CN103025665B - 通过将流体暴露于紫外线来使流体受到消毒处理的设备 - Google Patents
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Abstract
一种用于通过将流体暴露于紫外线来使流体受到消毒处理的设备包括反应器(10)，反应器(10)具有内空间(11)，用于使流体进入内空间(11)的入口(12)以及用于使流体从该内空间(11)流出的出口，其中在内空间(11)中配置用于发射紫外光的装置(20)。该光线发射装置(20)包括单个电极，其中，环绕内空间(11)的壁(14)被适配为作为电极并且包括导电材料，并且其中，该设备还包括也包括导电材料并且被配置为局部地增强该反应器壁(14)与该光线发射装置(20)之间的空间中的导电性的装置(30)。通过应用这些装置(30)，可以改善紫外光的消毒效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于通过将流体暴露于紫外线来使流体受到消毒处理的设备，所述设备包括反应器，反应器具有内空间，用于使流体进入内空间的入口以及用于使流体从该内空间流出的出口，其中在内空间中配置用于发射紫外光的装置，其中，该光线发射装置包括单个电极，并且其中，环绕内空间的壁被适配为作为电极并且包括导电材料。
背景技术
用于通过将流体暴露于紫外线(UV)来使流体受到消毒处理的设备是公知的。例如，对于饮用水的微生物消毒，已知使用用于发射具有波长量级为100到280nm的相对短的波长的紫外光的所谓的UV-C辐射的源/灯。对于家庭应用，UV-C源通常被封装在不透明外罩中，允许流体暴露于UV-C辐射同时防止该辐射对于环境的有害影响。为了充分的杀菌动作，需要特定剂量的紫外线辐射，其中，通过该源的辐照度乘以外罩内部的流体处理区域中的微生物/病菌的停留时间来确定该剂量。由源的类型和该流体的特性特别是流体传输紫外光的能力来确定该源的辐照度，而由经过该流体处理区域的流通路径的长度确定该停留时间。
在许多情况中，使用低压水银灯作为紫外线源。灯的备选的类型是被设计为根据所谓的介质阻挡放电原理来起作用的灯，其被称为DBD灯。该灯的优点包括该灯的即时使用即不需要预热、该灯的操作的降低的温度依赖性、增加的UV-C输出(可以基于此来最小化)以及无水银或其他有害材料的应用。
DBD灯可以仅装配有一个电极，在该情况中，仅当该灯与导电流体或材料接触时才可以点燃该灯。当在用于使流体受到消毒处理的设备中应用该灯时，使流体围绕该灯并且是该设备中从该灯内部的电极到另一个电极的电气路径的一部分，其中由环绕这样一种空间的壁构成该另一个电极，其中该灯和该流体出现在该空间中。在该情况中，该流体是液体如水，可以由例如金属片制造该壁。如果该流体是气体如空气，则该壁可以是线框，并且可以由例如铁丝网制造。在后一种情况中，鉴于当例如涉及导电时空气比水具有更差的质量的事实，该壁位于该灯的外泡体附近或者与之接触是重要的。在实践中，当使用线框时，该框被放置在该灯的外表面(泡体)周围。
当应用紫外线灯来消毒流体时，必须谨记灯的辐照度随着到该灯的径向距离的增加而降低。特别是如果要处理的流体具有低的透射性，则该紫外光进入该流体的渗透深度受到限制。例如，如果要处理的流体是饮用水，则渗透深度通常是几厘米，并且如果要处理的流体是果汁或其他高度吸收的液体，渗透深度可能小于一毫米。紫外光的强度随着距离的降低限制具有紫外线灯的设备中的通过量，或者需要配置该灯的空间的最小体积，或者需要强的混合和扰动，增加该空间上的压力损失。
可以通过增大紫外线辐照度来实现灯的消毒能力的增加或组装体积的减小。这可以通过例如增加到灯的功率输入来实现。但是，该技术方案具有一些缺点，包括灯的寿命降低。
WO2009006702A1公开了一种用于发生化学反应Ⅲ的方法和装置，WO2010079401A1公开了一种光反应器和用于光反应器的驱动电路，且EP2284127A公开了一种包括用于发射UV光的源的设备。然而，这些文献没有局部提高导电性。
发明内容
本发明的一个目标在于提供用于补偿紫外线强度随着距离而减小的另一个选项，其产生有用的结果，并且其可以实现在包括光线发射装置、反应器以及导电反应器壁的设备中，其中该反应器具有用于容纳该光线发射装置并且用于将一些流体暴露于该光线发射装置的内部空间。借助进一步包括这样一种装置的设备来实现本发明的该目标，其中该装置也包括导电材料并且被配置为用于局部地增强在该反应器壁与该光线发射装置之间的空间中的导电性。
当应用本发明时，可以在需要的位置处，即通过提供包括导电材料并且被配置为用于局部地增强在该反应器壁与该光线发射装置之间的空间中的导电性的装置来补偿紫外线强度随着距离的减小。在该情况中，该光线发射装置包括DBD灯，并且要处理的流体具有差的导电性，在该灯的末端处该紫外线强度有可能极大地降低。根据本发明，可以通过使用用于局部地增强该灯的末端处的导电性的装置来解决该问题，因而，在那些位置处可以降低电阻。结果，在那些位置处可以增加紫外线强度，并且可以获得该灯的更加均匀分布的紫外线输出，因而可以增大该反应器的该入口和该出口处的消毒容量。在本发明的环境中执行的实验已经显示当要处理的流体的导电性低时特别是当该流体的时间常数大于电极之间的电压脉冲的上升时间时，尤其获得上述增加效果。
可以用无需涉及昂贵的组件的应用的各种方式实现用于局部地增强在该反应器壁与该光线发射装置之间的空间中的导电性的装置。相反，该装置可以包括从该反应器壁朝向该光线发射装置延伸的至少一个细长元件，其中该元件可以例如简单地是金属棒或线。通常，该元件可以是棒形元件或者线形元件，并且可以被配置为例如在该反应器壁与该光线发射装置的外壳之间延伸，但是不需要该元件与该光线发射装置之间的物理接触。
根据另一个选项，用于局部地增强在该反应器壁与该光线发射装置之间的空间中的导电性的该装置可以包括具有孔洞的至少一个盘。该实施方式的优点在于该装置可以具有用于拉直经过该反应器的流体的流动的附加功能，这导致紫外线辐射的剂量的增强。在实际实施方式中，该盘可以具有闭合的中心部分即中心部分没有孔洞，因而该盘适合于被用在这样一种紫外线灯的末端并且通过覆盖该灯的末端执行屏蔽功能，其中该紫外线灯在反应器中具有中心位置，该反应器还具有中心定位入口。
通常，如果用于局部地增强在该反应器壁与该光线发射装置之间的空间中的导电性的装置被设计为不干扰经过该反应器的流体的流动，或者甚至具有流形成功能，则是有利的。此外，对于该装置而言，重要的是在需要紫外线输出的位置处不阻断光线发射装置的紫外线输出，以保证根据规格的最小紫外线剂量性能。
用于局部地增强在该反应器壁与该光线发射装置之间的空间中的导电性的该装置有利地进一步被适配为反射紫外光。例如，该装置可以包括反射材料或者可以被反射层覆盖。基于反射，可以增加紫外光辐射的强度，因为反射材料确保迫使大部分紫外光在到达出现那些材料的表面之后往回朝向要处理的流体。
对于用于局部地增强在该反应器壁与该光线发射装置之间的空间中的导电性的该装置而言，被进一步适配为屏蔽该设备的一部分也是有利的，其中在该部分中在操作期间远离由该光线发射装置发射的紫外线辐射放置该装置。例如，如上所述，当用于局部地增强在该反应器壁与该光线发射装置之间的空间中的导电性的该装置包括具有被配置在闭合中心部分的外部的孔的至少一个盘时，这是有可能的。通常，当该装置被设计为执行各种功能时，该装置所位于的设备可以具有部件数量最小的紧凑的设计。
总之，本发明在用于使流体受到消毒处理的设备的反应器中的任意希望位置处提供紫外线强度的增加。为此目的，该设备装配有具有导电属性的装置，该装置被配置在该反应器内部以便局部地增强在该反应器壁与该光线发射装置之间的空间中的导电性。该装置可以包括例如至少一个细长元件或具有孔洞的盘。在后一种情况中，该装置还可以用于在经过该反应器的流体的流上执行拉直功能。该装置可以具有其他附加功能即反射紫外线辐射的功能和/或屏蔽来自紫外线辐射的一部分的功能。
参考包括反应器和紫外线灯的水消毒设备的以下详细描述，具体而言参考与该设备一起使用并且具有用于局部地增强在该灯与用作该设备的两个电极中的一个电极的反应器的壁之间的空间中的导电性的功能的元件或盘的各种实施方式的详细描述，本发明的上述以及其他方案将变得显而易见并且得以阐述。
附图说明
现在将参考附图更详细地描述本发明，其中由相同的附图标记表示相同的或类似的部分，并且其中：
图1示意性地显示包括反应器和紫外线灯的水消毒设备；
图2示意性地显示水消毒设备的灯的末端部分、反应器的末端部分以及多功能元件，其中该多功能元件用于形成经过该反应器的水的流并且用于反射紫外光并且用于局部地增强在该反应器的壁与该灯之间的空间中的导电性并且该多功能元件被配置在该灯的末端上；
图3示意性地显示多功能元件的第一实施方式；
图4示意性地显示多功能元件的第二实施方式；
图5示意性地显示多功能元件的第三实施方式；
图6示意性地显示水消毒设备的灯的末端部分、反应器的末端部分以用于局部地增强在该反应器的壁与该灯之间的空间中的导电性的元件并且该元件被配置在该灯的末端附近。
具体实施方式
图1显示了被设计为用于消毒水的设备1。为了完整起见，注意到将该设备1描述为在本发明的范围中可行的多个设备的一个实例，包括空气净化设备和用于消毒除了水之外的液体的设备。
水消毒设备1包括反应器10即具有内空间11的容器，其中在内空间11中在设备1的操作期间发生水消毒过程。反应器10具有用于让要处理的水进入的入口12和用于出水的出口13。此外，水消毒设备1包括用于发射紫外光的灯20，该灯被配置在反应器10内部。在所示示例中，灯20具有细长的形状，并且具有在反应器10中的中心位置，这是最实际的位置，因为这允许灯20的整个表面的有效使用。
灯20可以被设计为根据所谓介质阻挡放电原理来运行，在该情况中该灯被称为DBD灯。该灯20具有一个电极21，并且反应器10的壁14包括导电材料如金属以便构成另一个电极，其中反应器壁14被接地。当用水填充反应器10时，水是电气路径的一部分，从灯20内部的电极21向外部电极即导电反应器壁14引导电流。因此仅当有水围绕灯时才可以点燃该灯20。在图1中，将到灯20内部的电极21的电源示意性地显示为方框，并且由附图标记22指示。
当操作水消毒设备1时，使水流经反应器10，从入口12流到出口13，并且操作灯20以发射紫外光。在该紫外光的影响下，水的消毒过程按照已知的方式发生。为了按照达到规定的剂量的紫外光的方式实现水消毒过程，采取措施来改善紫外线辐射的强度，该强度通常随着距灯20的距离而减小。
具体而言，水消毒设备1装配有用于局部增加紫外线强度的反射器元件30。例如在设备1中可能存在两个反射器元件30，其中每个反射器元件30被配置在灯20的另一个末端处。在图2中示出了一个该反射器元件30。为了保证最佳性能，优选反射器元件30不干扰经过灯20的水流的场。因此，如果反射器元件30是不干扰流的元件或者甚至是流形成元件则是有利的。反射器元件30还应该被配置为在需要紫外线输出的位置处避免阻断光线发射装置20的紫外线输出，以保证根据规定的最小紫外线剂量性能。
基于紫外光的一部分被送回即在反射器元件30的反射表面处被反射的事实，反射器元件30能够局部地增加紫外线强度。当使用不反射材料时，到达该不反射材料的全部紫外光被所述材料吸收。另一方面，反射材料确保迫使到达该反射表面的紫外光的相当大的一部分再次朝向水折回。此外，如前所示，反射器元件30可以具有用于形成水流的附加功能。就这点而言，图3、4和5说明适用于形成反射功能和流拉直功能的反射器元件30的各种实施方式。
在全部所示实施方式中，元件30的中心部分31是闭合的，而元件30在该部分31的外部具有孔洞32。基于该孔洞32的出现，能够在元件30中具有足够的开口空间，以便允许水经过。在如图3中所示的第一实施方式中，元件30具有在中心部分31与圆环34之间延伸的4个轮辐33。因此，在元件30中存在四个相对大的孔洞32。在如图4中所示的第二实施方式和如图5中所示的第三实施方式中，存在更多孔洞32，其中，在第三实施方式中，孔洞32的数量最大并且孔洞32的直径最小。
当元件30被配置在反应器10的入口面上时，闭合的中心部分31具有降低来自入口12的水的喷射的功能，而孔洞32扮演形成水流的角色。如果在反应器10的出口侧上使用类似的元件30，其中元件30可以具有用于允许元件30被放置在灯20的末端部分上的中心孔洞，则是有利的。当使用该元件30时，元件30作为分隔物盘，该分隔物盘具有避免水找到去向出口13的最快路径的角色。如果不存在元件30，并且如同图1中所示的实例中的情况那样出口13将在反应器壁14中具有非中心位置，则将造成偏斜的速度分布。因此，基于该分隔物盘的存在，能够实现水的流分布的优化和紫外线强度的增加，其中，后者是该盘的反射特性的结果。
为了完整起见，注意到如前所述的反射器元件30的位置仅仅是可能的位置的实例，并且在本发明的范围中其他位置也是可能的。
根据本发明，除了用于反射由灯20发射的紫外光并且拉直水流的功能之外，反射器元件30具有另一个功能即用于局部地降低灯20与接地的反应器壁14之间的电阻的功能。具有该三个功能的反射器元件30包括具有导电特性的材料。当围绕灯20的水的导电性低并且结果在灯20的末端处的紫外线强度低于在灯20的中心的紫外线强度时，典型地涉及到所述用于局部地降低电阻的功能。当反射器元件30具有导电特性并且被配置在灯20的末端处时，得以实现增加在灯20的末端处的紫外线强度并且更均匀地分布沿灯20的长度的紫外线输出。这导致在反应器10的入口12和出口13处的消毒能力的增加。
不需要元件30与灯20之间的物理接触。导电材料靠近灯20的表面的放置已经局部地增加紫外线强度。因此，能够使元件30与灯20的表面相距一定距离。可以以这样一种方式放置它们，其中在该方式中将紫外线辐射被阻挡的程度最小化，或者在反应器10内部的特定位置中完全不存在阻挡，因而元件30的反射功能可以最佳。在水的处理具有低的导电性的情况中，基于元件30的反射特性和导电特性局部地增加紫外线强度。
当将元件30形成为例如盘子时并且当将元件30放置在灯20的末端处时，在反应器10的入口12和出口13附近可能存在与元件30相关的第四个功能即用于将水消毒设备1的一部分与紫外线辐射屏蔽的功能。设备1可以例如包括端盖，其中入口12和出口13被配置在该端盖中，并且当确保由灯20发射的紫外线辐射不能到达该端盖时，可以由相对便宜并且易于成形的材料制造它们。
适用于元件30的材料包括例如铝、(不锈)钢等金属，其中这些金属可以被电抛光。只要考虑紫外线辐射的反射，可以可选择地使用膨体聚四氟乙烯(ePTFE)或高带隙陶瓷如Al2O3来实现它。该材料具有漫反射，而金属具有直接反射。可以使用两种类型的反射材料以及在相关波长范围内具有低吸收的不透明材料。
在本发明的范围中，对于一个元件30而言没有必要组合用于流形成、反射紫外光并且局部地降低电阻的各种功能。在单个元件30中还有可能具有这些功能中的一个或两个。
图6显示了被适配为避免干扰水流并且改善导电性的元件35的一个实例。元件35可以是从反应器壁14延伸并且还有可能接触灯20的表面的金属线或者棒。该线或者棒能够局部地改善导电性，因而局部地改善紫外线强度，同时由于线或者棒具有小的表面面积的事实，生成最小的屏蔽效应和最小的流干扰效应。图6示出了在反应器10中能够应用相似等级上的多个线或者棒的事实，其中该线或者棒可以沿灯20的圆周均匀地分布。例如，在一个等级上的该线或者棒的数量可以是二、三或四。
对于本领域的熟练技术人员而言，显然本发明的范围不限于前文中讨论的实例，而是在不脱离如所附权利要求中所定义的本发明的范围的前提下，他们的多个修改和改进是可行的。虽然在附图和说明书中说明并且详细描述了本发明，但是该说明和描述仅应该被认为是说明性或示例性的而不是限制性的。本发明不限于所公开的实施方式。
通过附图、说明书和所附权利要求的学习，在实施所要求的发明时，本领域的熟练技术人员可以理解并且实现所公开的实施方式的变形。在权利要求中词语“包括”不排除其他步骤或元素并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中所述的特定的措施的单纯的事实并不表示不可以有利地使用这些措施的组合。不应该将权利要求中的任意附图标记解释为限制本发明的范围。
注意到在本文的环境中，术语“紫外光”和“紫外线辐射”用于指示一个且相同的现象即具有在紫外线范围内的波长的光波。此外，术语“流体”意味着包括液体和气体。
本发明适用于与任意类型的DBD灯20并且与该灯20的任意应用一起应用。用于局部地增强导电性并且还可以用于反射紫外光并且用于屏蔽紫外光的一部分并且/或者用于拉直流体的流的元件30的使用在将要借助灯20来消毒高紫外线吸收材料的情况中是特别有利的。因此本发明非常适用于应用在灰水或废水消毒的领域。其他应用领域是空气净化和有可能在水龙头系统中的便携式水的处理，其中将紫外线处理设备直接安装水龙头上或者甚至在去往水龙头的管道内部。
可以将本发明概述如下。一种用于通过将流体暴露于紫外线来使流体受到消毒处理的设备1包括反应器10，反应器10具有内空间11，用于使流体进入内空间11的入口12以及用于使流体从该内空间11流出的出口13，其中在内空间11中配置用于发射紫外光的装置20。该光线发射装置20包括单个电极21，其中，环绕内空间11的壁14被适配为作为电极并且包括导电材料，并且其中，该设备还包括也包括导电材料并且被配置为局部地增强该反应器壁14与该光线发射装置20之间的空间的导电性的装置30、35。通过应用这些装置30、35，可以改善紫外光的消毒效果。
Claims (12)
1.一种用于通过将流体暴露于紫外线来使流体受到消毒处理的设备(1)，所述设备包括反应器(10)，反应器(10)具有内空间(11)，用于使流体进入所述内空间(11)的入口(12)以及用于使流体从所述内空间(11)流出的出口(13)，其中在所述内空间(11)中配置用于发射紫外线的装置，其中，所述用于发射紫外线的装置包括单个电极(21)，其中，环绕所述内空间(11)的反应器壁(14)被适配为作为电极并且包括导电材料，并且其中，所述设备(1)还包括用于局部地增强所述反应器壁(14)与所述用于发射紫外线的装置之间的空间中的导电性的装置，所述用于局部地增强所述反应器壁(14)与所述用于发射紫外线的装置之间的空间中的导电性的装置也包括导电材料，其中，所述用于局部地增强所述反应器壁(14)与所述用于发射紫外线的装置之间的空间中的导电性的装置包括从所述反应器壁(14)朝向所述用于发射紫外线的装置延伸的至少一个细长元件(35)。
2.如权利要求1所述的设备(1)，其中，所述细长元件(35)在所述反应器壁(14)与所述用于发射紫外线的装置的外壳之间延伸。
3.如权利要求1所述的设备(1)，其中，所述细长元件(35)是棒形元件。
4.如权利要求1所述的设备(1)，其中，所述细长元件(35)是线形元件。
5.如权利要求1所述的设备(1)，其中，所述用于局部地增强所述反应器壁(14)与所述用于发射紫外线的装置之间的空间中的导电性的装置进一步被适配为形成流体的流。
6.如权利要求5所述的设备(1)，其中，所述用于局部地增强所述反应器壁(14)与所述用于发射紫外线的装置之间的空间中的导电性的装置进一步被适配为反射紫外线。
7.如权利要求5所述的设备(1)，其中，所述用于局部地增强所述反应器壁(14)与所述用于发射紫外线的装置之间的空间中的导电性的装置进一步被适配为在操作期间将所述设备(1)的一部分与由所述用于发射紫外线的装置发射的紫外线辐射屏蔽。
8.如权利要求5所述的设备(1)，其中，所述用于局部地增强所述反应器壁(14)与所述用于发射紫外线的装置之间的空间中的导电性的装置包括至少一个具有孔洞(32)的盘(30)。
9.如权利要求8所述的设备(1)，其中，所述盘(30)的中心部分(31)没有孔洞(32)。
10.如权利要求8所述的设备(1)，其中，所述用于发射紫外线的装置包括细长的灯，并且其中，所述盘(30)被配置在所述灯的末端处。
11.如权利要求1所述的设备(1)，其中，所述用于局部地增强所述反应器壁(14)与所述用于发射紫外线的装置之间的空间中的导电性的装置进一步被适配为反射紫外线。
12.如权利要求1所述的设备(1)，其中，所述用于局部地增强所述反应器壁(14)与所述用于发射紫外线的装置之间的空间中的导电性的装置进一步被适配为在操作期间将所述设备(1)的一部分与由所述用于发射紫外线的装置发射的紫外线辐射屏蔽。
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