DE102021101398A1 - Device and method for disinfecting an infectious aerosol, in particular for deactivating pathogens in aerosol droplets - Google Patents

Device and method for disinfecting an infectious aerosol, in particular for deactivating pathogens in aerosol droplets Download PDF

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Abstract

Vorgeschlagen wird eine energieeffiziente, wartungsarme, sichere und zuverlässige Vorrichtung (100) sowie ein Verfahren zur Desinfektion eines infektiösen Aerosols, insbesondere zum Deaktivieren von Krankheitserregern in Aerosoltropfen. Die Desinfektion mittels elektromagnetischer Strahlung ist bisher sehr energieaufwändig. Die Desinfektion durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird durch Absorption von Infrarotstrahlung realisiert. Dazu wird das infektiöse Aerosol mit Hilfe einer Ansaugeinrichtung (140) außerhalb des Lasermediums (130) durch den Resonator (110) eines Infrarotlasers geleitet. Das Lasermedium (130) wird durch eine Pump(licht)Quelle (135) angeregt. Die Leistung des Infrarotlichts im Resonator ist wesentlich überhöht gegenüber ausgekoppelter Infrarotstrahlung. Das Wasser der Aerosoltropfen absorbiert die Infrarotstrahlung hoch effizient. Dadurch erhitzen sich die Aerosoltropfen. Die darin befindlichen Krankheitserreger denaturieren temperaturbedingt. Auf diese Weise wird eine effiziente Desinfektion erreicht.An energy-efficient, low-maintenance, safe and reliable device (100) and a method for disinfecting an infectious aerosol, in particular for deactivating pathogens in aerosol droplets, is proposed. Disinfection by means of electromagnetic radiation has hitherto been very energy-intensive. The disinfection by the device according to the invention is realized by absorption of infrared radiation. For this purpose, the infectious aerosol is guided through the resonator (110) of an infrared laser outside of the laser medium (130) with the aid of a suction device (140). The laser medium (130) is excited by a pump (light) source (135). The power of the infrared light in the resonator is significantly higher than that of infrared radiation that is coupled out. The water in the aerosol drops absorbs the infrared radiation very efficiently. This heats up the aerosol droplets. The pathogens contained therein denature due to temperature. In this way, efficient disinfection is achieved.

Description

Gebiet der Erfindungfield of invention

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Desinfektion von infektiösen Aerosolen, insbesondere zum Deaktivieren von Krankheitserregern in Aerosoltropfen, um so deren Verbreitung zu vermindern.The invention relates to a device and a method for disinfecting infectious aerosols, in particular for deactivating pathogens in aerosol droplets in order to reduce their spread.

Die Luft eines Raumes, in dem sich Menschen aufhalten, kann durch Krankheitserreger kontaminiert sein und die Konzentration der Krankheitserreger in der Raumluft durch von Menschen ausgeatmete Luft, welche ebenso Krankheitserreger enthalten kann, erhöht werden. Die Krankheitserreger befinden sich häufig in Aerosoltropfen und werden vom Menschen eingeatmet, dabei scheidet sich ein Teil der inhalierten Aerosoltropfen im Atemtrakt ab, was nachteilige Folgen für die Gesundheit haben kann.The air in a room in which people are present can be contaminated by pathogens and the concentration of pathogens in the room air can be increased by the air exhaled by people, which can also contain pathogens. The pathogens are often found in aerosol droplets and are inhaled by humans, with part of the inhaled aerosol droplets separating in the respiratory tract, which can have adverse health consequences.

Eine effektive, zuverlässige und kontinuierliche Desinfektion der Raumluft mindert das Risiko einer Ansteckung mit Krankheitserregern, insbesondere mit denjenigen, die sich in Aerosoltropfen befinden und so über einen längeren Zeitraum in der Luft aufhalten können, wie bspw. Corona-Viren.Effective, reliable and continuous disinfection of the room air reduces the risk of infection with pathogens, especially those that are in aerosol droplets and can therefore remain in the air for a longer period of time, such as corona viruses.

An einer Vielzahl von Orten des täglichen Lebens wird die Luft in geschlossenen Räumen von allen Anwesenden geteilt. Da das Risiko einer Ansteckung von der Menge der eingeatmeten aktiven Krankheitserreger und damit von der Konzentration der aktiven Krankheitserreger in der Luft abhängt, mindert eine Reduzierung dieser Konzentration das Risiko einer Ansteckung.In many places of daily life, indoor air is shared by everyone present. Since the risk of infection depends on the amount of active pathogens inhaled and thus on the concentration of active pathogens in the air, reducing this concentration reduces the risk of infection.

Stand der TechnikState of the art

Nach dem Stand der Technik kann eine Reinigung von infektiösen Aerosolen bspw. durch Zerstäuben oder Vernebeln eines Desinfektionsmittels und anschließendes Umwälzen erfolgen. Auch ein Filtern der infektiösen Aerosole, bspw. mittels HEPA-Filtern, wird als eigenständiges oder ergänzendes Verfahren zum Reinigen infektiöser Aerosole eingesetzt.According to the prior art, infectious aerosols can be cleaned, for example, by atomizing or nebulizing a disinfectant and then circulating it. Filtering of the infectious aerosols, for example by means of HEPA filters, is also used as an independent or supplementary method for cleaning infectious aerosols.

Auch die Desinfektion infektiöser Aerosole mit Hilfe eines Plasmas oder Ionenfeldes findet sich im Stand der Technik.The prior art also includes the disinfection of infectious aerosols with the aid of a plasma or ion field.

In den meisten Fällen wird die Desinfektion von Luft in geschlossenen Räumen im Stand der Technik mit Hilfe von UV-Strahlung realisiert. Der Einsatz von UV-Strahlung hat gegenüber der Verwendung von Desinfektionsmitteln oder reinen Filtersystemen den Vorteil, bei der Anwendung kein Abfallprodukt zu erzeugen, sowie zusätzliche Wartungsschritte zur Reinigung unnötig zu machen.In most cases, the disinfection of air in closed rooms is realized in the prior art with the help of UV radiation. Compared to the use of disinfectants or pure filter systems, the use of UV radiation has the advantage of not producing any waste product during use and of making additional maintenance steps for cleaning unnecessary.

Als Quelle der UV-Strahlung werden, bis auf wenige Ausnahmen, Lampen oder Leuchtstoffröhren eingesetzt, welche Licht im UV-Bereich emittieren. Diese weisen neben einem hohen Energieverbrauch auch ein gesundheitliches Risiko für den Menschen auf. Die für die Desinfektion benötigten Strahlungsintensitäten des UV-Lichts bewirken fotochemische Veränderungen des menschlichen Gewebes. Menschliches Gewebe sollte daher möglichst wenig solcher UV-Strahlung ausgesetzt sein.With a few exceptions, lamps or fluorescent tubes that emit light in the UV range are used as the source of UV radiation. In addition to high energy consumption, these also pose a health risk for humans. The radiation intensities of the UV light required for disinfection cause photochemical changes in human tissue. Human tissue should therefore be exposed to as little UV radiation as possible.

Die Nutzung von UV-Strahlung zielt auf die direkte Zerstörung der Viren-RNA, indem durch Absorption der UV-Strahlung durch die RNA der Bruch kovalenter Bindungen innerhalb der Moleküle provoziert wird.The use of UV radiation aims at the direct destruction of the viral RNA by provoking the breaking of covalent bonds within the molecules through the absorption of the UV radiation by the RNA.

In der Druckschrift CN 111603599 A wird zur Desinfektion von infektiösen Aerosolen der Einsatz eines UV-Lasers vorgeschlagen, dessen Strahl durch Einsatz von Spiegeln und Linsen zu einer Art „Laser-Vorhang“ aufgeweitet wird, durch den die infektiösen Aerosole geleitet wird. Durch diese Art der Fokussierung und aufgrund der Gerichtetheit des Laserstrahls wird die Gefährdung des Menschen im Vergleich zu UV-Leuchtstoffröhren oder -lampen vermindert. Für eine zuverlässige Desinfektion nennt die Schrift eine Ausgangsleistung des Lasers von 200 W, was beim Einsatz von bspw. verbreiteten UV-Hochleistungs-Faserlasern einer Aufnahmeleistung von mehr als 2000 W entspricht. Auch wenn die Aufnahmeleistung anderer Lasertypen im UV-Bereich kleiner sein kann, wird beim Einsatz eines UV-Lasers eine Aufnahmeleistung deutlich größer 200 W benötigt, um die für eine zuverlässige Desinfektion nötige Ausgangsleistung des Lasers zu realisieren (siehe z.B. Datenblatt zu UV-Lasern der ULM/ULR-355 Serie von IPG Photonics (https://www.ipgphotonics.com/en/81/FileAttachment/ULM-ULR-355-200+Datasheet.pdf, aufgerufen am 11.12.2020)).In the pamphlet CN 111603599A the use of a UV laser is proposed for the disinfection of infectious aerosols, the beam of which is expanded by the use of mirrors and lenses to form a kind of "laser curtain" through which the infectious aerosols are guided. This type of focusing and the directivity of the laser beam reduce the risk to humans compared to UV fluorescent tubes or lamps. For reliable disinfection, the document states an output power of the laser of 200 W, which corresponds to an input power of more than 2000 W when using, for example, widespread UV high-power fiber lasers. Even if the input power of other types of lasers in the UV range can be lower, when using a UV laser, an input power of significantly more than 200 W is required in order to achieve the laser output power required for reliable disinfection (see e.g. data sheet on UV lasers from ULM/ULR-355 series from IPG Photonics (https://www.ipgphotonics.com/en/81/FileAttachment/ULM-ULR-355-200+Datasheet.pdf, accessed 2020-12-11)).

Aufgabetask

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren anzugeben, welches eine energieeffiziente, wartungsarme, sichere, zuverlässige und kontinuierliche Reinigung oder Desinfektion von infektiösen Aerosolen, insbesondere das Deaktivieren von Krankheitserregern in Aerosoltropfen, ermöglicht.The object of the invention is to specify a device and a method which enables energy-efficient, low-maintenance, safe, reliable and continuous cleaning or disinfection of infectious aerosols, in particular the deactivation of pathogens in aerosol droplets.

Lösungsolution

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstands des unabhängigen Anspruchs sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.This object is solved by the subject matter of the independent claim. Advantageous developments of the subject matter of the independent claim are characterized in the dependent claims. The wording of all claims is hereby made part of the content of this description by reference.

Die Verwendung der Einzahl soll die Mehrzahl nicht ausschließen, was auch im umgekehrten Sinn zu gelten hat, soweit nichts Gegenteiliges offenbart ist.The use of the singular is not intended to exclude the plural, which also applies vice versa, unless otherwise disclosed.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung vorgeschlagen. Die vorgeschlagene Vorrichtung ermöglicht eine Desinfektion von infektiösen Aerosolen, insbesondere das Deaktivieren von Krankheitserregern in Aerosoltropfen. Sie nutzt dafür das Infrarot-Licht eines Infrarot-Lasers. Der Infrarot-Laser weist eine Pumpquelle zum Anregen eines Lasermediums auf. Das Lasermedium befindet sich typischerweise in einem Resonator, typischerweise zwischen zwei Endspiegeln. Bei einem Resonator hoher Güte mit Endspiegeln sind diese maximal reflektierend für Infrarotstrahlung. Möglich ist aber auch ein externer Resonator hoher Güte, der an den Infrarot-Laser gekoppelt wird. In beiden Fällen sammelt der Resonator das Licht des Infrarot-Lasers, wodurch es zu einer Überhöhung der Lichtintensität im Resonator kommt.A device is proposed to solve the problem. The proposed device enables disinfection of infectious aerosols, in particular the deactivation of pathogens in aerosol droplets. To do this, it uses the infrared light of an infrared laser. The infrared laser has a pump source for exciting a laser medium. The laser medium is typically located in a resonator, typically between two end mirrors. In the case of a high-quality resonator with end mirrors, these are maximally reflective for infrared radiation. However, an external high-quality resonator that is coupled to the infrared laser is also possible. In both cases, the resonator collects the light from the infrared laser, causing the light intensity in the resonator to increase.

Mit Hilfe einer Umwälzeinrichtung bzw. Ansaugvorrichtung wird das infektiöse Aerosol durch den Resonator des Infrarot-Lasers oder den externen Resonator geleitet.The infectious aerosol is guided through the resonator of the infrared laser or the external resonator with the aid of a circulation device or suction device.

Die Aerosoltropfen absorbieren die Infrarotstrahlung im Inneren des Resonators und erhitzen sich dadurch. Die Hitze deaktiviert die Krankheitserreger durch die Denaturierung von Biomolekülen, welche bspw. in Form von Proteinen in der Hülle von Viren enthalten sind. Ein möglicher zusätzlicher Wirkmechanismus könnte in der direkten Zerstörung der viralen oder bakteriellen Strukturen mittels laserinduzierter Wasserevaporation liegen.The aerosol droplets absorb the infrared radiation inside the resonator and heat up as a result. The heat deactivates the pathogens by denaturing biomolecules, which are contained, for example, in the form of proteins in the envelope of viruses. A possible additional mechanism of action could be the direct destruction of the viral or bacterial structures by means of laser-induced water evaporation.

Die Absorption der Infrarotstrahlung innerhalb des Resonators steht im Gegensatz zu konventionellen Verfahren, bei denen das Laserlicht aus dem Resonator ausgekoppelt wird. Man spricht bei der Bestrahlung mit Laserlicht innerhalb eines Laser-Resonators auch von einem Cavity-Enhanced-Verfahren.The absorption of the infrared radiation within the resonator is in contrast to conventional methods in which the laser light is coupled out of the resonator. In the case of irradiation with laser light within a laser resonator, one also speaks of a cavity-enhanced method.

Die Pumpquelle regt zunächst Atome oder Moleküle im Lasermedium an. Hierdurch werden energetisch höhere Zustände besetzt. Wird ein angeregtes Atom durch ein Photon mit der gewünschten auszustrahlenden Energie zur stimulierten Emission gebracht, fällt das angeregte Atom wieder in seinen Grundzustand zurück. Dabei sendet es ein Photon der identischen Wellenlänge wie das stimulierende Photon aus. Beide Photonen bewegen sich in die gleiche Richtung mit gleicher Phase, also kohärent. Durch diese Verdoppelung des stimulierenden Photons wirkt das Lasermedium wie ein Lichtverstärker.The pump source first excites atoms or molecules in the laser medium. As a result, energetically higher states are occupied. If an excited atom is brought to stimulated emission by a photon with the desired energy to be emitted, the excited atom returns to its ground state. It emits a photon of the same wavelength as the stimulating photon. Both photons move in the same direction with the same phase, i.e. coherently. By duplicating the stimulating photon, the laser medium acts like a light intensifier.

Bei üblichen Lasern, die einen Teil des Lichts aus dem Resonator auskoppeln, ist die Intensität des Laserlichts innerhalb des Resonators wesentlich höher als die Intensität der ausgekoppelten Laserstrahlung. Wenn beide Endspiegel maximal reflektieren, ergibt sich eine noch höhere Intensität der Laserstrahlung im Resonator. Durch die Erhöhung der Strahlungsintensität im Laser-Resonator braucht die vorgeschlagene Vorrichtung wesentlich weniger elektrische Leistung, um die für die Desinfektion benötigte Lichtintensität zu erreichen. Ein Bestrahlen der in Aerosoltropfen innerhalb des Resonators steigert daher die Energieeffizienz im Gegensatz zu einem Bestrahlen außerhalb des Resonators.With conventional lasers, which decouple part of the light from the resonator, the intensity of the laser light inside the resonator is significantly higher than the intensity of the decoupled laser radiation. If both end mirrors reflect maximally, the intensity of the laser radiation in the resonator is even higher. By increasing the radiation intensity in the laser resonator, the proposed device requires significantly less electrical power to achieve the light intensity required for disinfection. Irradiating the aerosol droplets inside the resonator therefore increases the energy efficiency in contrast to irradiating outside the resonator.

Die hier vorgeschlagene Vorrichtung hält die Photonen im Resonator. So werden, abgesehen von sonstigen Resonatorverlusten, praktisch alle erzeugten Photonen von Aerosolen absorbiert.The device proposed here keeps the photons in the resonator. Apart from other resonator losses, practically all photons generated are absorbed by aerosols.

Der Resonator kann dabei durch den Laserresonator selbst oder einen entsprechend angekoppelten externen Resonator realisiert werden. Der Einsatz von Infrarotstrahlung ermöglicht ferner eine Desinfektion von infektiösen Aerosolenohne dabei Abfälle zu produzieren.In this case, the resonator can be realized by the laser resonator itself or by a correspondingly coupled external resonator. The use of infrared radiation also enables infectious aerosols to be disinfected without producing waste.

Die vorgeschlagene Vorrichtung ist insbesondere zur Desinfektion von Raumluft geeignet.The proposed device is particularly suitable for disinfecting room air.

Da Aerosoltropfen überwiegend aus Wasser bestehen, sollte die Wellenlänge des Infrarotlasers derart gewählt werden, dass sie ein hohes Absorptionsvermögen des Wassers trifft. In einer Variante der Erfindung kann ein Infrarot-Laser daher mit einer Wellenlänge im Bereich von 0,7 µm bis 50 µm, vorzugsweise in einem Bereich von 1 µm bis 30 µm, weiterhin vorzugsweise in einem Bereich von 2 µm bis 7 µm und besonders bevorzugt in einem Bereich von 2,5 µm bis 4 µm eingesetzt werden.Since aerosol droplets consist mainly of water, the wavelength of the infrared laser should be selected in such a way that it meets a high level of absorption of the water. In a variant of the invention, an infrared laser can therefore be used with a wavelength in the range from 0.7 μm to 50 μm, preferably in a range from 1 μm to 30 μm, more preferably in a range from 2 μm to 7 μm and particularly preferably in a range from 2.5 µm to 4 µm.

Ein CO2-Laser, der ein weit verbreiteter und günstiger Lasertyp ist, eignet sich mit seiner Wellenlänge von 10,6 µm gut für die Erfindung.A CO 2 laser, which is a widely used and inexpensive type of laser, is well suited for the invention with its wavelength of 10.6 μm.

Bei einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann ein Festkörperlaser, der einen dotierten YAG-Kristall nutzt, zum Einsatz kommen. Je nach Dotierung befindet sich die Wellenlänge des Laserlichts in dem besonders bevorzugten Wellenlängenbereich von 2 µm bis 7 µm. Typischerweise erfolgt eine Dotierung eines YAG-Lasers mit Lanthanoiden.In another development of the invention, a solid-state laser that uses a doped YAG crystal can be used. Depending on the doping, the wavelength of the laser light is in the particularly preferred wavelength range of 2 μm to 7 μm. A YAG laser is typically doped with lanthanides.

Besonders geeignet für die vorgeschlagene Desinfektion ist ein mit Erbium dotierter YAG-Laser (Er:YAG) mit ihrer Wellenlänge von 2,9 µm. In diesem Wellenlängenbereich hat Wasser ein Absorptionsmaximum.An erbium-doped YAG laser (Er:YAG) with a wavelength of 2.9 µm is particularly suitable for the proposed disinfection. Water has an absorption maximum in this wavelength range.

Abhängig von der Leistung der Ansaugvorrichtung kann die Luftführung durch den Resonator longitudinal oder transversal zur Ausbreitungsrichtung der Infrarotstrahlung erfolgen. Dabei kann eine longitudinale Luftführung insbesondere dann von Vorteil sein, wenn die Bestrahlungsdauer verlängert werden soll, ohne die Strömungsgeschwindigkeit erhöhen zu müssen.Depending on the performance of the suction device, the air can be guided through the resonator longitudinally or transversely to the direction of propagation of the infrared radiation. A longitudinal air flow can be advantageous in particular when the irradiation time is to be extended without having to increase the flow rate.

Eine weitere Erleichterung stellt der Einsatz eines geschlossenen Luftkanals aus einem für Infrarotstrahlung maximal durchlässigen Material dar, der sich innerhalb des Resonators befindet. Auf diese Weise kann einer Verschmutzung der inneren Oberflächen des Resonators entgegengewirkt werden, da innerhalb des Resonators nur das Innere des geschlossenen Luftkanals mit der Raumluft in Berührung kommt.A further simplification is the use of a closed air duct made of a material that is maximally permeable to infrared radiation and is located inside the resonator. In this way, contamination of the inner surfaces of the resonator can be counteracted, since inside the resonator only the interior of the closed air duct comes into contact with the room air.

Von besonderem Vorteil ist es, den geschlossenen Luftkanal für Infrarotlicht zu entspiegeln, um die Reflexion von Infrarotstrahlung zu minimieren und die Effizienz weiter zu erhöhen.It is of particular advantage to have an anti-reflective coating on the closed air duct for infrared light in order to minimize the reflection of infrared radiation and further increase efficiency.

Zudem wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Desinfektion von Raumluft, insbesondere zum Deaktivieren von Krankheitserregern in Aerosoltropfen, bei dem die vorgeschlagene Vorrichtung zur Verfügung gestellt wird. Mit Hilfe der Vorrichtung wird Raumluft mittels einer Ansaugeinrichtung durch den Resonator des Infrarot-Lasers geleitet. Die Aerosoltropfen werden dabei durch Absorption der Infrarotstrahlung auf mindestens 50 °C erhitzt. Dies ist sinnvoll, da bei ab 50 °C mit einer Denaturierung von Biomolekülen zu rechnen ist. Diese Biomoleküle können bspw. Strukturproteine der Viren und Bakterien sein, die auf der Oberfläche von Viren sitzen. Die Viren und Bakterien werden so durch Denaturierung der Proteine deaktiviert.In addition, the object is achieved by a method for disinfecting room air, in particular for deactivating pathogens in aerosol droplets, in which the proposed device is made available. With the help of the device, room air is guided through the resonator of the infrared laser by means of a suction device. The aerosol droplets are heated to at least 50 °C by absorbing infrared radiation. This makes sense, since denaturation of biomolecules can be expected at temperatures above 50 °C. These biomolecules can, for example, be structural proteins of viruses and bacteria that sit on the surface of viruses. The viruses and bacteria are thus deactivated by denaturing the proteins.

Eine weitere Verbesserung wird erreicht, wenn die Aerosoltropfen innerhalb des Resonators auf eine Temperatur von mindestens 60 °C erhitzt werden. Eine sichere Denaturierung der Proteine wird erreicht, wenn die Aerosoltropfen auf mindestens 70 °C erhitzt werden. Ein Erhitzen auf mindestens 80 °C oder gar 90 °C erhöht die Denaturierung und damit die Desinfektion weiter. Maximale Desinfektion und damit Sicherheit bringt das Erhitzen der Aerosoltropfen innerhalb des Resonators auf eine Temperatur von mindestens 100 °C dar. Dies führt zum Verdampfen der Areosoltropfen, was in Kombination mit der Denaturierung durch Hitze die Zuverlässigkeit der Desinfektion weiter erhöht.A further improvement is achieved if the aerosol droplets are heated to a temperature of at least 60 °C within the resonator. Reliable protein denaturation is achieved if the aerosol droplets are heated to at least 70 °C. Heating to at least 80 °C or even 90 °C further increases denaturation and thus disinfection. Maximum disinfection and thus safety is provided by heating the aerosol droplets inside the resonator to a temperature of at least 100 °C. This leads to the evaporation of the aerosol droplets, which, in combination with heat denaturation, further increases the reliability of disinfection.

Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. So umfassen beispielsweise Bereichsangaben stets alle - nicht genannten - Zwischenwerte und alle denkbaren Teilintervalle.Further details and features result from the following description of preferred exemplary embodiments in conjunction with the figures. The respective features can be implemented individually or in combination with one another. The options for solving the task are not limited to the exemplary embodiments. For example, range information always includes all - not mentioned - intermediate values and all conceivable sub-intervals.

Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigt:

  • 1 einen Aufbau einer Desinfektionsvorrichtung mit einer zur Ausbreitungsrichtung der Infrarotstrahlung transversalen Luftführung;
  • 2 einen Aufbau einer Desinfektionsvorrichtung mit einer zur Ausbreitungsrichtung der Infrarotstrahlung longitudinalen Luftführung;
  • 3 einen Aufbau einer Desinfektionsvorrichtung mit einem geschlossenen Kanal für die Luftführung transversal zur Ausbreitungsrichtung der Infrarotstrahlung;
  • 4 einen Aufbau einer Desinfektionsvorrichtung mit einem geschlossenen Kanal für die Luftführung longitudinal zur Ausbreitungsrichtung der Infrarotstrahlung;
  • 5 ein Absorptionsspektrum von Wasser über einen großen Wellenlängenbereich elektromagnetischer Strahlung;
  • 6 die berechnete einzustrahlende Intensität in Abhängigkeit des Durchmessers der Aerosoltropfen.
The exemplary embodiments are shown schematically in the figures. The same reference numerals in the individual figures designate elements that are the same or have the same function or that correspond to one another in terms of their functions. In detail shows:
  • 1 a structure of a disinfection device with an air duct transverse to the propagation direction of the infrared radiation;
  • 2 a structure of a disinfection device with an air duct longitudinal to the propagation direction of the infrared radiation;
  • 3 a structure of a disinfection device with a closed channel for the air flow transverse to the direction of propagation of the infrared radiation;
  • 4 a structure of a disinfection device with a closed channel for the air flow longitudinal to the direction of propagation of the infrared radiation;
  • 5 an absorption spectrum of water over a wide range of wavelengths of electromagnetic radiation;
  • 6 the calculated intensity to be irradiated as a function of the diameter of the aerosol droplets.

1 zeigt eine Desinfektionsvorrichtung 100 mit einer zur Ausbreitungsrichtung der Infrarotstrahlung 105 transversalen Luftführung durch den Resonator 110. Die Desinfektionsvorrichtung 100 umfasst einen Infrarot-Laser. Dieser beinhaltet den Resonator 110, der durch die beiden Endspiegel 120 definiert ist. Zwischen den beiden Endspiegeln 120 befindet sich in einem definierten Volumen das feste, flüssige oder gasförmige Lasermedium 130. Dieses wird durch eine Pump(licht)quelle 135 angeregt. Die Raumluft wird mit Hilfe der Ansaugeinrichtung 140 transversal zur Ausbreitungsrichtung der Infrarotstrahlung 105 und außerhalb des Lasermediums 130 durch den Resonator 110 geführt. Der Strömungsweg 145 der Raumluft ist mit geraden Pfeilen angedeutet. Diese kann den Resonator auch in umgekehrter Richtung durchströmen. Die Pfeile mit wellenförmiger Linie deuten die Photonen der Infrarotstrahlung 105 an. 1 shows a disinfection device 100 with an air duct that is transverse to the propagation direction of the infrared radiation 105 through the resonator 110. The disinfection device 100 comprises an infrared laser. This includes the resonator 110, which is defined by the two end mirrors 120. The solid, liquid or gaseous laser medium 130 is located between the two end mirrors 120 in a defined volume. This is excited by a pump (light) source 135 . The air in the room is guided through the resonator 110 transversely to the propagation direction of the infrared radiation 105 and outside the laser medium 130 with the aid of the suction device 140 . The flow path 145 of the room air is indicated with straight arrows. This can also flow through the resonator in the opposite direction. The arrows with a wavy line indicate the photons of the infrared radiation 105.

2 zeigt eine Desinfektionsvorrichtung 200 mit einer zur Ausbreitungsrichtung der Infrarotstrahlung 205 longitudinalen Luftführung durch den Resonator 210. Analog zu 1 umfasst die Desinfektionsvorrichtung 200 einen Infrarot-Laser. Dieser beinhaltet den Resonator 210, der durch die beiden Endspiegel 220 definiert ist. Zwischen den beiden Endspiegeln 220 befindet sich in einem definierten Volumen das feste, flüssige oder gasförmige Lasermedium 230. Dieses wird durch eine Pump(licht)quelle 235 angeregt. Die Raumluft kann mit Hilfe der Ansaugeinrichtung 240 longitudinal zur Ausbreitungsrichtung der Infrarotstrahlung 205 und außerhalb des Lasermediums 230 durch den Resonator 210 geführt werden. Die Pfeile deuten den Strömungsweg 245 der Raumluft an. Diese kann den Resonator auch in umgekehrter Richtung durchströmen. Alle anderen Elemente in 2 entsprechen denen in 1. 2 shows a disinfection device 200 with an air duct through the resonator 210 that is longitudinal to the propagation direction of the infrared radiation 205. Analogous to FIG 1 includes the disinfection device 200 an infrared laser. This includes the resonator 210, which is defined by the two end mirrors 220. The solid, liquid or gaseous laser medium 230 is located between the two end mirrors 220 in a defined volume. This is excited by a pump (light) source 235 . The air in the room can be guided through the resonator 210 longitudinally to the propagation direction of the infrared radiation 205 and outside of the laser medium 230 with the aid of the suction device 240 . The arrows indicate the flow path 245 of the room air. This can also flow through the resonator in the opposite direction. All other elements in 2 correspond to those in 1 .

Durch die zur Ausbreitungsrichtung der Infrarotstrahlung 205 longitudinale Luftführung kann die Verweildauer der Raumluft im Resonator 210 erhöht und damit die Bestrahlungsdauer der Aerosoltropfen gegenüber einer transversalen Luftführung verlängert werden. Auf diese Weise kann bei gleichbleibender Energie, die auf die Aerosoltropfen übertragen wird, die Strömungsgeschwindigkeit erhöht und / oder die Aufnahmeleistung des Lasers vermindert werden. Dadurch kann die Umwälzdauer verkürzt und / oder die Energieeffizienz der Vorrichtung erhöht werden.The dwell time of the room air in the resonator 210 can be increased by the longitudinal air flow to the propagation direction of the infrared radiation 205 and thus the irradiation time of the aerosol droplets can be extended compared to a transversal air flow. In this way, the flow rate can be increased and/or the recording power of the laser can be reduced while the energy transferred to the aerosol droplets remains the same. As a result, the circulation time can be shortened and/or the energy efficiency of the device can be increased.

3 zeigt eine Desinfektionsvorrichtung 300 mit einer zur Ausbreitungsrichtung der Infrarotstrahlung 305 transversalen Luftführung durch den Resonator 310. Analog zu 1 umfasst die Desinfektionsvorrichtung 300 einen Infrarot-Laser. Dieser beinhaltet den Resonator 310, der durch die beiden Endspiegel 320 definiert ist. Zwischen den beiden Endspiegeln 320 befindet sich in einem definierten Volumen das feste, flüssige oder gasförmige Lasermedium 330. Dieses wird durch eine Pump(licht)quelle 335 angeregt. Die Raumluft kann mit Hilfe der Ansaugeinrichtung 340 durch einen geschlossenen Luftkanal 350 außerhalb des Lasermediums 330 durch den Resonator 310 geführt werden. Der Luftkanal 350 kann aus einem für Infrarotstrahlung 305 durchlässigen Material bestehen, bevorzugt aus einem für Infrarotstrahlung 305 maximal durchlässigen Material, bspw. aus Zinksulfid. Reflexion und Absorption von Infrarotstrahlung 305 durch das Material des Luftkanals 350 selbst sind bevorzugterweise minimiert. Dies kann auch eine Entspiegelung der Oberfläche miteinschließen. Die Pfeile deuten den Strömungsweg 345 der Raumluft an. Diese kann den Resonator auch in umgekehrter Richtung durchströmen. Alle anderen Elemente in 3 entsprechen denen in 1. 3 shows a disinfection device 300 with an air duct through the resonator 310 that is transverse to the propagation direction of the infrared radiation 305. Analogous to FIG 1 includes the disinfection device 300 an infrared laser. This includes the resonator 310, which is defined by the two end mirrors 320. The solid, liquid or gaseous laser medium 330 is located between the two end mirrors 320 in a defined volume. This is excited by a pump (light) source 335 . The air in the room can be guided through the resonator 310 through a closed air duct 350 outside of the laser medium 330 with the aid of the suction device 340 . The air duct 350 can consist of a material that is transparent to infrared radiation 305 , preferably a material that is maximally transparent to infrared radiation 305 , for example zinc sulfide. Reflection and absorption of infrared radiation 305 by the air duct 350 material itself is preferably minimized. This can also include anti-reflective coating of the surface. The arrows indicate the flow path 345 of the room air. This can also flow through the resonator in the opposite direction. All other elements in 3 correspond to those in 1 .

4 zeigt analog zu 1 eine Desinfektionsvorrichtung 400 mit einer zur Ausbreitungsrichtung der Infrarotstrahlung 405 longitudinalen Luftführung durch den Resonator 410. Analog zu 1 umfasst die Desinfektionsvorrichtung 400 einen Infrarot-Laser. Dieser beinhaltet den Resonator 410, der durch die beiden Endspiegel 420 definiert ist. Zwischen den beiden Endspiegeln 420 befindet sich in einem definierten Volumen das feste, flüssige oder gasförmige Lasermedium 430. Dieses wird durch eine Pump(licht)quelle 435 angeregt. Die Raumluft kann mit Hilfe der Ansaugeinrichtung 440 durch einen geschlossenen Luftkanal 450 außerhalb des Lasermediums 430 durch den Resonator 410 geführt werden. Der Luftkanal 450 sollte aus einem für Infrarotstrahlung 405 durchlässigen Material bestehen, bevorzugt aus einem für Infrarotstrahlung 405 maximal durchlässigen Material, bspw. aus Zinksulfid. Reflexion und Absorption von Infrarotstrahlung 405 durch das Material des Luftkanals 450 selbst sind bevorzugterweise minimiert. Dies kann auch eine Entspiegelung der Oberfläche miteinschließen. Die Pfeile deuten den Strömungsweg 445 der Raumluft an. Diese kann den Resonator auch in umgekehrter Richtung durchströmen. Alle anderen Elemente in 4 entsprechen denen in 1. 4 shows analogous to 1 a disinfection device 400 with a direction of propagation of the infrared radiation 405 longitudinal air flow through the resonator 410. Analogous to 1 includes the disinfection device 400 an infrared laser. This includes the resonator 410, which is defined by the two end mirrors 420. The solid, liquid or gaseous laser medium 430 is located in a defined volume between the two end mirrors 420. This is pumped by a pump (light) source 435 stimulated. The air in the room can be guided through the resonator 410 through a closed air duct 450 outside of the laser medium 430 with the aid of the suction device 440 . The air duct 450 should consist of a material that is transparent to infrared radiation 405 , preferably a material that is maximally transparent to infrared radiation 405 , for example zinc sulfide. Reflection and absorption of infrared radiation 405 by the air duct 450 material itself is preferably minimized. This can also include anti-reflective coating of the surface. The arrows indicate the flow path 445 of the room air. This can also flow through the resonator in the opposite direction. All other elements in 4 correspond to those in 1 .

Anhand der nachfolgenden Punkte werden wichtige Parameter einer beispielhaften Ausgestaltung des in der Desinfektionsvorrichtung verwendeten Lasers berechnet.Important parameters of an exemplary configuration of the laser used in the disinfection device are calculated on the basis of the following points.

1) Berechnung der notwendigen Energie E zum Erhitzen der Aerosoltropfen um eine Temperatur ΔT1) Calculation of the energy E required to heat the aerosol droplets by a temperature ΔT

Die Energie E, die zum Erhitzen sämtlicher Aerosoltropfen eines Raums um eine Temperaturdifferenz ΔT benötigt wird, beträgt E W a ¨ r m e = c m R Δ T

Figure DE102021101398A1_0001
mit
c : spezifische Wärmekapazität von Wasser 4,2 J / (g • K)
mR: gesamte Masse aller zu erhitzender Aerosoltropfen im zu desinfizierenden Raum.The energy E required to heat all aerosol droplets in a room by a temperature difference ΔT is E W a ¨ right m e = c m R Δ T
Figure DE102021101398A1_0001
With
c : specific heat capacity of water 4.2 J / (g • K)
m R : total mass of all aerosol droplets to be heated in the room to be disinfected.

Werden die Aerosoltropfen eines Raums für eine Zeit Δt, z.B. 15 Minuten, mit Infrarotlicht bestrahlt, steht für die Erhitzung also die Zeit Δt zur Verfügung, ergibt sich die notwendige Leistung PWärme an Infrarotstrahlung durch P W a ¨ r m e = c m R Δ T Δ T

Figure DE102021101398A1_0002
If the aerosol droplets in a room are irradiated with infrared light for a time Δt, eg 15 minutes, the time Δt is available for the heating, and the necessary power P heat results from infrared radiation P W a ¨ right m e = c m R Δ T Δ T
Figure DE102021101398A1_0002

2) Berechnung der Absorption des Aerosol-Luft-Gemisches in der Schichtdicke Δd sowie der benötigten Laserleistung PL.2) Calculation of the absorption of the aerosol-air mixture in the layer thickness Δd and the required laser power P L .

Diese Wärmeleistung muss durch Absorption von Infrarotstrahlung aufgebracht werden. D.h. die absorbierte Laserleistung Pabs muss genau der benötigten Wärmeleistung PWärme entsprechen. Es gilt also P a b s = P W a ¨ r m e

Figure DE102021101398A1_0003
This heat output must be applied by absorbing infrared radiation. That is, the absorbed laser power Pabs must correspond exactly to the required thermal power P heat . So it applies P a b s = P W a ¨ right m e
Figure DE102021101398A1_0003

Zur Berechnung der absorbierte Laserleistung Pabs ist es zweckmäßig, den Wirkungsquerschnitt σK eines Aerosoltropfens zu betrachten. Für die Rechnung soll anstelle der Kugeleine Würfelform mit der Kantenlänge ϕK angenommen werden.To calculate the absorbed laser power Pabs, it is useful to consider the effective cross section σ K of an aerosol drop. For the calculation, a cube with edge length ϕ K should be assumed instead of a sphere.

Es kann angenommen werden, dass für den Fall nahezu vollständiger Absorption im Tropfen, der Wirkungsquerschnitt σK gleich dem geometrischen Querschnitt σ K = K 2

Figure DE102021101398A1_0004
ist. Bei geringerer als vollständiger Absorption im Aerosoltropfen (bzw. Aerosolwürfel) wird der effektive Wirkungsquerschnitt σ K e 1
Figure DE102021101398A1_0005
gegenüber σK reduziert auf σ K e 1 = σ K ( 1 e x p ( K α ) )
Figure DE102021101398A1_0006
wobei
α die e-1-Eindringtiefe der Strahlung im Bulkwasser (volumenfüllendes Wasser) ist.It can be assumed that in the case of almost complete absorption in the drop, the effective cross section σ K is equal to the geometric cross section σ K = K 2
Figure DE102021101398A1_0004
is. If the absorption in the aerosol droplet (or aerosol cube) is less than complete, the effective cross section becomes σ K e 1
Figure DE102021101398A1_0005
compared to σ K reduced to σ K e 1 = σ K ( 1 e x p ( K a ) )
Figure DE102021101398A1_0006
whereby
α is the e -1 penetration depth of the radiation in bulk water (volume-filling water).

Liegt die Tropfengröße in der Größenordnung der Wellenlänge oder darunter, so wird die Absorption weiter abgeschwächt. Nach Rayleigh wird dann nur ein Anteil ( 1 e x p ( π K λ ) )

Figure DE102021101398A1_0007
absorbiert, wobei λ die Wellenlänge des Laserlichts ist. Durch diese verminderte Absorption verlängert sich die Eindringtiefe α zu αR mit α R = α { 1 e π K / λ }
Figure DE102021101398A1_0008
If the droplet size is in the range of the wavelength or smaller, the absorption is further weakened. According to Rayleigh then only one proportion ( 1 e x p ( π K λ ) )
Figure DE102021101398A1_0007
absorbed, where λ is the wavelength of the laser light. Due to this reduced absorption, the penetration depth α increases to α R with a R = a { 1 e π K / λ }
Figure DE102021101398A1_0008

Der effektive Wirkungsquerschnitt σ K e

Figure DE102021101398A1_0009
verringert sich damit weiter auf σ K e = σ K ( 1 e x p ( K α { 1 e π K / λ } ) )
Figure DE102021101398A1_0010
The effective cross section σ K e
Figure DE102021101398A1_0009
thus further decreases σ K e = σ K ( 1 e x p ( K a { 1 e π K / λ } ) )
Figure DE102021101398A1_0010

Der gesamte effektive Wirkungsquerschnitt σ L e

Figure DE102021101398A1_0011
aller im Laservolumen VL befindlichen nL Aerosoltropfen gleichen Durchmessers ist dann σ L e = n L σ K e = n L σ K ( 1 e x p ( K α { 1 e π K / λ } ) )
Figure DE102021101398A1_0012
The total effective cross section σ L e
Figure DE102021101398A1_0011
of all n L aerosol droplets of the same diameter in the laser volume V L is then σ L e = n L σ K e = n L σ K ( 1 e x p ( K a { 1 e π K / λ } ) )
Figure DE102021101398A1_0012

Die Anzahl nL der im Laservolumen VL befindlichen nL Aerosoltropfen ergibt sich aus dem Verhältnis n L = m L m K

Figure DE102021101398A1_0013
der Gesamtmasse mL der im vom Laser bestrahlten Volumen VL befindlichen Aerosoltropfen zu der Masse mK eines einzelnen Tropfens. Fener gilt für die Masse mK eines einzelnen Tropfens: m K = ρ V K = ρ K 3 = ρ K σ K
Figure DE102021101398A1_0014
mit
p = Dichte von Wasser.The number n L of the n L aerosol droplets in the laser volume V L results from the ratio n L = m L m K
Figure DE102021101398A1_0013
the total mass m L of the aerosol droplets in the volume V L irradiated by the laser to the mass m K of a single droplet. Furthermore, the following applies to the mass m K of a single drop: m K = ρ V K = ρ K 3 = ρ K σ K
Figure DE102021101398A1_0014
With
p = density of water.

Für die im Laserstrahl befindliche Aerosolmasse mL gilt V L V R = m L m R

Figure DE102021101398A1_0015
mit VL dem Volumen des vom Laserstrahl beleuchteten Bereichs und VR dem Volumen des zu sterilisierenden Raumes. Damit ergibt sich m L = m R V L V R = m R L 2 Δ d π 4 V R
Figure DE102021101398A1_0016
mit
ØL = Durchmesser des Laserstrahls und
Δd = Länge des vom Laserstrahl bestrahlten Volumens VL.The following applies to the aerosol mass m L in the laser beam V L V R = m L m R
Figure DE102021101398A1_0015
where VL is the volume of the area illuminated by the laser beam and VR is the volume of the space to be sterilized. This results m L = m R V L V R = m R L 2 Δ i.e π 4 V R
Figure DE102021101398A1_0016
With
Ø L = diameter of the laser beam and
Δd = length of the volume V L irradiated by the laser beam.

Durch Einsetzen von nL in σ L e

Figure DE102021101398A1_0017
erhält man σ L e = m L m K σ K e = m L m K σ K ( 1 e x p ( K α { 1 e π K / λ } ) ) = m R L 2 Δ d π m K 4 V R σ K ( 1 e x p ( K α { 1 e π K / λ } ) ) = m R L 2 Δ d π ρ K σ K 4 V R σ K ( 1 e x p ( K α { 1 e π K / λ } ) ) = m R L 2 Δ d π ρ K 4 V R ( 1 e x p ( K α { 1 e π K / λ } ) )
Figure DE102021101398A1_0018
By substituting n L in σ L e
Figure DE102021101398A1_0017
you get σ L e = m L m K σ K e = m L m K σ K ( 1 e x p ( K a { 1 e π K / λ } ) ) = m R L 2 Δ i.e π m K 4 V R σ K ( 1 e x p ( K a { 1 e π K / λ } ) ) = m R L 2 Δ i.e π ρ K σ K 4 V R σ K ( 1 e x p ( K a { 1 e π K / λ } ) ) = m R L 2 Δ i.e π ρ K 4 V R ( 1 e x p ( K a { 1 e π K / λ } ) )
Figure DE102021101398A1_0018

Die Absorption A ist der absorbierte Anteil der Laserleistung PL. Sie ist definiert durch P a b s = P L A

Figure DE102021101398A1_0019
wobei PL die Leistung des noch nicht abgeschwächten Lasers ist.The absorption A is the absorbed part of the laser power P L . It is defined by P a b s = P L A
Figure DE102021101398A1_0019
where P L is the power of the not yet attenuated laser.

Unter der fast immer erfüllten Annahme, dass das Laserlicht von den Aerosoltropfen nicht vollständig absorbiert wird, ergibt sich der absorbierte Anteil A aus dem Flächenverhältnis des Wirkungsquerschnitts σ L e

Figure DE102021101398A1_0020
und dem Querschnitt des Laserstrahls: A = σ L e L 2 π 4 = m R L 2 Δ d π L 2 π 4 ρ K 4 V R ( 1 e x p ( K α { 1 e π K / λ } ) ) = m R Δ d ρ K V R ( 1 e x p ( K α { 1 e π K / λ } ) )
Figure DE102021101398A1_0021
Under the almost always fulfilled assumption that the laser light is not completely absorbed by the aerosol droplets, the absorbed portion A results from the area ratio of the effective cross section σ L e
Figure DE102021101398A1_0020
and the cross-section of the laser beam: A = σ L e L 2 π 4 = m R L 2 Δ i.e π L 2 π 4 ρ K 4 V R ( 1 e x p ( K a { 1 e π K / λ } ) ) = m R Δ i.e ρ K V R ( 1 e x p ( K a { 1 e π K / λ } ) )
Figure DE102021101398A1_0021

Für die absorbierte Laserleistung ergibt sich somit: P a b s = P L = P L m R Δ d ρ K V R ( 1 e x p ( K α { 1 e π K / λ } ) )

Figure DE102021101398A1_0022
The result for the absorbed laser power is: P a b s = P L = P L m R Δ i.e ρ K V R ( 1 e x p ( K a { 1 e π K / λ } ) )
Figure DE102021101398A1_0022

Die absorbierte Laserleistung Pabs muss genau der benötigten Wärmeleistung PWärme entsprechen. Es gilt also P W a ¨ r m e = P a b s

Figure DE102021101398A1_0023
bzw. c m R Δ T Δ T = P L m R Δ d ρ K V R ( 1 e x p ( K α { 1 e π K / λ } ) )
Figure DE102021101398A1_0024
oder - nach Kürzen und Auflösen - P L = c Δ T ρ K V R Δ t Δ d ( 1 e x p ( K α { 1 e π K / λ } ) )
Figure DE102021101398A1_0025
als Ergebnis für die benötigte Laserleistung.The absorbed laser power Pabs must correspond exactly to the required thermal power P heat . So it applies P W a ¨ right m e = P a b s
Figure DE102021101398A1_0023
or. c m R Δ T Δ T = P L m R Δ i.e ρ K V R ( 1 e x p ( K a { 1 e π K / λ } ) )
Figure DE102021101398A1_0024
or - after shortening and dissolving - P L = c Δ T ρ K V R Δ t Δ i.e ( 1 e x p ( K a { 1 e π K / λ } ) )
Figure DE102021101398A1_0025
as a result for the required laser power.

Bemerkenswert ist, dass die Laserleistung PL nicht von der Masse mR der zu erhitzenden Aerosoltropfen abhängt. Dies ergibt sich daraus, dass bei kleiner Absorption die Absorption in gleichem Maße wie mR steigt. Auch auf die Größe des bestrahlten Volumens VL und den Durchmesser ØL des Laserstrahls kommt es nicht an, wohl aber auf die Länge des bestrahlten Volumens Δd.It is remarkable that the laser power P L does not depend on the mass m R of the aerosol droplets to be heated. This is due to the fact that with small absorption, the absorption increases to the same extent as mR . The size of the irradiated volume V L and the diameter Ø L of the laser beam are also irrelevant, but the length of the irradiated volume Δd is.

Soll die mit Aerosoltropfen beladene Luft in einem Raum mit Volumen VR innerhalb einer Zeit δt desinfiziert werden, so muss die gesamte Luft innerhalb der Zeit δt durch das bestrahlte Volumen VL gesaugt werden. Es gilt dann: δ t Δ t = V L V R

Figure DE102021101398A1_0026
wobei δt die Verweildauer der Aerosolpartikel im bestrahlten Volumen VL bezeichnet. Es folgt δ t = V L V R Δ t
Figure DE102021101398A1_0027
If the air loaded with aerosol droplets in a room with a volume V R is to be disinfected within a time δt, the entire air must be sucked through the irradiated volume V L within the time δt. The following then applies: δ t Δ t = V L V R
Figure DE102021101398A1_0026
where δt denotes the residence time of the aerosol particles in the irradiated volume V L . It follows δ t = V L V R Δ t
Figure DE102021101398A1_0027

3) Beispielrechnung für eine Erwärmung der Aerosoltropfen um 80 K3) Example calculation for a heating of the aerosol droplets by 80 K

5 zeigt - für die Berechnung der Eindringtiefe α - ein Spektrum der Absorption elektromagnetischer Strahlung durch Wasser. Das Maß der Absorption ist in Abhängigkeit der Wellenlänge aufgetragen. Die Eindringtiefe α ergibt sich aus dem Kehrwert der aufgetragenen Absorption. 5 shows - for the calculation of the penetration depth α - a spectrum of the absorption of electromagnetic radiation by water. The degree of absorption is plotted as a function of the wavelength. The penetration depth α results from the reciprocal of the plotted absorption.

Im Wellenlängenbereich von 0,7 µm bis 50 µm ist die Absorption der elektromagnetischen Strahlung durch Wasser im Infraroten besonders hoch, weshalb dieser Bereich für eine effiziente Desinfektion genutzt werden kann. Das Absorptionsspektrum von Wasser zeigt bei 2,9 µm Wellenlänge ein Maximum im Infraroten, sodass ein Er:YAG-Laser für die Desinfektion besonders geeignet ist.In the wavelength range from 0.7 µm to 50 µm, the absorption of electromagnetic radiation by water in the infrared is particularly high, which is why this range can be used for efficient disinfection. The absorption spectrum of water shows a maximum in the infrared at a wavelength of 2.9 µm, making an Er:YAG laser particularly suitable for disinfection.

ΔT sei 80 K. Ein Raum mit einer Raumgröße VR von 100 m3 soll in Δt = 15 Minuten desinfiziert werden. Die Schichtdicke, innerhalb derer desinfiziert wird, sei Δd = 30 cm. Für einen Er:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von ca. 2.9 µm ergibt sich eine Eindringtiefe α = 0,8 µm.Let ΔT be 80 K. A room with a room size V R of 100 m 3 should be disinfected in Δt = 15 minutes. The layer thickness within which disinfection takes place is Δd = 30 cm. For an Er:YAG laser with a wavelength of approx. 2.9 µm, the penetration depth is α = 0.8 µm.

Der Durchmesser der Aerosoltropfen in der menschlichen Atemluft liegt zwischen 0,6 µm und 100 µm (siehe z.B. de.wikipedia.org/wiki/Aerosol). Aerosoltropfen, die durch eine Desinfektionsvorrichtung wirksam sterilisiert werden sollen, müssen diese erreichen können. Aerosoltropfen größer als 25 µm fallen jedoch innerhalb von Sekunden zu Boden; sie dürften daher die Desinfektionsvorrichtung kaum erreichen. Bei einer geplanten Reinigungsperiode von Δt = 15 Minuten können nur Aerosoltropfen desinfiziert werden, die zumindest eine Minute schweben. Dies gilt für Aerosoltropfen mit einem Durchmesser bis 10 µm (siehe z.B. die Sinkgeschwindigkeit von Aerosoltropfen unter de.wikipedia.org/wiki/Aerosol). Wenn nicht anders angegeben wird daher im Folgenden mit ØK= 5 µm gerechnet.The diameter of the aerosol droplets in human breath is between 0.6 µm and 100 µm (see eg de.wikipedia.org/wiki/Aerosol). Aerosol droplets that are to be effectively sterilized by a disinfection device must be able to reach it. However, aerosol droplets larger than 25 µm fall to the ground within seconds; they should therefore hardly reach the disinfection device. With a planned cleaning period of Δt = 15 minutes, only aerosol droplets that float for at least one minute can be disinfected. This applies to aerosol droplets with a diameter of up to 10 µm (see, for example, the settling speed of aerosol droplets at de.wikipedia.org/wiki/Aerosol). Unless otherwise stated, calculations are made with Ø K = 5 µm in the following.

Mit der Dichte von Wasser ρ = 1 000 kg/m3 erhält man für einen Er:YAG-Laser P L 600 W

Figure DE102021101398A1_0028
und für einen CO2-Laser der Wellenlänge 10.6 µm und α = 10 µm P L 2 k W
Figure DE102021101398A1_0029
With the density of water ρ = 1 000 kg/m 3 one obtains for an Er:YAG laser P L 600 W
Figure DE102021101398A1_0028
and for a CO 2 laser with a wavelength of 10.6 µm and α = 10 µm P L 2 k W
Figure DE102021101398A1_0029

Dabei benötigt die Ansaugvorrichtung 140 eine Umwälzleistung von 100 m 3 15 m i n = 100 1000 l 15 60 s = 111 l s

Figure DE102021101398A1_0030
und die Verweildauer δt eines Aerosoltropfens im bestrahlten Volumen VL bei einem Strahldurchmesser ØL von 10 cm bei rundem Strahlquerschnitt beträgt: δ t = V L V R Δ t = Δ d ( L 2 ) 2 π V R Δ t = 0,3 m ( 0,1 2 ) 2 m 2 π 100 m 3 15 60 s = 21 m s
Figure DE102021101398A1_0031
The suction device 140 requires a circulation capacity of 100 m 3 15 m i n = 100 1000 l 15 60 s = 111 l s
Figure DE102021101398A1_0030
and the dwell time δt of an aerosol droplet in the irradiated volume V L with a jet diameter Ø L of 10 cm and a round jet cross-section is: δ t = V L V R Δ t = Δ i.e ( L 2 ) 2 π V R Δ t = 0.3 m ( 0.1 2 ) 2 m 2 π 100 m 3 15 60 s = 21 m s
Figure DE102021101398A1_0031

4) Einordnen der benötigten Laser-Ausgangsleistung für den vorgesehenen Zweck der Desinfektion4) Classification of the required laser output power for the intended purpose of the disinfection

Laser mit den in Abschnitt 3) berechneten Ausgangsleistungen sind mit signifikanten Anschaffungs- und insbesondere hohen Betriebskosten verbunden. Für eine Ausgangsleistung von 100 W wird beim Einsatz von Faserlasern, die bereits einen hohen elektrischoptischen Wirkungsgrad aufweisen, einer Aufnahmeleistung von mehr als 1000 W benötigt. Zudem würden die auf konventionelle Weise eingesetzten Laser (der Strahl wird mittels Auskoppelspiegel aus dem Resonator ausgekoppelt) abgesehen von den hohen Kosten auch große Volumina benötigen.Lasers with the output powers calculated in Section 3) are associated with significant acquisition costs and, in particular, high operating costs. For an output power of 100 W, a power consumption of more than 1000 W is required when using fiber lasers, which already have a high electro-optical efficiency. In addition, the lasers used in a conventional manner (the beam is coupled out of the resonator by means of a coupling-out mirror) would also require large volumes, in addition to the high costs.

Der wesentliche Grund für die niedrige Effizienz ist, dass die überaus größte Anzahl der Laserphotonen nicht absorbiert wird und so ungenutzt bleibt.The main reason for the low efficiency is that the vast majority of the laser photons are not absorbed and thus remain unused.

5) Erhöhung der Effektivität5) Increase in effectiveness

Das Verfahren wird deutlich effektiver, wenn alle, oder zumindest ein Großteil der Photonen genutzt werden können. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Photonenrecycling.The method becomes significantly more effective if all or at least a large part of the photons can be used. In this context one also speaks of photon recycling.

Die wohl effektivste Realisierung dieses Gedankens ist, die Intensitätsüberhöhung im Inneren eines optischen Resonators 110, 210, 310, 410 zu nutzen. Ein solches Verfahren wird auch als Cavity-Enhanced-Verfahren bezeichnet. Andere, auf geometrischer Optik basierende Spiegel- oder Streuverfahren (bspw. Ulbricht-Kugel) sind weitaus weniger effizient.Probably the most effective realization of this idea is to use the increase in intensity inside an optical resonator 110, 210, 310, 410. Such a method is also referred to as a cavity-enhanced method. Other mirror or scattering methods based on geometric optics (e.g. integrating sphere) are far less efficient.

Für vernachlässigbare Verluste im Inneren des Laserresonators 110, 210, 310, 410 ist das Verhältnis V der im Resonator 110, 210, 310 zirkulierenden Leistung Pin zur Ausgangsleistung PL gegeben durch V = P i n P L = ( 1 R 1 ) ( 1 + R 2 ) ( 1 R 1 R 2 ) 2

Figure DE102021101398A1_0032
Hierbei ist
R1 der Reflexionsgrad des im herkömmlichen Laser eingesetzten Auskoppelspiegels und
R2 der Reflexionsgrad des hinteren Endspiegels (120; 220; 320; 420).For negligible losses inside the laser cavity 110, 210, 310, 410, the ratio V of the power P in circulating in the cavity 110, 210, 310 to the output power P L is given by V = P i n P L = ( 1 R 1 ) ( 1 + R 2 ) ( 1 R 1 R 2 ) 2
Figure DE102021101398A1_0032
here is
R 1 is the degree of reflection of the output mirror used in conventional lasers and
R 2 the reflectance of the rear end mirror (120; 220; 320; 420).

Üblicherweise ist z. B. für CO2-Laser R2 ≈ 0.995 und R1 ≈ 0.5. Somit ergibt sich V ≈ 10.Usually z. B. for CO 2 lasers R 2 ≈ 0.995 and R 1 ≈ 0.5. This results in V ≈ 10.

Für eine Abschnitt 4) analoge Strahlungsleistung würden Er:YAG-Laser in der 10 Watt- bzw. CO2-Laser in der 100 Watt-Klasse ausreichen. Die Aufnahmeleistung kann im Vergleich zu konventionellen Verfahren so um eine Größenordnung reduziert werden. Für die vorliegende Anwendung würde der Auskoppelspiegel durch einen hochreflektierenden Endspiegel (120; 220; 320; 420) ersetzt werden, mit z.B. R1 ≈ 0.995.For a section 4) analog radiation power, Er:YAG lasers in the 10 watt class or CO 2 lasers in the 100 watt class would be sufficient. The recording capacity can be reduced by an order of magnitude compared to conventional methods. For the present application, the output mirror would be replaced by a highly reflective end mirror (120; 220; 320; 420), with R 1 ≈0.995, for example.

Koppelt man an einen kommerziellen Laser einen externen Resonator mit zwei Endspiegeln mit R1 = R2 ≈ 0.995, so ergibt sich V 400

Figure DE102021101398A1_0033
If an external resonator with two end mirrors with R 1 = R 2 ≈ 0.995 is coupled to a commercial laser, the result is V 400
Figure DE102021101398A1_0033

Hat der kommerzielle Laser beispielsweise eine Leistung von 10 W, so kann im externen Resonator eine überhöhte Leistung von 4 000 W erzeugt werden.For example, if the commercial laser has a power of 10 W, an excessive power of 4,000 W can be generated in the external resonator.

6) Beispielrechnung für kleine Tropfen6) Sample calculation for small drops

6 zeigt die benötigte Laserleistung PL für die Wellenlängen λ = 10,6 µm (CO2-Laser) und λ = 2,9 µm (Er:YAG-Laser) in Abhängigkeit des Durchmessers für kugelförmige Aerosoltropfen mit einem Durchmesser kleiner als 10 µm. Die Laserleistung PL für eine Wellenlänge λ = 2,9 µm sind mit einer gestrichelten Linie und diejenigen für λ = 10,6 µm mit einer durchgezogenen Linie gezeigt. Alle sonstigen Parameter sind wie in Abschnitt 3). 6 shows the required laser power P L for the wavelengths λ = 10.6 µm (CO2 laser) and λ = 2.9 µm (Er:YAG laser) as a function of the diameter for spherical aerosol droplets with a diameter of less than 10 µm. The laser power P L for a wavelength λ=2.9 μm are shown with a dashed line and those for λ=10.6 μm with a solid line. All other parameters are as in section 3).

Glossarglossary

Aerosolaerosol

Heterogenes Gemisch (Dispersion) aus festen oder flüssigen Schwebeteilchen in einem Gas. Im Kontext dieser Anmeldung insbesondere eine Dispersion von wässrigen Aerosoltropfen in Luft.Heterogeneous mixture (dispersion) of solid or liquid suspended particles in a gas. In the context of this application in particular a dispersion of aqueous aerosol droplets in air.

Denaturierung durch Hitzeheat denaturation

Bei der Wärme- oder Hitzedenaturierung wird eine Veränderung der Molekülstruktur von Biomolekülen durch eine Erhöhung der Temperatur herbeigeführt. Dabei werden durch die Hitzeeinwirkung meist keine kovalenten chemischen Bindungen gebrochen oder gebildet. Stattdessen werden Wasserstoffbrückenbindungen gelöst oder neu gebildet, wodurch häufig eine Veränderung der Tertiärstruktur bei Proteinen eintritt. Dies hat meist einen Verlust der biologischen Aktivität zur Folge. Eine Denaturierung durch Hitze kann bspw. durch Absorption von Infrarotstrahlung durch Wasser erzielt werden, in dem sich die Biomoleküle befinden.In heat or heat denaturation, a change in the molecular structure of biomolecules is brought about by increasing the temperature. In most cases, no covalent chemical bonds are broken or formed as a result of the heat effect. Instead, hydrogen bonds are broken or newly formed, which often results in a change in the tertiary structure of proteins. This usually results in a loss of biological activity. Denaturation by heat can be achieved, for example, by absorption of infrared radiation by water in which the biomolecules are located.

Cavity-Enhanced-VerfahrenCavity Enhanced Process

Verfahren, bei der die mit Laser zu bestrahlende Substanz direkt in den Strahlengang des Lasers innerhalb des Laser-Resonators (engl. cavity) eingebracht wird, anstatt den ausgekoppelten Laserstrahl außerhalb des Resonators zu nutzen, werden als Cavity-Enhanced-Verfahren bezeichnet. Dabei wird die starke Überhöhung der Strahlungsintensität innerhalb des Resonators ausgenutzt.Methods in which the substance to be irradiated with the laser is introduced directly into the beam path of the laser inside the laser resonator (cavity) instead of using the coupled laser beam outside the resonator are referred to as cavity-enhanced methods. In this case, the strong increase in the radiation intensity within the resonator is used.

Laserlaser

Konzeptionell besteht ein Laser aus drei Bestandteilen:Conceptually, a laser consists of three components:

Lasermediumlaser medium

Im Lasermedium entstehen durch den optischen Übergang angeregter Atome oder Moleküle in einen energetisch niedrigeren Zustand Photonen. Zentrale Bedingung für ein Lasermedium ist, dass sich eine Besetzungsinversion herstellen lässt, d.h. der obere Zustand des optischen Übergangs wird mit einer höheren Wahrscheinlichkeit besetzt als der untere. Ein solches Medium muss mindestens über drei Energieniveaus verfügen und kann gasförmig (z. B. CO2), flüssig (z. B. Farbstofflösungen) oder fest (z. B. Kristall, Halbleitermaterial) sein.In the laser medium, photons are created as a result of the optical transition of excited atoms or molecules into a lower-energy state. The central condition for a laser medium is that a population inversion can be produced, ie the upper state of the optical transition is occupied with a higher probability than the lower one. Such a medium must have at least three energy levels and can be gaseous (e.g. CO 2 ), liquid (e.g. dye solutions) or solid (e.g. crystal, semiconductor material).

Pumpquellepump source

Um eine Besetzungsinversion herbeizuführen, muss in das Lasermedium Energie hineingepumpt (englisch pumping) werden. Damit dieser Pumpprozess nicht mit der stimulierten Emission konkurriert, muss dieser auf einem anderen quantenmechanischen Übergang basieren. Deshalb muss ein Lasermedium mindestens drei unterschiedliche Zustände aufweisen. Das Pumpen kann die Atome oder Moleküle des Lasermediums optisch (Einstrahlung von Licht) oder elektrisch (z.B. Gasentladung, elektrischer Strom bei Laserdioden) in angeregte Zustände bringen.In order to bring about a population inversion, energy must be pumped into the laser medium. So that this pumping process does not compete with the stimulated emission, it must be based on another quantum mechanical transition. Therefore, a laser medium must have at least three different states. The pumping can bring the atoms or molecules of the laser medium into excited states optically (irradiation of light) or electrically (e.g. gas discharge, electric current in laser diodes).

Resonatorresonator

Ein Resonator besteht zum Beispiel aus zwei parallelen Spiegeln (sog. Endspiegel, die einen hohen Reflexionsgrad aufwiesen), zwischen welchen sich z.B. ein aktives Lasermedium befindet. Photonen, deren Propagation senkrecht zu den Spiegeln verläuft, verbleiben im Resonator und können mehrfach die Emission weiterer Photonen im Lasermedium auslösen (stimulieren). Einer der beiden Spiegel kann teildurchlässig ausgeführt sein, so dass ein Teil des Lichts austreten und seiner Nutzung zugeführt werden kann.A resonator consists, for example, of two parallel mirrors (so-called end mirrors, which have a high degree of reflection), between which there is, for example, an active laser medium. Photons whose propagation runs perpendicular to the mirrors remain in the resonator and can repeatedly trigger (stimulate) the emission of further photons in the laser medium. One of the two mirrors can be designed to be partially transparent, so that part of the light can emerge and be put to use.

Es kann aber auch das gesamte Licht im Resonator gesammelt und dessen Intensität überhöht werden. Außerdem kann der Resonator extern an einen Laser angekoppelt werden, d.h. das Lasermedium befindet sich nicht im externen Resonator.However, all of the light can also be collected in the resonator and its intensity increased. In addition, the resonator can be externally coupled to a laser, i.e. the laser medium is not in the external resonator.

Für die Erzeugung von Laserstrahlung werden Atome oder Moleküle im Lasermedium durch Pumpen von unteren Energieniveaus in energetisch höhere angeregt. Von diesen muss das Lasermedium in einen intermediären Zustand relaxieren. Nun genügt eine Stimulierung eines Atoms oder Moleküls durch ein Photon mit der auszustrahlenden Energie, damit das angeregte Atom oder Molekül von dem intermediären Zustand wieder in seinen Grundzustand zurückfällt und dabei ein Photon der identischen Energie (also identischer Wellenlänge und Frequenz) sowie identischer Phasenlage wie das stimulierende Photon aussendet. Durch diese Verdoppelung des stimulierenden Photons wirkt das Lasermedium wie ein Lichtverstärker. Das zweite Photon kann dann seinerseits andere angeregte Atome oder Moleküle zur Ausstrahlung stimulieren und es kommt zu einer Kettenreaktion.For the generation of laser radiation, atoms or molecules in the laser medium are excited by pumping from lower energy levels into energetically higher ones. Of these, the laser medium must relax to an intermediate state. Now a stimulation of an atom or molecule by a Pho is sufficient ton with the energy to be emitted, so that the excited atom or molecule falls back from the intermediate state to its ground state and emits a photon of identical energy (i.e. identical wavelength and frequency) and identical phase position as the stimulating photon. By duplicating the stimulating photon, the laser medium acts like a light intensifier. The second photon can then in turn stimulate other excited atoms or molecules to emit and a chain reaction occurs.

Reflexionsgraddegree of reflection

Der Reflexionsgrad ist das Verhältnis zwischen reflektierter und einfallender Intensität, z.B. bei elektromagnetischen Wellen.The degree of reflection is the ratio between reflected and incident intensity, e.g. in the case of electromagnetic waves.

Strahlungsenergieradiant energy

Die Strahlungsenergie ist die von elektromagnetischen Wellen transportierte Energie. Die SI-Einheit der Strahlungsenergie ist Joule.Radiant energy is the energy transported by electromagnetic waves. The SI unit of radiant energy is the joule.

Strahlungsintensitätradiation intensity

Die auf eine Fläche bezogene Leistungsdichte beim Transport von Energie wird als Strahlungsintensität bezeichnet. Sie wird meist in der Einheit W/cm2 angegeben.The power density related to an area during the transport of energy is referred to as radiation intensity. It is usually specified in the unit W/cm2.

Strahlungsleistungradiant power

Die Strahlungsleistung ist die differentielle Energiemenge, die pro Zeitspanne von elektromagnetischen Wellen transportiert wird. Die SI-Einheit der Strahlungsleistung ist Watt.Radiant power is the differential amount of energy transported by electromagnetic waves per period of time. The SI unit of radiant power is the watt.

YAG-LaserYAG laser

Der Yttrium-Aluminium-Granat-Laser ist ein Festkörperlaser, der als Lasermedium einen YAG-Kristall verwendet und meist infrarote Strahlung emittiert. Yttrium-Aluminium-Granat wird vorwiegend als einkristalliner Wirtskristall genutzt und je nach gewünschten Eigenschaften, vor allem der zu emittierenden Wellenlänge mit verschiedenen Lanthanoiden dotiert, unter anderem mit Erbium (Er:YAG-Laser).The yttrium aluminum garnet laser is a solid-state laser that uses a YAG crystal as the laser medium and mostly emits infrared radiation. Yttrium aluminum garnet is mainly used as a monocrystalline host crystal and, depending on the desired properties, above all the wavelength to be emitted, is doped with various lanthanides, including erbium (Er:YAG laser).

BezugszeichenlisteReference List

100100
Desinfektionsvorrichtungdisinfection device
105105
Infrarotstrahlunginfrared radiation
110110
Resonatorresonator
120120
Endspiegelend mirror
130130
Lasermediumlaser medium
135135
Pump(licht)quellePump (light) source
140140
Ansaugvorrichtungsuction device
145145
Strömungsweg der Raumluft flow path of the room air
200200
Desinfektionsvorrichtungdisinfection device
205205
Infrarotstrahlunginfrared radiation
210210
Resonatorresonator
220220
Endspiegelend mirror
230230
Lasermediumlaser medium
235235
Pump(licht)quellePump (light) source
240240
Ansaugvorrichtungsuction device
245245
Strömungsweg der Raumluft flow path of the room air
300300
Desinfektionsvorrichtungdisinfection device
305305
Infrarotstrahlunginfrared radiation
310310
Resonatorresonator
320320
Endspiegelend mirror
330330
Lasermediumlaser medium
335335
Pump(licht)quellePump (light) source
340340
Ansaugvorrichtungsuction device
345345
Strömungsweg der Raumluftflow path of the room air
350350
Luftkanal air duct
400400
Desinfektionsvorrichtungdisinfection device
405405
Infrarotstrahlunginfrared radiation
410410
Resonatorresonator
420420
Endspiegelend mirror
430430
Lasermediumlaser medium
435435
Pump(licht)quellePump (light) source
440440
Ansaugvorrichtungsuction device
445445
Strömungsweg der Raumluftflow path of the room air
450450
Luftkanalair duct

zitierte Literaturcited literature

zitierte Patentliteraturcited patent literature

CN 111603599 ACN 111603599A

zitierte Nicht-Patentliteraturcited non-patent literature

Datenblatt zu UV-Lasern der ULM/ULR-355 Serie von IPG Photonics (https://www.ipgphotonics.com/en/81/FileAttachment/ULM-ULR-355-200+Datasheet.pdf, aufgerufen am 11.12.2020)Data sheet on UV lasers of the ULM/ULR-355 series from IPG Photonics (https://www.ipgphotonics.com/en/81/FileAttachment/ULM-ULR-355-200+Datasheet.pdf, accessed on December 11, 2020)

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • CN 111603599 A [0010, 0087]CN 111603599A [0010, 0087]

Claims (10)

Vorrichtung (100; 200; 300; 400) zur Desinfektion eines infektiösen Aerosols, insbesondere zum Deaktivieren von Krankheitserregern in Aerosoltropfen, mit: 1.1 einem Infrarot-Laser zum Erzeugen von Infrarot-Licht, wobei der Infrarot-Laser folgende Komponenten aufweist: 1.1.1 eine Pumpquelle; 1.1.2 ein Lasermedium (130; 230; 330; 430), das durch die Pumpquelle anregbar ist; 1.2 einem Resonator (110; 210; 310; 410) mit hoher Güte, der das Infrarot-Licht des Infrarot-Lasers überhöht; 1.3 eine Umwälzeinrichtung (140; 240; 340; 440) für das infektiöse Aerosol; 1.4 wobei das infektiöse Aerosol zur Desinfektion mit Hilfe der Umwälzeinrichtung (140; 240; 340; 440) durch den Resonator (110; 210; 310; 410) geleitet wird.Device (100; 200; 300; 400) for disinfecting an infectious aerosol, in particular for deactivating pathogens in aerosol droplets, with: 1.1 an infrared laser for generating infrared light, the infrared laser having the following components: 1.1.1 a pump source; 1.1.2 a laser medium (130; 230; 330; 430) which can be excited by the pump source; 1.2 a resonator (110; 210; 310; 410) with a high quality, which increases the infrared light of the infrared laser; 1.3 a circulation device (140; 240; 340; 440) for the infectious aerosol; 1.4 wherein the infectious aerosol is passed through the resonator (110; 210; 310; 410) for disinfection with the aid of the circulation device (140; 240; 340; 440). Vorrichtung (100; 200; 300; 400) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge des Infrarot-Lasers - in einem Bereich von 0,7 µm bis 50 µm, - vorzugsweise in einem Bereich von 1 µm bis 30 µm, - weiterhin vorzugsweise in einem Bereich von 2 µm bis 7 µm und - besonders bevorzugt in einem Bereich von 2,5 µm bis 4 µm liegt.Device (100; 200; 300; 400) according to the preceding claim, characterized in that the wavelength of the infrared laser is - in a range from 0.7 µm to 50 µm, - preferably in a range from 1 µm to 30 µm, - furthermore preferably in a range from 2 μm to 7 μm and - particularly preferably in a range from 2.5 μm to 4 μm. Vorrichtung (100; 200; 300; 400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarot-Laser ein CO2-Laser ist.Device (100; 200; 300; 400) according to one of the preceding claims, characterized in that the infrared laser is a CO 2 laser. Vorrichtung (100; 200; 300; 400) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarot-Laser ein dotierter YAG-Laser ist.Device (100; 200; 300; 400) according to one of Claims 1 or 2 , characterized in that the infrared laser is a doped YAG laser. Vorrichtung (100; 200; 300; 400) nach dem unmittelbar vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der YAG-Laser mit Erbium dotiert ist.Apparatus (100; 200; 300; 400) according to the immediately preceding claim, characterized in that the YAG laser is doped with erbium. Vorrichtung (100; 200; 300; 400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das infektiöse Aerosol transversal oder longitudinal zur Ausbreitungsrichtung der Infrarotstrahlung durch den Resonator (110; 210; 310; 410) geleitet wird.Device (100; 200; 300; 400) according to one of the preceding claims, characterized in that the infectious aerosol is passed through the resonator (110; 210; 310; 410) transversely or longitudinally to the direction of propagation of the infrared radiation. Vorrichtung (100; 200; 300; 400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das infektiöse Aerosol in einem geschlossenen Luftkanal (350; 450) durch den Resonator (110; 210; 310; 410) geleitet wird, wobei das Material, aus dem der Luftkanal (350; 450) gefertigt ist, für Infrarotstrahlung maximal durchlässig ist.Device (100; 200; 300; 400) according to one of the preceding claims, characterized in that the infectious aerosol is passed through the resonator (110; 210; 310; 410) in a closed air duct (350; 450), the material , from which the air duct (350; 450) is made, is maximally permeable to infrared radiation. Vorrichtung (100; 200; 300; 400) nach dem unmittelbar vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal (350; 450) für Infrarotlicht entspiegelt ist.Device (100; 200; 300; 400) according to the immediately preceding claim, characterized in that the air duct (350; 450) is anti-reflective for infrared light. Verfahren zur Desinfektion eines infektiösen Aerosols, insbesondere zum Deaktivieren von Krankheitserregern in Aerosoltropfen, mit folgenden Schritten: 9.1 eine Vorrichtung (100; 200; 300; 400) nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche wird zur Verfügung gestellt; 9.2 das infektiöse Aerosol wird mit Hilfe der Ansaugeinrichtung (140; 240; 340; 440) durch den Resonator (110; 210; 310; 410) des Infrarot-Lasers geleitet; 9.3 die Aerosoltropfen werden im Resonator (110; 210; 310; 410) des Infrarot-Lasers durch die Infrarotstrahlung auf mindestens 50 °C erhitzt.Method for disinfecting an infectious aerosol, in particular for deactivating pathogens in aerosol droplets, with the following steps: 9.1 a device (100; 200; 300; 400) according to one of the preceding device claims is made available; 9.2 the infectious aerosol is guided through the resonator (110; 210; 310; 410) of the infrared laser with the aid of the suction device (140; 240; 340; 440); 9.3 the aerosol droplets are heated to at least 50 °C by the infrared radiation in the resonator (110; 210; 310; 410) of the infrared laser. Verfahren nach dem unmittelbar vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Aerosoltropfen im Resonator (110; 210; 310; 410) des Infrarot-Lasers durch die Infrarotstrahlung auf mindestens 60 °C, vorzugsweise auf mindestens 70 °C, weiterhin vorzugsweise auf mindestens 80 °C, weiterhin vorzugsweise auf mindestens 90 °C und weiterhin vorzugsweise auf mindestens 100 °C erhitzt werden.Method according to the immediately preceding claim, characterized in that the aerosol droplets in the resonator (110; 210; 310; 410) of the infrared laser are heated by the infrared radiation to at least 60°C, preferably to at least 70°C, more preferably to at least 80° C, more preferably to at least 90 °C and more preferably to at least 100 °C.
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