенной в заявляемой полезной модели совокупностью признаков, является возможность создания компактных бактерицидных облучателей с высоким ресурсом по времени работы и числу включений, хорошей стойкостью к ударам и вибрациям.
Сопоставительный анализ заявляемой полезной модели и известных аналогов выявляет наличие отличительных признаков по сравнению с наиболее близким аналогом, что обеспечивает ей соответствие критерию «новизна».
Возможность создания заявляемого бактерицидного облучателя на базе известных материалов, включая экспандированный фторопласт, комплектующих, включая светодиоды бактерицидного диапазона с достаточными для заявляемой полезной модели мощностью и КПД, технологий, включая технологии формирования диффузно отражающего покрытия с коэффициентом отражения 95% и более в бактерицидном диапазоне спектра обеспечивает заявляемому техническому решению соответствие критерию «промышленная применимость», некоторые конкретные варианты его реализации были описаны выше.
Для удовлетворения каких-либо возможных конкретных требований могут быть выполнены очевидные для квалифицированных специалистов в этой отрасли изменения описанных выше вариантов выполнения закрытого бактерицидного облучателя, а также его переделка без отклонения от защищаемых формулой изобретения положений. В частности, на входе в корпус облучателя могут располагаться фильтр (фильтры) предварительной очистки и различные турбулизаторы и вращатели потока (которые также могут быть размещены в объеме корпуса облучателя), могут быть использованы различные системы управления и контроля параметров бактерицидного облучателя и окружающей среды (стерилизуемого потока), включая системы обратной связи, управляющие мощностью светодиодов и/или расходом воздуха при прокачке, могут применяться различные варианты исключения (блокирования) выхода ультрафиолетового излучения за пределы корпуса облучателя и т.д.