WO2021194393A1 - Бактерицидный облучатель - Google Patents

Бактерицидный облучатель Download PDF

Info

Publication number
WO2021194393A1
WO2021194393A1 PCT/RU2021/050071 RU2021050071W WO2021194393A1 WO 2021194393 A1 WO2021194393 A1 WO 2021194393A1 RU 2021050071 W RU2021050071 W RU 2021050071W WO 2021194393 A1 WO2021194393 A1 WO 2021194393A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cavity
radiation
bactericidal
irradiator
lamp
Prior art date
Application number
PCT/RU2021/050071
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Игорь Георгиевич РУДОЙ
Аркадий Матвеевич СОРОКА
Original Assignee
Игорь Георгиевич РУДОЙ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Игорь Георгиевич РУДОЙ filed Critical Игорь Георгиевич РУДОЙ
Publication of WO2021194393A1 publication Critical patent/WO2021194393A1/ru

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2/00—Methods or apparatus for disinfecting or sterilising materials or objects other than foodstuffs or contact lenses; Accessories therefor
    • A61L2/02—Methods or apparatus for disinfecting or sterilising materials or objects other than foodstuffs or contact lenses; Accessories therefor using physical phenomena
    • A61L2/08—Radiation

Definitions

  • the claimed technical solution relates to light sources, more precisely to sources of ultraviolet radiation of the bactericidal range of the spectrum (bactericidal irradiators) and is of interest for sterilization tasks, primarily prompt and effective sterilization of surface areas without the use of chemicals or high-temperature treatment.
  • Sources of ultraviolet radiation are widely used in the tasks of bactericidal treatment of volumes and surfaces. To solve this problem, radiation in the range of 215-300 (2304-290) nm, corresponding to a high bactericidal efficiency of radiation, is considered preferable.
  • Low-pressure mercury lamps (RLND) repetitively pulsed xenon lamps, excimer lamps are most often used as sources of such radiation; recently, the use of LED sources has begun.
  • Low pressure mercury lamps are the most widespread, they emit almost monochromatic light with a wavelength of about 254 nm, this wavelength is close to the maximum bactericidal efficiency of light on DNA and RNA molecules (-265 nm).
  • l 254 nm
  • the radiation doses required for sterilization with an efficiency of 90-99.9% have been studied in detail ([1]: Guideline R 3.5.1904-04 "Use of ultraviolet bactericidal radiation for disinfecting indoor air") and for most pathogenic bacteria and viruses are in the range
  • Typical radiation efficiency of modern RLNDs is 25-40% (the lower value refers to short-length lamps) with a resource of 84-15 thousand hours, today such parameters of a germicidal range emitter are out of competition.
  • LED light sources with a wavelength of 260-280 nm have also been developed, which can be used for germicidal treatment tasks.
  • low power at a very high cost of the emitter now, per unit of generated radiation power, RLNDs are hundreds of times cheaper than an LED
  • low efficiency ⁇ 4 -5%)
  • resource within several thousand hours of LEDs with a radiation wavelength ⁇ 290 nm does not allow widespread use of such sources, including for high-performance surface treatment.
  • the sources of bactericidal radiation described above are used both in an open form, simultaneously illuminating large areas or volumes, in this case, the treatment of surfaces and volumes is carried out in the absence of people, and in closed systems (recirculators), when bactericidal light sources are installed in a cavity opaque for radiation and UV sterilization can be carried out in the presence of people ([1]).
  • closed systems recirculators
  • bactericidal light sources are installed in a cavity opaque for radiation and UV sterilization can be carried out in the presence of people ([1]).
  • inlet and outlet sections holes for pumping the sterilized air flow, and special measures are taken to ensure that UV radiation does not go beyond the cavity, including through the inlet and outlet openings.
  • the inner surface of the cavity is made of mirror-reflective polished aluminum or stainless steel, as, for example, in the recirculator Aerolit-400 manufactured by the LIT company ([4]: the website of the LIT company http: // ww w. Lit-u êt. com / ru / compan y /). It is also known to use in closed recirculators a diffusely reflecting surface of the irradiator, which provides a higher, than with specular reflection, effective reflection coefficient in bactericidal range R up to 904-95% and more ([5]: US application N ° US 2012/0315184A1).
  • the specified technical solution for a closed recirculator provides high efficiency of air purification due to the multiple amplification of bactericidal radiation in the cavity of the irradiator with a diffusely reflecting surface, however, in principle, it does not allow solving the demanded problem of sterilizing surfaces outside the recirculator.
  • irradiators For surface sterilization, open irradiators are currently used, including irradiators based on tubular mercury lamps with corresponding cylindrical illuminators. However, their use is limited because:
  • the average radiation intensity does not exceed 0.1 mW / cm ⁇ , that is, the time required for the degree of sterilization of 99.9% of Staphylococcus aureus exceeds 70 seconds, and even for easily inactivated biological objects, a time of> 15 s is required.
  • the time required is usually already> 34-4 minutes and one minute, respectively.
  • the use of special reflectors (illuminators) can reduce this time by approximately half, but not significantly more, while the overall size of the installation only increases.
  • closed recirculators provide sterilization of the air flow pumped through the volume of the irradiator, that is, only the air volume is disinfected
  • open irradiators sterilize both the volume and surfaces, primarily not in the shadow zone and located not too far from the radiation source. Treat small areas of the surface, including promptly with open irradiators are not very convenient and due to the large, as a rule, size of this kind of apparatus, and the need to remove people, which does not allow the irradiator to be easily and quickly moved in the treated room (unless we consider complex robotic systems that dramatically increase the cost of processing) ...
  • bactericidal irradiator including a light source of the bactericidal spectrum range, placed in a cavity, the main part of the inner surface of which is made essentially diffusely reflecting, characterized in that at least one hole for radiation output from the cavity. That is, in [6], a symbiosis of open and closed irradiators is proposed to some extent, when radiation from the cavity is removed into the external space, but not in all, but in a predetermined direction, which makes it possible to exclude or at least significantly reduce the harmful effect ultraviolet radiation to people in the room.
  • a low-pressure mercury lamp is used as the emitter, and the condition (1 -R) ⁇ s / S ⁇ 1 is satisfied on the ratio of the areas of the cavity sections with the diffusely reflecting surface S and the sections through which the radiation is removed from the cavity s, where R Is the coefficient of diffuse reflection of radiation from the surface of the cavity.
  • W is the power of the radiation source in the cavity.
  • the authors of the proposed technical solution have found that the light source located in the cavity in the most common case of using a low-pressure mercury lamp or a pulsed xenon lamp in a relatively small cavity as a light source significantly changes the situation and itself is an effective absorber of the radiation generated by this source itself, which in the general case sharply - multiples (see below) reduces the efficiency of the known technical solution and the sterilization productivity using the known technical solution.
  • the technical result of the claimed invention is a sharp increase in the productivity and efficiency of sterilization of local surface areas.
  • a bactericidal irradiator which is essentially a cavity with a light source of the bactericidal range of the spectrum placed in the cavity, in which the main part of the inner surface of the cavity of the irradiator is made essentially diffusely reflecting with at least one hole for outputting radiation from the cavity, moreover, the total area of the holes for outputting radiation from the cavity of the irradiator is not less than the surface area of the source of bactericidal radiation.
  • the power supply unit of the light source is preferably located outside the cavity.
  • light source we mean all sources of bactericidal radiation located in the cavity, for example, several RLNDs, several repetitively pulsed xenon lamps or RLNDs and a xenon lamp, etc. Accordingly, the power supply units of the light source can be not only one, but also several.
  • S H is the surface area of the bactericidal radiation source
  • the coefficient k is significantly greater than 0 and even> 0.5.
  • This condition means that it is necessary to choose a material with R> 90%, preferably R> 95%, as the material of the diffusely scattering cavity of the irradiator.
  • a material with R> 90%, preferably R> 95% as the material of the diffusely scattering cavity of the irradiator.
  • Such materials are known, of the relatively expensive ones, one can specify expanded fluoroplastic (e-PTFE), which provides in the bactericidal range due to multiple rescattering at the pore-fluoroplastic boundaries with a thickness of 2 mm R ⁇ 96%, spectralon with R ⁇ 98%, etc. - Quite a lot of materials are known that provide a high effective reflection coefficient of incident radiation precisely due to its multiple rescattering in an optically inhomogeneous transparent material.
  • e-PTFE expanded fluoroplastic
  • an appropriate coating can be used on the irradiator material that is not necessarily diffusely scattering or simply poorly reflective of bactericidal radiation - for example, a coating of the Spectraflect® type from LABSPHERE, INC. with an effective diffuse reflectance of about 93% ([7]: https://www.labsphere.com/labsphere-products-solutions/materials- coatings-2 / coatings-materials / spectraflect /).
  • the body of the feed can be made of a wide range of materials from plastics to metals with a diffusely scattering coating applied to its inner surface.
  • PTFE primary fluoroplastic-4
  • the "reflection" of the incident radiation occurs at angles that differ from the specular one, such surfaces are also called scattering.
  • Lambert's law the well-known Lambert's law is fulfilled: the brightness of such a surface is the same in all directions. There are no materials that "reflect" light in strict accordance with Lambert's law, usually reflected (that is, not absorbed and not transmitted through the body) light has both specular and diffuse components.
  • a diffusely reflecting surface in the present technical solution, including all claims, we mean essentially a diffusely reflecting surface - one for which the diffuse component of the scattered (reflected) light significantly exceeds the mirror component, for example, a surface for which the fraction of the diffuse component in reflected light exceeds% (> 70%).
  • diffuse reflection allows not only to obtain a reflection coefficient> 90% unattainable for specular reflection in the wavelength region of ⁇ 260 nm, but also to effectively "mix" the radiation in the cavity and thereby realize uniform illumination holes (holes) through which radiation is removed from the cavity, even in a situation of a sufficiently large size of such a hole.
  • tubular pulsed-periodic inert gas lamps are used as a source of bactericidal radiation, as well as, first of all, tubular RLND, including those and other U-shaped lamps for the purpose of greater compactness.
  • the preference of low-pressure mercury lamps is associated with their high efficiency, a significant service life of up to 10 thousand hours and more, as well as good bactericidal efficiency and low cost.
  • the power supply unit of the light source included in the irradiator is located outside the cavity in the main embodiment of the proposed technical solution.
  • the surface of the power supply must also be taken into account when calculating the fraction of radiation output from the cavity. Since usually the surface of the power supply absorbs ultraviolet radiation well, the efficiency of radiation output when the power supply is in the cavity can be significantly reduced.
  • it is preferable to make its surface also diffusely reflecting bactericidal radiation for example, using appropriate coatings or making its body made of fluoride, etc.
  • the cavity with a diffusely reflecting inner surface has an essentially axisymmetric shape, bounded by two ends, with a hole for radiation output in one of the ends of the cavity.
  • FIG. 1 A corresponding example of the implementation of the specified variant of the claimed invention is shown in Fig. 1, here 1 - a cavity made by turning from a rod of primary fluoroplastic-4 in the form of a cylinder with an open end with an inner diameter of 95 mm, a height (determined by the distance from its open end to the "bottom” of the same diameter) about 140 mm and a wall thickness of the cylinder 5 mm.
  • the cylinder contains a source of bactericidal radiation, which is a compact U-shaped mercury lamp from OSRAM of the PURITEC HNS G23 series with a power consumption of 5 W and an emitted power of about 0.9 W: 2 - lamp base with terminals for supplying power 3, which "Hidden” in the handle of the irradiator with a diameter of -45 mm and a height of ⁇ 65 mm (the "lower" part of the feed with a smaller diameter). Heated electrodes 4 are used to generate current in the lamp.
  • a source of bactericidal radiation which is a compact U-shaped mercury lamp from OSRAM of the PURITEC HNS G23 series with a power consumption of 5 W and an emitted power of about 0.9 W: 2 - lamp base with terminals for supplying power 3, which "Hidden" in the handle of the irradiator with a diameter of -45 mm and a height of ⁇ 65 mm (the "lower” part of the feed with a
  • the walls of lamp 5 with a thickness of about 1 mm and an outer diameter of 12 mm are made of quartz glass transparent for radiation with a wavelength of 254 nm
  • the working medium of lamp 6 during the generation of radiation consists of mercury vapor with a pressure of ⁇ 1 Pa and a mixture of argon with neon at a pressure of ⁇ 500 Pa.
  • the length of the U-shaped discharge gap between the electrodes is about 130 mm, the total length of the absorbing column of mercury atoms in the lamp is up to 135 mm.
  • the area of the hole for radiation output from the cavity is s ⁇ 71 cm ⁇
  • the area of the diffusely scattering surface of the illuminator is S ⁇ 480 cm2
  • the area of the side surface of the mercury lamp is Sn ⁇ 50 cm2.
  • the measured average radiation power in the plane of the open end of the cylinder was 5.5 h-6.2 mW / cm2 (note that the fairly good stability of the radiation power distribution over the cross section of the end with a relative variation of less than 10% is due to the fact that S is many times greater than s), total the power of the outputted bactericidal radiation Q ⁇ 420 mW or about 45% of the total lamp power in an open space, which is 20 -25 times more than at the same distance from the lamp in an open space (without an irradiator).
  • the total power of the output radiation slightly increased - up to ⁇ 470 mW; however, the uniformity of the distribution of the light intensity over the cross section of the open end of the feed was significantly deteriorated, which is undesirable.
  • a bactericidal irradiator with the same source of bactericidal radiation was made from the same fluoroplastic, but the dimensions of the cavity of the irradiator with the same wall thickness of 5 mm were reduced to the following values: inner diameter 32 mm, height 75 mm.
  • the area of the hole for radiation output from the cavity is s ⁇ 8 cm2
  • the area of the diffusely scattering surface of the illuminator is S ⁇ 81 cm2 (the S / s ratio is greater than in the first example, the condition (1-R) ⁇ s / S is also satisfied)
  • the lateral surface area mercury lamp (emitter surface area) S H ⁇ 50 cm ⁇ that is, the condition s> S and violated.
  • the measured average radiation power in the plane of the open end face of the cylinder was ⁇ 14 mW / cm ⁇ , which is 3 -3.5 times higher than in the case of an open RLND.
  • the use of the proposed technical solution makes it possible to provide a flux on a fixed surface area 204-25 (or more) times greater than for an open lamp and the total outputted flux of bactericidal radiation is several times greater (in a specific example, four times) than according to the prototype. Accordingly, the productivity of local surface treatment can be increased by the same factor.
  • a dose of 6.6 mJ / cm ⁇ (sufficient to obtain a sterilization degree of at least 99.9% for most bacteria and viruses) provides a surface disinfection performance of 60 cm ⁇ / s or about 1 m ⁇ in 3 minutes (that is, passing the open end of the described cavity along the treated surface at a speed of 54-6 cm / s, we will get a completely sterilized "trace" of the movement of the open end); for microorganisms with a lower required bactericidal dose, the treatment can be carried out even times faster.
  • the proposed technical solution provides high-quality sterilization of the surface with low current costs: for processing 1 m ⁇ in 3 minutes, no more than 1500 J of electricity is spent - this is less than 0.0005 kWh, that is, no more than 0.3 kopecks. at a cost of electricity of 6 rubles / kWh (and even lower costs with a lower required bactericidal dose).
  • a similar illuminator can also effectively use compact tubular xenon lamps, for example, flash lamps of the INP type manufactured by Zenit Trading LLC ([8]: http://www.znt.ru/index.php/catalog/flash-lamps-inp ) or similar, in particular, lamps of the INP-3 / 45A type with a tube diameter of 3 mm and an interelectrode distance of 45 mm.
  • the lamp may have a U-shape, and the electrodes and, in general, all parts of the lamp on which and no radiation is generated (except for the discharge channel) are brought out of the cavity of the feed, for example, into the "handle" of the feed (see Fig. 1).
  • the proposed technical solution provides such streams of bactericidal light from a compact bactericidal irradiator, which can be effectively used for local operational (almost instantaneous) sterilization of relatively small open surfaces, including during operations and, if necessary, repeatedly or periodically), in cases of allergy on sterilizing chemicals, for special surfaces and in other situations, including sufficiently fast processing of surfaces of a large area.
  • the cavity of the feed can be not only cylindrical, but also conical, and also have a different shape; in a preferred embodiment, the cavity of the feed has an axisymmetric shape, this, as a rule, simplifies the manufacture of the feed.
  • the shape of the hole for outputting radiation from the cavity of the irradiator can be optimized in advance according to the shape of the object being processed - for example, a bactericidal irradiator for sterilizing banknotes can have a rectangular outlet section corresponding to the size of the banknotes.
  • the shape of the hole for removing radiation from the cavity can correspond to the cross-section of the escalator handrail tape, etc.
  • the diffuse nature of the reflection of radiation from the main part of the surface of the cavity also ensures sufficient uniformity of the light flux on the surface to be treated.
  • the escalator belt processing also provides an example of the possibility of using a substantially different feed geometry from that shown in FIG. 1.
  • a straight RLND or several RLND located coaxially with the groove and the axis of the feed cavity.
  • an irradiator with a cylindrical cavity with a diffusely reflecting surface 10 cm in diameter and 15 cm in length can be used, in which an RLND 10 mm in diameter with an interelectrode distance of 15 cm is located (the electrode nodes are removed outside the cavity, and the ends of the cavity are also made diffusely reflecting).
  • the cavity has a groove 12 cm long and 5 cm wide (two grooves 2.5 cm wide), etc. Through the specified groove, bactericidal radiation is removed from the cavity and processes the moving escalator belt.
  • the area of the diffusely reflecting surface of the cavity (taking into account the ends) is S ⁇ 550 cm2
  • the area of the hole (in this case, the rectangular groove) s 60 cm2 (S / s ⁇ 9) and the surface area of the emitter S H ⁇ 47 cm2
  • the conditions formulated in paragraphs 1-3 of the claims are fulfilled for, for example, a fluoroplastic cavity with R ⁇ 93%.
  • the cavity of the irradiator for disinfection of the same escalator belt can have a spherical shape, for example, 15 cm in diameter with the same 12x5 cm2 groove
  • the relative position of the irradiator and the treated (sterilized) surface may be different. So, when sterilizing the same escalator tape, the groove of the feed and its axis of symmetry can be located not only "across" the direction of movement of the tape, but also along this direction.
  • a straight tubular RLND manufactured by Osram, Philips, etc. with an energy consumption of 16 W, an interelectrode distance of about 235 mm, a diameter of 15 mm, and a radiated power of about 4.5 W can be used as a source of bactericidal radiation (Philips TUV 16W G16T5 and similar) ...
  • the power of useful bactericidal radiation is ⁇ 2 W and for a belt speed of 40 cm / s the bactericidal dose will be ⁇ 8 mJ / cm ⁇ - sufficient for the proportion of microorganisms. If it is necessary to provide a large dose, it is possible to use the lamp and the cavity of the irradiator proportionally longer with the same width and proportionally with the greater length of the slot.
  • the electrode assemblies, lamp caps, etc. are removed outside the cavity of the feed, as described in the examples above.
  • the cavity when a high coefficient of diffuse reflection is ensured by applying a suitable coating to the material of the cavity, the cavity can be made composite.
  • the cavity in the axisymmetric version of the cavity according to and. 6 of the claims, it can include two parts - two "halves", when the cavity consists of two "half-cylinders or cones with a handle-bottom” symmetrical along the axis of symmetry of the cavity. It is technologically simpler and more convenient to apply a corresponding diffuse-reflecting coating or a layer of an appropriate material to such component parts of the cavity.
  • the material of the cavity itself can be selected as optimal without taking into account the requirements of a high diffuse reflection coefficient, for example, a material with the required thermal conductivity (to maintain the optimal temperature in the cavity of the irradiator) or made of material opaque for bactericidal radiation is selected, which guarantees the safety of a person (operator) using the claimed bactericidal irradiator (a small proportion of bactericidal radiation can "seep" through the diffusely scattering, but non-absorbing radiation material.
  • the body of the irradiator as a whole is made opaque for bactericidal radiation (and even for ultraviolet radiation in general). This can be done in various ways, for example:
  • the body of the irradiator is made of material that is opaque for bactericidal radiation; a diffusely scattering coating is applied to the inner surface of the cavity, or a layer of diffusely scattering material is attached to it: a layer of expanded fluoroplastic, a layer of ordinary fluoroplastic, etc .;
  • the body of the irradiator is made of a diffusely scattering material, on the outer surface of which a layer of material that absorbs bactericidal radiation is applied
  • the hole for outputting radiation from the cavity of the irradiator is closed with a material transparent for radiation, for example, a plate of quartz glass transparent in UV (including in the bactericidal range), magnesium fluoride (MgF2), lithium fluoride (LiF), leucosapphire and etc. That is, in this embodiment, the cavity with the radiation source is separated from the external space, including the cavity is made sealed, while the radiation is removed from the cavity through a material transparent for radiation.
  • a material transparent for radiation for example, a plate of quartz glass transparent in UV (including in the bactericidal range), magnesium fluoride (MgF2), lithium fluoride (LiF), leucosapphire and etc.
  • the ingress of dust into the cavity is excluded (especially when the lamp is turned off, when the air temperature in the cavity decreases, inducing air flow from the outside into the cavity), which can be significant, since dust settling on the walls of the cavity gradually reduces the diffuse reflection coefficient.
  • the elimination of dust accumulation in the cavity of the feed allows the use of diffusely scattering materials in the feed, the accumulation of dust by which is possible due to their porous structure - for example, expanded fluoroplastic, which provides a significantly lower value (1-R) compared to conventional fluoroplastic, which automatically increases the efficiency of the irradiator.
  • the tightness of the cavity also provides an additional level of safety in the event of a lamp leakage when using lamps with mercury-containing gas mixtures as light sources.
  • the cavity of the irradiator is filled with gas, which, unlike air, is transparent not only in the bactericidal range of the spectrum, but also in the shorter wavelength region, including part of the VUV spectral region, at least up to a wavelength of 185 nm (resonant transition of a mercury atom) and even 170 -175 nm (emission band of xenon dimers).
  • gas which, unlike air, is transparent not only in the bactericidal range of the spectrum, but also in the shorter wavelength region, including part of the VUV spectral region, at least up to a wavelength of 185 nm (resonant transition of a mercury atom) and even 170 -175 nm (emission band of xenon dimers).
  • It can be nitrogen or inert gases - for example, xenon, transparent at least up to wavelengths of 150 nm (and much less for krypton and lighter inert gases).
  • the output window of the feed can be brought, for example, by radiation from a resonant transition of a mercury atom with a wavelength of 185 nm from a singlet excited state (for RLND made of quartz transparent to VUV) or broadband short-wave radiation from pulsed xenon lamps.
  • the output window of the irradiator by placing the output window of the irradiator near the surface to be treated, it is possible to bring to it, for example, high-energy photons with a wavelength of -185 nm (the path length of such photons in air with typical humidity is 6 h-8 cm), which effectively provide not only bactericidal treatment ( together with photons of 253.7 nm of the second resonance transition of the mercury atom from the triplet excited state), but also the decomposition of the overwhelming majority of chemical compounds, including harmful compounds and toxins, which may be of independent interest for many applications, including special ones.
  • the effect of exposure to shorter wavelength radiation can be significant in the case of repetitively pulsed inert gas lamps, including the known xenon lamps. In this case, it may be preferable to make the lamp bulb from a material with a high transmittance in the short wavelength region - special types of quartz glass, leucosapphire, etc.
  • the generation of ozone by VUV radiation near the exit window (s) of the cavity of the irradiator can also be useful, ozone, the strongest oxidizing agent, also effectively decomposes chemical compounds and inhibits biological objects. It is important and useful here that ozone is generated locally only in the region near the exit window (s) of the feed cavity.
  • quartz sarks for example, KU-1, Suprasil
  • leucosapphire lithium or magnesium fluoride, etc.
  • the emitter For the indicated version of the emitter, it is also important that a sufficiently high diffuse scattering coefficient in pure PTFE-4 and its "derivatives" such as expanded PTFE is realized in the near VUV range, at least up to wavelengths of ⁇ 170 -185 nm. At the same time, the reflection coefficient is still lower than in the region of 260 nm, and for this reason, the number of re-reflections (rescattering) in the feed cavity, which is preferable for the output of VUV radiation, should be less, than for radiation of the main bactericidal range.
  • the preferred S / s ratio can be ⁇ 5-7 (for the bactericidal range and the effective diffuse scattering coefficient of 96% without significant losses, use cavities with a ratio S / s ⁇ 10 -15.
  • the operating mode of the radiation source and / or the composition of its gaseous medium can be appropriately adjusted - it is known, for example, the difference in the optimal conditions for generating radiation resonance transitions of the mercury atom at 185 nm and 254 nm in the RLND.
  • Fig. 2 One of the variants of the implementation of the cavity with the aperture closed by the transparent plate for the radiation output is shown in Fig. 2, on which 7 is a plate transparent for bactericidal radiation for removing radiation from the cavity, 8 is a sealing gasket, 9 is a flange fixed to the cavity 1 by a threaded connection, the rest of the designations coincide with those indicated in Fig. 1. Note that the forward-protruding (in the direction of light propagation) "visor" 10 of the flange additionally protects the operator from UV radiation scattered by the treated surface; h in Fig.
  • the entire flange or its "visor" in the variant of a composite flange
  • the connection of the plate to the cavity can be performed by other known methods, for example, using glue, etc. (as well as the connection of the part of the flange ("visor"), transparent for visible radiation, with the rest of the flange.
  • the described protective "visor” can be part of the irradiator even in the case when the cavity of the irradiator is open, that is, a plate transparent in the bactericidal range for outputting radiation is not used.
  • the surface of the "visor” can be cylindrical or conical, in FIG. 2 shows a variant with a conical surface, the opening angle of the cone ⁇ can be quite large - up to 120 -150 degrees, the angle ⁇ can be negative ("converging" cone). Replacing one "visor” with another also allows you to quickly change the size of the surface area processed by the irradiator.
  • the "visor" When a bactericidal emitter of VUV radiation is removed from the cavity, the "visor" additionally limits the region of generation of ozone and OH radicals during the interaction of such radiation with oxygen and water vapor in the air, respectively, which, as a rule, is useful for increasing the effectiveness of the impact on the treated surface and volume ...
  • the cavity of the feed is additionally heated due to heat release in it (although the temperature rise is small in most cases - the heat release is relatively small, and the surface area of the cavity is large enough, so that the heat flux to the walls of the cavity, as a rule, turns out to be ⁇ 0 , 03 W / cm ⁇ , which corresponds to a slight overheating).
  • overheating corresponds to an increase in pressure in the cavity, with an increase in temperature by 54-7 ° C, the excess pressure in the cavity will be ⁇ 2 kPa (note that the increase in pressure is determined by the average temperature of the cavity, which is much less than the operating temperature of the walls of the RLND ⁇ 404-45 ° C) and for a hole diameter of 95 mm, the excess force acting on the transparent plate will be ⁇ 15 N. flanges.
  • the holes for outputting radiation can be located on a "supporting lattice" corresponding in strength with a high coefficient of diffuse radiation scattering from the side facing the cavity. That is, the end face of the cavity of the irradiator, for example, can be made of a fluoroplastic plate of the required thickness with several holes for radiation output from the cavity, on each a plate transparent for radiation is installed, which is fixed with glue, a flange etc.
  • the size of an individual hole, the thickness of the plate and the width of the gaps between the holes are determined by the condition required to withstand the excess pressure of the strength of both the transparent plates and the "supporting grid".
  • the cavity of the feed is sealed at a temperature higher than the temperature of the cavity during operation of the radiation source.
  • the gas pressure in the cavity can be less than the external one - this will automatically ensure a good quality and resource of the adhesive joint, additional fixation of the gaskets, etc. , which simplifies and improves the sealing of the cavity. Note that for this type of cavity sealing, it is necessary to take into account possible variations in atmospheric pressure.
  • low pressure mercury lamps in many cases seem to be optimal for many sterilization tasks due to their high bactericidal efficiency and efficiency, low cost and high resource.
  • these lamps have a disadvantage, which is significant for the tasks of operative sterilization: they require a significant time to reach the operating mode after turning on the power - from tens of seconds for compact non-amalgam lamps to several minutes for amalgam lamps.
  • the main reason for the delay is associated with the need to heat the surface of the RLND flask to a temperature that provides the required concentration of mercury vapor: ⁇ 40 -45 ° C for the non-amalgam version of mercury lamps and ⁇ 1004-120 ° C for amalgam lamps. Note that there is no such problem for inert gas flash lamps, excimer and LED sources.
  • This problem can be solved in at least two ways.
  • RLND can work (be turned on) constantly or turned on at the beginning of a work shift and turned off at its end, etc., and the hole for radiation output is closed with an opaque cover (diaphragm).
  • the cover is removed or the diaphragm is opened (including automatically) and the treated surface is irradiated.
  • the specific options for the implementation of such a "gate" may be different, including the diaphragm can be opened for a specified period of time in the same way as it was done with the shutter of film cameras. Specific implementations of this embodiment of the technical solution are well known to those skilled in the art.
  • the cavity can accommodate at least one additional source of heat release (for example, ohmic heating), the constant operation of which ensures the maintenance of the temperature of the RLND quartz walls required for the operation of the lamp.
  • additional source of heat release for example, ohmic heating
  • the lamp begins to generate radiation much faster, since the heating time of the electrodes is minimal and, in addition, the heating of the electrodes can also be turned on all the time - then the RLND radiation turns on almost instantly.
  • the power supply unit of the additional heater is turned off (or its power is significantly reduced) and again turned on at full power after the discharge in the RLND is turned off, that is, the power supply units of the radiation source (RLND) and the additional heat source are synchronized.
  • the operating time of the RLND (duration of radiation of bactericidal light) can be programmed in various ways, which are well known to specialists in this field.
  • the latter technical solution is preferably used in the variant when the source of bactericidal radiation (RLND) is located in a sealed cavity.
  • RLND source of bactericidal radiation
  • the optimal power of the additional heater for a given shape and material of the cavity, as well as for a specific model of RLND, is determined experimentally, while the cost of electricity consumed by such an additional heat source remains insignificant. It is also important here that when the RLND is placed in a sealed cavity, the temperature regime of its operation changes in comparison with the case of placing the lamp in free space, which can lead to some correction (towards a decrease) in the power consumed from the power supply unit and even to a certain increase in the efficiency of the lamp, since under conditions of hindered heat transfer in a sealed cavity, a smaller part of the power is spent on maintaining an elevated temperature of the lamp walls.
  • a small required power of additional heat release can be obtained from a source of small area, that is, the heat source will have a minimal effect on the light field in the cavity and the efficiency of radiation extraction from it, especially if the surface of the source has a high coefficient of diffuse reflection of radiation - for example, made of an appropriate material or the surface is coated with an appropriate coating as described above.
  • the first source of heat release provides the required temperature of the amalgam (usually 100 h - 130 ° C, depending on the specific composition of the amalgam), that is, the temperature at which the pressure of saturated mercury vapor over the amalgam is ⁇ 1 Pa - the optimal value for RLND;
  • the second source when the amalgam is heated (when the first source is operating), provides a temperature in the cavity, including the temperature of the RLND walls, such that saturated mercury vapors are guaranteed not to settle on the lamp walls, this is ⁇ 45 -50 ° C.
  • a temperature in the cavity including the temperature of the RLND walls, such that saturated mercury vapors are guaranteed not to settle on the lamp walls, this is ⁇ 45 -50 ° C.
  • the amalgam RLND uses several amalgam "spots", then it is preferable to use an appropriate number of local heating sources.
  • the source of bactericidal radiation also emits visible light (for example, RLND emits in the visible range ⁇ 2 -5% of the total radiated power), which makes it easier for the user to control the correct operation of the bactericidal emitter.
  • the phosphor can be applied to a small area of the plate, through which bactericidal radiation is removed from the cavity of the irradiator.
  • the application of the proposed technical solution makes it possible, at low cost, to provide effective high-performance sterilization of local surface areas with bactericidal radiation, including, if necessary, areas of the surface of the human body and clothing, including in the presence of other people.
  • bactericidal radiation including, if necessary, areas of the surface of the human body and clothing, including in the presence of other people.
  • the "absolute sterility" of radiation when using which it is fundamentally impossible to introduce a microorganism, toxin, etc. onto the surface to be treated.
  • a capacity of 6000 mAh at a charging voltage of 4.2 V corresponds to an electrical energy of ⁇ 90 kJ, when discharged to a voltage of 2.8 V, over 30 kJ is released, which corresponds to an autonomous operation of a bactericidal irradiator of more than 1.5 hours. More power hungry batteries will easily provide a battery life of three to four hours.
  • the claimed technical solution is applicable to various specific sources of bactericidal light and methods of supplying them (continuous direct current discharge, pulse-periodic discharge with a different shape of a separate pulse and with a different frequency of their repetition, etc.), the geometry of the emitter (tubular lamp, ball lamp , U-shaped lamp, etc.), the material from which the lamp is made (for example, a leucosapphire xenon flash lamp can provide high radiation power in the short-wavelength range), the shape and size of a cavity with a diffusely reflecting inner surface, methods for realizing diffuse reflection due to the material from which the cavity or its inner layer is made (fluoroplastic made using different technologies, expanded fluoroplastic, etc.), or due to the appropriate coating on a material selected from other considerations, as well as a combination of these solutions.
  • Various materials can be used as the material of the plate that hermetically closes the hole for removing bactericidal radiation from the cavity; the plate may not be flat, and the shape of the corresponding hole
  • the specific implementation of the additional heat source in the cavity can be different.
  • the method of synchronizing the operation of the RLND and the heat source, the principle of operation of the diaphragm or shutter, if the RLND works constantly, as well as the method of preliminary setting the duration of the radiation pulse from fractions of a second to the continuous mode of light generation, can be different.
  • the composition of the bactericidal irradiator can include, among other things, a control system that controls the operating mode of the emitter, including its resource (operating time counter), etc.

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Apparatus For Disinfection Or Sterilisation (AREA)

Abstract

Изобретение относится к источникам света, точнее к источникам ультрафиолетового излучения бактерицидного диапазона спектра (бактерицидным облучателям) и представляет интерес для задач стерилизации, прежде всего оперативной стерилизации поверхностей. Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение быстрой и эффективной стерилизации локальных участков поверхности. Технический результат достигается тем, что в бактерицидном облучателе, представляющем собой по существу полость с размещенным в полости источником света бактерицидного диапазона спектра, основная часть внутренней поверхности полости облучателя выполнена по существу диффузно отражающей с по меньшей мере одним отверстием для вывода излучения из полости, причем общая площадь отверстий для вывода излучения из полости облучателя не меньше площади поверхности источника бактерицидного излучения.

Description

БАКТЕРИЦИДНЫЙ ОБЛУЧАТЕЛЬ
Заявляемое техническое решение относится к источникам света, точнее к источникам ультрафиолетового излучения бактерицидного диапазона спектра (бактерицидным облучателям) и представляет интерес для задач стерилизации, прежде всего оперативной и эффективной стерилизации участков поверхности без использования химических реагентов или высокотемпературной обработки.
Источники ультрафиолетового излучения широко используются в задачах бактерицидной обработки объема и поверхностей. Для решения этой задачи предпочтительным считается излучение в диапазоне 215 -300 (2304-290) нм, соответствующем высокой бактерицидной эффективности излучения. В качестве источников такого излучения чаще всего используются ртутные лампы низкого давления (РЛНД), импульсно-периодические ксеноновые лампы, эксимерные лампы, в последнее время началось использование светодиодных источников.
Ртутные лампы низкого давления (РЛНД) распространены наиболее широко, они излучают практически монохроматический свет с длиной волны около 254 нм, эта длина волны близка к максимуму бактерицидной эффективности воздействия света на молекулы ДНК и РНК (-265 нм). Для l=254 нм потребные для стерилизации с эффективностью 90- 99,9% дозы излучения подробно изучены ([1]: Руководство Р 3.5.1904-04 «Использование ультрафиолетового бактерицидного излучения для обеззараживания воздуха в помещениях») и для большинства патогенных бактерий и вирусов находятся в интервале
14-30 мДж/см^, для используемого в качестве стандартного стерилизуемого объекта золотистого стафилококка поверхностная доза облучения для степени обеззараживания
99,9% составляет 6,6 мДж/см^, для ряда вирусов для указанной степени обеззараживания достаточна доза - 1 мДж/см^. Типичная эффективность излучения современных РЛНД составляет 25-40% (меньшая величина относится к лампам малой длины) при ресурсе 84-15 тысяч часов, на сегодня такие параметры излучателя бактерицидного диапазона вне конкуренции.
В то же время в ряде случаев может быть более эффективной стерилизация широкополосным излучением импульсных ксеноновых ламп или излучением других участков ультрафиолетового спектра (в том числе одновременно нескольких полос бактерицидного диапазона) с использованием эксимерных ламп. Здесь механизм инактивации бактерий и вирусов может включать не только воздействие на ДНК или РНК, но также на белки и другие компоненты клетки, что в итоге обеспечивает большую эффективность стерилизации, а также, по мнению некоторых исследователей, возможность реализовать существенно более высокую степень дезактивации, например 99,99% и выше при умеренном росте потребной дозы ([2]: сайт компании «НИН Мелитта» http ://w w w. melitta-uv.ru/technolo g у/work/ ; [3]: К. G. Linden, J. Thurston, R. Schaefer, J.P. Malley, Jr. «Enhanced UV Inactivation of Adenoviruses under Polychromatic UV Lamps». Applied and environmental microbiology, 2007, vol. 73, N° 23, p. 7571-7574).
В последние годы разработаны также светодиодные источники света с длиной волны 260-280 нм, которые могут использоваться для задач бактерицидной обработки. Однако малая мощность при весьма высокой стоимости излучателя (сейчас в расчете на единицу генерируемой мощности излучения РЛНД дешевле светодиода в сотни раз), а также низкие КПД (< 4 -5%) и ресурс (в пределах нескольких тысяч часов) светодиодов с длиной волны излучения <290 нм не позволяет широко ипользовать такие источники, в том числе для высокопроизводительной обработки поверхностей.
Описанные выше источники бактерицидного излучения применяются как в открытом виде, одновременно освещая значительные площади или объемы, в этом случае обработка поверхностей и объемов проводится в отсутствие людей, так и в закрытых системах (рециркуляторах), когда бактерицидные источники света устанавливаются в непрозрачной для излучения полости и стерилизация УФ излучением может проводиться в присутствие людей ([1]). В последнем случае в полости облучателя с источником бактерицидного излучения имеются входное и выходное сечения (отверстия) для прокачки стерилизуемого потока воздуха, а также обязательно предпринимаются специальные меры для того, чтобы УФ излучение не выходило за пределы полости, в том числе через входное и выходное отверстия. Внутренняя поверхность полости, как правило, выполняется зеркально отражающей из полированного алюминия или нержавеющей стали, как, например в рециркуляторе Аэролит-400 производства компании ЛИТ ([4]: сайт компании «ЛИТ» http ://w w w. lit-u у. com/ru/compan у/) . Известно также применение в закрытых рециркуляторах диффузно отражающей поверхности облучателя, обеспечивающей более высокий, чем при зеркальном отражении, эффективный коэффициент отражения в бактерицидном диапазоне R до 904-95% и более ([5]: заявка США N° US 2012/0315184А1). Указанное техническое решение для закрытого рециркулятора обеспечивает высокую производительность очистки воздуха за счет многократного усиления бактерицидного излучения в полости облучателя с диффузно отражающей поверхностью, однако оно в принципе не позволяет решать востребованную задачу стерилизации поверхностей вне рециркулятора.
Для стерилизации поверхности в настоящее время используются открытые облучатели, в том числе облучатели на базе трубччатых ртутных ламп с соответствующими цилиндрическими осветителями. Однако их применение ограничено, поскольку:
- одновременно облучается значительный объем (площадь), что делает невозможным применение облучателя в присутствие людей;
- достаточно большие габариты ламп и осветителей затрудняют локальное облучения относительно небольших участков поверхности;
- умеренные световые потоки, составляющие на поверхности амальгамных РЛНД ~
70 -120 мВт/см^ и ~ 104-20 мВт/см^ для традиционных ртутных ламп низкого давления, приводят к низким световым потокам на обрабатываемых поверхностях и, соответственно, к значительному времени бактерицидной обработки с высоким эффектом стерилизации. Например, на расстоянии 2 метра от амальгамной ртутной лампы низкого давления длиной 600 мм, излучающей 40 Вт бактерицидного света, средняя интенсивность излучения не превышает 0,1 мВт/см^, то есть потребное для степени стерилизации 99,9% золотистого стафилококка время превышает 70 секунд и даже для легко инактивируемых биологических объектов необходимо время > 15 с. Для неамальгамных ламп потребное время, как правило, уже > 34-4 минут и одной минуты, соответственно. Использование специальных отражателей (осветителей) может уменьшить это время приблизительно вдвое, но не существенно больше, при этом габарит установки в целом только возрастает.
Таким образом, закрытые рециркуляторы обеспечивают стерилизацию прокачиваемого через объем облучателя воздушного потока, то есть обеззараживается только объем воздуха, открытые облучатели стерилизуют как объем, так и поверхности, прежде всего не в зоне тени и находящиеся не слишком далеко от источника излучения. Обрабатывать небольшие участки поверхности, в том числе оперативно с открытыми облучателями не слишком удобно и в силу значительных, как правило, размеров такого рода аппаратов, так и необходимостью удаления людей, что не позволяет облучатель легко и быстро перемещать в обрабатываемом помещении (если не только не рассматривать сложные роботизированные комплексы, которые стоимость обработки увеличивают кардинально).
Наиболее близким техническим решением является предложенный ([6]: заявка RU 2018117347) бактерицидный облучатель, включающий источник света бактерицидного диапазона спектра, размещенный в полости, основная часть внутренней поверхности которой выполнена по существу диффузно отражающей, отличающийся тем, что в полости выполнено по меньшей мере одно отверстие для вывода излучения из полости. То есть, в [6] предложен до некоторой степени симбиоз открытого и закрытого облучателей, когда излучение из полости выводится во внешнее пространство, но не во всех, а в заранее известном направлении, что позволяет исключить или, по меньшей мере, значительно уменьшить вредное воздействие ультрафиолетового излучения на находящихся в помещении людей. В предпочтительном варианте известного технического решения в качестве излучателя применяется ртутная лампа низкого давления и на соотношение площадей участков полости с диффузно отражающей поверхностью S и участков через которые излучение выводится из полости s выполняется условие ( 1 -R)<s/S< 1 , где R — коэффициент диффузного отражения излучения от поверхности полости.
Идея известного технического решения состоит в том, что при высоком коэффициенте диффузного отражения бактерицидного излучения даже при относительно небольшой доле площади отверстия, через которое излучение выводится из полости, возможно эффективно вывести и использовать основную часть излучаемой источником в полости световой мощности. В самом деле, по аналогии с известными для интегрирующих сфер соотношениями для выводимой мощности бактерицидного излучения Q можно получить соотношение:
Q ~ W*s/[s + S*(l-R)] = W/[l + S*(l-R)/s] (1),
W - мощность источника излучения в полости. Таким образом при сформулированном в [6] условии (1-R)<s/S через отверстие относительно малой площади можно вывести значительную долю мощности источника света и за счет этого обеспечить резкий рост интенсивности бактерицидного света на выходном отверстии и, соответственно, увеличить скорость обеззараживания соответствующего участка поверхности, на который направлено выводимое из полости излучение. Например, при R =9 5% и s/S = 0,1, согласно (1), через отверстие в полости возможно вывести около 67% излучаемой мощности и тогда интенсивность света на этом отверстии будет в ~ 7 раз больше, чем средняя на такой же общей площади (S+s) для открытого источника света, что потенциально позволит увеличить производительность стерилизации локальных поверхностей.
Однако авторами заявляемого технического решения установлено, что расположенный в полости источник света в наиболее распространенном случае применения в качестве источника света ртутной лампы низкого давления или импульсной ксеноновой лампы в относительно небольшой полости существенно изменяет ситуацию и сам по себе является эффективным поглотителем генерируемого самим этим источником излучения, что в общем случае резко — кратно (см. ниже) снижает эффективность известного технического решения и производительность стерилизации с помощью известного технического решения.
Техническим результатом заявляемого изобретения является резкое повышение производительности и эффективности стерилизации локальных участков поверхности.
Технический результат достигается тем, что в бактерицидном облучателе, представляющем собой по существу полость с размещенным в полости источником света бактерицидного диапазона спектра, в котором основная часть внутренней поверхности полости облучателя выполнена по существу диффузно отражающей с по меньшей мере одним отверстием для вывода излучения из полости, причем общая площадь отверстий для вывода излучения из полости облучателя не меньше площади поверхности источника бактерицидного излучения.
Блок питания источника света в предпочтительном варианте при этом располагается вне полости. Отметим, что здесь под «источником света» мы понимаем все размещенные в полости источники бактерицидного излучения, например несколько РЛНД, несколько импульсно-периодических ксеноновых ламп или РЛНД и ксеноновая лампа и т.д. Соответственно, блоков питания источника света может быть не только один, но и несколько.
Как установлено авторами, доля поглощаемого источником излучения в полости с по существу диффузно рассеивающей внутренней поверхностью, площадь которой в предпочтительном варианте существенно превосходит как площадь поверхности источника бактерицидного излучения, так и общую площадь отверстий для вывода излучения, пропорциональна площади поверхности источника. В связи с этим соотношение (1) для источника конечных размеров в полости с в основном диффузно отражающей поверхностью необходимо скорректировать следующим образом:
Q ~ W*s/[s + S*(l-R) + kSH] = W/[l + S*(l-R)/s + kSH/s] (2),
SH - площадь поверхности источника бактерицидного излучения, к - коэффициент (k < 1), описывающий то обстоятельство, что часть поглощенного излучения может быть снова переизлучена в источником в объем полости: если повторное переизлучение отсутствует, то к=1, если все поглощенное излучение вновь переизлучается, то к=0. Утверждение авторов состоит в том, что для РЛНД (в первую очередь) и импульсных трубчатых ксеноновых ламп, использование которых является предпочтительным в рамках заявляемого технического решения (а также для светодиодов) коэффициент к существенно больше 0 и даже >0,5. Именно по этой причине при выполнении сформулированного авторами в первом пункте заявляемого технического решения условии s > SH эффективность вывода излучения из полости существенно увеличивается — конечно, при одновременном выполнении условия пункта формулы заявляемого технического решения (1-R) < s/S.
Следует указать, что формально из (2) следует, что целесообразно максимально увеличивать отношение s/S. Однако это не так, поскольку (1 )-(2) верны для случая излучения, которое достаточно хорошо «перемешано» в полости облучателя за счет неоднократного диффузного переотражения излучения. В противном случае описанного выше эффекта усиления не будет и по мере увеличения отношения s/S ситуация все в большей степени будет приближаться к случаю открытого излучателя, не представляющего здесь интерес. В связи с этим целесообразно выбирать s/S < 0,4, в предпочтительном варианте s/S < 0,2 и, по возможности, еще меньше.
Указанное условие означает, что в качестве материала диффузно рассеивающей полости облучателя необходимо выбирать материал с R>90%, предпочтительно R>95%. Такие материалы известны, из относительно дорогих можно указать экспандированный фторопласт (e-PTFE), обеспечивающий в бактерицидном диапазоне за счет многократного перерассеяния на границах пора-фторопласт при толщине 2 мм R ~ 96%, спектралон с R ~ 98% и т.д. - известно достаточно много материалов, обеспечивающих высокий эффективный коэффициент отражения падающего излучения именно за счет многократного его перерассеяния в оптически неоднородном прозрачном материале. Кроме того, с целью реализации диффузного рассеяния может использоваться соответствующее покрытие на не обязательно диффузно расеивающий или просто плохо отражающий бактерицидное излучение материал облучателя — например, покрытие типа Spectraflect® компании LABSPHERE, INC. с эффективным коэффициентом диффузного отражения около 93% ([7]: https://www.labsphere.com/labsphere-products-solutions/materials- coatings-2/coatings-materials/spectraflect/). В этом случае корпус облучателя может быть выполнен из широкой гаммы материалов от пластиков до металлов с нанесенным на его внутреннюю поверхность диффузно рассеивающим покрытием.
Из относительно дешевых материалов для выполнения полости облучателя укажем первичный фторопласт-4 (PTFE), обеспечивающий при толщине 4 мм эффективный коэффициент диффузного отражения не меньше 92 -93%.
Заметим, что для диффузно-отражающей поверхности «отражение» падающего излучения происходит под углами, отличающимся от зеркального, такие поверхности называют также рассеивающими. Для идеальной диффузно отражающей (рассеивающей) поверхности выполняется известный закон Ламберта: яркость такой поверхности одинакова во всех направлениях. Не существует материалов, «отражающих» свет в точном соответствии с законом Ламберта, обычно в отраженном (то есть не поглощенном и не прошедшем сквозь тело) свете есть как зеркальная, так и диффузная компоненты. Под диффузно-отражающей поверхностью в настоящем техническом решении, включая все пункты формулы изобретения, мы понимаем по существу диффузно-отражающую поверхность — такую, для которой диффузная составляющая рассеянного (отраженного) света существенно превосходит зеркальную составляющую, например такую поверхность, для которой доля диффузной составляющей в отраженном свете превосходит % (>70%).
Для реализации настоящего изобретения существенно не только то, что диффузное отражение позволяет не только получить недостижимый для зеркального отражения в области длин волн ~ 260 нм коэффициент отражения >90%, но и эффективно «перемешать» излучение в полости и тем самым реализовать равномерную засветку отверстия (отверстий), через которые излучение выводится из полости, даже в ситуации достаточно большого размера такого отверстия.
В предпочтительном варианте заявляемого изобретения в качестве источника бактерицидного излучения используются трубчатые импульсно-периодические лампы на инертных газах, а также в первую очередь трубчатые РЛНД, в том числе те и другие лампы U-образной формы с целью большей компактности. Предпочтительность ртутных ламп низкого давления связана с их высоким КПД, значительным ресурсом работы до 10 тыс. часов и выше, а также хорошей бактерицидной эффективностью и дешевизной.
Как указывалось выше, входящий в состав облучателя блок питания источника света в основном варианте реализации заявляемого технического решения располагается вне полости. При его расположении в полости облучателя поверхность блока питания также должна учитываться при расчете доли выводимого из полости излучения. Поскольку обычно поверхность блоки питания хорошо поглощает ультрафиолетовое излучение, то эффективность вывода излучения при нахождении блока питания в полости может значительно уменьшиться. При размещении блока питания в полости облучателя предпочтительно выполнить его поверхность также диффузно отражающей бактерицидное излучение, например, с помощью соответствующих покрытий или выполнив его корпус из фтороплата и т.д.
При ручной обработке небольших площадей удобным является вариант реализации заявляемого технического решения, когда полость с диффузно отражающей внутренней поверхностью имеет по существу осесимметричную форму, ограниченную двумя торцами, с отверстием для вывода излучения в одном из торцов полости.
Соответствующий пример реализации указанного варианта заявляемого изобретения показан на фиг. 1, здесь 1 — изготовленная точением из прутка первичного фторопласта-4 полость в виде цилиндра с открытым торцом с внутренним диаметром 95 мм, высотой (определяемой по расстоянию от его открытого торца до «дна» того же диаметра) около 140 мм и толщиной стенок цилиндра 5 мм. В цилиндре размещен источник бактерицидного излучения, в качестве которого используется компактная U- образная ртутная лампа компании OSRAM серии PURITEC HNS G23 с потребляемой мощностью питания 5 Вт и излучаемой мощностью около 0,9 Вт: 2 — цоколь лампы с выводами для подачи питания 3, который «спрятан» в ручке облучателя диаметром -45 мм и высотой ~65 мм («нижняя» часть облучателя меньшего диаметра). Для генерации тока в лампе используются нагреваемые электроды 4. Стенки лампы 5 толщиной около 1 мм с внешним диаметром 12 мм выполнены из прозрачного для излучения с длиной волны 254 нм кварцевого стекла, рабочая среда лампы 6 во время генерации излучения состоит из паров ртути давлением ~ 1 Па и смеси аргона с неоном давлением ~ 500 Па. Длина U - образного разрядного промежутка между электродами около 130 мм, общая длина поглощающего столба атомов ртути в лампе до 135 мм.
Таким образом, в описанном примере площадь отверстия для вывода излучения из полости s ~ 71 см^, площадь диффузно рассеивающей поверхности осветителя S ~ 480 см2, площадь боковой поверхности ртутной лампы Sn ~ 50 см2. Измеренная средняя мощность излучения в плоскости открытого торца цилиндра составила 5,5ч-6,2 мВт/см2 (отметим, что достаточно хорошая стабильность распределения мощности излучения по сечению торца с относительной вариацией менее 10% обусловлена тем, что S многократно больше s), полная мощность выводимого бактерицидного излучения Q ~ 420 мВт или около 45% полной мощности лампы в открытом пространстве, что в 20 -25 раз больше, чем на таком же расстоянии от лампы в открытом пространстве (без облучателя).
Для указанных значений площадей и W = 950 мВт расчет по формуле (2) при R = 93% и k = 1 дает Q ~ 435 мВт в хорошем соответствии с измеренным значением (для R = 91% той же рачетной величине соответствует к ~ 0,8).
При увеличении диаметра цилиндрической полости с лампой до 120 мм полная мощность выводимого излучения несколько увеличилась — до ~ 470 мВт, однако значительно ухудшилась однородность распределения световой интенсивности по сечению открытого торца облучателя, что нежелательно.
Для сравнения из такого же фторопласта был изготовлен бактерицидный облучатель с тем же источником бактерицидного излучения, но размеры полости облучателя при той же толщине стенки 5 мм были уменьшены до следующих величин: внутренний диаметр 32 мм, высота 75 мм. Таким образом, в «контрольном» варианте облучателя площадь отверстия для вывода излучения из полости s ~ 8 см2, площадь диффузно рассеивающей поверхности осветителя S ~ 81 см2 (отношение S/s больше, чем в первом примере, условие (1-R) < s/S также выполняется), площадь боковой поверхности ртутной лампы (площадь поверхности излучателя) SH ~ 50 см^, то есть условие s>S и нарушено. Измеренная средняя мощность излучения в плоскости открытого торца цилиндра составила ~14 мВт/см^, что в 3 -3,5 раз больше, чем в случае открытой РЛНД. Полная мощность выводимого бактерицидного излучения Q ~ 115 мВт или около 12% полной мощности лампы в открытом пространстве, это значение также близко к рассчитываемому по (2) при R = 93% и k = 1.
Таким образом, использование заявляемого технического решения позволяет обеспечить поток на фиксированной области поверхности в 204-25 (и более) раз больше, чем для открытой лампы и общий выводимый поток бактерицидного излучения в несколько раз больше (в конкретном примере — в четыре раза), чем по прототипу. Соответственно, во столько же раз может быть увеличена и производительность локальной обработки поверхности. В частности, для описанной выше геометрии облучателя с мощностью выводимого излучения более 400 мВт доза 6,6 мДж/см^ (достаточная для получения степени стерилизации не менее 99,9% для большинства бактерий и вирусов) обеспечивает производительность обеззараживания поверхности 60 см^/с или около 1 м^ за 3 минуты (то есть, проводя открытый торец описанной полости вдоль обрабатываемой поверхности со скоростью 54-6 см/с, получим полностью стерилизованный «след» движения открытого торца); для микроорганизмов с меньшей необходимой бактерицидной дозой обработка может проводиться еще кратно быстрее.
Заметим, что предлагаемое техническое решение обеспечивает качественную стерилизацию поверхности с низкими текущими затратами: для обработки 1 м^ за 3 минуты затрачивается не более 1500 Дж электроэнергии — это менее 0,0005 кВтч, то есть не более 0,3 коп. при стоимости электроэнергии 6 руб./кВтч (и еще меньшие затраты при меньшей потребной бактерицидной дозе).
В аналогичном осветителе могут также эффективно использоваться компактные трубчатые ксеноновые лампы, например импульсные лампы типа ИНП производства компании ООО "Зенит Трейдинг" ([8]: http://www.znt.ru/index.php/catalog/flash-lamps-inp) или аналогичные, в частности лампы типа ИНП-3/45А с диаметром трубки 3 мм и межэлектродным растоянием 45 мм. В предпочтительном варианте реализации лампа может иметь U-образную форму, а электроды и вообще все участки лампы, на которых и излучение не генерируется (за исключением разрядного канала) выведены за пределы полости облучателя, например в «ручку» облучателя (см. фиг. 1). Заметим, что в варианте использования трубчатой импульсной лампы согласно формуле заявляемого технического решения возможно использовать и более компактные бактерицидные облучатели, поскольку площадь поверхности излучателя в этом случае существенно меньше, чем у компактной РЛНД — например, для указанной лампы Би ~ 4,2 см^, то есть уже при диаметре отверстия на открытом торце 4 см площадь отверстия для вывода излучения втрое больше Би-
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает такие потоки бактерицидного света от компактного бактерицидного облучателя, что может эффективно использоваться для локальной оперативной (практически мгновенной) стерилизации относительно небольших открытых поверхностей, в том числе во время операций и при необходимости неоднократно или периодически), в случаях аллергии на стерилизующие химические реагенты, для специальных поверхностей и в других ситуациях, включая достаточно быструю обработку поверхностей значительной площади.
Важно также отметить, что полость облучателя может быть не только цилиндрической, но и конической, а также иметь другую форму, в предпочтительном варианте полость облучателя имеет осесимметричную форму, это, как правило, упрощает и изготовление облучателя.
В некоторых приложениях заявляемого технического решения форма отверстия для вывода излучения из полости облучателя может быть заранее оптимизирована по форме обрабатываемого объекта — например, бактерицидный облучатель для стерилизации купюр может иметь прямоугольное выходное сечение соответствующего купюрам размера. Или, для стерилизующей обработки поверхности поручня эскалатора, форма отверстия для вывода излучения из полости может соответствовать сечению ленты поручня эскалатора и т.д. В этих случаях диффузный характер отражения излучения от основной части поверхности полости также обеспечивает достаточную однородность светового потока на обрабатываемой поверхности.
Обработка ленты эскалатора представляет также пример возможности использования существенно другой геометрии облучателя по сравнению с показанной на фиг. 1. В этом случае предпочтительным может оказаться цилиндрическая полость с закрытыми диффузно отражающими торцами и открытым пазом вдоль его образующей и расположенной соосно с пазом и осью полости облучателя прямой РЛНД (или несколькими РЛНД). Например, (это не единственный возможный вариант) для обработки ленты шириной 10 см может использоваться облучатель с цилиндрической полостью с диффузно отражающей поверхностью диаметром 10 см длиной 15 см, в которой располагается РЛНД диаметром 10 мм с межэлектродным расстоянием 15 см (электродные узлы при этом вынесены за пределы полости, а торцы полости также выполнены диффузно отражающими). В полости имеется паз длиной 12 см и шириной 5 см (два паза шириной по 2,5 см) и т.д. Через указанный паз бактерицидное излучение выводится из полости и обрабатывает движущуюся ленту эскалатора. В указанном примере площадь диффузно отражающей поверхности полости (с учетом торцов) S ~ 550 см2, площадь отверстия (в данном случае прямоугольного паза) s = 60 см2 (S/s~9) и площадь поверхности излучателя SH ~ 47 см2, как видно сформулированные в пунктах 1-3 формулы изобретения условия выполняются для, например фторопластовой полости с R ~ 93%.
Аналогично, полость облучателя для обеззараживания той же ленты эскалатора может иметь сферическую форму, например диаметром 15 см с таким же пазом 12x5 см2
(S-620 см2
Figure imgf000014_0001
, s/s ~ 10) с аналогичной РЛНД, расположенной по диаметрусферы.
Кроме различной геометрии полости облучателя (цилиндр-сфера-конус и т.д.) при решении конкретной задачи может быть различным взаимное расположение облучателя и обрабатываемой (стерилизуемой) поверхности. Так, при стерилизации той же ленты эскалатора паз облучателя и его ось симметрии может быть расположена не только «поперек» направления движения ленты, но и вдоль этого направления. Например, в качестве источника бактерицидного излучения может использоваться прямая трубчатая РЛНД производства компаний Osram, Philips и пр. с энергопотреблением 16 Вт, межэлектродным расстоянием около 235 мм, диаметром 15 мм и излучаемой мощностью около 4,5 Вт (Philips TUV 16W G16T5 и аналогичные). В качестве полости облучателя может использоваться цилиндр диаметром 20 см длиной -23,5 см (электроды лампы вынесены за пределы полости, чтобы исключить потери излучения на поглощение этими участками лампы) с диффузно рассеивающими торцами и пазом шириной 12 см (для обработки боковых участков ленты) длиной 15 см, при такой геометрии S ~ 1900 см2, s = 180 CM^ (S/s~10), излучателя SH ~ 110 CM^. В ЭТОМ случае мощность полезно используемого бактерицидного излучения ~ 2 Вт и для скорости движения ленты 40 см/с бактерицидная доза составит ~ 8 мДж/см^ — достаточную для доли микроорганизмов. При необходимости обеспечить большую дозу возможно использовать лампу и полость облучателя пропорционально большей длины при такой же ширине и пропорционально большей длине паза.
Специально укажем, что в предпочтительном варианте реализации заявляемого облучателя электродные узлы, цоколи ламп и т.д. выносятся за пределы полости облучателя, как описано в представленных выше примерах.
В варианте реализации заявляемого технического решения, прежде всего тогда, когда высокий коэффициент диффузного отражения обеспечивается за счет нанесения соответствующего покрытия на материал полости, полость может быть выполнена составной. Например, в осесимметричном варианте полости согласно и. 6 формулы изобретения она может включать две части — две «половинки», когда полость состоит из двух симметричных вдоль оси симметрии полости «полуцилиндров или конусов с дном- ручкой». На такие составные части полости технологически проще и удобнее наносить соответствующее диффузно-отражающее покрытие или слой соответствующего материала
— например, слой экспандированного фторопласта. В указанном случае материал самой полости может быть выбран оптимальным без учета требований высокого коэффициента диффузного отражения, например, выбран материал с необходимой теплопроводностью (для поддержания оптимальной температуры в полости облучателя) или выполнен из непрозрачного для бактерицидного излучения материала, что гарантирует безопасность человека (оператора), использующего заявляемый бактерицидный облучатель (небольшая доля бактерицидного излучения может «просачиваться» сквозь диффузно рассеивающий, но непоглощающий излучение материал.
В связи с требованиями безопасности в предпочтительном и основном варианте реализации корпус облучателя в целом выполняется непрозрачным для бактерицидного излучения (и даже в целом для ультрафиолетового излучения). Это может быть выполнено различными способами, например:
- корпус облучателя выполнен из непрозрачного для бактерицидного излучения материала, на внутреннюю поверхность полости нанесено диффузно рассеивающее покрытие или же к ней прикреплен слой диффузно рассеивающего материала: слой экспандированного фторопласта, слой обычного фторопласта и т.д.;
- корпус облучателя выполнен из диффузно рассеивающего материала, на внешнюю поверхность которого нанесен слой поглощающего бактерицидное излучение материала
— это может быть слой пластика, металлический слой (достаточно буквально алюминиевой фольги) или краска.
В предпочтительном варианте реализации заявляемого изобретения отверстие для вывода излучения из полости облучателя закрыто прозрачным для излучения материалом, например пластиной из прозрачного в УФ (в том числе в бактерицидном диапазоне) кварцевого стекла, фторида магния (MgF2), фторида лития (LiF), лейкосапфира и т.д. То есть, в указанном варианте полость с источником излучения отделена от внешнего пространства, в том числе полость выполняется герметичной, при этом излучение выводится из полости через прозрачный для излучения материал. В этом случае, в частности, исключается попадание пыли в полость (особенно при выключении лампы, когда температура воздуха в полости снижается, индуцируя воздушный поток извне внутрь полости), что может быть существенно, поскольку оседаюшая на стенки полости пыль постепенно снижает коэффициент диффузного отражения. Более того, исключение накопления пыли в полости облучателя позволяет использовать в облучателе диффузно рассеивающие материалы, накопление пыли которыми возможно в виду их пористой структуры — например, экспандированного фторопласта, обеспечивающего значительно меньшую величину (1-R) по сравнению с обычным фторопластом, что автоматически увеличивает эффективность облучателя. Герметичность полости обеспечивает также дополнительный уровень безопасности в случае нарушения герметичности лампы при использовании в качестве источников света ламп с ртутьсодержащими газовыми смесями.
В одном из вариантов реализации заявляемого изобретения полость облучателя заполняется газом, который, в отличие от воздуха, прозрачен не только в бактерицидном диапазоне спектра, но и в более коротковолновой области, включая часть ВУФ области спектра, по крайней мере до длины волны 185 нм (резонансный переход атома ртути) и даже 170 -175 нм (полоса излучения димеров ксенона). Это может быть азот или инертные газы — например, ксенон, прозрачные по карайней мере до длин волн 150 нм (и существенно меньше для криптона и более легких инертных газов). В этом случае до выходного окна облучателя может быть доведено, например, излучение резонансного перехода атома ртути с длиной волны 185 нм из синглетного возбужденного состояния (для РЛНД из прозрачного в ВУФ кварца) или широкополосное коротковолновое излучение импульсных ксеноновых ламп. Соответственно, располагая выходное окно облучателя вблизи обрабатываемой поверхности, возможно довести до нее, например, высокоэнергетичные фотоны с длиной волны —185 нм (длина пробега таких фотонов в воздухе с типичной влажностью составляет 6ч-8 см), которые эффективно обеспечивают не только бактерицидную обработку (вместе с фотонами 253,7 нм второго резонансного перехода атома ртути из триплетного возбужденного состояния), но и разложение подавляющего большинства химических соединений, включая вредные соединения и токсины, что может предоставлять самостоятельный интерес для многих приложений, в том числе специальных. Эффект воздействия более коротковолновым излучением может быть существенным и в случае импульсно-периодических ламп на инертных газах, включая известные лампы на ксеноне. В этом случае может быть предпочтительно выполнять колбу лампы из материала с высоким коэффициентом пропускания в коротковолновой области — специальных видах кварцевого стекла, лейкосапфира и т.д.
В указанном предпочтительном варианте также может быть полезна генерация озона ВУФ излучением вблизи выходного окна (окон) полости облучателя, озон — сильнейший оксилитель — также эффективно как разлагает химические соединения, так и ингибирует биологические объекты. Здесь существенно и полезно, что генерация озона производится локально только в области вблизи выходного окна (окон) полости облучателя.
В качестве прозрачных в близком ВУФ диапазоне материалов могут использоваться некоторые сарки кварца (например, КУ-1, супрасил), а также лейкосапфир, фторид лития или магния и т.д.
Для указанного варианта излучателя также существенно, что достаточно высокий коэффициент диффузного рассеяния в чистом фторопласте-4 и его «производных» типа экспандированного фторопласта реализуется и в ближнем ВУФ диапазоне, по крайней мере до длины волн ~ 170 -185 нм. В то же время коэффициент отражения все таки ниже, чем в области 260 нм и по этой причине предпочтительное для вывода ВУФ излучения количество переотражений (перерассеяний) в полости облучателя должно быть меньше, чем для излучения основного бактерицидного диапазона. Поскольку в первом приближении число переотражений ~ S/s (даже с учетом поглощения в источнике излучения), то для ВУФ излучения предпочтительное отношение S/s может быть ~ 5 -7 (для бактерицидного диапазона и эффективного коэффициента диффузного рассеяния 96% без значительных потерь можно использовать полости с отношение S/s ~ 10 -15. Укажем также, что при важности использования именно ВУФ излучения режим работы источника излучения и/или состав его газовой среды может быть сответствующим образом скорректированы — известно, например, различие в оптимальных условиях генерации излучения на резонансных переходах атома ртути 185 нм и 254 нм в РЛНД.
Один из вариантов реализации полости с закрытым прозрачной пластиной отверстием для вывода излучения показан на фиг. 2, на котором 7 — прозрачная для бактерицидного излучения пластина для вывода излучения из полости, 8 — уплотнительная прокладка, 9 — фланец, фиксируемый на полости 1 резьбовым соединением, остальные обозначения совпадают с указанными на фиг. 1. Отметим, что выступающий вперед (по ходу распространения света) «козырек» 10 фланца дополнительно защищает оператора от рассеянного обрабатываемой поверхностью УФ излучения, в предпочтительном варианте такого рода защитный «козырек» выступает не менее, чем на 10 мм от торца отверстия (размер h на фиг. 2), через которое излучение выводится из полости облучателя — например, таким образом, чтобы «козырек» находился вплотную или практически вплотную к обрабатываемой поверхности, в том числе и четко граничивая обрабатываемую область поверхности. При этом весь фланец или его «козырек» (в варианте составного фланца) может быть выполнен из прозрачного для видимого света материала и непрозрачен для бактерицидного излучения (например, из оргстекла или «обычного» стекла) — в этом случае оператор может безопасно контролировать обрабатываемый излучением участок поверхности. Соединение пластины с полостью может быть выполнено и другими известными способами, например с помощью клея и т.д. (как и соединение прозрачной для видимого излучения части фланца («козырька») с остальной частью фланца.
Укажем, что в предпочтительном варианте описанный защитный «козырек» может входить в состав облучателя и в том случае, когда полость облучателя является открытой, то есть прозрачная в бактерицидном диапазоне пластина для вывода излучения не используется. Поверхность «козырька» может быть цилиндрической или конической, на фиг. 2 показан вариант с конической поверхностью, угол раскрытия конуса Ф может быть достаточно большим — до 120 -150 градусов, угол Ф может быть и отрицательным («сходящийся» конус). Замена одного «козырька» на другой также позволяет оперативно изменять размер обрабатываемого облучателем участка поверхности. При выводе из полости бактерицидного излучателя ВУФ излучения «козырек» дополнительно ограничивает и область генерации озона и радикала ОН при взаимодействии такого излучения с кислородом и находящимися в воздухе парами воды, соответственно, что, как правило, полезно для повышения эффективности воздействия на обрабатываемые поверхность и объем.
Заметим, что в процессе работы полость облучателя из-за тепловыделения в ней дополнительно нагревается (хотя и рост температуры в большинстве случаев мал — тепловыделение относительно небольшое, а площадь поверхности полости достаточно велика, так что тепловой поток на стенки полости, как правило оказывается < 0,03 Вт/см^, что соответствует незначительному перегреву). Тем не менее, перегрев соответствует росту давления в полости, при увеличении температуры на 54-7 °С избыточное давление в полости составит ~ 2 кПа (отметим, что рост давления определяется средней температурой полости, которая значительно меньше рабочей температуры стенок РЛНД ~ 404-45 °С) и для диаметра отверстия в полости 95 мм действующая на прозрачную пластинку избыточная сила составит ~ 15 Н. Такого рода дополнительные напряжения не представляют проблемы для даже тонких кварцевых пластин или пластин из другого материала, а также для фиксации этих пластин с помощью клея или фланцев.
Однако при существенном увеличении размеров полости и, соответственно, размера отверстия для вывода излучения из полости в предпочтительном варианте вместо одного отверстия большой площади возможно использовать несколько отверстий меньшего диаметра. При этом отверстия для вывода излучения могут располагаться на соответствующей по прочности «поддерживающей решетке» с высоким коэффициентом диффузного рассеяния излучения с обращенной к полости стороне. То есть, торец полости облучателя, например, может быть выполнен из фторопластовой пластины необходимой толщины с несколькими отверстиями для вывода излучения из полости, на каждом устанавливается прозрачная для излучения пластина, которая фиксируется клеем, фланцем и т.д. Размер отдельного отверстия, толщина пластины и ширина промежутков между отверстиями определяется условием необходимой для противостояния избытку давления прочности как прозрачных пластин, так и «поддерживающей решетки».
Поскольку прочность многих материалов и соединений (например, клеевого) на сжатие значительно прочнее, чем на растяжение, то в одном из вариантов реализации полость облучателя герметизируется при температуре более высокой, чем температура полости во время работы источника излучения. В этом случае как при включенном источнике света (есть тепловыделение), так и выключенном источнике света (нет тепловыделения) давление газа в полости может быть меньше внешнего — это автоматически обеспечит хорошее качество и ресурс клеевого соединения, дополнительную фиксацию улотнительных прокладок и т.д., что упрощает и улучшает герметизацию полости. Отметим, что для такого варианта герметизации полости необходимо учитывать и возможные вариации атмосферного давления.
Как указывалось выше, ртутные лампы низкого давления во многих случаях представляются оптимальными для многих задач стерилизации вследствие высоких бактерицидной эффективности и КПД, низкой стоимости и высокого ресурса. Однако эти лампы помимо собственного поглощения обладают существенным для задач оперативной стерилизации недостатком: они требуют значительного времени для выхода на рабочий режим после включения питания — от десятков секунд для компактных неамальгамных ламп до нескольких минут для амальгамных ламп. Основная причина задержки связана с необходимостью разогрева поверхности колбы РЛНД до температуры, обеспечивающей необходимую концентрацию паров ртути: ~ 40 -45 °С для неамальгамного варианта ртутных ламп и ~ 1004- 120 °С для амальгамных. Заметим, что подобной проблемы нет для импульсных ламп на инертных газах, эксимерных и светодиодных источников.
Указанная проблема может быть решена по меньшей мере двумя способами.
1. РЛНД может работать (быть включена) постоянно или включена в начале рабочей смены и выключена в ее конце и т.д., а отверстие для вывода излучения при этом закрыто непрозрачной крышкой (диафрагмой). На время использования излучения бактерицидного облучателя для стерилизации поверхности крышка снимается или диафрагма открывается (в том числе автоматически) и производится облучение обрабатываемой поверхности. Конкретные варианты реализации такого «затвора» могут быть разными, в том числе диафрагма может открываться на заданный промежуток времени аналогично тому, как это выполнялось затвором пленочных фотоаппаратов. Конкретные варианты реализации указанного варианта технического решения хорошо известны квалифицированным специалистам в этой области.
Постоянная работа лампы в описанном варианте не приводит к сколько-нибудь значительным дополнительным затратам. В самом деле, при потребляемой мощности 5 Вт за 40 часов работы (рабочая неделя) потребление электроэнергии составляет 0,2 кВтч, что при цене 1 кВтч в России 6 рублей соответствует затратам ~1 рубль в неделю, а за все время работы такой лампы ~ 10 тыс. часов потребление электроэнергии составит около 50 кВтч с затратами на ее оплату ~ 300 рублей (при этом в случае полной загрузки может быть стерилизована площадь масштаба 20 и более гектар!).
2. В полости может быть размещен по меньшей мере один дополнительный источник тепловыделения (например, омического нагрева), постоянная работа которого обеспечивает поддержание необходимой для работы лампы температуры кварцевых стенок РЛНД. В этом случае при подаче питания лампа начинает генерировать излучение намного быстрее, поскольку время разогрева электродов минимально и, кроме того, подогрев электродов также может быть все время включен — тогда излучение РЛНД включается практически мгновенно. Соответственно, на время работы лампы блок питания дополнительного нагревателя отключается (или его мощность существенно снижается) и снова включается на полную мощность после отключения разряда в РЛНД, то есть блоки питания источника излучения (РЛНД) и дополнительного источника тепловыделения синхронизированы. При этом время работы РЛНД (длительность излучения бактерицидного света) может программироваться различными способами, которые хорошо известны специалистам в этой области.
Последнее техническое решение предпочтительно использовать в варианте, когда источник бактерицидного излучения (РЛНД) располагают в герметичной полости. В этом случае снижается теплоотдача в окружающую среду и потребляемая нагревателем мощность минимальна, а температура практически одинакова во всем объеме полости.
Потребная для поддержания температуры в полости ~ 40 °С минимальна, если стенки полости облучателя или по меньшей мере, один слой полости выполнен из материала с низкой теплопроводностью, например полистирола с коэффициентом теплопроводности k = 0,9*10 Вт/(см*град), при этом теплопроводность фторопласта в 2,6 раза больше, чем у полистирола.
Оптимальная мощность дополнительного нагревателя для заданных формы и материала полости, а также конкретной модели РЛНД определяется экспериментально, при этом стоимость потребляемой таким дополнительным источником тепла электроэнергии остается незначительной. Здесь также существенно, что при размещении РЛНД в герметичной полости температурный режим ее работы изменяется по сравнению со случаем размещения лампы в свободном пространстве, что может привести к некоторой корректировке (в сторону уменьшения) потребляемой от блока питания мощности и даже некоторому росту эффективности лампы, поскольку в условиях затрудненной в герметичной полости теплоотдачи меньшая часть мощности затрачивается на поддержание повышенной температуры стенок лампы.
Небольшая потребная мощность дополнительного тепловыделения может быть получена от источника малой площади, то есть источник тепловыделения минимально повлияет на световое поле в полости и эффективность вывода излучения из нее, особенно в случае, если поверхность источника имеет высокий коэффициент диффузного отражения излучения — например, выполнена из соответствующего материала или на поверхность нанесено соответствующего покрытия, как было описано выше.
При использовании в заявляемом техническом решении амальгамных РЛНД, размещенных в герметично закрытой полости с выводом излучения через прозрачный для бактерицидного излучения материал, предпочтительным может быть использование двух источников тепловыделения, каждый из которых решает разные задачи:
- первый источник тепловыделения обеспечивает необходимую температуру амальгамы (обычно 100ч- 130 °С в зависимости от конкретного состава амальгамы), то есть ту температуру, при которой давление насыщенных паров ртути над амальгамой составляет ~ 1 Па — оптимальную для РЛНД величину;
- второй источник (источники) при работающем нагреве амальгамы (при работающем первом источнике) обеспечивает температуру в полости, в том числе температуру стенок РЛНД, такую, чтобы насыщенные пары ртути гарантированно не оседали на стенки лампы, это ~ 45 -50 °С. Другими словами, для амальгамной РЛНД нет необходимости прогревать всю поверхность лампы до температуры амальгамы, что экономит значительную мощность при поддержании лампы в постоянно работоспособном состоянии. Если амальгамная РЛНД использует несколько амальгамных «пятен», то предпочтительно использовать соответствующее количество источников локального нагрева.
В большинстве случаев источник бактерицидного излучения излучает также видимый свет (например, РЛНД излучает в видимом диапазоне ~ 2 -5% от всей излучаемой мощности), что облегчает пользователю контроль корректной работы бактерицидного излучателя. В некоторых случаях целесообразной и удобной для пользователя может быть индикация невидимого глазом бактерицидного излучения, например с помощью люминофора, излучающего видимый свет под действием ультрафиолетового источника света. Люминофор может быть нанесен на небольшой участок пластины, через которую бактерицидное излучение выводится из полости облучателя.
Таким образом, применение заявляемого технического решения позволяет с малыми затратами обеспечить эффективную высокопроизводительную стерилизацию локальных участков поверхности бактерицидным излучением, включая при необходимости участки поверхности человеческого тела и одежды, в том числе в присутствие других людей. С помощью заявляемого технического решения возможна также оперативная очистка поверхностей не только от бактериологических объектов, но и от широкого круга химических соединений. Здесь также специально отметим «абсолютную стерильность» излучения, при использовании которого принципиально невозможно внести на обрабатываемую поверхность микроорганизм, токсин и т.д.
Компактность, малый вес и низкое энергопотребление, возможность обработки выделенного участка поверхности принципиально позволяет использовать такого типа бактерицидные облучатели в составе малогабаритных роботизированных комплексов, устанавливать такого рода облучатели на дроны с возможностью автономной работы в течение достаточно продолжительного времени с питанием от автономного накопителя. Например, используемые в смартфонах легкие, малоразмерные, дешевые и далеко не самые энергоемкие аккумуляторы запасают энергию, которой достаточно для достаточно большого времени автономной работы: емкость 6000 мАч при напряжении зарядки 4,2 В соответствует электрической энергии ~ 90 кДж, при разряде до напряжения 2,8 В выделяется свыше 30 кДж, что соответствует времени автономной работы бактерицидного облучателя более 1,5 часа. Более энергоемкие аккумуляторы легко обеспечат время автономной работы от трех-четырех часов.
Заявляемое техническое решение применимо к различным конкретным источникам бактерицидного света и способам их питания (непрерывный разряд постоянного тока, импульсно-периодический разряд с разной формой отдельного импульса и с разной частотой их следования и т.д.), геометрии излучателя (трубчатая лампа, шаровая лампа, U- образная лампа и т.д.), материалу, из которого изготовлена лампа (например, импульсная ксеноновая лампа из лейкосапфира может обеспечить большую мощность излучения в коротковолновом диапазоне), форме и размеру полости с диффузно отражающей внутренней поверхностью, способам реализации диффузного отражения за счет материала, из которого изготовлена полость или ее внутренний слой (изготовленный по разным технологиям фторопласт, экспандированный фторопласт и пр.), или за счет соответствующего покрытия на выбранном из других соображений материале, а также комбинация указанных решений. В качестве материала пластинки, герметично закрывающей отверстие для вывода бактерицидного излучения из полости, могут использоваться различные материалы, пластинка может быть не плоской, а форма соответствующего отверстия не круглой.
Конкретная реализация дополнительного источника тепловыделения в полости может быть различной. Различными могут быть способ синхронизации работы РЛНД и источника тепловыделения, принцип работы диафрагмы или затвора, если РЛНД работает постоянно, а также способ предварительного задания длительности импульса излучения от долей секунды до непрерывного режима генерации света. Это означает, что в состав бактерицидного облучателя может быть включена, в том числе, система управления, которая контролирует режим работы излучателя, в том числе его ресурс (счетчик времени работы) и т.д.
Для удовлетворения каких-либо возможных конкретных требований могут быть выполнены очевидные для квалифицированных специалистов в этой области изменения описанных выше вариантов реализации заявляемого технического решения. В том числе это относится к конкретному варианту материала и геометрии полости с диффузно отражающей поверхностью, отверстия для вывода излучения из полости и материала прозрачной для излучения пластины (пластин), оптимизации режима питания источника бактерицидного излучения и обеспечения его выхода на рабочий режим, реализации системы управления бактерицидным облучателем и т.д.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Бактерицидный облучатель, представляющий собой по существу полость с размещенным в полости источником света бактерицидного диапазона спектра, в котором основная часть внутренней поверхности полости облучателя выполнена по существу диффузно отражающей с по меньшей мере одним отверстием для вывода излучения из полости, причем общая площадь отверстий для вывода излучения из полости облучателя не меньше площади поверхности источника бактерицидного излучения.
2. Бактерицидный облучатель по и. 1, отличающийся тем, что излучатель представляет собой ртутную лампу низкого давления, причем площадь боковой поверхности указанной лампы меньше общей площади отверстий для вывода излучения из полости.
3. Бактерицидный облучатель по и. 1, отличающийся тем, что для отношения общей площади отверстий для вывода излучения из полости облучателя s и площади диффузно отражающей внутренней поверхности полости облучателя S выполняется условие (1-R) < s/S, где R - коэффициент диффузного отражения внутренней поверхности полости.
4. Бактерицидный облучатель по и. 1, отличающийся тем, что коэффициент диффузного отражения основной части поверхности полости облучателя R составляет не менее 0,9, предпочтительно не менее 0,95, а отношение общей площади отверстий для вывода излучения из полости к площади диффузно отражающей поверхности s/S < 0,4, предпочтительно s/S < 0,2.
5. Бактерицидный облучатель по и. 1, отличающийся тем, что полость облучателя имеет по существу осесимметричную форму, ограниченную двумя торцами, с отверстием для вывода излучения в одном из торцов полости.
6. Бактерицидный облучатель по любому из и. и. 1-6, отличающийся тем, что полость облучателя выполнена составной.
7. Бактерицидный облучатель по и. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одно отверстие в полости облучателя закрыто прозрачным для бактерицидного излучения материалом.
8. Бактерицидный облучатель по и. 7, отличающийся тем, что полость облучателя выполнена герметичной.
9. Бактерицидный облучатель по и. 8, отличающийся тем, что полость заполнена газовой смесью, которая прозрачна для излучения с длиной волны до 185 нм, предпочтительно прозрачна для излучения с длиной волны до 170 нм.
10. Бактерицидный облучатель по п. 2, отличающийся тем, что в полости облучателя располагают по меньшей мере один дополнительный источник тепла.
PCT/RU2021/050071 2020-03-26 2021-03-17 Бактерицидный облучатель WO2021194393A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020112426 2020-03-26
RU2020112426A RU2746384C1 (ru) 2020-03-26 2020-03-26 Бактерицидный облучатель

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021194393A1 true WO2021194393A1 (ru) 2021-09-30

Family

ID=75521177

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2021/050071 WO2021194393A1 (ru) 2020-03-26 2021-03-17 Бактерицидный облучатель

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2746384C1 (ru)
WO (1) WO2021194393A1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU38610U1 (ru) * 2004-01-08 2004-07-10 Общество с ограниченной ответственностью "СибЭСТ" Бактерицидный облучатель
RU135917U1 (ru) * 2013-06-26 2013-12-27 Владимир Петрович Сизиков Бактерицидный облучатель
RU144349U1 (ru) * 2013-11-22 2014-08-20 Закрытое акционерное общество Производственная компания "Лаборатория импульсной техники" Устройство обеззараживания воздуха
RU188297U1 (ru) * 2018-08-21 2019-04-05 Игорь Георгиевич Рудой Бактерицидный облучатель

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU182362U1 (ru) * 2017-07-20 2018-08-15 Виктор Васильевич Фомин Ультрафиолетовый облучатель
RU194040U1 (ru) * 2019-03-29 2019-11-26 Игорь Георгиевич Рудой Бактерицидный облучатель
RU192891U1 (ru) * 2019-05-16 2019-10-04 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) Светодиодный облучатель

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU38610U1 (ru) * 2004-01-08 2004-07-10 Общество с ограниченной ответственностью "СибЭСТ" Бактерицидный облучатель
RU135917U1 (ru) * 2013-06-26 2013-12-27 Владимир Петрович Сизиков Бактерицидный облучатель
RU144349U1 (ru) * 2013-11-22 2014-08-20 Закрытое акционерное общество Производственная компания "Лаборатория импульсной техники" Устройство обеззараживания воздуха
RU188297U1 (ru) * 2018-08-21 2019-04-05 Игорь Георгиевич Рудой Бактерицидный облучатель

Also Published As

Publication number Publication date
RU2746384C1 (ru) 2021-04-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110167605B (zh) 紫外线杀菌装置
JP6604339B2 (ja) 紫外線殺菌装置
JP5791899B2 (ja) 紫外光処理チャンバー
JP6558376B2 (ja) 紫外線放射装置
Bergman Germicidal UV sources and systems
JP5111631B2 (ja) 紫外線光源
RU188297U1 (ru) Бактерицидный облучатель
WO2017159342A1 (ja) 紫外線放射装置
CA2749283A1 (en) Improved method and apparatus for producing a high level of disinfection in air and surfaces
WO2019151364A1 (ja) 紫外線殺菌管および紫外線殺菌装置
US11752228B2 (en) Highly efficient UV C bulb with multifaceted filter
RU2013118110A (ru) Эксимерный источник света
JP2013541816A5 (ru)
JP2002531178A5 (ja) 紫外線光源及びその使用方法
RU2746384C1 (ru) Бактерицидный облучатель
EP3168860B1 (en) Device and method for producing uv radiation
US20120168648A1 (en) Elliptical light source for ultraviolet (uv) curing lamp assemblies
WO2024024376A1 (ja) 不活化装置
CN102115227A (zh) 明渠式紫外水体消毒装置
RU2747353C1 (ru) Устройство для стерилизации объекта
WO2022214657A1 (en) Reflected light air disinfection chamber with limited light escape.
JPH0992230A (ja) 無電極紫外線ランプとその使用法
JP2016039257A (ja) 紫外光照射装置及び紫外光照射処理装置
RU202287U1 (ru) Эксиплексный рециркулятор антивирусный
EP4260880A1 (en) Beam shaping of 214 nm zinc discharge lamps

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21775043

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21775043

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1