CN1519207A - 具有改进杀菌效果的紫外线及臭氧的杀菌装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种具有改进杀菌效果的紫外线及臭氧的杀菌装置；包含一杀菌筒；一能产生紫外线的水银紫外线灯管；一套于该水银紫外线灯管的外围，而其间的空气经紫外线照射后能产生臭氧的石英管；一插入于该水银紫外线灯管与该石英管之间的臭氧输气管；一以螺旋方式环绕于该石英管的四周，能将包含臭氧的水加以均匀混合以达到充分的臭氧杀菌效果的螺旋状输水管；以及一套筒，套于环绕有该螺旋状输水管的外围，能使由该螺旋状输水管流出的水充分曝露于辐射自水银紫外线灯管的紫外线光，达到充分的紫外线杀菌效果，并降低上述经臭氧杀菌后的水内有碍人体健康的过量臭氧，最后经杀菌筒的出水口流出以供饮用。

Description

具有改进杀菌效果的紫外线及臭氧的杀菌装置

技术领域

本发明是一种具有改进杀菌效果的紫外线及臭氧的杀菌装置，特别是指一种具有双螺旋水流行程而能使臭氧与水充分混合溶解并使水充分照射到紫外线以达成改进杀菌效果的紫外线及臭氧的杀菌装置。

背景技术

传统上普遍使用的水处理装置中，基本上是利用一水银紫外线灯管使其曝露于受污染的水中，或使一空气流(air stream)曝露于水银紫外线灯管的辐射中而使空气中的氧气产生臭氧，再使这些臭氧化的空气(ozonated air)与欲加以洁净的受污染水进行相互混合溶解。

臭氧的产生方式主要有高压放电与水银紫外线灯管照射两种方式。在紫外灯管照射产生方面，一般水银紫外线灯管所产生的紫外线均含有254奈米(nano meter，nm)和185奈米两种波长。波长在185奈米附近的紫外线是产生臭氧的主要波段，可以利用这种原理来产生臭氧以用来在水中杀菌。

紫外线和臭氧是两种很常见的杀菌机制。波长在254nm(奈米)附近的紫外线一旦与微生物接触后，紫外线很容易被微生物内的蛋白质、DNA及RNA吸收。蛋白质等物质吸收该紫外线达一定强度(剂量)后，会造成细胞膜破裂，进而导致细胞死亡。此外，就算所照射紫外线的剂量没有高到让细胞立即死亡，但即使较低剂量的照射亦足以导致微生物丧失滋生的能力而不至于使人生病。

臭氧方面，基本上臭氧本身是一种很强的氧化剂，臭氧一旦与微生物接触后，其杀菌的机制包含：1.直接破坏细胞壁，造成细胞的组成外流而使细胞死亡；2.臭氧分解后所产生的自由基副产物也会与细胞作用而导致细胞死亡；3.破坏核酸(nucleic acid)的组成结构；4.打断键结，导致聚合体分离。

紫外线和臭氧本身皆具有杀菌能力，然而在使用上，特别是应用在饮用水杀菌方面却是各有利弊，而设备的考虑更是决定实际效果好坏的依据。藉由以短波(波长185nm附近)紫外线照射所产生的臭氧与水搅拌混合和应用汞灯来产生波长为254nm的紫外线来对水照射以直接杀菌，亦即所谓的双模式(dual mode)，具强化杀菌能力。

在设计上，一般是将紫外线灯管所产生的臭氧不断抽出，并注入待处理的水中，使臭氧进行初步的杀菌而与臭氧混合过的含臭氧水，亦即被导入原产生臭氧的紫外灯管外壁，进而使含臭氧水以波长为254nm的紫外线杀菌，以强化杀菌效果，同时还原部份臭氧，使最后流出的水不但被彻底杀菌，并去除有碍人体健康的过量残存臭氧。

在先前技术中，相关的专利虽解决了臭氧的生成与注入水中，以及合并紫外线杀菌等系统设计问题，然而这些专利却缺乏有效延长紫外线照射时间以及延长臭氧的作用时间，并加强臭氧与水充分混合溶解的基本杀菌要求。

紫外线与臭氧的杀菌效果主要是有赖剂量的高低与接触时间的长短。紫外线杀菌方面通常会考虑到所谓的紫外线剂量(UV dose)问题。紫外线剂量是指紫外线照射率(fluence rate)乘上照射时间(irradiation time)。紫外线要达到一定的杀菌能力必须是要有足够的杀菌强度与尽量长的照射反应时间。一般杀菌用的市售紫外灯管在强度方面其在使用之初皆可达到要求，以透过石英管来对水照射来达到杀菌效果。此时的紫外灯管不管是24小时开灯或是藉由开关来控制灯管开或关，其有效接触时间仍取决于反应腔体的长度，一般市售产品的接触长度在30cm左右。

虽然有些先前技术描述利用水流回冲的自然螺旋效应来加长照射时间，其延长效果亦仅在1.5倍以内，相当于40cm左右的接触长度。

臭氧杀菌与紫外线杀菌相同，其杀菌效果一般采用所谓的CT值来评估。所谓的CT值则是指浓度C值与接触时间T值的乘积。同样的，要使臭氧产生一定的杀菌效果一定要使臭氧有充分的与水接触时间与相互混合溶解时间。

一般藉由紫外线灯管所制造出的臭氧，浓度相较于所谓的电晕放电(Corona discharge)，其浓度并不高，约少于20倍。有鉴于此，增加接触时间将是唯一的改进方式。本发明藉由巧妙的设计，使臭氧与水混合后，得以顺着管子螺旋而下，其行程距离约超过120cm，比起先前技术的时间延长约3至4倍。且流出后的含臭氧水透过螺旋管的螺距(pitch)及其与套筒间的容置空间逆向往上回流至出口(双螺旋水流行程)，一路上再被紫外线充分照射杀菌。

总而言之，本发明应用双模式杀菌过程及设计双螺旋水流行程，可以有效延长臭氧与紫外线的杀菌时间，以达到先前技术所无法达到的杀菌效果。

在水处理方面，相关的专利如图1所示的美国专利5266215，Engelhard的「净水单元」(Water purification unit)和美国专利5540848，Engelhard的「用于净水单元的滤材保存器」(Filter retainer for waterpurification unit)，将欲洁净的水以造成漩涡402的方式绕着紫外线的辐射源401，以去除水中的细菌及对人体健康有害的微生物。

又如图2所示的美国专利6245229B1，Kool et al.的「使用点水处理系统」(point-of-use water treatment system)，其亦是将欲洁净的水以造成漩涡412的方式绕着紫外线的辐射源(图中未显示)，以去除水中和细菌及对人体健康有害的微生物。但这些专利皆为简单的螺旋水柱设计，其曝露于紫外线的辐射时间十分有限。

又，如图3所示的美国专利4273660，Beitzel的「使用臭氧和紫外线的水的洁净处理」(purification of water through the use of ozoneand ultraviolet light)，将传统上欲加以处理的水432直接浸泡在紫外线灯管431的周围，并无任何螺旋设计，故其杀菌效果亦十分有限。

另外，如图4所示的美国专利5707594，Austin的「病原菌控制系统」(Pathogen control system)，其用来输送水以环绕紫外线灯管421周围的铁弗龙(teflon)制螺旋式输水管424本身会使紫外线的辐射强度衰减而无法达到彻底杀菌的目标，且铁弗龙制的螺旋式输水管424太长，造价昂贵，不符成本需求。

为此，如何延长水处理中的水流行程，以使注入于水中的臭氧与水充分混合溶解俾提升臭氧的杀菌效果，并使水充分照射到紫外线以提升紫外线的杀菌效果，就成为本发明努力追求改进的目标。

发明内容

针对以上常见技术的缺点，本发明提出进行接触反应时间的延长与改进，以达到充分杀菌的效果，本发明的目的在提供一种应用双模式杀菌装置，并设计出一特殊的双螺旋水流行程，其水流流程总长度可高达120cm以上，相当于4倍的照射时间，大大改善了杀菌的效果。

为达到上述目的，本发明提供一种具有改进杀菌效果的紫外线及臭氧的杀菌装置包含一做为其外壳并含一进水口和一出水口的杀菌筒；一能产生紫外线的水银紫外线灯管；一套于该水银紫外线灯管的外围，其间的空气经波长为185nm左右的紫外线照射后能产生臭氧的石英管；一插入于该水银紫外线灯管与该石英管之间的臭氧输气管；一以螺旋方式环绕于该石英管的四周，能将包含臭氧的水加以均匀混合以达到充分的臭氧杀菌效果的螺旋状输水管；以及一套筒，套于环绕有该螺旋状输水管的外围，能使由该螺旋状输水管流出的水藉其顺流而下的冲击力所产生的回冲水流，在该套筒内的该螺旋状输水管各螺距空间，沿着该螺旋状输水管外部，且环绕该石英管外壁逆流环绕而上，一路上的水流则可充分曝露于辐射自水银紫外线灯管的紫外线光，达到充分的紫外线杀菌效果，并降低上述经臭氧杀菌后的含臭氧的水内有碍人体健康的过量臭氧，最后经杀菌筒的出水口流出以供饮用。

本发明的上述及其它目的、优点和特色由以下较佳实施例之详细说明当可更加明白。

至于本发明的详细构造、应用原理、作用与功效，则参照下列依附图所作的说明即可得到完全的了解：

附图说明

图1是常见的美国专利5,266,215号水处理系统的剖面示意图；

图2是常见的美国专利6,245,229号水处理系统的立体剖面示意图；

图3是常见的美国专利4,273,660号水处理系统的剖面示意图；

图4是常见的美国专利5,707,594号水处理系统的剖面示意图；

图5是与本发明相关的水处理系统的剖面示意图；

图6是本发明的杀菌装置的剖面示意图；

图7为本发明的杀菌装置的剖面示意图，并以两种不同的箭头表示两种相互反向的水流所造成的双螺旋水流行程。

具体实施方式

如图5所示，本发明的一种具有改进杀菌效果的紫外线及臭氧的杀菌装置200，其是属于一水处理系统的一部分。此水处理系统是由一过滤装置100、一杀菌装置200、一臭氧吸入装置300所组成。

该具有改进杀菌效果的紫外线及臭氧的杀菌装置200包含一杀菌筒202、一水银紫外线灯管210、一石英管208、一臭氧输气管216、一螺旋状输水管215、以及一套筒217。

如图5、图7所示，杀菌筒202为该杀菌装置200的外壳，其含一进水口204和一出水口206；而水银紫外线灯管210(图6)是置于该杀菌装置200的中心，用来经通电后产生紫外线，其含波长为185nm左右能使空气产生臭氧、而波长为254nm左右能用来杀菌并破坏多余的臭氧。在其它实施例中，该杀菌筒的进水口和出水口可以是位于该杀菌筒的任何适当的位置，且该水银紫外线灯管的数目不限于一个，可依实际需要来加以调整。又，杀菌筒202可以用塑料、不锈钢、或玻璃等的材料所制成。

如图5、图6、图7所示，石英管208为一半透明管，能透过波长为254nm左右的紫外线，但会阻挡波长为185nm左右的紫外线，且该石英管208是套于该水银紫外线灯管210的外围，其间为包含空气的一容置空间219。而空气经波长为185nm左右波长的紫外线照射时所产生的臭氧量大于波长为254nm左右的紫外线照射所破坏的臭氧量，故其净臭氧量会因紫外线的照射而增加。

其次如图5、图6所示，臭氧输气管216是插入于该水银紫外线灯管210与该石英管208间的容置空间219内。该臭氧输气管216的一端是连接到臭氧吸入装置300，而其另一端有一曝露于该容置空间218内的一进气口220，能将该容置空间219内的空气经紫外线照射所产生的臭氧藉该臭氧吸入装置300的吸力所产生的低压而吸入，进而送至该臭氧吸入装置300。此臭氧输气管216为不能透过紫外线光的不透明管，故虽曝露于紫外线光的照射下也不会影响到该臭氧输气管216内的臭氧浓度。

又如图5、图7所示，螺旋状输水管215是以螺旋方式环绕于该石英管208的四周，其一端连接至进水口204，而另一端包含一泄水口221，能将来自该臭氧吸入装置300并经由进水口204输入的包含臭氧的水加以均匀混合以达到充分的臭氧杀菌效果。但该螺旋状输水管215为不能透过紫外线光的不透明管，故紫外线光不会影响到该螺旋状输水管215内含臭氧的水的臭氧杀菌效果。又，螺旋状输水管215可以用塑料、或玻璃等的材料所制成。此外，水流被限制在管厚约6mm的输水管中，以改进因太厚而造成外围紫外线强度衰减使杀菌效果不佳的缺点。

又如图5、图7所示，套筒217是套于环绕有该螺旋状输水管215的外围，其一端封闭于杀菌筒202的顶端，而另一端为朝向杀菌筒202底端的一开口224。其能使由该螺旋状输水管215的泄水口221流出的水，藉循其螺旋状输水管215并依黑色细箭头方向223顺流而下而对该杀菌筒202底部的冲击力依黑色细箭头方向225所产生的回冲水流，在该套筒内的该螺旋状输水管215各螺距空间222内，沿着该螺旋状输水管215外部，且环绕该石英管208外壁依灰色粗箭头方向227逆流而上；一路上的水流则可充分曝露于该水银紫外线灯管210(图5、图6)所辐射出且穿透该石英管208管壁的波长为254nm左右的紫外线光，达到充分的紫外线杀菌效果。同时，经紫外线光的照射，可减低上述经臭氧杀菌后的含臭氧的水内有碍人体健康的过量臭氧，最后经杀菌筒202的出水口206流出以供饮用。

套筒217可以用塑料、铁弗龙(teflon)、不锈钢、或玻璃等的材料所制成。这种双螺旋状水流设计其水流流程总长可高达120cm以上，相当于4倍的照射时间，大大改善了杀菌效果。

在其它实施例中，该套筒217的一端仍封闭于杀菌筒202的顶端，但另一端则封闭于杀菌筒202的底端，故该套筒217本身可取代做为该杀菌装置200外壳的该杀菌筒202，因而可将该杀菌筒202去除而不用。

以上所述的「具有改进杀菌效果的紫外线及臭氧的杀菌装置」是具有紫外线杀菌及臭氧杀菌的双模式(dual mode)的杀菌装置，但在其它实施例中也可为只有紫外线杀菌的单一模式(single mode)的「具有改进杀菌效果的紫外线杀菌装置」。

结合紫外线与臭氧的杀菌功能的双模式(dual mode)的杀菌装置，藉由双螺旋水流设计，达成水流行程加长，而行程的加长意味着水流接触紫外线照射的时间延长，同时也意味着臭氧溶解率增加，以加强整体的杀菌效果。

水流经由螺旋管带入后，由螺旋管外的螺距间以及螺旋管与套在其周围的套筒的夹层内逆流回到出水口。此一设计有利于将水层厚度限制成内(石英管)外(套管)管的管径差，如此一来紫外线照射的强度衰减将更为不明显，杀菌效果也更好。

螺旋管状的设计使水流在管内外不断回转与搅拌，使臭氧和水的混合效果更充分。

藉由以玻璃为材质的套管，本系统可以成为一透明设计，使用者可以清楚看见内部水质处理状况，可做到水处理品质透明化的目标。

紫外线与臭氧的杀菌功能分开；臭氧在输水管内输送时可进行臭氧杀菌，而水在输水管外逆流回转时可曝露于紫外线的照射而再次进行紫外线杀菌。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围。即凡依本发明申请专利范围所作均等变化与修饰，皆为本发明专利范围所含盖。

Claims (8)

1、一种具有改进杀菌效果的紫外线及臭氧的双模式杀菌装置，其是属于一水处理系统的一部分，此水处理系统是由一过滤装置、一杀菌装置、一臭氧吸入装置所组成，其特征在于：具有改进杀菌效果的紫外线及臭氧的双模式杀菌装置包括：

一杀菌筒，为该杀菌装置的外壳，含一进水口和一出水口；

一水银紫外线灯管，置于该杀菌装置的中心，用来经通电后产生紫外线，其含波长为185nm左右能使空气产生臭氧、而波长为254nm左右能用来杀菌并破坏多余的臭氧；

一石英管，为一半透明管，且所述的石英管是套于该水银紫外线灯管的外围，其间为包含空气的一容置空间；

一臭氧输气管，含一进气口插入于该水银紫外线灯管与该石英管间的该容置空间内，所述的臭氧输气管为不能透过紫外线光的不透明管；

一螺旋状输水管，该螺旋状输水管是以螺旋式环绕于该石英管的四周，其一端连接至进水口，而另一端包含一出水口，但所述的螺旋状输水管为不能透过紫外线光的不透明管；

一套筒，其是套于环绕有该螺旋状输水管的外围，其一端封闭于杀菌筒的顶端，而另一端为朝向杀菌筒底端的开口；其能使由该螺旋状输水管的泄水口流出水，藉循其螺旋状输水管顺流而下而对该杀菌筒底部的冲击力所产生的回冲水流，在该套筒内的螺旋状输水管各螺距空间内，沿着该螺旋状输水管外部，且环绕石英管外壁逆流而上；一路上的水流则可充分曝露于该水银紫外线灯管所辐射出且穿透该石英管管壁的波长为254nm左右的紫外线光，同时，经紫外线光的照射，可减低上述经臭氧杀菌后的含臭氧的水内有碍人体健康的过量臭氧。

2.如权利要求1所述的具有改进杀菌效果的紫外线及臭氧的杀菌装置，其特征在于：所述的套筒一端封闭于杀菌筒的顶端，而另一端亦封闭于杀菌筒的底端。

3.如权利要求1所述的具有改进杀菌效果的紫外线及臭氧的杀菌装置，其特征在于：所述的杀菌筒的进水口和出水口可以是位于该杀菌筒的任何适当的位置。

4.如权利要求1所述的具有改进杀菌效果的紫外线及臭氧的杀菌装置。其特征在于：所述的装置也可为单一模式的「具有改进杀菌效果的紫外线杀菌装置」。

5.如权利要求1所述的具有改进杀菌效果的紫外线及臭氧的杀菌装置，其特征在于：所述的杀菌筒是可以为塑料、不锈钢、和玻璃所组成的一种材料。

6.如权利要求1所述的具有改进杀菌效果的紫外线及臭氧的杀菌装置，其特征在于：所述的水银紫外线灯管的数目不限于一个，可依实际需要来加以调整。

7.如权利要求1所述的具有改进杀菌效果的紫外线及臭氧的杀菌装置，其特征在于：所述的螺旋状输水管是选自从塑料、和玻璃所组成的一种材料。

8.如权利要求1所述的具有改进杀菌效果的紫外线及臭氧的杀菌装置，其特征在于：所述的套筒是选自从塑料、铁弗龙(teflon)、不锈钢、和玻璃所组成的一种材料。

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