BG4432U1

BG4432U1 - Персонално устройство за дезинфекция на въздух, включващо полумаска с дихателна камера

Info

Publication number: BG4432U1
Application number: BG5711U
Authority: BG
Inventors: Марио Семков; Христов Семков Марио; Георги ТОДОРОВ; Димитров Тодоров Георги; Явор СОФРОНОВ; Петров Софронов Явор; Христо ВАСИЛЕВ; Николов Василев Христо; Тодор ТОДОРОВ; Тодоров Тодоров Тодор
Original assignee: Христов Семков Марио; Димитров Тодоров Георги; Петров Софронов Явор; Николов Василев Христо; Тодоров Тодоров Тодор
Priority date: 2023-04-07
Filing date: 2023-04-07
Publication date: 2023-05-31

Abstract

Персоналното устройство за дезинфекция на въздух, съгласно полезния модел включва прозрачна полумаска (1) и дезинфекциращ UVC LED модул (2) за дезинфекция на въздушен поток, който включва UVС LED диоди (3), свързани със захранване и въздушна камера (12) с вътрешни стени, които са покрити с отразяващ материал с коефициент на отражение в UVC спектъра над 70%, и демонтируема прозрачна преграда (10), разположена между UVС LED диодите (3) и въздушната камера (12). Устройството осигурява висока степен на дезинфекция и лесно използване.

Description

Полезният модел се отнася за персонално устройство за дезинфекция на въздух, включващо полумаска с дихателна камера, което не затруднява дишането и осигурява защита, при вдишване и издишване, от инфекциозни заболявания предавани по въздушно капков път. Полезният модел се използва, по-специално в областта на персоналната защита в медицината, диагностиката и на други места, както на открити, така и на закрити пространства.

Предшестващо състояние на техниката

В случаи на пандемия от инфекциозно заболяване, предавано по въздушно капков път, са необходими различни начини за стерилизиране и дезинфекция, които да намалят разпространението на заразата, и вероятността човек да се зарази. Широко използван метод за дезинфекциране в нивото на техниката е използването на ултравиолетово лъчение, в частност UVC лъчението. Начините на използване на това лъчение са различни, като например, KR 20180067992 A описва решение, което се използва като устройство за стерилизиране на легло, устройство за монтиране на климатик, което да стерилизира преминаващия въздух, устройство за стерилизиране на течност в чаша, устройство за стерилизиране на вещи в гардероб.

За персонална защита на вдишвания и издишвания въздух се използват лицеви полумаски, които покриват носа и устата на човек. След изследване на размера на вирусите, Световната здравна организация е направила заключение, че тези лични предпазни средства са подходящи да предпазят ползвателя от заразата по отношение защитата на дихателните пътища. За тях, хармонизираният стандарт, EN 149:2001 + А1:2009 е предвидил възможност на следните три класа на защита:

- маски от тип FFP1, които филтрират 50% външния въздух,

- маски от тип FFP2, които филтрират 92% външния въздух,

- маски от тип FFP3, които филтрират 98% външния въздух.

Забелязва се, че няма 100% филтриране на външния въздух при употребата им и винаги има опасност от тъй нареченото „просмукване“ на външен въздух при вдишване. В общия случай маските са направени от текстил, които са непрозрачни и през тях могат да преминават вируси от околната среда при вдишване, и да се отдават от потребителя при издишване. Освен това, този тип маски предизвикват задъхване, поради повишаване на концентрацията от въглероден диоксид и създаване на микро -среда. Също така, при говорене между лицевата част на човека и контурите на полумаската прониква външен въздух при вдишване и излиза част от издишвания въздух.

От нивото на техниката е известно решение за персонална защита от вируси, представляващо полумаска с основно защитно тяло за херметично поставяне на лице с уплътнителни зони по края, в което въздушно тяло е оформена въздушна кухина за осигуряване на пространство пред уста и нос на потребител, като в уплътнителната зона на полумаската са разположени UV LED диоди за непрекъсната дезинфекция на преминаващия въздушен поток, свързани с източник на електроенергия. Използва се UVC лъчение с висока ефективност. Недостатък на това решение е налагащата се много внимателна експлоатация от страна на потребителя, за да не се облъчи лицето му, както и опасност от неправилен или погрешен монтаж, който води до висока степен на риск за дефектиране на устройството и за здравето на човека. Друг недостатък е, че дезинфекцията се осъществява след филтрите за прахови частици и така не се осигурява унищожаване на бактерии, вируси и други микроорганизми, които се натрупват във филтърната част и водят до замърсяване на системата.

Техническа същност на полезния модел

Задачата на полезния модел е да се предостави иновативна конструкция на персонално устройство за дезинфекция на въздух с полумаска за персонална защита, което да не затруднява дишането и да е с повишени възможности за стерилизиране на преминаващия през него въздух, и да е по-удобно за носене от потребител.

Тази задача се решава, като се създава персонално устройство за дезинфекция на въздух, включващо полумаска с UVC LED модул за дезинфекция на въздушен поток, съгласно полезния модел. Полумаската има основно защитно тяло за херметично поставяне на лице с уплътнителни зони по края, в което въздушно тяло е оформена въздушна кухина за осигуряване на пространство пред лице и нос на потребител. Полумаската е свързана чрез въздушен канал с UVC LED модула. UVC LED модулът за дезинфекция на въздушен поток включва UVC LED диоди, свързани със захранване и въздушна камера за дезинфекция, в която са оформени вътрешни прегради. Захранването включва UV-LED драйвер за осигуряване на токово захранване и източник на електроенергия, например акумулаторна батерия с куплунг за зареждане или друг тип батерия, например литиево-йонна батерия. Въздушната камера за дезинфекция има поне един входно/изходен отвор за въздух към външна среда и поне един входно/изходен отвор за въздух към кухината на полумаската. Въздушната камера има вътрешни стени, които заедно с преградите са покрити с отразяващ материал с коефициент на отражение в UVC спектъра над 70%. UVC LED модулът за дезинфекция на въздушен поток включва и прозрачна преграда, разположена между UVC LED диодите и въздушната камера, която осигурява преминаването на UVC лъчението от диодите към преминаващия през въздушната камера въздух. Прозрачната преграда заедно с вътрешните прегради образува лабиринтна структура на въздушната камера. Прозрачната преграда може да е демонтируема за улесняване на процеса на сглобяване на UVC LED модула.

В предпочитан вариант на изпълнение на полезния модел, отразяващият материал е магнезиев флуорид (MgF₂) или политетрафлуоретилен (PTFE), но алтернативно може да бъде и друг подходящ материал.

Високото ниво на дезинфекция на въздушния поток се получава, като се използват многократните отражения на UVC лъчистия поток и удължаване пътя и завихряне на вдишвания и издишвания въздух.

В един вариант на изпълнение, полумаската и UVC LED модулът за дезинфекция на въздушния поток са свързани директно едно към друго.

В друг вариант на изпълнение, UVC LED модулът за дезинфекция на въздушен поток включва крепежни средства за закрепване към човешко тяло и гъвкав шланг за преминаване на въздух, преминаващ от входно/изходния отвор за въздух към външна среда на UVC LED модула до входно/изходния отвор на полумаската. Крепежните средства могат да са колан и/или презрамки, или друг вид подходящи средства.

За предпочитане, полумаската е направена от прозрачен материал, например PVC, който да осигурява визуализация на покритата от полумаската част от лицето на човек.

За предпочитане, персоналното устройство за дезинфекция на въздух включва средство за включване и изключване на UVC LED модула, осигуряващо възможност за използване на UVC LED модула по избор на потребителя, и съответно икономия на енергия, когато не е необходимо това използване.

Предимства на полезния модел са, че има следните функции:

- премахване на вируси, бактерии, микроби, в т. ч. и вируси на Ковид19, от вдишвания и издишвания въздух чрез активно облъчване с UVC LED лъчист поток;

- регулиране на интензитета на лъчистия поток в зависимост от дебита на вдишвания и издишвания въздух;

- премахване на високата влажност на издишвания въздух и по този начин ограничаване на кондензата по стените на UVC LED камерата;

- ограничаване на възможността за „всмукване“ между полумаската и лицето на индивида при вдишване и „изпускане“ на въздух между полумаската и лицето при издишване;

- чувствително ограничаване на „въздушното“ съпротивление при вдишване и издишване, тоест улесняване на процеса на вдишване и издишване.

Пояснение на приложените фигури

Фигура 1 представлява предпочитан вариант на изпълнение на полезния модел, в който персоналното устройство за дезинфекция на въздух се използва с прозрачна маска за очите.

Фигура 2 представлява изглед в разпръснат вид на предпочитан вариант на UVC LED модула.

Фигура 3 представлява изглед в разрез на предпочитан вариант на UVC LED модула.

Списък с референтни номера

Лицева полумаска;

2. UVC LED модул за дезинфекция на въздушен поток;

3. UVC светодиоди;

4. UV-LED драйвер;

5. Куплунг за зареждане от стационарно захранващо устройство;

6. Средство за включване и изключване на UVC LED модула;

7. Акумулаторна батерия;

8. Вътрешни прегради;

9. Входно/изходен отвор за въздух към кухината на полумаската;

10. Прозрачна преграда;

11. Входно/изходен отвор за въздух към външна среда;

12. Въздушна камера, през която преминава вдишвания и издишвания въздух.

Пример за изпълнение на полезния модел

Персоналното устройство за дезинфекция на въздух, съгласно полезния модел, включва прозрачна полумаска 1, свързана чрез въздушен канал е UVC LED модул 2 за дезинфекция на въздушен поток.

Прозрачната полумаска 1 може да е направена от PVC или друг подходящ материал. Тя се поставя върху носа и устата на потребител така, че да осигури свободно движение на долната челюст при говорене, и така, че да не се получава „просмукване“ при вдишване между лицето на човека и полумаската 1, като по този начин не може да премине въздух както при вдишване, така и при издишване. Прозрачният материал премахва възможността полумаската 1 да осигурява в определена степен анонимност на лицето, което я носи. Освен това спомага да бъде по-добре възприет говора, виждайки се движението на устните.

Въздушният канал се образува от входно/изходния отвор 9 за въздух на UVC LED модула 2, свързан с входно/изходния отвор на полумаската 1 и кухината на полумаската 1.

Отпред, в долната част (т. е. под долната челюст на потребителя) на лицевата полумаска 1 се монтира UVC LED модулът 2 за дезинфекция на вдишвания и издишвания въздух, който се дезинфекцира с подходяща доза UVC лъчист поток, в зависимост от дебита на вдишвания и издишвания въздух. UVC LED модулът се състои от PVC въздушна камера 12, имаща прегради, оформящи вълнообразна структура подобна на лабиринт. Въздушната камера 12 има вътрешни стени с покритие с висок коефициент на UVC отражение, като например магнезиев флуорид (MgF2) или политетрафлуоретилен (PTFE) - материали, които осигуряват коефициент на UVC отражение около 90% при дължина на вълната λ = между 260 и 270 nm, например 265 nm. По този начин се осигуряват многократни отражения на UVC лъчистия поток вътре в камерата 12, между нейните стени. В средата на UVC LED модула има демонтируема прозрачна преграда 10 от прозрачно кварцово стъкло, чрез която се удължава пътя на вдишвания и издишвания въздух, и която не пречи на многократните отражения на UVC лъчистия поток между стените на камерата 12, а напротив - пропуска UVC LED лъчистия поток на диоди 3 и отразения лъчист поток и осъществява съвместно с формата на камерата 12 завихряне на вдишвания и издишвания въздух, като вследствие насочването на въздушните потоци и тяхното завихряне, те преминават в непосредствена близост до излъчващата повърхност на диодите 3. По този начин определено количество въздух (вдишван и издишван) се облъчва два пъти от директния UVC лъчист поток, и многократно от лъчистия поток следствие на многократните отражения, като така се получава един „усилвател“ на UVC лъчист поток. Пътят на вдишвания и издишвания въздух се удължава в UVC LED модула 2, като също така въздухът се завихря, от демонтируема прозрачна преграда 10 и лабиринтната форма на въздушната камера 12 за дезинфекция, в която са оформени вътрешните прегради 8, както се вижда на фигура 3. Така въздухът се насочва да премине в непосредствена близост до излъчващата повърхност на UVC LED диодите 3 на UVC LED модула, които са с максимално спектрално излъчване при дължина на вълната λ = между 260 и 270 nm, например 265 nm. Това е дължината на вълната, която се препоръчва за унищожаване на Ковид вируса в технически доклад REPORT № 155:2003 на CIE (международна комисия по осветление). В REPORT № 155:2003 се препоръчва доза от 10^20 mJ/cm² на лъчистия поток за унищожаване на Ковид 19 при обеззаразяване на въздух, като се осигури 99.9% защита от Ковид 19. Конструкцията на устройството, съгласно полезния модел, осигурява облъчване на въздушния поток за поне една милисекунда, което осигурява високата степен на дезинфекция на въздушния поток. Така се постига и защита от 99.9% от вируса Ковид 19, както на вдишвания, така и на издишвания въздух.

Полезният модел използва естествената циркулация на вдишвания обем въздух, който носи със себе си бактерии, вируси и други микроорганизми. Въздухът преминава през UVC LED модула 2 за дезинфекция на въздушен поток, където патогенните организми във въздушния поток преминат през силно UVC лъчение, и така те се неутрализират и унищожават. Така се прилага известния ефект на ултравиолетовото UVC лъчение за унищожаване на вируси, микроби, плесени и бактерии с много висока ефективност, приложен към вдишвания въздух.

Както e показано на фигура 2, UVC LED модулът включва и:

- UV - LED DC - DC драйвер 4, който осигурява токовото захранване на светодиодите;

- акумулаторна батерия 7, осигуряваща автономно захранване на UVC LED модула с необходимата продължителност на работа, в зависимост от областта на приложение;

- куплунг 5, в който се поставя кабел на стационарно захранващо устройство, което осигурява работата на светодиодите 3 и зарежда батерията 7,

- средство 6 за включване и изключване на UVC LED модула, което може да бъде електрически ключ или сензор. То може да бъде свързано със сигнални светодиоди, като например, при включен модул светва зелен сигнален светодиод, а когато зарядът в батерията 7 спадне под определена граница, светва червен сигнален светодиод.

В случаите, когато UVC LED модулът не е трайно закрепен към полумаската 1, има следните допълнителни елементи: гъвкав шланг, през който преминава вдишваният и издишваният въздух, и колан или презрамки, чрез които UVC LED модулът се закрепва към тялото на човек, и може да се носи на гърба или на гърдите. Това закрепване се налага при маски за индивиди с голям обем на вдишвания въздух > 3000 см³, или други специални изпълнения.

Възможно е полумаската 1 да се използва в комплект с прозрачна маска, покриваща очите на потребителя, за предпазване от заразяване през очите, както е показано на фигура 1. Двете маски не са свързани помежду си и прилепват отделно една от друга към лицето. По този начин се избягва изпотяването на маската за очите.

За да се конструира правилно персоналното устройство за дезинфекция, обект на полезния модел и да се постигне неговата цел, трябва да се подбере подходящия размер на полумаската 1 съобразно размерите и формата на лицето на потребител, и да се определи максималният обем на вдишвания въздух. Полумаските могат да се произвеждат с различни размери (подобно на размерите на дрехите) в зависимост от размерите на човешкото лице (профила и размерите на лицето на индивида) и обема на вдишвания въздух от всеки един индивид. Вдишваният и издишваният въздух „влизат и излизат“ от въздушната камера 12 на UVC LED модула през отвор 11 с напречно сечение > 2 ст², като по този начин не се затруднява дишането. С този тип полумаска може да се работи непрекъснато в рамките на една работна смяна (8-10 часа), без да има затруднения при дишането, за разлика от полумаски, комбинирани с филтри.

Максималният обем на вдишвания въздух варира в широки граници, като се изчислява вдишвания и издишвания обем въздух, инспираторния резервен обем (ИРО), експираторния резервен обем (ЕРО), остатъчния обем (ОО), минутния дихателен обем (МДО), и експозицията Н в дадена точка, намираща се вътре в обема на въздушната камера 12.

В зависимост от условията и промените в обема и капацитетите на белия дроб, човек може да вдиша или издиша различен обем въздух. Вдишаният обем въздух може да варира, например от 200 до 2000 ml, а обемът въздух, който човек издишва, може един път да е 500 ml, друг път 1500 ml и т. н.

Дихателен обем (ДО) се нарича обемът въздух, който навлиза в белите дробове при всяко спокойно вдишване или издишване. За възрастен човек, този обем обикновено е 500 ml.

Инспираторен резервен обем (ИРО) се нарича количеството въздух, което човек може допълнително да поеме след едно обикновено вдишване, при максимално инспираторно усилие. ИРО може да варира между 2 и 3,3 l.

Експираторен резервен обем (ЕРО) се нарича обемът въздух, който човек издишва с максимално експираторно усилие, след едно обикновено издишване. ЕРО може да варира между 0,7 и 1 l.

Остатъчен обем (ОО) се нарича обемът въздух, който остава в белите дробове след максимално издишване. ОО може да варира между 1,1 и 1,2 l.

При здрави, млади хора максималната белодробна (волева) вентилация за 1 min, достига до 15 l/min. По време на покой човек прави 12 до 14 вдишвания в минута. Обемът въздух, който се вдишва за 1 min, се нарича минутен дихателен обем (МДО), който е 6 1. При натоварване броят на вдишванията се увеличава до 18 пъти в минута.

За горна граница на честотата на вдишвания се приема 18 броя за минута. Това гарантира, че полумаската ще осигури 99.9% защита и при ускорено дишане.

Съгласно закона на Bousen-Roscoe, описан в технически доклад CIE Report 106-1993, фотохимичната реакция показва реципрочност между облъчването (скорост на експозицията) и продължителността на експозицията. Законът гласи, че за да се получи дадена реакция, независимо от продължителността на експозиция в широк диапазон е необходимо да е налице дадено облъчване mJ/cm², примери за което са дадени по-долу.

При използването на устройството за дезинфекция на въздух, съгласно полезния модел, при вдишване, въздухът преминава през въздушната камера 12, в която е осигурена експозиция на UVC с λ_max = 265 nm на облъчване на въздуха (Не.о) > 25 mJ/cm², съгласно технически доклад CIE REPORT 155:2003. Тази доза е гаранция, че вирусът Ковид 19 ще бъде унищожен с вероятност 99.9%. Издишваният въздух, който е в по малко количество от вдишания, също преминава през UVC LED въздушната камера 12 и получава експозиция на облъчване (Не.о) > 30 mJ/cm². Тази повишена експозиция на облъчване при издишване в определена степен компенсира повишената устойчивост на вируса при повишена влажност, типична за издишвания въздух. Всъщност, с използване на полезния модел, повишената влажност в издишвания въздух се ограничава, като се използва отделената топлина от UVC LED диодите 3. Всичко това води до 99.9% гаранция, че в издишвания от човек-вирусоносител въздух няма да се съдържа вируса Ковид 19. Именно издишаният въздух от вирусоносители е най-честата причина за разпространение на Ковид 19.

Стойността на експозицията на облъчване (Нео) се получава, като се интегрира сферичното (обемното) облъчване Ее.о по времето, предоставено за облъчване. Сферичното облъчване е общият лъчист поток (от всички посоки) преминаващ през малка прозрачна въображаема сферична цел, съдържаща разглежданата точка, разделен на напречното сечение на тази цел. Съответно, интегрираното произведение на сферичното (обемното) облъчване и продължителността на облъчването t се описва с Н_{е о} = J Ее.о х Δt или опростен израз Н_{е о} = Ee.o.t, когато скоростта на обемното облъчване е постоянна през разглеждания период от време. Единицата за измерване на експозицията е mJ/cm².

По долу се представя един вариант на изпълнение на конструкцията на полезния модел:

При използването на „усилвател“ на лъчист поток с коефициент на отражение на стените на въздушната камера 12 R_uvc = 0.90 и отчитане на нулевото отражение на входящия и изходящия отвор 11 на въздушната камера 12 е обща площ 2 сm² и коефициенти на отражение на светещите повърхности на светодиодите R_led = 0.7, се получава коефициент на усилване на UVC лъчистия поток във въздушната камера 12 К_у = 3 . При обем на вдишвания въздух Q_вд = 1500 cm³ (типичен обем на вдишване на основната част от хората) и обем на въздушната камерата 12 от 20 cm³, количеството на мъртвия въздух е около 15 с m³ (мъртвия въздух е количеството издишан въздух, който отново се вдишва т. е. количеството въздух, което се намира във въздушната камера 12). Приема се брой на вдишванията да е 18 броя/минута, което съответства на интензивно натоварване (работа). Съотношението свеж въздух към мъртъв въздух е 75/1, което е приемливо от практическа гледна точка. Съотношение на електрическата мощност на използваните светодиоди 3 към мощността на излъчения UVC лъчист поток е Pied/ Pled uvc = 30. Съгласно горепосочените изходни условия електрическата мощност на UVC светодиодите 3 за конкретния случай е Pled uvc = 4 W, като чрез тази електрическа мощност се осигурява експозиция при вдишване Н_е._{о вд} = 25 mJ/ст² и експозиция при издишване Н Н_е._{о изд} = 30 mJ/ст² Стойността на експозицията при обеззаразяване на въздух съгласно CIE REPORT 155:2003 е Не.о =10 - 20 mJ/ст², като при тези стойности на експозицията се постига 99.9% защита от Ковид19. Възможни са множество технически решения, базирани на основата на представения полезен модел.

Капацитетът на батерията 7 Qb във Wh може да варира спрямо нуждите, като се определя от инсталираната мощност на UVC светодиодите 3 плюс загубите на мощност в DC - DC драйвера:

Pled = Rled uvc+ ΔРдр. [W] и от необходимото време за автономна работа Т_а в часове:

Qb = Pled x Та [Wh].

Многократните отражения от вътрешните стени на въздушната камера 12 на UVC лъченията с λ_mαх = 265 nm могат да намалят повече от 10 пъти необходимата инсталирана мощност на UVC LED и вследствие на това и капацитета на батерията 7 за автономно захранване.

Референтните номера на техническите признаци са включени в претенциите единствено е цел да се увеличи разбираемостта на претенциите и, следователно, тези референтни номера нямат никакъв ограничаващ ефект по отношение на интерпретацията на елементите, означени с тези референтни номера.

Claims

Персонално устройство за дезинфекция на въздух, включващо полумаска с дихателна камера и дезинфекциращ UVC LED модул за дезинфекция на въздушен поток, при което полумаската има основно защитно тяло за херметично поставяне на лице с уплътнителни зони по края, в което въздушно тяло е оформена въздушна кухина за осигуряване на пространство пред уста и нос на потребител, при което UVC LED модулът (2) за дезинфекция на въздушен поток включва UVC LED диоди (3), свързани със захранване, характеризиращо се с това, че полумаската (1) е свързана чрез въздушен канал с UVC LED модула (2), който включва и въздушна камера (12) за дезинфекция, в която са оформени вътрешни прегради (8), при което захранването включва UV - LED драйвер (4) за осигуряване на токово захранване и източник на електроенергия, като въздушната камера (12) за дезинфекция има поне един входно/изходен отвор (11) за въздух към външна среда и поне един входно/изходен отвор (9) за въздух към кухината на полумаската, при което въздушната камера (12) има вътрешни стени, които заедно с преградите (8) са покрити с отразяващ материал с коефициент на отражение в UVC спектъра над 70%, и при което UVC LED модулът (2) за дезинфекция на въздушен поток включва и прозрачна преграда (10), разположена между UVC LED диодите (3) и въздушната камера (12), която прозрачна преграда (10) заедно с преградите (8) образува лабиринтна структура на въздушната камера (12)