Индивидуальные и мобильные устройства биологической защиты посредством облучения проточного воздуха ультрафиолетовым излучением

Изобретение может быть использовано для создания систем индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД) и зрения от болезнетворных микроорганизмов, распространяющихся воздушным и аэрозольным путем. Устройство инактивации болезнетворных микроорганизмов в потоке воздуха выполнено в виде проточной камеры, имеющей внутренний объем и по меньшей мере одну стенку, ограничивающую такой внутренний объем. Во внутреннем объеме камеры расположен по меньшей мере один светодиод (3) ультрафиолетового спектра излучения. Вся внутренняя поверхность по меньшей мере одной указанной стенки покрыта или выполнена из материала, отражающего ультрафиолетовое излучение (4) с образованием многопроходной оптической системы. В по меньшей мере одной указанной стенке выполнено по меньшей мере две сквозные щели или отверстия (5), одно из которых по существу является входным, второе – выходным из условия прохождения потока воздуха через внутренний объем камеры. Также предложены средство индивидуальной защиты органов дыхания и устройство дезинфекции воздуха. Обеспечивается эффективная защита против воздушно-капельных форм инфекции в больших помещениях, доступность и удобство применения для абсолютного большинства населения и работников предприятий, низкая энергоемкость, отсутствие паразитного тепловыделения, малые размеры и вес устройства. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 табл., 6 ил.

 

Изобретение может быть использовано для создания мобильных рециркуляторов воздуха и средств индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД) и зрения от попадания на их слизистые оболочки болезнетворных организмов, в первую очередь вирусов, распространяющихся воздушным и аэрозольным путем.

За последние 20 лет в мире было зафиксировано несколько существенных вспышек вирусных болезней с разной степенью агрессивности вирионов, включая пандемию COVID-19. К самым опасным относятся болезни, переносимые капельножидким и воздушным (аэрозольным) путём, а также посредством контакта со слизистой дыхательных путей и глаз: порядка 10% пациентов подвергается заражению через слизистые глаз, 90% – через органы дыхания. Применяемые при этом способы и средства обеззараживания и обработки помещений/предметов широко известны, и предполагают озонирование, дезинфекционную обработку химическими составами или УФ – облучение (кварцевание).

В работах [1, 2] авторы оценили эффективность жесткого бактерицидного ультрафиолета на вирусные аэрозоли, рассматривая вирусы с различными типами нуклеиновых кислот при различной относительной влажности в процессе воздействия ультрафиолета. Для воздушно-капельных вирусов доза ультрафиолета для 90% инактивации составила: 339 – 423 мкВт×с /см² для одноцепочной РНК, 444 – 494 мкВт×с/см² для одноцепочной ДНК, 662 – 863 мкВт×с/см² для двухцепочной РНК и 910 – 1196 мкВт×с/см² для двухцепочной ДНК. 

Примечательно, что для протестированных классов вирусов для достижения 99% инактивации потребовалась в два раза большая доза ультрафиолета, чем нужна была для достижения 90% инактивации. Кроме того, было установлено, что воздушно-капельные вирусы с одноцепочной нуклеиновой кислотой более восприимчивы к инактивации ультрафиолетом, чем с двухцепочными РНК и ДНК. Для всех протестированных вирусов при одинаковой степени инактивации доза ультрафиолета при относительной влажности 85% была выше, чем при относительной влажности 55%. Это связано с тем, что сорбция воды на поверхности вируса обеспечивает защиту от вызываемого ультрафиолетом повреждения ДНК или РНК. Например, COVID-19, «пневмония Уханя», содержит одноцепочную РНК, что соответствует дозе облучения 339 – 423 мкВт×с/см² ультрафиолета с длиной волны 254 нм (90% дезинфекция воздуха). Соответственно, 700 – 850 мкВт×с/см² обеспечивают 99% дезинфекцию, а 1400 – 1700 мкВт×с/см² уже 99,9% дезинфекцию по COVID-19.

На основе существующих данных по воздействию УФ-излучения на разные вирусы и другие болезнетворные микроорганизмы достаточно давно созданы и используются ртутные лампы для облучения помещений и дезинфекции медицинских и бытовых приборов и изделий. С появлением ламп нового поколения и UVC (ультрафиолетовых) светодиодов ассортимент приборов лучевой дезинфекции существенно расширился. Появились проточные (рециркуляционные) приборы, способные работать на обеззараживание воздуха в помещениях в момент нахождения в них людей. Также появились и рециркуляционные УФ – дезинфекторы воды.

Однако, рециркуляторы с УФ – облучением, озонаторы и распылители антисептических составов малоэффективны против воздушно-капельных форм инфекции в больших помещениях со значительной инфильтрацией и большой плотностью потока людей (личный и общественный транспорт, магазины, кинотеатры, кафе, места общего пользования и т.д.). В свою очередь, костюмы (ОЗК) с автономными дыхательными аппаратами и противогазы крайне неудобны и малодоступны для абсолютного большинства населения и работников предприятий, а маски, в том числе, респираторного типа класса FFP-3 (N-95), по мнению многих специалистов, эффективны только в случаях, когда инфекция от заражённого выходит концентрировано с мелкодисперсной мокротой. Кроме того, при постоянном дыхании влага с растворенным микробами диффундирует вглубь маски и в итоге с вдыхаемым воздухом неизбежно попадает в организм.

Создание UVC – светодиодов с длинами волн, близкими к спектру ртутных и иных разрядных УФ-ламп, в совокупности с их малыми габаритами и энергопотреблением (низковольтный постоянный ток от 6 В) дало толчок к разработке всевозможных схем СИЗОД с встроенными излучателями, повышающих эффективность защиты от вирусных инфекций. Примерами таких конструкций могут служить маски, у которых УФ-излучатель помещен непосредственно в зону для дыхания [3] или в некий аппарат, связанный с этой маской патрубком [4]. Однако, несмотря на внушительное количество изобретений, полезных моделей и разного рода дизайнов устройств СИЗОД с УФ-излучателями, на данный момент нигде в мире не наблюдается их использования. Причина отсутствия внедренных изобретений такого рода кроется в расчете эффективности УФ-облучения зараженного воздуха в проточных камерах малого размера.

Анализ инженерных способов расчета необходимой мощности излучателей выявил ряд явных «нестыковок». Данные по экспозиционным поверхностным дозам H_s для λ ≈ 254 нм в инженерных таблицах [5] по некоторым вирионам (например: Hepatitis virus, Influenza virus) относительно бактерицидной эффективности J_бк давали серьезные расхождения с данными по одноцепочным РНК – вирусам из работ [1, 2]. При этом таблицы, как утверждается в публикации, экспериментальные и на их основе проектируются и реализуются реальные работающие изделия.

Второй серьезной нестыковкой, уже внутри самих инженерных таблиц [5], стало определение поверхностной H_s и объемной H_v доз как констант от конкретного микроорганизма, длины волны УФ и заданной J_бк.

Эти «нестыковки» или особенности методики расчета нивелировались экспериментальными «коэффициентом использования бактерицидного потока» и «индексом помещения».

Здесь необходимо пояснить, что эксперимент по определению доз может быть натурным или лабораторным. Но, в любом случае, он проходит с облучением конкретного вида излучателями некоторого конкретного объема или поверхности зараженного конкретными микроорганизмами воздуха. Для подсчета доз облучения важными факторами являются форма этого объема, тип и ракурс расположения излучателей, характеристики фотонного потока (пространственное и угловое распределение, частотный спектр). Роль формы объекта едва ли не определяющая. Если взять точечный источник и поместить его в длинный коридор или в квадратный кабинет, равно как, использовать в качестве колбы шар или длинный цилиндр того же объема, то поставить в соответствие H_s и H_v из разных объектов одинакового объема будет некорректно в связи с влиянием пространственного распределения излучения источника на его интенсивность от расстояния. То же самое можно с уверенностью сказать и про тип источника. У разрядной лампы и у диода совершенно разное распределение излучения. И просто соотносить их яркость или мощность в разных ракурсах будет неверно. Иными словами, использовать в расчетах H_s и H_v как связанные константы возможно только в случае подобия формы объекта облучения и типа излучателя. И поскольку к инженерным таблицам [5] нет комментариев относительно способа их экспериментальной верификации, то авторы настоящего решения в дальнейших расчетах использовали данные работ [1, 2], в которых раскрыт механизм эксперимента и данные по H_s можно с уверенностью считать обоснованными, при этом объемную дозу H_v, которая необходима для оценки дезинфекции потока, необходимо экстраполировать на подобный объём. Далее по тексту эта величина названа удельным объемным энерговкладом источника (Дж/см³).

В [1] опубликованы данные экспериментов, позже описанные в статье [2]. Анализ экспериментальной установки, где были получены эти результаты показал следующие особенности. Облучение инфицированного вирионами воздуха проводилось с бокового ракурса УФ-лампами в колбе из кварцевого стекла (минимальное поглощение УФ стенками). Размер колбы составлял в диаметре d = 5 см и длина около L = 20 см. Максимальная площадь сечения цилиндра по его оси S_max = dL = 100 см². Каждая волна фотонов от источников (ламп) проходила через цилиндрическую колбу в радиальном направлении (по нормали к S) только ОДИН раз. То есть, суммарный поток (фотон/сек./см²) проходил через усредненную площадь облучения всей массы воздуха (по объёму цилиндра): hL, где h = d/2^1/2. То есть, через <S> = 71 см² при условии примерно равного пробега всех фотонов потока в зараженной среде.

Обратим внимание на физическую модель процесса инактивации. Поток фотонов в единицу времени через указанный объём и среднюю площадь его сечения (1/см³ и 1/см²) на многие порядки больше концентрации вирионов, а также событий поглощения фотонов вирионами и поражений этих вирионов. То есть, абсолютное и подавляющее число фотонов от ламп просто покидает объем, не участвуя в инактивации вирионов. Тем более, что с течением времени вероятность эффективного поражения вириона падает экспоненциально с падением концентрации живых, непораженных вирионов [1, 2]. Это обстоятельство позволяет считать понятие «дозы облучения» в виде энергии, прошедшей через единицу усредненной по объему вещества площади, объективной величиной воздействия и константой для определения степени этого воздействия (поражающим фактором). Именно эта величина и определялась в эксперименте в привязке к степени инактивации вирионов от начальной концентрации.

Рассмотрим один из результатов. Как было экспериментально установлено, доза УФ-облучения для инактивации 99,9% 1-РНК – вирионов (подобно, например, COVID-19) достигалась при уровне дозы в D = 1400 – 1700 мкВт*сек/см². Умножим максимальную величину полученной дозы на среднюю площадь облучения и поделим на облучаемый объем: E_v ≈ D×S/V ≈ 300 мкДж/см³ – это величина необходимого удельного энерговклада излучателей в объем экспериментальной колбы.

Определим удельный объёмный энерговклад источника излучения для дезинфекции небольшого помещения (метод кварцевания) 5 × 5 × 3 метра для заданного возбудителя и соответствующей поверхностной дозы и уровня инактивации. Источник считаем расположенным внутри помещения в центре так, что всё его излучение участвует в инактивации примерно равновероятно. Площадь поглощающей поверхности (поглощение предметами, стенками, полом и потолком 100%) составляет 25×2 + 15×4 = 110 м² = 1,1 × 10⁶ см². А объём помещения 5×5×3 = 75 м³ = 75 × 10⁶ см³. Исходя из смысла понятия дозы: D = W×t/S = E/S получим суммарную энергию излучения, необходимую для решения этой задачи: Е = 1870 Дж = Wt. А удельный объёмный энерговклад источника должен составить E_v ≈ 25 мкДж/см³.

Мы наблюдаем большую разницу в необходимом удельном энерговкладе для достижения одного уровня инактивации в экспериментальной установке малого размера и в помещении. Объём колбы всего 400 см³, а объем помещения 75× 10⁶ см³. При этом энерговклад различается как 300 : 25, то есть в 12 раз (логарифмическая зависимость ln (V₁/V₂) = ln(75× 10⁶ см³/ 400 см³) ≈ 12).

На элементарном уровне этот результат можно легко объяснить экспоненциальной зависимостью вероятности попадания фотона в живой вирион с ростом объема распространения волны. То есть, в большом объеме фотон проходит до своего поглощения стенкой (или выхода из системы взаимодействия) больший путь. В комнате 5 × 5 × 3 метра время его жизни около 10 нс, средняя длина пробега в среде около 3 метров. В колбе экспериментальной установки это 0,1 нс и около 3 см.

Таким образом, справедливым будет приближение для параметра E_v ≈ E_v (V₀) / |ln(V/V₀)| (а), из чего видно, что линейная экстраполяция для поправочных коэффициентов работает в области расчета объемов, отличающихся на 1 – 2 порядка более или менее корректно, но совсем не работает при отличии на 5 – 6 порядков, что мы и наблюдаем на практике в результате рассматриваемых экспериментов [1, 2].

Параметр E_v крайне важен, поскольку с его помощью можно определить необходимую мощность источника излучения для дезинфекции конкретного проточного объема воздуха. Пользуясь полученной формулой подобия и рассчитанными из подтвержденного эксперимента E_v (V₀) и V₀, мы можем получить необходимую мощность источника излучения для СИЗОД относительно размеров его камеры облучения и расхода воздуха через нее. E_v = W_λ × t/V, где W_λ – мощность оптического поля в камере облучения, t – время облучения, V – объем камеры. E_v = W_λ × t/V = W_λ/ν, где ν = V/t – объёмный расход воздуха через камеру облучения. W_λ – мощность оптического поля в камере облучения – численно равна мощности излучения источника, проходящую через объём камеры до полной потери фотонов (выход за пределы камеры, поглощение).

Важным выводом из выше полученных расчетных характеристик является то, что с уменьшением размеров камеры облучения растет требуемый удельный энерговклад, а значит и мощность источника. Именно поэтому в [3] рассматривался вариант с многочисленными диодными источниками [3], в [4] - с отдельной камерой обеззараживания. Надо отметить, что оба эти варианта имеют существенные недостатки по борьбе с вирусной инфекцией путем УФ – облучения. Несмотря на преимущества UVB – UVC – диодов перед УФ-лампами в обеих заявках прослеживается высокая стоимость группы диодов (требуются десятки штук), высокая энергоемкость (большая емкость АКБ), довольно значительное паразитное тепловыделение, большие размеры и вес устройств. Именно этими факторами можно объяснить отсутствие внедрения патентованных разработок в этой области.

Таким образом, авторами решается задача создания доступных и высокоэффективных средств индивидуальной биологической защиты (в первую очередь органов дыхания) на основе точечных источников УФ-излучения, в том числе, мобильных рециркуляторов с УФ-излучателями для транспорта и небольших помещений с автономным или бортовым низковольтным электропитанием на основе UVC- светодиодов и т.п. Технический результат, достигаемый при решении такой задачи, состоит в повышении уровня бактерицидной эффективности устройств защиты органов дыхания и т.п. устройств обеззараживания воздуха.

Для достижения поставленного результата заявлено Устройство инактивации болезнетворных микроорганизмов в потоке воздуха, далее – Устройство, выполненное в виде проточной камеры, имеющей внутренний объем и, по меньшей мере, одну стенку, ограничивающую такой внутренний объем, во внутреннем объеме камеры расположен, по меньшей мере, один светодиод ультрафиолетового спектра излучения, при этом вся внутренняя поверхность, по меньшей мере, одной указанной стенки, покрыта или выполнена из материала, отражающего ультрафиолетовое излучение с образованием многопроходной оптической системы, в по меньшей мере, одной указанной стенке выполнено, по меньшей мере, две сквозных щели или отверстия, одно из которых по существу является входным, второе – выходным из условия прохождения потока воздуха через внутренний объем камеры.

Устройство может быть опционально снабжено средством питания светодиода, а камера выполнена цилиндрической или сферической или полусферической формы или простой или сложной геометрической формы с пересечением криволинейных поверхностей. Кроме того, отношение суммы площадей всех щелей или отверстий ко всей площади внутренней поверхности, по меньшей мере, одной указанной стенки камеры опционально минимально из условия прохождения потока воздуха при вдохе/выдохе или прокачке.

Для достижения поставленного результата заявлено также средство индивидуальной защиты органов дыхания, выполненное в виде маски, закрывающей, по меньшей мере, органы дыхания, с, по меньшей мере, одним дыхательным каналом и установленной на маске насадкой, которая выполнена или содержит вышеуказанное Устройство из условия, что выходная сквозная щель или отверстие такого Устройства обращена к дыхательному каналу, а входная сквозная щель или отверстие обращена в окружающую атмосферу и закрыта воздухопроницаемым фильтром.

Опционально, между маской и выходной сквозной щелью или отверстием дополнительно может быть расположена воздухопроницаемая мембрана или фильтр, а входная сквозная щель или отверстие дополнительно закрыта дыхательным клапаном.

Для достижения поставленного результата также заявлено устройство дезинфекции воздуха, содержащее средство воздухозабора и принудительной прокачки воздуха, выхлопной раструб и вышеуказанное Устройство, входной сквозной щелью или отверстием обращенное к средству воздухозабора и прокачки, выходной щелью или отверстием – к выхлопному раструбу.

Сущность заявленной группы изобретений поясняется следующими графическими материалами.

На фиг. 1 изображена принципиальная универсальная схема конструкции заявленного Устройства, на фиг. 2 – принципиальная конструктивная схема средства индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД) на основе Устройства согласно фиг. 1, на фиг. 3 - схема питания СИЗОД, на фиг. 4 - принципиальная конструктивная схема устройства (мобильного) дезинфекции воздуха с принудительной рециркуляцией на основе Устройства согласно фиг. 1, на фиг. 5 показана зависимость роста интенсивности оптического поля в многопроходной камере облучения в единицах интенсивности исходного источника от коэффициента отражения внутренних поверхностей (среднее число проходов n = 10, 20), на фиг. 6 – зависимость роста интенсивности оптического поля в многопроходной камере облучения в единицах интенсивности исходного источника от среднего числа проходов излучения (коэффициент отражения от внутренних поверхностей R = 0,90 - 0,99).

В основе заявленной группы изобретения лежит хорошо известный из существующей научной и технической практики принцип обработки зараженного воздуха ультрафиолетовым излучением с длиной волны 200 – 280 нм (UVC – спектр). Принципиальным отличием от существующих технических решений является использование в качестве основного узла (элемента) заявленных устройств многопроходной оптической системы (многопроходной камеры облучения потока воздуха), что позволяет получить во внутреннем объеме камеры устройства инактивации многократно усиленную относительно первичной интенсивность источника оптического поля, как следствие, многократно снизив требования к мощности источника ультрафиолетового излучения.

Возможность достижения поставленного результата в этом случае обусловлена тем, что использование многопроходной (по оптическому пути) камеры облучения с внутренней отражающей поверхностью позволяет добиться во внутреннем объеме камеры многократного отражения фотонов, участвующих в генерации оптического дезинфицирующего поля, при котором, как следствие, мощность оптического поля в камере облучения W_λ будет складываться из дискретного ряда волн разных поколений.

Действительно, мощность источника излучения W = I × hν, где I – количество излучаемых фотонов в единицу времени (поток), а hν – их энергия. Если фотон один раз проходит по своему среднему пути через объем камеры, то мощность оптического поля равна мощности источника. Но если фотоны испытывают в среднем до их потери через воздушные щели n отражений, то поток фотонов I = I₀ + I₀R + I₀R² + …+ I₀R^n-1 ≈ I₀ × (1 - Rⁿ)/ (1 - R). Здесь R – коэффициент отражения внутренней зеркальной поверхностью, определяющий потери фотонов на поглощение стенками в каждом отраженном поколении до их выхода из камеры на n-проходе (для среднестатистического фотона). В свою очередь, для цилиндрической камеры внутренним диаметром 6 см и длиной не более 9 см. площадь поверхности камеры облучения в расчетной модели составит 2d²/4 + πdL ≈ 225 см², объем πd²L/4 ≈ 250 см³. Тогда, по полученной ранее формуле подобия (а) параметр E_v ≈ E_v (V₀) / |ln(V/V₀)| ≈ 300 / |ln(400/250)| ≈ 640 мкДж/см³. Следует отметить, что представленные выше параметры камеры (в примере использования заявленного устройства инактивации в составе СИЗОД) приведены для наглядности расчета из соображений эргономики, удобства эксплуатации, обслуживания и инженерных соображений.

Со ссылкой на фиг. 1 устройство инактивации состоит из корпуса 1 с боковыми стенками и торцевыми стенками 2, УФ-светодиода 3, УФ-отражающего покрытия стенок 4 и воздухопроводящих щелей/отверстий 5 в торцевых стенках. На фиг. 1 отображен, по существу, вариант устройства цилиндрической формы, наиболее технологичный с точки зрения практического изготовления. Однако, для специалиста очевидно, что конкретная форма камеры устройства с точки зрения работоспособности и достижения поставленного результата носит опциональный характер, и определяется, по существу, техническими и технологическими возможностями конкретного производства.

Возможность отражения ультрафиолетового излучения внутренней поверхностью стенок камеры устройства инактивации в практических вариантах может быть реализована, например, путем использования различных покрытий, наносимых или наклеиваемых на внутреннюю поверхность таких стенок – специально обработанной MgF₂ или иным подходящим реагентом алюминиевой фольги, тонких металлических листов, плёнок серебра, золота и т.п. Выборочные примеры покрытий на основе [6] представлены в нижеследующей таблице 1.

Таблица 1

Наименование, размер	Особенности и характеристики	Стоимость
Отражатель, лист алюминиевый зеркальный кат. А 1000 х 120 х 0,4 мм	~ 95% отражения, 9% диффузное отражение	65 у.е./лист
Отражатель, лист алюминиевый зеркальный кат. А+ 1000 х 100 х 0,4 мм	~ 99% отражения, 3% диффузное отражение (суперзеркало)	100 у.е./лист
Отражатель, лист алюминиевый зеркальный кат. А 500 х 120 х 0,4 мм	~ 95% отражения, 9% диффузное отражение	40 у.е./лист
Отражатель, лист алюминиевый зеркальный кат. А 500 х 100 х 0,4 мм	~ 95% отражения, 9% диффузное отражение	35 у.е./лист
Отражатель, лист алюминиевый зеркальный кат. Б 1000 х 120 х 0,8 мм	~ 90% отражения, 10% диффузное отражение	135 у.е./лист

Из таблицы 1 наглядно видно, что промышленно осуществимо использование УФ отражателей с коэффициентом отражения до 99%.

В качестве примера использования светодиода с ультрафиолетовым спектром излучения со ссылкой на [8] можно упомянуть светодиод G6060 серии LEUVA66H70HF00 с длиной волны волне 278 (270 – 285) нм, мощностью излучения 70 – 110 мВт, 6,5 В, 350 – 500 мА, размер 6,0×6,0×1,35 мм.

Для специалиста очевидно, что возможно также использование комбинации светодиодов в виде группы диодов на одной или разных платах, в том числе, с возможностью расположения (закрепления) таких светодиодов в различных точках внутреннего объема камеры облучения. Для подобного варианта реализации см., например, светодиод SMD 3535 модель JZ-UFDC3535FFQUSC-R0 с длиной волны 275 (265 – 285) нм, ток 100 – 150 мА, 6 В, мощность излучения 12 мВт, размер 3,6×3,6×1,62 мм, [9].

Возможность практической реализации заявленного устройства инактивации в рамках СИЗОД рассмотрим со ссылкой на фиг. 2, где следующим позициями обозначены: маска СИЗОД 6, средства питания УФ-светодиода 7, съёмный внешний фильтр 8 и воздухопроницаемый экран 9. Конструктивно, устройство инактивации в составе СИЗОД может быть выполнено, например, в виде насадки на дыхательную часть прибора-респиратора в районе носа-губного треугольника. Устройство инактивации может быть также выполнено в виде сменного картриджа, устанавливаемого в насадку, расположенную на маске (корпусе) СИЗОД. Вдыхаемый воздух поступает через внешний фильтр 8 к воздушной щели, расположенной по аналогии с фланцем для сокращения потерь излучения при рассеянии и отражении из объема камеры облучения. Аналогичная круговая щель служит для поступления облученного воздуха в органы дыхания. При выдыхании поток идет в обратном направлении через ту же камеру, т.е. происходит обеззараживание как вдыхаемого, так и выдыхаемого воздуха с почти одинаковой эффективностью.

СИЗОД с устройством инактивации также может исполняться с забралом и двумя клапанами для вдоха за входным фильтром и для выдоха – по отдельному воздуховоду с выходом продезинфицированного воздуха из камеры облучения по направлению вверх под прозрачное забрало. В таком варианте постоянный приток обработанного УФ-излучением выдыхаемого воздуха под забрало создает защитный слой (повышенное давление тормозящегося потока) для слизистых оболочек глаз в условиях негерметичного прикрытия. Само забрало служит препятствием для прямого попадания заражённой аэрозоли в глаза, а также средством формирования защитного слоя облученного выдыхаемого воздуха с повышенным давлением. Также возможен вариант маски с полным закрытием контура лица с пластиковым или стеклянным прозрачным окном (фильтрующие аналоги: STALKER-25, 3М 6900 фильтр 6057 и т.д.) и подводом воздуха через устройство респираторного типа (как описано выше) или через верхний патрубок с камерой облучения вертикального расположения, подобно маскам для плавания. Последняя модификация с вертикальным патрубком может быть укомплектована многопроходной камерой облучения большего размера, клапаном выдоха и вентилятором наддува для повышения комфортности при длительном ношении устройства.

Вопрос выбора размера щелей/отверстий в торцах устройства инактивции лежит сугубо в практической области из условия обеспечения комфортности дыхания с одной стороны, и обеспечения нахождения фотонов во внутреннем объеме камеры – с другой. Из данных, опубликованных в [7], следует, что среднее потребление воздуха легкими человека в зависимости от физической нагрузки и эмоционального состояния находится в пределах секундного расхода на вдохе и выдохе ν ~ 500 – 2000 см³/с. На основе таких данных, для расчета максимального расхода воздуха через камеру облучения при дыхании человека (размера щелей/отверстий) можно руководствоваться средними экспериментальными данными о легочной вентиляции, истинном количестве потребления кислорода и тепловыделении взрослого человека согласно таблице 2 .

Таблица 2.

Например, по аналогии с респираторами, снабженными пылевыми съемными фильтрами, для комфортности дыхания выберем площадь воздухозаборной щели вдвое больше, так как в данном случае имеет место две щели, а значит и два гидравлических сопротивления. У стандартного респиратора воздушный вход/выход имеет площадь около 3 см². Значит в данном устройстве предусмотрены две щели по 6 см² каждая. Общая площадь возможной потери излучения (утечки) около 12 см². Это позволяет оценить среднее число проходов фотона до покидания многопроходной камеры как отношение площади всей отражающей поверхности к площади отверстий утечки. То есть , n ~ 225/12 ≈ 18 – 19 отражений (проходов через камеру).

Определим прирост интенсивности (потока) оптического поля за счет многопроходной отражательной системы в камере облучения: I/I₀ для коэффициентов отражения R = 0,95 и 0,99. Для 0,95 прирост составит примерно 12, а для 0,99 примерно 16,5. Разница не очень существенна. В дальнейших расчетах примем этот коэффициент в размере 15. Таким образом, сообразно расходу вдыхаемого воздуха, мощность оптического поля в камере: W_λ = E_v × ν ≈ 0,3 – 1,2 Вт, отсюда необходимая мощность излучателя для СИЗОД (маски) 20 – 80 мВт.

Практическим вариантом применения заявленного устройства инактивации может являться также малогабаритный воздушный рециркуляционный УФ-прибор с низким энергопотреблением, с высокой технологической и ценовой доступностью для применения на транспорте (вагоны метро и ж/д, салоны автобусов и маршрутных микроавтобусов, кабины и салоны средств водного и воздушного транспорта, личного автотранспорта, военной и специальной техники). Принципиальная схема такого устройства показана на фиг. 4, где следующими позициями обозначены: 10 – электрический двигатель, 11 – вентилятор, 12, 13 - раструбы воздухозабора и выхлопа, соответственно, 14 – радиационный экран, 15 – съёмный фильтр, 16 – опорные стойки. Как и в случае с СИЗОД, основой прибора служит устройство инактивации фиг. 1 с многопроходной камерой УФ-облучения потока воздуха.

Данный прибор рассчитан на постоянный довольно высокий расход воздуха, с принудительной циркуляцией при помощи вентилятора и электродвигателя. Расход рассчитывается из соображений приемлемого времени на обеззараживание воздуха в заданном пустом помещении (объеме) за приемлемое время; а также из расчёта находящихся в помещении людей при условии ритма их дыхания в зависимости от рода занятий и с условием, что данный прибор будет инактивировать в единицу времени, как минимум, такое же количество вирионов определенного типа, какое могут эмитировать все присутствующие в случае их заражения. Для оптимизации работы прибора в нём может быть реализован многоуровневый режим работы с несколькими расходами прокачки воздуха и несколькими источниками УФ в камере облучения. Принцип организации камеры облучения ничем не отличается от предыдущего устройства СИЗОД. Это многопроходный оптический резонатор с щелевыми отверстиями по фланцам для прокачки воздуха.

В качестве примера такого прибора со ссылкой на фиг. 4 предлагается использование группы из 3-х UVC светодиодов полной мощностью в 1 Вт каждый – UVC G6060 средней волной 260 – 275 нм (потребляемая мощность 1 – 3 Вт, световая мощность около 70 – 110 мВт, цена у производителя 70 – 90 $) [8]. В режиме прокачки 20 литров/сек. (эквивалентно спокойному дыханию 40 человек) обеспечивается инактивация до 99,0% вирионов с 2-х-цепочечной ДНК или гарантировано 99,9% вирионов, например, COVID-19 при размерах камеры облучения d = 10 см / L = 30 см.

Прибор потребляет около 20 – 25 Вт электроэнергии. Основная ее доля приходится на вентилятор (около 60 – 70%). Прибор может работать от бортовой (6, 12, 24 В) или общей электрической сети с адаптером, бортового АКБ или собственного автономного источника энергии. В качестве примера, для такой же бактерицидной эффективности потребовалось бы 5 – 7 Вт световой мощности ламповых рециркуляторов без многопроходной камеры облучения (расчет по [5]), а энергопотребление составило бы около 100 Вт (~ 70% на питание излучателей). Существенно больше стали бы вес и габариты такого прибора.

Повышение бактерицидной эффективности заявленной группы изобретений за счет применения многопроходной оптической камеры облучения потока воздуха, и, как следствие, рост интенсивности оптического поля, наглядно иллюстрируется графиками интенсивности оптического поля в зависимости от коэффициента отражения и среднего числа отражений (проходов) на фиг. 5 и 6. Из представленных графиков видно, что, исходя из расчётно-опытной модели, применение заявленного технического решения, а именно, обустройство в СИЗОД или мобильном рециркуляторе воздуха с УФ-облучением на UVC-диодах-излучателях, обособленной многопроходной оптической камеры облучения, способно сократить требуемую для достижения нужных параметров инактивации мощность первичных источников более чем на порядок. Очевидно, что в той же пропорции сокращается энергопотребление приборов и паразитное тепловыделение, а также их себестоимость, что делает их производство и эксплуатацию технически осуществимой и экономически привлекательной.

Список литературы

1. «Inactivation of Virus-Containing Aerosols by Ultraviolet Germicidal Irradiation», Article in Aerosol Science and Technology · December 2005, DOI: 10.1080/02786820500428575.

2. Christopher M. Walker GwangPyo Ko Effect of Ultraviolet Germicidal Irradiation on Viral Aerosols, 2007.

Патент на полезную модель RU 46 664 от 27.07.20053. . Новожилов А. А, Павлова Е. К.

4. Патент на изобретение RU 2644097 от 07.02.2018. Смотров А. Ф., Глушко Н. Г., Рымарь Я. А.

https://www.uv-expert.ru/catalog/komponenty-uf-sistemy/otrazhatel-dlya-uf-lampy/5. .

6. Физиология человека. В 3-х т. Т. 2. Пер с англ. / Под ред. Р. Шмидта и Г. Тевса. — М.: Мир, 1996. — 313 с.: ил. — ISBN 5-03-002544-8.

https://aliexpress.ru/i/33021565263.html?spm=a2g0v.12057483.0.0.52c7610cdt24Tl7. .

1. Устройство инактивации болезнетворных микроорганизмов в потоке воздуха, выполненное в виде проточной камеры, имеющей внутренний объем и по меньшей мере одну стенку, ограничивающую такой внутренний объем, во внутреннем объеме камеры расположен по меньшей мере один светодиод ультрафиолетового спектра излучения, при этом вся внутренняя поверхность по меньшей мере одной указанной стенки покрыта или выполнена из материала, отражающего ультрафиолетовое излучение с образованием многопроходной оптической системы, в по меньшей мере одной указанной стенке выполнено по меньшей мере две сквозные щели или отверстия, одно из которых по существу является входным, второе – выходным из условия прохождения потока воздуха через внутренний объем камеры.

2. Устройство по п. 1, дополнительно снабженное средством питания светодиода.

3. Устройство по п. 1 или 2, в котором камера выполнена цилиндрической, или сферической, или полусферической формы или простой или сложной геометрической формы с пересечением криволинейных поверхностей.

4. Устройство по любому из пп. 1-3, в котором отношение суммы площадей всех щелей или отверстий ко всей площади внутренней поверхности по меньшей мере одной указанной стенки камеры минимально из условия прохождения потока воздуха при вдохе/выдохе или прокачке.

5. Средство индивидуальной защиты органов дыхания, выполненное в виде маски, закрывающей, по меньшей мере, органы дыхания, с по меньшей мере одним дыхательным каналом и установленной на маске насадкой, которая выполнена или содержит устройство по любому из пп. 1-4 из условия, что выходная сквозная щель или отверстие такого устройства обращена к дыхательному каналу, а входная сквозная щель или отверстие обращена в окружающую атмосферу и закрыта воздухопроницаемым фильтром.

6. Средство по п. 5, в котором между маской и выходной сквозной щелью или отверстием дополнительно расположена воздухопроницаемая мембрана или фильтр.

7. Средство по п. 5 или 6, в котором входная сквозная щель или отверстие дополнительно закрыта дыхательным клапаном.

8. Устройство дезинфекции воздуха, содержащее средство воздухозабора и принудительной прокачки воздуха, выхлопной раструб и устройство по любому из пп. 1-4, входной сквозной щелью или отверстием обращенное к средству воздухозабора и прокачки, выходной щелью или отверстием – к выхлопному раструбу.