ОПТИЧЕСКИЙ ЗАТВОР ДЛЯ БАКТЕРИЦИДНОГО ОБЛУЧАТЕЛЯ Российский патент 2020 года по МПК A61L9/20 

Заявляемое техническое решение относится к устройствам для стерилизации воздуха с использованием бактерицидного ультрафиолетового излучения, прежде всего очистки воздуха в помещениях с помощью рециркуляторов и в системах вентиляции и кондиционирования.

Бактерицидное действие ультрафиолетового излучения на биологические объекты (клетки, бактерии, вирусы и пр.) хорошо известно. К бактерицидному обычно относят излучение диапазона длин волн, ориентировочно, 200÷300 (215÷290) нм, которое за счет фотохимических реакций в клетке приводит к ее необратимым повреждениям, прежде всего ДНК и РНК (а также белков и других компонентов клетки). Этим обусловлен универсальный характер действия ультрафиолетового излучения на микроорганизмы, в результате которого они теряют способность к нормальной жизнедеятельности и размножению, то есть в итоге гибнут. Следует отметить, что объемная доза УФ излучения, обеспечивающая гибель, например, 99,9% микроорганизмов, может изменяться в широких пределах в зависимости от спектра источника излучения и конкретного вида микроорганизма, изменяясь от ~0,15 кДж/м3 для бактерий Bacillus megaterium до ~25,7 кДж/м3 для вируса табачной мозаики при использовании излучения ртутной лампы низкого давления с длиной волны 253,7 нм ([1]: Руководство Р 3.5.1904-04 «Использование ультрафиолетового бактерицидного излучения для обеззараживания воздуха в помещениях»), аналогичный разброс в десятки раз и потребных для стерилизации поверхностных доз бактерицидного излучения [Дж/м2].

Бактерицидное действие света позволяет эффективно использовать для стерилизации воды и воздуха УФ излучатели соответствующего диапазона. В качестве таких источников наиболее часто применяются ртутные лампы низкого давления (РЛНД) как в безозоновом варианте (излучение резонансного перехода атома ртути 63Р1-61S0 с длиной волны ~254 нм), так и в варианте излучения на двух основных резонансных линиях атома ртути, включая переход 61Р1-61S0 с длиной волны ~185 нм. В ряде случаев предпочтительным может быть использование широкополосных источников излучения, таких как ртутные лампы высокого давления, импульсно-периодические ксеноновые лампы ([2]: сайт компании «НПП Мелитта» http://www.melitta-uv.ru/technology/work/), а также эксимерные (эксиплексные) лампы ([3]: патент RU 2440147). В качестве источника света бактерицидного диапазона могут использоваться эксимерные лампы на молекулах XeBr* (полоса излучения ~282 нм), XeI* (~253 нм), KrCl* (~222 нм), а также полосы излучения гомоядерных молекул Cl2* (~259 нм) и Br2* (~289 нм); в определенных условиях в эксимерной лампе может быть реализовано одновременное излучение на нескольких полосах бактерицидного диапазона, например KrCl* и Cl2*, возможна и комбинация большего числа излучающих полос.

При обеззараживании воздуха в помещениях источники бактерицидного света могут применяться в открытом виде и тогда обработка проводится в отсутствие людей, именно такова (нет людей в зоне облучения) обычно ситуация и при использовании бактерицидной стерилизации в системах кондиционирования и вентиляции.

При обработке воздуха непосредственно в помещениях с находящимися в нем людьми в предпочтительном варианте бактерицидные источники света (лампы) устанавливаются в «закрытый» бактерицидный облучатель, когда выход бактерицидного излучения из полости облучателя тем или иным образом блокируется. В состав такого облучателя также входят источник питания лампы (ламп) и по меньшей мере один вентилятор для прокачки, в том числе многократной, стерилизуемого воздушного потока — отсюда распространенное название такого рода апппаратов «рециркулятор», которое наряду с термином «облучатель» используется в настоящей заявке. Рециркулятор может включать дополнительные (прежде всего противопылевые) фильтры и вспомогательные элементы для крепления на потолке или стене помещения. Конкретные реализации источника света (РЛНД, импульсная ксеноновая лампа, УФ светодиод и т.д.), его питания, вентилятора (вентиляторов) системы прокачки воздуха и его предварительной фильтрации, а также крепления рециркулятора не являются предметом заявляемого технического решения. Отметим также, что системы прокачки (и часто противопылевой фильтрации) воздуха сами по себе входят в состав систем кондиционирования и вентиляции, поэтому дополнительно соответствующие элементы для бактерицидной очистки воздушного потока в таких системах обычно не требуются.

Рециркуляторы широко применяются для обеззараживания воздуха в присутствии людей. Известно большое количество рециркуляторов для обеззараживания воздуха разных производителей, отличающихся теми или иными деталями конструкции и системы управления, включая, например, анализаторы температуры и/или влажности окружающей среды, и/или напряжения сети, и/или времени работы применяемого в облучателе источника света и даже датчики микроорганизмов, фильтры на входе (обычно противопылевые), и на выходе из корпуса облучателя для удаления, например, озона ([4]: патент RU 2542508, [5]: патент RU 2340360, [6]: патент RU 2521321, [7]: патент RU 2270696) и т.д. Аналогично, известно большое количество встраиваемых в системы вентиляции и кондиционирования бактерицидных облучателей.

Существенный недостаток использования УФ облучателей для обеззараживания воздуха состоит в том, что лишь ничтожно малая доля световой энергии фактически расходуется на подавление жизнедеятельности и размножения микроорганизмов, а основная часть излучения поглощается поверхностью корпуса облучателя (или стенками помещения в случае открытых облучателей). Это обусловлено тем, что длина поглощения бактерицидного излучения в воздухе составляет сотни метров и более, что на порядки превосходит габариты как полости рециркулятора, так и поперечные размеры воздуховодов в системах кондиционирования и вентиляции.

Таким образом, для увеличения эффективности рециркулятора целесообразно максимально увеличить коэффициент использования бактерицидного потока ламп Kф ([1]). В этом направлении возможно продвинуться, выполняя большую часть внутренней поверхности полости рециркулятора светоотражающей, чаще всего используется зеркально отражающие нержавеющая сталь или алюминий. Рост Kф, по данным компании HOWATHERM Klimatechnik GmbH ([8]: http://www.howatherm.de/web/EN/]), составляет около 1,3 для отражающей поверхности корпуса облучателя из нержавеющей стали и до двух раз для отражающей поверхности корпуса облучателя из полированного алюминия, что соответствует эффективному коэффициенту отражения излучения до ~40% (см. ниже). Например, полированный нержавеющий корпус применяется в бактерицидном облучателе (рециркуляторе) Аэролит-400 производства компании ЛИТ ([9]: http://www.lit-uv.com/ru/company/) на базе амальгамных РЛНД и это позволяет увеличить Kф от стандартной для рециркуляторов величины 0,3÷0,4 ([1]) до ≈ (385*400)/(3600*80) = 0,53, здесь E=385 Дж/м3 — потребная для степени стерилизации золотистого стафилококка 99,9% объемная доза излучения ртутной лампы, 400 м3/час — производительность рециркулятора, 80 Вт х 3600 с — излученная за час энергия бактерицидного излучения в конце срока службы ламп.

Еще большее значение Kф — около 0,6, исходя из представленных технических характеристик, удалось реализовать в рециркуляторе ДЕЗАР-4 ([10]: http://www.panfundus.ru/dezinfekcia/baktericid/dezar-4.html) за счет напыления слоя алюминия на внутреннюю поверхность полости пластикового облучателя.

Однако полученные в известных рециркуляторах с зеркально отражающей бактерицидное излучение металлической поверхностью полости, в которой проводится облучение, значения Kф далеки от потенциально возможных. Кроме того, эффективное значение Kф снижается в полости рециркулятора с зеркальным отражением излучения вследствие значительной разницы в дозах облучения вблизи и «вдали» от источника света.

Для большинства рециркуляторов и облучателей в системах кондиционирования и вентиляции достаточно большой производительности, использующих как правило РЛНД, потребная для степени стерилизации 99,9% по золотистому стафилококку мощность УФ излучения составляет ~ 0,25÷0,3 Вт/м3, что с учетом технического КПД ртутных ламп ηл ~ 35% соответствует потребляемой мощности от ~0,8 Вт/м3. Кроме этого, часть мощности питания рециркулятора затрачивается на прокачку воздушного потока, причем обычно потребная для прокачки мощность относительно мала и составляет до ~5% мощности источника света в отсутствие дополнительных противопылевых фильтров и до 10% при использовании таких фильтров. В результате потребляемая известными рециркуляторами мощность питания составляет обычно 0,9÷1 Вт на каждый кубометр прокачиваемого за час воздуха, то есть рециркулятор с производительностью 3000 м3/час для обеспечения степени очистки 99,9% по золотистому стафилококку потребляет 2,5÷3 кВт электрической мощности, из которых свыше 90% идет на генерацию бактерицидного излучения.

Таким образом, для повышения энергоэффективности рециркуляторов и УФ-очистки в системах кондиционирования необходимо увеличивать эффективность использования бактерицидного излучения. Это особенно важно, если необходимо обеспечивать более высокую (чем 99,9%) степень стерилизации или стерилизовать воздух, содержащий более устойчивые к УФ излучению микроорганизмы, например ротавирусы с необходимой для степени стерилизации 99,9% дозой облучения 1400 Дж/м3 ([1]) — в этом случае потребляемая облучателем мощность возрастает в ~ 4 раза.

Резкий рост эффективности использования бактерицидного излучения может быть реализован при диффузно отражающей внутренней поверхности корпуса облучателя, для которой возможно обеспечить эффективный коэффициент отражения >90% и даже >95% ([11]: заявка US 2012/0315184A1 с приоритетом от 04.05.2012 г.). Согласно указанному техническому решению, по существу вся внутренняя поверхность полости УФ облучателя выполняется из диффузно отражающего излучение материала с эффективным коэффициентом отражения не менее 95%, что позволяет многократно увеличить интенсивность излучения в полости, в том числе по сравнению с рециркуляторами с внутренней поверхностью из зеркально отражающих материалов (нержавеющая сталь, алюминий), а также обеспечить значительно более высокую (по сравнению с зеркальным отражением) однородность излучения в полости. В качестве материала с коэффициентом диффузного отражения бактерицидного излучения > 95% указывается выпускаемый компанией "W.L. Gore and Associates" (США) экспандированный фторопласт (e-PTFE), то есть фторопласт-4 (тефлон) с достаточно равномерно распределенными в нем многочисленными мельчайшими воздушными порами, занимающими обычно ~ 60÷70% объема этого материала. Рассеяние света на многочисленных границах фторопласт-воздух при соответствующей толщине материала обеспечивает эффективный коэффициент диффузного отражения от него >95% (до 98-99% согласно [11]), здесь принципиально важно то, что чистый фторопласт-4 (тефлон) не поглощает УФ излучение бактерицидного диапазона (как и воздух).

Под диффузно рассеивающей поверхностью здесь и далее в настоящем изобретении мы понимаем по существу диффузно отражающую поверхность — такую, для которой диффузная составляющая рассеянного (отраженного) света существенно превосходит зеркальную составляющую, например такую поверхность, для которой доля диффузной составляющей в отраженном свете превосходит ~ ¾ (≥ 75%) при нормальном падении. Например, на длине волны излучения РЛНД коэффициент преломления тефлона около 1,4 и, таким образом, при нормальном падении коэффициент зеркального отражения от фторопласта < 3%, то есть доля диффузной составляющей в отраженном свете превышает 95%.

Кроме экспандированного фторопласта высокий коэффициент диффузного отражения в бактерицидной области спектра имеет чистый фторопласт-4 (PTFE, тефлон) — выше 92ч93% при толщине от ~ 3ч4 мм, а также специализированные материалы, например «Spectralon» компании LABSPHERE, INC. с коэффициентом отражения не менее 93ч94% для л~250 нм ([12]: https://www.labsphere.com/site/assets/files/1827/pb-13021-000_rev_03_og_spectralon-1.pdf).

Высоким коэффициентом диффузного отражения в области 250 нм обладают также покрытия на основе прозрачных для излучения частиц, распределенных в прозрачном же связующем (матрице) с отличающимся коэффициентом преломления, например покрытие на основе сульфата бария, разработанное компанией LABSPHERE, INC. (https://www.labsphere.com/site/assets/files/1831/pb-13026_rev01spectraflect.pdf).), которое при толщине от 0,5 мм обеспечивает коэффициент диффузного отражения не менее 93% для длины волны ~ 260 нм, или покрытие на основе частиц оксида магния в стекле ([13]: патент SU 1805435) с R>90% в том же спектральном диапазоне. Конкретный выбор диффузно рассеивающего материала или покрытия определяется, прежде всего технологическими и стоимостными параметрами соответствующего материала или покрытия и не является предметом настоящего технического решения.

Укажем, что по существу диффузным отражение становится и в случае металлической поверхности с достаточно мелкомасштабными неровностями, в частности отражение от шероховатой поверхности алюминия является по существу диффузным. Однако в этом случае эффективный коэффициент диффузного отражения от шероховатой поверхности алюминия не больше коэффициента отражения от гладкой зеркальной поверхности алюминия и, соответственно, использование матированной (шероховатой) алюминиевой внутренней поверхности корпуса облучателя не дает существенного преимущества в бактерицидной эффективности.

Если в полости из диффузно рассеивающего материала с высоким эффективным коэффициентом диффузного отражения R находится источник (источники) света мощностью W, то в отсутствие сколько-нибудь заметного поглощения излучения в объеме полости (это случай бактерицидной обработки воздуха) интенсивность Iп падающего на поверхность полости излучения определяется из закона сохранения энергии:

W = Iп*S(1-б)*(1-R) + Iп*бS (1),

здесь S — общая площадь внутренней поверхности полости рециркулятора с диффузно отражающим покрытием, б — доля площади внутренней поверхности полости, которая поглощает излучение или через которую излучение покидает полость (последнее — так называемые геометрические потери). Приведенная формула полностью корректна, когда б << 1 и R → 1, то есть когда за счет диффузного характера отражения излучение в полости «хорошо перемешано», однако для оценок она может применяться в широком диапазоне значений б и R. Отсюда

Iп = (W/S)*{1/[1—R(1—б)]} (2),

то есть интенсивность падающего на поверхность такой полости излучения увеличивается в N = 1/[1—R(1—б)] раз по сравнению с Iп = (W/S) для полости, в которой внутренняя поверхность поглощает излучение. Например, для б=0,04 и R=0,95 получим N ~ 11 — по сравнению с N ≤ 2ч2,5 для облучателей с зеркальной металлической внутренней поверхностью полости.

Таким образом, потенциально использование облучателей с диффузно отражающей внутренней поверхностью полости позволяет повысить коэффициент использования бактерицидного потока ламп Kф в 5÷7 и более раз, то есть потенциально существенно повысить эффективность и/или производительность и/или степень очистки воздуха в рециркуляторах и системах кондиционирования.

Однако облучатели с диффузно отражающей полостью с высоким эффективным коэффициентом отражения имеют существенный недостаток, который состоит в том, что для реализации высокой величины N (Kф) необходимо использовать полость с малой величиной потерь б, в том числе и прежде всего с малой величиной геометрических потерь. При этом наличие таких потерь неизбежно просто потому, что через полость облучателя (в частности, рециркулятора) необходимо прокачивать воздух — следовательно, полость «автоматически» имеет открытые торцы («вход» и «выход» воздушного потока), через которые неизбежно происходит «утечка» (потери) излучения, что резко снижает величину выигрыша в Kф.

В самом деле, из (2) следует, что для значительного усиления излучения даже при R→1 необходима малая величина б:

• для R=0,999 (малореальная величина, конечно) в отстутвие потерь в полости N=1000, при б=0,1 усиление составляет N≈10 и уменьшается до N≈6,6 для б=0,15 (выигрыш падает в ~ 150 раз!);

• для R=0,97 в отстутвие потерь в полости N=33,3, при б=0,1 усиление составляет N≈7,9 и уменьшается до N≈5,7 для б=0,15 (выигрыш падает в ~ 6 раз !);

• для R=0,94 в отстутвие потерь в полости N=16,7, при б=0,1 усиление составляет N≈6,5 и уменьшается до N≈5 для б=0,15 (в ~ 3,4 раза!).

Для типичной геометрии облучателей, полость которых для бактерицидного излучения представляет собой цилиндр или параллелепипед с потерями на торцах, величина геометрических потерь достаточно велика. Например, полость облучателя в [11] имеет форму прямоугольного параллелепипеда длиной 183 см (72") с поперечным сечением 61 х 122 см (24" х 48"), через который прокачивается воздух с номинальным расходом Q ≈ 1,65 м3/с или ~6000 м3/час (3500 кубических футов в минуту, скорость прокачки воздуха в зоне облучения v≈2,2 м/с). В случае открытых торцов геометрические потери для такого рециркулятора составили бы б=0,182, то есть даже при очень высоком эффективном коэффициенте диффузного отражения R=0,99 (предельная величина в «закрытой» полости N=100) максимально возможное усиление излучения в полости с открытыми торцами составило бы всего N≈5,3 — потери на торцах снижают возможный выигрыш почти в 20 раз.

Заметим, что аналогичная [11] геометрия и у встраиваемых в системы кондиционирования УФ стерилизаторов: это в подавляющем большинстве случаев участок вентиляционного контура прямоугольной или круглой формы с открытыми торцами, в котором располагается один или несколько источников бактерицидного излучения (обычно РЛНД) — и здесь значительная величина геометрических потерь также не дает возможность максимально эффективно использовать материалы с высоким коэффициентом диффузного отражения излучения.

Следует отметить, что близкий масштаб геометрических потерь излучения в известных облучателях (и рециркуляторах) с зеркально отражающей полостью не оказывает существенного влияния на их бактерицидную эффективность поскольку величина коэффициента отражения в этом случае существенно ниже. В самом деле, применяя для грубой оценки влияния б ту же формулу (2) при R=0,5, получим N=2 для б=0 и N≈1,7 для б=0,18 — уменьшение всего около 15% вместо многократного (в то же время эти потери корректируют величину Kф и для облучателей с зеркальной внутренней поверхностью).

В связи с этим принципиально важным становится снижение величины геометрических потерь в рециркуляторах и облучателях систем вентиляции и кондиционирования с УФ обеззараживанием воздуха, имеющих высокий эффективный коэффициент диффузного отражения бактерицидного излучения, именно такие устройства представляют основной интерес для авторов настоящей заявки.

Возможные варианты облучателя с заполненной излучением полостью, имеющей диффузно отражающую внутреннюю поверхность, в которых снижена величина геометрических потерь, представлены на фиг. 1а,б.

На фиг. 1а снижение геометрических потерь обеспечивается за счет применения геометрии воздушного тракта типа диффузор-конфузор, причем внутренняя поверхность расширяющихся (сужающихся) частей газодинамического контура облучателя также эффективно диффузно отражает бактерицидное излучение, например имеет диффузно-отражающее покрытие или выполнена из диффузно отражающего материала. Здесь 1 - источник бактерицидного излучения (в частности, одна или несколько РЛНД), 2 — корпус облучателя (в частности, рециркулятора) с расширяющейся частью 3 и сужающейся частью 4, входом воздушного потока (ВхП) в область его стерилизации 5 и выходом из нее 6 (ВыхП). Соответственно, в оптимальном с точки зрения геометрических потерь варианте внутренняя поверхность облучателя между сечениями 5 и 6 выполнена диффузно отражающей, а площадь внутренней поверхности облучателя без диффузно отражающего покрытия – это сумма площадей сечений 5 и 6. Здесь необходимо указать, что в случае рециркулятора общая площадь внутренней поверхности облучателя как целого может быть существенно больше – например, «выше по воздушному потоку» во входной области рециркулятора 7 могут быть размещены вентилятор, противопылевые фильтры и пр. Эта область 7 может быть выполнена как с, так и без диффузно отражающего покрытия или не из диффузно отражающего излучение материала, в последнем случае она уже не участвует в бактерицидном облучении воздушного потока. В случае встроенного в систему концдиционирования облучателя, как правило, «весь» облучатель располагается между соответствующими сечениями 5 и 6.

Дополнительно укажем, что в рамках настоящего изобретения «корпус облучателя» — это оболочка, охватывающая источник света и стерилизуемый воздушный поток, которая выполнена из диффузно отражающего материала или на внутреннюю сторону которой нанесено диффузно-отражающее покрытие. Таким образом определенный корпус облучателя (в том числе рециркулятора) может не быть его несущим (конструкционным) элементом, в качестве которого тогда используется дополнительный конструкционный элемент, охватывающий и фиксирующий корпус облучателя с диффузно отражающей внутренней поверхностью, в частности подобным образом облучатель может быть встроен в систему кондиционирования (вентиляции).

Еще раз укажем, что на фиг. 1 в случае рециркулятора не показаны входящие в его состав блок питания источника бактерицидного излучения, вентилятор (вентиляторы), системы фиксации лампы в полости облучателя и блокирования выхода УФ излучения за его пределы, используемые в некоторых рециркуляторах дополнительные противопылевые и другие фильтры и т.д. и т.п., поскольку эти компоненты не являются предметом заявляемого технического решения. В то же время элементы облучателя, находящиеся внутри его ограниченной диффузно отражающей поверхностью области (в полости облучателя), в предпочтительном варианте выполняются также диффузно отражающими — например, элементы фиксации ламп могут быть изготовлены из тефлона или выполнены с диффузно отражающим покрытием. Аналогично, электродные узлы ртутной лампы могут быть выполнены с диффузно отражающим покрытием или «закрыты» трубкой из диффузно отражающего материала (например, тефлона) соответствующего диаметра и толщины.

Применение в качестве своеобразного «оптического затвора», «запирающего» бактерицидное излучение в полости облучателя, геометрии диффузор-конфузор позволяет кратно снизить геометрические потери при соответствующем уменьшении входного 5 и выходного 6 сечений воздушного потока в заполненной бктерицидным излучением полости облучателя и за счет этого значительно увеличить значение Kф. Однако при этом в указанных сечениях во столько же раз увеличивается скорость воздушного потока и резко возрастают затраты мощности на прокачку воздуха, поскольку потери давления в каждом соответствующем участке газодинамического контура переменного сечения ΔР = ζ*ρv2/2, ζ — численный коэффициент. Таким образом, при существенном уменьшении геометрических потерь и, следовательно, уменьшении потребной мощности УФ излучения во много раз увеличиваются затраты мощности на прокачку воздуха, что в значительной степени снижает (или даже вообще исключает) положительный эффект от увеличения световых потоков внутри полости рециркулятора — особенно с учетом того обстоятельства, что во многих случаях геометрия диффузор-конфузор (конфузор-диффузор) должна быть использована дважды — например, в системе кондиционирования воздушный поток должен быть вначале сужен перед облучателем и затем снова расширен после него. Кроме того, с целью уменьшения численного коэффициента ζ необходимо использовать малые углы раскрытия диффузоров и конфузоров, предпочтительно до 12-14о ([14]: Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1992 — 672 с.), что, как легко видеть, существенно увеличивает габариты системы, использующей указанный вариант снижения геометрических потерь, а также сложность и стоимость ее изготовления.

Таким образом, основным препятствием широкому применению облучателей с большим усилением бактерицидного излучения, является реализация достаточно компактного «оптического затвора» на входе и выходе полости рециркулятора, который бы, с одной стороны, обеспечивал низкие потери для излучения в полости и, с другой стороны, был достаточно компактным и создавал возможно меньшие газодинамические потери для прокачиваемого через облучатель воздушного потока.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является предложенный в [11] и показанный на фиг. 1б вариант оптического затвора в виде перфорированной пластины (перфорированного слоя), размещаемой на входе и выходе полости облучателя, при этом обращенная к полости облучателя поверхность пластины выполнена диффузно отражающей бактерицидное излучение. Обозначения совпадают с описанными для фиг. 1а, кроме того 8 — отверстия (перфорация) в пластинах. Предложенное решение легко реализуется, обеспечивает компактность облучателя, фактически не меняя его размеры, и возможность резко снизить геометрические потери за счет уменьшения доли k площади отверстий в площади пластины, то есть в площади поперечного сечения облучателя. В этом случае, очевидно, доля геометрических потерь снижается от величины б в случае открытых торцов до значения kб.

Однако и в известном варианте реализации оптического затвора существенное уменьшение геометрических потерь означает резкое, буквально взрывное, увеличение потерь давления при прокачке воздушного потока через такой затвор. Например, согласно данным [14], при k=0,4 потери давления на перфорированной пластине превышают динамический напор сv2/2, соответствующий открытому торцу облучателя, в ~9 раз, при k=0,3 в ~ 19 раз (ж≈19), при k=0,2 в ~ 53 раза, при k=0,15 в ~ 100 раз. При этом следует учитывать, что для геометрии [11] даже k=0,2 соответствуют геометрические потери около 3,65%, которые кратно снижают бактерицидную эффективность облучателя при R~98% и даже при R=95% в ~ 1,7 раза. Укажем, что для достаточно тонких пластин (пластину можно считать «тонкой», если ее толщина существенно меньше диаметра перфорации) коэффициент ж зависит практически только от величины k и не зависит от размера выполненных отверстий [14].

В итоге в прототипе общие потери давления в облучателе составили 200 Па, что в ~70 раз превосходит величину динамического напора — такие потери давления соответствуют k ≈ 0,24 [14], то есть снижению геометрических потерь для излучения в ~ 4 раза. В результате затраты мощности на прокачку воздуха в прототипе составили ~ 1 кВт при общих затратах электроэнергии около 3,2 кВт, то есть увеличились до ~ 30ч35% потребляемой облучателем мощности по сравнению с 3ч5% в известных аналогах. При этом бактерицидная эффективность, тем не менее, существенно уменьшается по сравнению с предельной для R=99% (такой эффективный коэффициент отражения материала полости приведен в [11]): принимая kб=0,24*0,182 ≈ 0,044, получим N=1/[1—R(1—kб)]≈19 — более, чем впятеро меньше по сравнению с величиной N=100 в отсутствие геометрических потерь. В то же время, предложенное техническое решение обеспечивает значительный рост светового потока — в ~ 3,5 раза по сравнению со случаем открытых торцов, поскольку в отсутствие перфорированного оптического затвора, как указывалось выше, усиление светового поля составляет всего ~ 5,3 раза.

В результате для приводимой в известном техническом решении интенсивности излучения в облучателе Iп > 180 мВт/см2 получим при площади внутренней поверхности облучателя S ≈ 8,2 м2, эффективную мощность бактерицидного излучения (с учетом усиления в полости ~ 19 раз) Wэфф ≈ IпS ~ 15 кВт!!! Соответственно, объемная доза бактерицидного излучения в таком облучателе очень высокая и составляет Wэфф /Q ~ 9000 Дж/м3 (Q ≈ 1,65 м3/с), что в 15÷20 раз больше, чем в известных рециркуляторах Аэролит, ДЕЗАР и т.д.

Казалось бы, есть возможность увеличить расход воздуха через облучатель по прототипу, например, в 10 раз с сохранением высокой степени стерилизации — однако при этом потребная для прокачки воздуха мощность увеличится в первом приближении ~ Q3 и составит ~ 1 МВт, что совершенно не реально, общая эффективность такого облучателя становится ничтожно малой вследствие огромных затрат на прокачку воздуха, несмотря на низкую потребляемую конкретно источниками бактерицидного света мощность.

Таким образом, известный согласно прототипу оптический затвор для бактерицидного облучателя также резко увеличивает затраты мощности на прокачку воздушного потока при снижении геометрических потерь для излучения в полости облучателя и соответствующем росте бактерицидной эффективности облучателя по световой мощности — соответственно, экономия в потребной мощности УФ излучения не компенсируется увеличением потребной для прокачки воздуха мощности. Кроме того, общее энергопотребление облучателя с известным оптическим затвором быстро увеличивается с ростом его производительности (расхода воздуха Q) и его эффективность в целом даже может снижаться по сравнению с использованием облучателей без оптических затворов.

Техническим результатом заявляемого изобретения является значительное увеличение эффективности и/или производительности бактерицидного облучателя за счет использования оптического затвора, обеспечивающего существенное снижение геометрических потерь излучения при малом росте его газодинамического сопротивления.

Технический результат достигается тем, что в оптическом затворе для бактерицидного облучателя, располагающемся на входе и/или выходе из полости бактерицидного облучателя, представляющем собой по меньшей мере один перфорированный слой с обращенной к полости облучателя поверхностью, диффузно отражающей бактерицидное излучение, общая толщина перфорированного слоя H выполняется не меньше минимального поперечного размера перфорации и боковая поверхность перфорации выполнена диффузно отражающей бактерицидное излучение.

Отметим, что, согласно МПК, под термином "слой" следует понимать лист, полосу, диск и т.п. относительно малой толщины по сравнению с другими линейными размерами. Кроме того, слой может быть изготовлен из нескольких (по меньшей мере двух) отдельных частей, в том числе из разного материала, слой также может быть прерывистым, включать фактически несколько отдельно изготиавливаемых слоев с сохранением их конструктивной связности и т.д. Именно такое понимание термина «слой» используется в настоящей заявке на изобретение.

В предпочтительном варианте оптический затвор располагают как на входе воздушного потока в полость бактерицидного облучателя, так и на выходе воздушного потока из полости облучателя.

Идея заявляемого технического решения состоит в том, что авторы впервые воспользовались аналогией между распространением излучения вглубь канала (отверстия, щели, паза и т.д.) с высоким эффективным коэффициентом диффузного отражения излучения боковой поверхностью канала и бесстолкновительным кнудсеновским течением газа низкого давления в щели. В самом деле, распространение бактерицидных фотонов в канале, очевидно, заведомо является «бесстолкновительным» для реальной интенсивности излучения в облучателях и именно диффузный закон отражения атомных частиц на стенках щели предполагается при изучении кнудсеновского течения. Кроме того, в полости с диффузно рассеивающей внутренней поверхностью распределение падающего на вход канала излучения по углам имеет ламбертовский вид, как и распределение по углам падающих на поверхность щели молекул, то есть обнаруженная аналогия является полной.

Как известно, для «глубоких» щелей большая часть молекул не проходит «сквозь» щель, а эффективно «отражается» обратно. Вероятность прохода щели молекулой определяется геометрией щели (окружность, конус, прямоугольник и т.д.), а также отношением ее минимального поперечного размера и глубины, эта величина (коэффициент Клаузинга Kк) теоретически и экспериментально определена в большом количестве работ. Соответственно, для оценки вероятности прохода излучения сквозь канал (щель, паз) можно воспользоваться известными коэффициентами Клаузинга, а эффективный «коэффициент отражения» излучения от такого канала Rк = 1 – Kк.

Для целей заявляемого технического решения существенно, что уже для умеренного отношения глубины перфорации (толщины слоя, выполняющего роль оптического затвора) к ее минимальному поперечному размеру коэффициент Клаузинга существенно меньше 1, что обеспечивает разумно высокий «коэффициент отражения» от отверстия, то есть в некотором смысле мы реализуем достаточно эффективное отражение падающего бактерицидного излучения от «пустого места» в оптическом затворе.

В частности, для круглого отверстия глубиной H и диаметром d, в этом случае минимальный поперечный размер перфорации d, согласно ([15]: Иванов В.И. Вакуумная техника. – СПб.: Университет ИТМО, 2016. – 129 с.):

• при H/d = 1 коэффициент Клаузинга ≈ 0,51 и Rк ≈ 0,49;

• при H/d = 2 коэффициент Клаузинга ≈ 0,36 и Rк ≈ 0,64;

• при H/d = 3 коэффициент Клаузинга ≈ 0,28 и Rк ≈ 0,72;

• при H/d = 5 коэффициент Клаузинга ≈ 0,20 и Rк ≈ 0,80;

• при H/d = 10 коэффициент Клаузинга ≈ 0,11 и Rк ≈ 0,89.

Аналогично для перфорации в форме узкого прямоугольного паза длиной a, шириной b (минимальный поперечный размер перфорации в этом случае b) и глубиной H (длина щели a>>b, обычно также a>H и даже a>>H):

• при H/b = 1 коэффициент Клаузинга ≈ 0,68 и Rк ≈ 0,32;

• при H/b = 3 коэффициент Клаузинга ≈ 0,46 и Rк ≈ 0,54;

• при H/b = 5 коэффициент Клаузинга ≈ 0,36 и Rк ≈ 0,64;

• при H/b = 10 коэффициент Клаузинга ≈ 0,25 и Rк ≈ 0,75.

Отметим, что Rк для излучения несколько меньше 1 – Kк вследствие некоторых потерь при диффузном отражении, поскольку для атомных частиц коэффициент отражения от боковой поверхности щели точно равен 1, а для излучения R<1. Однако для R→1 и не слишком большого отношения H/d (H/b), когда количество отражений не слишком велико, приведенная оценка Rэфф корректна и подтверждается экспериментально.

Рассмотрим полость облучателя с диффузно отражающей внутренней поверхностью, на входе и выходе которой располагается оптический затвор в виде перфорированной пластины (слоя) толщиной H, в которой выполнены круглые отверстия диаметром d, общая доля площади отверстий k и их боковая поверхность также является эффективно диффузно отражающей, а обращенная к полости поверхность пластины имеет эффективный коэффициент диффузного отражения R. Тогда для бактерицидного излучения эффективный коэффициент отражения от оптического затвора составляет

Rэфф = R(1-k) + kRк(H/d) (3),

второе слагаемое в (3) описывает возврат в полость облучателя падающего на оптический затвор со стороны полости бактерицидного излучения за счет его диффузного рассеяния «назад» в каналах перфорации с коэффициентом отражения Rк, зависящим от отношения H/d. Фактически это означает, что «для излучения» доля площади отверстий эффективно уменьшается и составляет

k1 = k(1 – Rк/R) (4).

то есть для излучения эффективная доля площади торца полости облучателя, на которой излучение «поглощается», уменьшается, в том числе значительно уменьшается. Например, для перфорированного слоя с круглыми отверстиями при H/d=5 (Rк ≈ 0,80) и коэффициента диффузного рассеяния внутренней поверхности полости (и боковых поверхностей перфорации) R=0,98 из (4) находим: k1 ≈ 0,18k, то есть «для света» эффективная доля площади торца, которая «отвечает» за потери излучения уменьшается более, чем впятеро; при R=0,95 геометрические потери снижаются более, чем в 6 раз!

При этом для воздушного потока потери давления определяются величиной k и в первом приближении слабо зависят от H для не слишком малых размеров отдельного элемента перфорации, когда перепадом давления в самом канале (отверстии) можно пренебречь: оценки показывают, что для реальных скоростей воздушных потоков в бактерицидных облучателях достаточно, чтобы минимальный размер перфорации превышал ~ 1 мм (0,5÷1,5 мм).

Как результат, заявляемое техническое решение позволяет эффективно «разделить» геометрические потери для излучения и газодинамические потери для воздушного потока и тем самым значительно увеличить интегральную производительность и КПД бактерицидных облучателей как в варианте рециркуляторов, так и в системах вентиляции и кондиционирования.

В предпочтительном варианте реализации заявляемого технического решения геометрия перфорации выбирается таким образом, чтобы соответствующий коэффициент Клаузинга не превышал 33÷50% (тогда Rк ≥ 50-67%) — в этом случае, согласно (4), эффективная доля площади торцов облучателя, на которой излучение «поглощается», уменьшается не менее, чем в два-три раза: k1 < k/2 для Rк ≥ 50% (k1 уменьшается ровно вдвое для R=1) и k1 < k/3 для Rк ≥ 67% (уменьшение ровно втрое для R=1). Отсюда в варианте заявляемого оптического затвора для перфорации в форме круглых отверстий целесообразно выполнять отверстия d < H/2 и предпочтительно d ≤ H/3 (k1 ~ k/4). Для перфорации в форме узкого паза (в ряде случаев такую перфорацию выполнить проще и быстрее) целесообразная ширина паза b удовлетворяет условию b ≤ H/3 (k1 ≈ k/2,2), предпочтительно b ≤ H/5 (k1 ≈ k/3).

Рассмотрим конкретный пример, исходя из геометрии и параметров (скорость воздушного потока) облучателя [11]. Пусть на входе и выходе облучателя располагаются оптические затворы по заявляемому техническому решению, представляющие собой перфорированный слой диффузно рассеивающего материала с R=99% (как в [11]) толщиной 25 мм со сквозными отверстиями диаметром 5 мм (то есть H/d=5 и Rк ≈ 0,80), при этом общая площадь перфорации составляет 50% площади сечения воздушного потока (k=0,5).

В этом случае эффективная доля площади торцов, определяющая геометрические потери излучения составляет k1 = k(1 – Rк/R) ≈ 0,096 и геометрические потери теперь составляют k1α=0,096*0,182≈0,0175. Соответственно, усиление излучения в полости облучателя увеличивается в N1=1/[1—R(1—k1б)] ≈ 36,5 — это практически вдвое больше по сравнению с прототипом, то есть интенсивность излучения в полости облучателя при той же мощности источников света увеливается по сравнению с прототипом вдвое!

Отметим, что с заявляемым оптическим затвором те же световые потоки в полости облучателя, что и в прототипе, возможно получить при эффективном коэффициенте диффузного отражения около 96% по сравнению с 99% в прототипе — такой коэффициент диффузного отражения реализовать значительно проще (и дешевле).

Далее, газодинамическое сопротивление (потери давления) заявляемого оптического затвора соответствует k=0,5 и коэффициент превышения динамического напора для такой доли площади перфорации составляет ж ~ 4,4 (и даже несколько меньше [14]) – это в ~7 раз меньше, чем в прототипе!

Таким образом, для того же самого расхода воздуха через облучатель (производительности облучателя) с геометрией и параметрами внутренней поверхности (эффективный коэффициент диффузного отражения R) прототипа применение заявляемого технического решения позволяет одновременно:

- приблизительно вдвое увеличить световые потоки в облучателе при тех же затратах мощности на генерацию бактерицидного излучения, то есть вдвое увеличить бактерицидную дозу;

- приблизительно в 7 раз снизить затраты мощности на прокачку воздуха через облучатель

и, таким образом, существенно повысить его КПД и производительность. Например, при увеличении расхода воздуха через облучатель ~ вдвое полученная бактерицидная доза будет такой же, как в прототипе, как и затраты мощности на прокачку (~ Q3) — энергоэффективность и производительность облучателя увеличатся вдвое!

При этом возможно использовать перфорацию и с большей величиной k, что дает возможность дополнительно уменьшить затраты мощности на прокачку воздуха через облучатель при минимальном росте или даже вообще без увеличения геометрических потерь (в том числе, за счет увеличения отношения H/d в заявляемом оптическом фильтре). Например, для тех же параметров облучателя и заявляемом оптическом фильтре с перфорацией в виде цилиндрических отверстий при k=0,70 и H/d=10 получаем аналогично представленным выше расчетам: Rк ≈ 0,89 → k1 = k(1 – Rк/R) ≈ 0,071 → k1α=0,071*0,182≈0,013 → N1=1/[1—R(1—k1б)] ≈ 44 то есть световые потоки в облучателе будут в 2,3 раза больше, чем в прототипе.

Для k=0,7 коэффициент превышения динамического напора для описанного оптического затвора ж не больше 1,13 [14], что в 28ч30 раз меньше, чем в прототипе. Это означает, что без изменения затрат мощности на прокачку скорость воздушного потока и, следовательно производительность облучателя возможно увеличить приблизительно втрое, при этом объемная бактерицидная доза будет достаточна для очень высокой степени стерилизации, в частности на порядок больше, чем в известных облучателях типа Аэролит или ДЕЗАР.

С целью некоторого дополнительного снижения газодинамических потерь перфорация может быть выполнена с уменьшающимся по направлению движения воздушного потока минимальным поперечным размером — например, отверстия перфорации могут быть выполнены в форме усеченного конуса (а щели могут иметь форму усеченной призмы с предпочтительно малым углом при вершине). При относительно небольшом угле конуса, например 2÷3о, и для относительно «коротких» отверстий (H/d до 5÷10) коэффициент Клаузинга для такой геометрии канала меняется незначительно, однако при этом эффективная величина k для воздушного потока увеличивается и, соответственно, коэффициент ж превышения потреь давления на затворе над динамическим напором снижается — уменьшаются и затраты мощности на прокачку воздуха через облучатель. Здесь существенно то обстоятельство, что параметр ж, определяющий затраты мощности на прокачку, снижается с увеличением k быстрее, чем увеличиваются геометрические потери. В самом деле, пусть перфорация имеет вид конических отверстий с полным углом при вершине всего 2о и H/d=5 (d – минимальный размер перфорации по потоку). Это значит, что на входе воздушного потока диаметр отверстия составляет d + 10d*tg1о ≈ 1,17d и, как следствие, величина «прозрачности» такого оптического фильтра с конической перфорацией увеличивается в ~ 1,172 ≈ 1,38 раз. То есть, фактически без заметного изменения коэффициента Клаузинга и дополнительных потерь, связанных с конической формой отверстия (поскольку угол конуса мал, изменение площади сечения отверстия также мало и отрыва потока нет [14]), величина k увеличивается в 1,38 раз: например, от 0,5 до ~ 0,7, при этом ж уменьшается от ~ 4,4 до ~ 1,1 — в четыре раза, значительно уменьшаются и затраты мощности на прокачку.

В предпочтительном варианте реализации заявляемого оптического затвора, особенно для высокопроизводительных облучателей с большим расходом воздуха Q минимальная площадь поперечного сечения перфорации составляет не менее 25-30% площади поперечного сечения воздушного потока в облучателе, предпочтительно не менее 40-50% и даже больше. Значительная доля площади перфорации обеспечивает достаточно низкие потери давления и затраты мощности на прокачку, при этом геометрические потери могут быть кратно (в том числе многократно) уменьшены за счет применения заявляемой геометрии оптического затвора на входе воздушного потока в облучатель и выходе из него.

Как было указано выше, возможны различные варианты реализации диффузно отражающей боковой поверхности перфорации с высоким эффективным коэффициентом отражения бактерицидного излучения. В частности, несущая поверхность слоя (матрица) может быть выполнена из материалов, которые не обладают указанным свойством (различные металлы/сплавы или пластмассы), с соответствующим покрытием — например, одним из описанных выше. Конкретный способ нанесения покрытия, например технология соответствующего напыления, не является предметом настоящей заявки. В качестве покрытия, прежде всего обращенной к полости облучателя плоской поверхности оптического затвора (или близкой к плоской поверхности относительно малой кривизны) может использоваться и экспандированный фторопласт толщиной предпочтительно в диапазоне 1÷2 мм.

В одном из вариантов реализации заявляемого оптического затвора он целиком выполняется из диффузно отражающего материала с высоким эффективным коэффициентом отражения, например слоя фторопласта-4 необходимой толщины, в котором тем или другим способом выполнена перфорация с минимальным поперечным размером согласно формуле заявляемого изобретения — в этом случае боковая поверхность перфорации «автоматически» будет диффузно отражающей с высоким коэффициентом отражения. Примеры выполнения именно такого оптического затвора приведены на фиг. 2-4 для случаев: оптического затвора в виде слоя из круглой пластины с перфорацией в виде цилиндрических отверстий, выполненных, например, сверлением (фиг. 2), оптического затвора в виде слоя из круглой пластины с перфорацией в виде узких щелевых каналов прямоугольного сечения, выполненных, например фрезеровкой, в том числе с помощью дисковой фрезы с шириной режущей кромки b (фиг. 3), оптического затвора в виде слоя с перфорацией в виде узких щелевых каналов прямоугольного сечения, выполненных под углом φ к нормали к слою.

Отметим, что на фиг. 2 в варианте (а) показана цилиндрическая перфорация с «острыми» кромками, а варианте (б) вход в перфорацию со стороны воздушного потока выполнен с закругленными кромками 9, что дополнительно снижает потери давления на оптическом затворе, закругленными могут быть также выполнены и кромки со стороны выхода воздушного потока из перфорации оптического затвора.

Как указывалось выше, оптический затвор согласно заявляемому техническому решению может представлять собой слой, состоящий из нескольких отдельно изготавливаемых частей, в том числе из нескольких слоев и других конструктивных элементов. Один из возможных вариантов такой реализации оптического затвора прямоугольного сечения показан на фиг. 5, здесь: 10 — обращенный к полости облучателя перфорированный слой оптического затвора с высоким коэффициентом диффузного отражения (например, слой фторопласта-4), 11 — внешний по отношению к полости облучателя перфорированный слой оптического затвора, который может быть выполнен из материала, который не имеет высокий коэффициент отражения бактерицидного излучения (в том числе, диффузного отражения) и на который не наносится соответствующее покрытие, 12 — трубки из материала с высоким коэффициентом диффузного отражения бактерицидного излучения (например, из фторопласта-4) или с соответствующим покрытием внутренней поверхности, 13 — конструкционные элементы, обеспечивающие жесткость оптического затвора и, при необходимости, его герметичность, которые могут быть расположены не только по периметру оптического затвора, но и между трубками 12 для увеличения жесткости такого затвора (в последнем случае предпочтительно, чтобы их поверхность имела высокий коэффициент диффузного отражения, в том числе они могут быть изготовлены из фторопласта-4). Как показано на фиг. 5, внешний диаметр трубок 12 соответствует внутреннему диаметру перфорации в слоях 10, 11. Пространство между трубками в объеме оптического затвора между слоями 10 и 11 может оставаться «открытым» или быть заполнено, в предпочтительном варианте материалом с высоким коэффициентом диффузного отражения бактерицидного излучения (в этом случае стенки трубок 12 могут быть достаточно тонкими — эффективное диффузное отражение обеспечит заполняющий пространство между трубками материал). Таким материалом может быть фторопластовый порошок (прежде всего порошок из первичного фторопласта-4, предпочтительно достаточно мелкой фракции, например 10÷20 мкм) или порошок из других непоглощающих бактерицидное излучение материалов, например чистый кварцевый песок SiO2 (также предпочтительно достаточно мелкий) и т.д. Такого рода конструкция может позволить снизить вес и стоимость оптического затвора, особенно для облучателей с большим сечением воздушного потока, в том числе в системах вентиляции или кондиционирования, в том числе потому, что фторопластовый порошок в ~ 2,5 раза легче (и существенно дешевле) «сплошного» фторопласта.

Соединение компонентов такого оптического затвора друг с другом в единое целое может выполняться различными известными специалистам способами, как-то клей, резьбовое соединение, соединение с помощью силового зацепления, например, соединения типа «ласточкин хвост» и т.д., включая сборку «с натягом», когда внешний диаметр трубок 12 несколько превышает диаметр отверстий в слоях 10, 11. Здесь также существенно, что в основных применениях заявляемого оптического затвора механические нагрузки на него, как правило, достаточно малы.

Дополнительно отметим, что для описанного выше оптического затвора допустимо применять термин «слой», в том числе в случае заполненной порошком полости (полостям) между слоями 10 и 11, поскольку, согласно формулировкам патентного права, слой может быть изготовлен из отдельных частиц материала, он также может быть прерывистым и т.д.

На фиг. 6 показан вариант прямоугольного оптического затвора с перфорацией в виде отверстий прямоугольного, в том числе квадратного сечения, когда перфорированный слой собирается из отдельно изготавливаемых элементов 14, способ сборки показан стрелками на врезке. Здесь элементы 14 могут изготавливаться механической обработкой полос соответствующей ширины Н, в том числе пакетной обработкой, когда паз необходимой ширины и глубины выполняется, например, дисковой фрезой соответствующей толщины сразу в нескольких полосах. По границам оптического затвора собранная структура может дополнительно фиксироваться соответствующими элементами жесткости (на фиг. 6 отдельно не показаны).

На фиг. 7 представлен вариант оптического затвора с конической перфорацией с углом при вершине конуса Ω (предпочтительно Ω не превышает несколько градусов), а на фиг. 8 показано направление уменьшения диаметра конического отверстия относительно воздушного потока на входе в полость облучателя (а) и выходе из нее (б), в случае конических отверстий кромки также могут быть выполнены со скруглениями 9.

Следует отметить, что в состав оптического затвора, особенно при большом его поперечном размере (для систем большой производительности) могут входить дополнительные элементы, в том числе слои, функция которых — обеспечить необходимый уровень жесткости затвора. Так, оптический затвор может фиксироваться на «поддерживающей опоре», представляющей собой, например структуру типа решетки с большой прозрачностью для воздушного потока. Располагаясь с внешней стороны затвора относительно полости облучателя, такая поддерживающая решетка может быть выполнена из материалов, к которым не предъявляется требование высокого коэффициента диффузного отражения. Например, это может быть решетка из металлических (керамических и т.д.) прутков диаметром ~ 5 мм с шагом ~ 100 мм, что соответствует прозрачности такой решетки более 90%, то есть она оказывает минимальное сопротивление воздушному потоку. В то же время, очевидно, толщина такого конструктивного элемента оптического затвора не входит в условие первого пункта формулы заявляемого изобретения, в котором толщина H относится только к перфорированному слою с диффузно отражающими боковыми поверхностями (заметим также, что в поддерживающей решетке или ее аналоге поперечный размер «перфорации» существенно превосходит толщину этой решетки).

Возможность существенно, кратно снизить газодинамическое сопротивление оптического затвора в заявляемом техническом решении одновременно с уменьшением геометрических потерь для бактерицидного излучения в полости облучателя позволяет существенно повысить энергоэффективность и производительность бактерицидного облучателя.

Кроме того, возможность реализовать разумно низкое газодинамическое сопротивление заявляемого оптического затвора при значительно большей, чем в прототипе, скорости воздушного потока, позволяет при той же производительности и потребляемой мощности значительно уменьшить габариты облучателя как в варианте рециркулятора, так и в системах вентиляции и кондиционирования, что также является преимуществом заявляемого технического решения. При таких же габаритах и энергопотреблении, как, например, у прототипа или аналогов, предлагамое техническое решение позволяет кратно увеличить обрабатываемый воздушный поток, что важно при решении задач стерилизации больших объемов воздуха.

Значительное снижение геометрических потерь и соответствующий рост интенсивности излучения в полости облучателя также позволяет уменьшить потребляемую источниками бактерицидного света мощность и/или уменьшить количество (а также габариты) используемых источников света — например, ограничиться двумя РЛНД вместо четырех при двухкратном росте выигрыша в световых потоках в облучателях с заявляемым оптическим затвором, что уменьшает как стоимость облучателя, так и эксплуатационные расходы. Кроме того, в случае РЛНД уменьшение общей поверхности источников света в облучателе дополнительно увеличивает выигрыш в коэффициенте использования бактерицидного потока ламп, поскольку снижается влияние самопоглощения собственного резонансного излучения, которое попадает в апертуру ламп после диффузного рассеяния на внутренней поверхности полости облучателя.

Таким образом, техническим результатом, обеспечиваемым приведенной в заявляемом изобретении совокупностью признаков, является значительное увеличение эффективности и/или производительности бактерицидного облучателя, снижение эксплуатационных расходов и возможность его более компактного исполнения.

Сопоставительный анализ предлагаемого технического решения и известных аналогов выявляет наличие существенных отличительных признаков, что обеспечивает ему соответствие критериям «новизна» и «существенные отличия».

Возможность создания заявляемого оптического затвора на базе известных комплектующих и технологий, в том числе описанных выше вариантов его исполнения, которыми варианты заявляемого оптического затвора не исчерпываются, обеспечивает промышленную применимость заявляемого технического решения.

Для удовлетворения каких-либо возможных конкретных требований могут быть выполнены очевидные для квалифицированных специалистов в этой отрасли изменения описанных выше вариантов выполнения оптического затвора бактерицидного облучателя, а также его переделка без отклонения от защищаемых формулой изобретения положений. В частности, могут использоваться различные диффузно отражающие материалы (в том числе порошки), покрытия (в том числе различные способы нанесения диффузно отражающих покрытий) и их комбинации, различные способы изготовления оптического затвора и его компонентов путем механической обработки, лазерной резки, прессования (штамповки), соединения компонентов между собой, перфорация может представлять собой комбинацию из цилиндрических (конических) отверстий, пазов и каналов другой формы, в состав оптического затвора могут дополнительно входить увеличивающие его жесткость поддерживающие решетки (с высокой прозрачностью для воздушного потока) различной геометрии, выполненные из разных материалов и т.д.

Изобретение относится к области устройств для стерилизации воздуха с использованием бактерицидного ультрафиолетового излучения. Предлагается оптический затвор для бактерицидного облучателя, располагающийся на входе и/или выходе из полости бактерицидного облучателя, представляющий собой по меньшей мере один перфорированный слой с обращенной к полости облучателя поверхностью, диффузно отражающей бактерицидное излучение, при этом общая толщина перфорированного слоя H выполняется не меньше минимального поперечного размера перфорации и боковая поверхность перфорации выполнена диффузно отражающей бактерицидное излучение. Изобретение обеспечивает значительное увеличение эффективности и производительности бактерицидного облучателя. 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Оптический затвор для бактерицидного облучателя, располагающийся на входе и/или выходе из полости бактерицидного облучателя, представляющий собой по меньшей мере один перфорированный слой с обращенной к полости облучателя поверхностью, диффузно отражающей бактерицидное излучение, отличающийся тем, что общая толщина перфорированного слоя H выполняется не меньше минимального поперечного размера перфорации и боковая поверхность перфорации выполнена диффузно отражающей бактерицидное излучение.

2. Оптический затвор по п. 1, отличающийся тем, что общая толщина перфорированного слоя H не менее чем в 2 раза превосходит минимальный поперечный размер перфорации.

3. Оптический затвор по п. 1, отличающийся тем, что перфорация представляет собой отверстия, диаметр d которых удовлетворяет соотношению d ≤ H/3.

4. Оптический затвор по п. 1, отличающийся тем, что перфорация представляет собой пазы, ширина b которых удовлетворяет соотношению b ≤ H/3, предпочтительно b ≤ H/5.

5. Оптический затвор по п. 1, отличающийся тем, что перфорация выполнена с уменьшающимся по направлению движения воздушного потока минимальным поперечным размером.

6. Оптический затвор по п. 1, отличающийся тем, что выполнен из диффузно отражающего материала.