CN102010024A - 使用光透射导管进行液体消毒的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明的一些说明性实施方式包括基于照射的液体消毒装置(100)。该消毒装置(100)包括用来传输待消毒的流动液体的光透射导管(101)、外部尺寸小于导管(101)的内部尺寸的基本上光透射的套管(102)和位于套管(102)内部的光源(104)，其中导管(101)具有用来接收液体的入口(106)和用来排放液体的出口(108)，套管(102)位于导管(101)内并基本上垂直于导管(101)的对称轴。

Description

使用光透射导管进行液体消毒的方法和设备

本申请是2009年6月12日提交的申请号为200780046174.X的中国发明专利申请的分案申请。

背景技术

使用位于金属箱中的紫外光源的紫外线液体消毒系统早已是已知的，其中液体流经所述金属箱。上述金属箱的壁吸收了大部分入射的紫外光，并且从紫外光源发出的光线穿过水体一次并且基本上被金属吸收。因此，上述系统没有以有效的方式利用光源。需要比现有系统更有效率的紫外线消毒系统。

附图说明

在说明书的结论部分特别指出并清楚地主张了作为本发明的目的内容。然而，本发明的关于构造和操作方法二者，及其目的、特点和优点，可以通过参考下列详细说明并与附图一起阅读来最好地理解。

图1A和1B是根据本发明的一些说明性的实施方案的消毒系统的概念示意图；

图2A是根据本发明的一些说明性的实施方案的示范性消毒系统的示意图；

图2B是图2A的示范性消毒系统的横截面图；

图3描绘了根据本发明的一些说明性实施方案的紫外线透射导管的示范性示意图；

图4是根据本发明的一些说明性实施方案的在其表面部分上具有反射涂层的示范性紫外线透射导管的概念示意图的侧视图；

图5A-5C是根据本发明的一些说明性实施方案的导管的示意图；

图6A和6B是根据本发明的一些说明性实施方案的具有形成流动的物体的消毒器的示意图；

图7是根据本发明的一些说明性实施方案的非圆柱形套管的横截面示意图；

图8是根据本发明的一些说明性实施方案的具有图案化的套管(patterned sleeve)的示范性消毒系统的概念示意图；

图9是根据本发明的一些说明性实施方案的具有非圆柱形光源的示范性消毒系统的概念示意图；

图10是根据本发明的一些说明性实施方案的2-管消毒系统的示意图。

图11A-11C是根据本发明实施方案的示范性示意图，显示了消毒系统的模块特性；

图12A-12C是根据本发明实施方案基于计算机模拟的在示范性导管内部的光通量分配的示意图；

图12D是与图12A-12C有关的剂量分布的柱状图；

图13A-13B是根据本发明实施方案的基于计算机模拟的在不锈钢导管内部光通量分布的示意图；和

图13C是与图13A-13B有关的剂量分布柱状图。

可以理解，为了示意图的简单和清楚，图中显示的部件没有必要精确地或者按比例绘制。例如，为了清楚，一些部件的尺寸相对于其它部件或者相对于包括在一个功能模块或部件的若干个物理组件来说可以放大了。进一步地，在合理的考虑之处，在图中标号可以重复以指出相应或类似的部件。另外，图中绘制的一些模块可以结合成单一的功能模块。

本发明实施方案的详细说明

在下文的详细说明中，公开了许多细节以提供对本发明的彻底了解。然而，本领域技术人员可以理解，本发明可以在没有这些细节的情况下进行实际操作。在其他情况下，众所周知的方法、程序、零件和电路可以没有详细描写以免使本发明模糊。

本发明的一些说明性实施方案包括具有传输待消毒液体的导管和位于透明套管内部的照射源，所述照射源位于基本上垂直于导管的对称纵轴和液体流向的位置。

可以理解，液体消毒过程可以包括钝化或除去任何有机体、细菌、微生物(microorganism)、生命、动物、微生物(microbe)、芽孢(germ)、病毒、有机污染物、无机污染物、可氧化的有毒物或污染物；生物学或化学来源的任何累积性的有害生物种；任何旨在氧化污染物和/或同类的氧化颗粒、碎片或元素，例如过氧化氢或二氧化钛。本发明的一些说明性实施方案可以提到使用紫外线(UV)消毒液体和/或氧化液体内的离子。然而，本领域技术人员可以理解，在本发明的其它实施方案中，任何其它适合光谱的光都可以使用。

现在参照图1A和1B，其在概念上图解了根据本发明的一些说明性的实施方案的消毒系统。消毒系统100可以包括传输待消毒液体的管或导管101、一个或多个位于导管101内并基本上垂直于导管101的对称纵轴109的基本上光透射的套管102和一个或多个各个位于各自的套管102内的光源104。根据本发明的实施方案，光源104可以是能够发出254nm光的紫外线光源。导管101可以具有入口106来从外部液体管接收待消毒的液体，和出口108来通过外部排放管排放液体。系统100可以进一步包括接管110来将导管101连接到外部液体管上。接管可以包含O-环以确保在外部管和导管之间不透水的连接。

导管101可以基本上由UV透射的玻璃例如石英制造。UV透射套管102可以是例如石英或

套管。各个套管102可以具有小于导管101的内部尺寸的外部尺寸，因此液体可以在导管101内的套管102周围流动。套管102的两端可以从导管101的壁伸出以允许替换套管102内的光源104。当液体在导管中流动时，光源104可以照射待消毒的液体。在这些结构中，导管101内的液体可以作为导波器(waveguide)，并且至少光线的一部分，例如，发射的紫外线强度的至少一半，可以在UV透射导管101和围绕它的空气的界面上发生完全的内部反射。导管101可以位于保护性金属套管内，所述套管在导管和套管之间具有空气间隙，如图2B中所示。全部内部反射(TIR)的效果在图1B中显示。

虽然本发明在这方面不受限制，但是光源104可以产生具有适合的UV杀菌光谱的紫外线。例如光源104可以包括一个或多个UV灯，例如低压UV灯、低压高输出的UV灯、中压UV灯、高压UV灯、和/或微波激发的UV灯，与本领域中所有已知的一样。

根据本发明的实施方案，液体可以作为导波器，并且至少光线的一部分，例如，发射的紫外线强度的至少一半，可以在玻璃导管和围绕它的空气的界面上发生完全的内部反射。根据本发明的其它实施方案，发射的UV强度的至少70％可以在玻璃导管和围绕它的空气的界面上发生完全的内部反射。如图1B中所示，待消毒的液体可以围绕各个光源104流动。在这样的结构中，系统可以包括附加光源，以使得即使当光源104中的一个完全或部分功能失常，也可以使液体的消毒达到要求的级别。例如，当替换或修理不工作的光源时，消毒过程可以持续。

应该注意，其中光源104基本上位于垂直于导管101内的液体流向的位置的本发明的实施方案，在液流横穿那些特定光源时，可以确保各个光源能够基本上照射全部的液流。

现在参照显示示范性消毒系统的图2A和根据本发明的一些实施方案的示范性消毒系统的横截面图图2B。示范性消毒系统200可以包括传输待消毒液体的基本上UV透射的导管201、位于导管201内的基本上垂直于导管201的对称轴209的基本上UV透射的套管202A和202B、各个位于各自的套管202内的一个或多个UV光源204。在该示范性结构中，套管202A和202B彼此相互垂直。

然而，本领域技术人员应该了解，根据本发明的实施方案，UV透射套管202可以以绕导管201的对称纵轴209的任何旋转角度彼此相对放置。根据本发明的其它实施方案，UV透射套管202可以以绕导管201的其它对称轴的任何旋转角放置。虽然显示了对称的圆柱形形状的导管，但是本领域技术人员应该了解，导管可以具有其它形状，不必如同图5A-5C中相关描述的细节那样是对称的。

导管201可以位于保护性金属管203中，在导管201和金属管203之间形成空气间隙208。虽然本发明的范围不受该方面的限制，但是外部管103可以包括由透明材料如玻璃、塑料或任何其它适合的材料制成的透明窗口210以使操作员观察导管201，并且在需要时包括盖子212以覆盖窗口210。虽然在图2A的示范性示意图中显示了单一的透明窗口，但是本领域技术人员应该了解，本发明在这方面不受限制，并且根据本发明的实施方案，管203可以包括多于一个的任何尺寸和/或形状的透明窗口。

现在参照图3，其绘制了根据本发明的一些说明性实施方案的具有四个套管的导管示范性示意图。图3的示范性导管301包括四个UV透射的套管302A-302D，其位于基本上垂直于导管301的对称纵轴309的导管301内。在该示范性结构中，临近的套管对彼此垂直。因此，套管302A和302B彼此垂直；套管302B和302C彼此垂直；并且套管302C和302D彼此垂直。进一步地，交替的套管对彼此平行。因此套管302A和302C彼此平行；并且同样地，套管302B和302D彼此平行。然而，本领域技术人员应该了解，根据本发明的实施方案，UV透射套筒302可以以绕导管301的对称轴309的任何旋转角彼此相对放置。套管可以与导管301熔合以形成单一玻璃结构。

根据本发明的其它实施方案，套管202可以使用壳、接管、连接管或本领域中已知任何适合的装置连接于导管301。例如区域316A-316D中的每一个都可以是用于套管302A-302D中一个的金属壳。金属壳可以在其内表面用反射涂层涂覆，以提高消毒过程的效率。根据本发明的实施方案，反射涂层可以涂有UV透射、抗UV和生物-相容的涂层，例如

涂层。

虽然，套管如现在的举例是圆柱状的，本领域技术人员应该了解本发明的技术方案在这方面不受限制，并且套管可以具有其它适合的形状，例如流体动力学形状，如下图7中详述的。

现在参照图4，其在概念上图解根据本发明的一些实施方案的在其表面部分上具有反射涂层的示范性导管的侧视图。套管402可以位于导管401内，套管402基本上垂直于导管401的对称纵轴409。UV光源404可以位于套管402内。由于套管402和导管401基本上对紫外光是透射的，液体可以作为导波器并且至少光的一部分，例如光线410和411可以在导管401和围绕它的空气的界面408上发生完全的内部反射。

但是，光线例如光线413具有的与导管表面角度超过临界角，因此光线不能经受完全的内部反射(TIR)。这种光线在横穿液体仅仅一次之后就传送到液体外部。导管401可以包含一个或多个镜子或UV反射涂层区域407，以将未被引导的光线，例如光线412反射回液体中。

根据本发明的一些实施方案，导管401的至少部分外表面可以涂有UV反射涂层407以产生背面镜像效应(rear surface mirror effect)，例如，允许来自光源404的更大部分的光照射导管401中流动的液体。涂层407可以将到达套管402相对临近的表面的附加光线反射回液体。反射涂层407可以包含铝沉积、金沉积或多层绝缘材料。可以使用任何其它适合的反射涂层。根据本发明的其它实施方案，导管的全部表面都可以涂有反射涂层以提高背面镜像效应。

虽然本发明的范围不受这方面的限制，导管401的至少一部分，例如围绕光源404的区域414可以来自具有UV反射性质的材料，例如铝或任何其它金属。反射区域414可以将不能经受TIR的非引导的光线例如光线413反射回液体。反射区域414可以包括其内表面上的UV反射涂层或者可以被具有UV反射性质的材料制成的薄片覆盖。UV反射涂层或薄片可以通过使用抗UV、UV透射的涂层例如

涂覆被来防止受水的损害。

现在参照图5A、5B和5C，它们根据本发明的一些说明性实施方案绘制了沿着导管的长度具有变化的直径的导管的示意图。导管的形状可以预先确定以提高消毒过程的效率。根据本发明的实施方案，导管501的内径可以沿着其长度改变，如图5A、5B和5C的说明性示意图中所绘制的。导管的具体形状可以影响液体流的模式(liquid flow pattern)，并且形状可以预先确定以提高消毒系统的总效率。应该理解，导管501可以具有任何其它对称或非对称形状。

现在参照图6A和6B，其根据本发明的一些实施方案绘制了具有形成流动的物体的消毒系统的一部分。消毒系统600A和600B中每一个都可以包括传输待消毒液体的导管601、位于导管601内并基本上垂直于导管601对称纵轴的基本上UV透射的套管602和位于套管602内的UV光源604。导管601可以包括一个或多个连接于导管的物体614。如图6A中的图示，物体614可以附着于位于距导管表面相对距离的凸起部。如图6B中的图示，物体614可以附着于导管的表面或者位于表面相对邻近区域。物体614可以是预先设计的，并且可以位于导管601中的特殊位置以影响液体流动模式。此外或者作为选择，UV透射物体和/或UV散射物体和/或UV反射物体可以附着、连接或加至导管601。形成流动的物体可以影响液体流量(liquidflux)和液体径迹(liquid track)的分布，并且物体形状和位置可以预先确定以提高消毒过程的总效率。光散射物体和/或光反射物体可以影响UV光线强度的空间分布，并且物体的形状和位置可以预先确定以提高消毒过程的总效率。

现在参考图7，其根据本发明的一些说明性实施方案描绘了非圆柱状套管的截面示意图。根据本发明的实施方案，套管702可以具有流体动力学的形状以防止液体停滞区的形成，所述液体停滞区可以在接近于套管702的在面对导管出口的区域以低速度流动。套管702的特殊形状可以设计成能够改善光分布和液体流模式以提高消毒系统的总效率。本领域技术人员应该理解，具有非圆柱状形状的套管702可以位于基本上UV透射的导管内并基本上垂直于液体流方向。或者，非圆柱状套管可以位于非透明的容器例如不锈钢导管或反应器内。

现在参照图8，其为根据本发明的一些说明性实施方案的具有图案化套管的示范性消毒系统的概念示意图。套管802可以位于导管801内部，套管802基本上垂直于导管801的对称纵轴。UV光源804可以位于套管802内部。由于套管802和导管801基本上对UV光线是透射的，因此液体可以作为导波器并且至少光线的一部分可以在导管801和其环境的界面上发生完全内部反射。对另一部分不能经受TIR的光线来说，导管801可以包括一个或多个镜子或UV反射涂层区域807以将射线反射回液体。但是某些射线可以避开了TIR和UV反射区域二者。

根据本发明的实施方案，套管802可以包括一个或多个物体805，其位于特殊位置并且加工成型以便影响导管801内部的光分布。物体805可以是任何适合材料制成的UV散射或UV反射物体。例如，将光线820指向未涂有反射涂层的区域821。因此，在非图案化的套管中这种光线在通过区域821离开导管之前将会在短距离穿过液体。通过使用套管802代替，光线820可以击中物体805，改变其方向(箭头822)，并且到达反射区域807而被反射回液体。

虽然，图案化套管被描述为位于基本上UV透射导管内部并基本上垂直于液体流方向，但是本领域技术人员应该理解，本发明的实施方案在这方面不受限制，并且本发明的实施方案同样适用于在任何容器或导管内部相对于液体流的任何位置使用这种图案化套管，所述容器或导管包括非透明容器例如不锈钢导管或反应器。

现在参照图9，其为根据本发明的一些说明性实施方案的具有非圆柱状光源的示范性消毒系统的概念示意图。套管902可以位于导管901内部，使得套管902基本上垂直于导管901的对称纵轴。UV光源904可以位于套管902内部。由于套管902和导管901二者基本上对紫外线透射，因此液体可以作为导波器，并且至少一部分光线可以在导管901及其环境的界面上发生完全的内部反射。对另一部分不能经受TIR的光线来说，导管901可以包括一个或多个镜子或UV反射涂层区域907以将光线反射回液体。光源904可以具有非圆柱几何形状；例如，其横截面可以是椭圆形或任何其它要求的形状以产生受控制的光分布。例如，灯的形状可以旨在产生非圆形光分布，以致于与向导管901表面的光线相比，更多的光线将会朝向液体流的方向。光源904的特殊形状可以根据系统的几何结构和消毒过程的特殊特征来设计，以此提高消毒系统的总效率。

虽然，非圆柱状的光源被描述为位于基本上UV透射导管内并基本上垂直于液体流方向，但是本领域技术人员应该理解，本发明的实施方案在这方面不受限制，并且本发明的实施方案同样适用于在任何容器或导管内部相对于液体流的任何位置使用这种光源，所述容器或导管包括非透明容器例如不锈钢导管或反应器。

现在参照图10，其根据本发明的实施方案绘制了2-管消毒系统的示范性示意图。消毒系统140可以包括输送待消毒的液体的导管141。导管141可以包括超过一个支管，例如两个支管，143A和143B来增加液体流。具有超过一个支管可以能够较好的控制导管141中的内部压力。导管141可以具有入口146来从外部液体管接收待消毒的液体，和出口148来通过外部排放管排出液体。

系统140可以包括一个或多个位于支管(branch)143A内部并基本上垂直于支管143A的对称纵轴149A的基本上UV透射的套管142A，和各个位于各自的套管142A中的一个或多个UV光源144A。系统140可以进一步包括一个或多个位于支管143B内部并基本上垂直于支管143B的对称纵轴149B的基本上UV透射的套管142B，和各个位于各自的套管142B中的一个或多个UV光源144B。

本领域技术人员应该理解，虽然描述了2-支管的导管，但是本发明的实施方案不受这方面的限制，并且根据本发明其它实施方案的消毒系统可以包括超过2个支管用于液体流。

图11A-11C显示了根据本发明实施方案的消毒系统的模块特性。根据本发明的一些实施方案，消毒系统的液体流部分可以根据两种类型的模块构建块导管部件151和套管部件152来构造。套管部件152可以包括具有位于套管部件152内的UV透射套管154的环153。内径或环153大于套管154的外径。部件152可以还包括位于套管154内的UV光源。部件152的两端可以包括连接一个或多个导管151的接管、连接管或螺旋机构。导管部件151可以基本上由UV透射材料例如上面详细描述的石英制成。导管151的外径基本上与环153的外径相似。导管151的两端可以包括与一个或多个部件152连接的接管、连接管或者螺旋机构。在导管151和套管参数152之间的连接可以是不透水的连接。

虽然本发明在这方面不受限制，但如上所述至少一个套管部件152和两个导管部件151可以制成导管组传输如上所述的待消毒的液体。导管组可以包含n个导管部件152和n+1个导管部件151。例如，如图11B中所示，导管150可以包含一个套管部件152和两个导管部件151。另一个实施例，在图11C中展示，导管160可以包含两个套管部件152和三个导管部件151。

虽然在图11A-11C的示范性示意图中显示了导管150和160，但是本领域技术人员应该理解，本发明不受这方面的限制，并且根据本发明的实施方案，任何n+1导管部件151和n套管部件152的组合都可以连接起来形成导管组。

虽然本发明的实施方案在这方面不受限制，但是应该理解和模仿的是，根据本发明的实施方案的预先设计的结构提高了UV杀毒的效率并提高杀死概率，亦即使存在于导管101中的液体流中的存在物失去活性的概率。

计算机模拟

下面是根据本发明的一些说明性实施方案的关于照射通量分布(illumination flux distribution)的实例。应该注意到，用于这些实例中的照射通量分布并未旨在将本发明的范围限定到任何特定的结构和/或照射通量分布。

图12A-12C图解了在液体消毒过程中，示范性导管内部光通量分布的计算机模拟。模拟系统是根据本发明实施方案的示范性系统。该系统包括石英套管内部的一个UV光源，所述套管位于石英导管中间，并使得套管垂直于定义为Z方向的导管的对称纵轴。套管的纵轴定义为X方向。对50m³/h的液体流进行计算。导管的长度采用80mm，导管的内径为75mm，保护UV光源的套管的外径为44mm，并且压力下降为ΔP(在50m³/h下)＝0.27[bar]。用于计算机模拟的液体为UVT(紫外线透射)98％的清澈的水。

图12A为部分导管在Y-Z平面的横截面，图解了在光源和导管出口端之间的光通量分布。图12B是同样部分的导管在X-Z平面的横截面，图解了在光源和导管出口端之间的光通量分布。图12C是完整的导管在Y-Z平面的横截面，图解了在导管入口端和出口端之间的光通量分布。如同可以看见的那样，光线以相当大的强度到达管的完整长度凹槽。图12D显示的图说明了在石英导管内部计算过的归一化的UV剂量分布。归一化的剂量分布函数接近为高斯函数。

作为比较数据，图13A和13B图解了常规不锈钢容器内部的光通量的计算机模拟，所述容器在液体消毒过程期间具有20％的反射。用于比较模拟的所有其它参数与图12A-12C的模拟类似。如同可以看见的那样，在50mm之后光强度几乎为零的是Z方向。图13C显示的图说明了在常规不锈钢导管内部的UV剂量分布。正如所料，在具有{48[mJ/cm²]}的数值的不锈钢导管内的平均剂量远小于具有{228[mJ/cm²]}的数值的石英导管的平均剂量。常规不锈钢导管的剂量分布比石英导管的剂量分布宽。

虽然本发明的某些特征已经在这里图解和描述，但是对本领域技术人员来说可以想到许多修改、置换、变化和等效产品。因此应该理解，附加权利要求旨在包括属于本发明的真实精神的所有这类改动和变化。

Claims (7)

1.通过紫外光(UV)进行液体消毒的装置，该装置包括：

用于传输待消毒的流动液体的导管、接收所述液体的入口和排放所述液体的出口，其中，所述导管具有UV透射壁，所述UV透射壁的外表面用UV反射涂层涂覆；和

用UV光来照射所述液体的一个或多个UV源，所述一个或多个UV源沿所述导管的对称纵轴和沿流体流向位于所述导管内，并且所述一个或多个UV源中的每个UV源均位于基本上垂直于所述导管的对称纵轴和所述液体流向的位置。

2.权利要求1的装置，其中所述UV反射涂层产生背面镜像效应，使得从所述一个或多个UV源中的一个UV源发出的光到达所述壁的内表面，穿过所述壁并反射回所述液体。

3.权利要求1的装置，其中所述UV反射涂层包含铝。

4.权利要求1的装置，其中所述UV反射涂层包含金。

5.权利要求1的装置，其中所述UV反射涂层包含多层绝缘材料。

6.权利要求1的装置，其中所述UV反射涂层包含石英。

7.通过紫外光(UV)进行液体消毒的方法，其包括：

将待消毒的流动流体引入导管，所述导管具有UV-透射壁，其中所述UV-透射壁的外表面使用UV反射涂层涂覆；和

用从一个或多个UV源发出的UV光来照射所述流动液体，其中所述一个或多个UV源沿所述导管的对称纵轴和沿流体流向位于所述导管内，并且所述一个或多个UV源中的每个UV源均位于基本上垂直于所述导管的对称纵轴和所述液体流向的位置。

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