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Beschreibung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtquelle, welche Licht im UV-C-Bereich emittiert, zur Desinfektion.
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Hintergrund der Erfindung
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Die keimtötende Wirkung von Licht in dem UV-C Bereich mit einer Wellenlänge von etwa 250 nm bis etwa 280 nm ist bekannt.
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Für diesen Zweck werden im Allgemeinen sogenannte Quecksilber-Entladungslampen eingesetzt. Hierbei erreicht eine Niederdruckvariante eine bessere Effizienz von etwa 30% gegenüber einer Hochdruckvariante mit etwa 10%. Jedoch ist die Strahlungsdichte bei der Hochdruckvariante höher.
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Da Quecksilber-Entladungslampen eine recht große Ausdehnung besitzen, sind diese für eine kompakte Bauweise, wie zum Beispiel für mobile Anwendungen, nicht geeignet. Zudem ist der Bestandteil Quecksilber, zum Beispiel im Rahmen der Abfallentsorgung, als problematisch anzusehen.
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Das Dokument
DE 10 2006 029 946 B3 zeigt eine Einrichtung zur Desinfektion mit einer UV-C-Lichtquelle, wobei das UV-C-Licht mittels einer Linse auf eine Eintrittsseite eines Faserbündels fokussiert und mittels des Faserbündels einem Zielvolumen zugeführt wird.
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Das Dokument
US 2005/0242013 A1 zeigt ein optisches System zur Desinfektion mit UV-C-Strahlung mit einer Matrix-Gruppierung von LEDs mit einem Emissionsspektrum im Wellenlängenbereich von 260 nm bis 280 nm.
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In der
DE 10 2004 038 727 A1 sind verschiedene Hybridlinsen und mögliche Herstellungsverfahren beschrieben.
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Allgemeine Beschreibung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund hat sich die vorliegende Erfindung daher zur Aufgabe gestellt, eine Lichtquelle, welche nachfolgend auch als optisches System bezeichnet wird, bereitzustellen, die bzw. das die Nachteile des Standes der Technik zumindest vermindert.
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Das optische System soll in einer kompakten Bauweise, zum Beispiel für mobile Anwendungen, hergestellt werden können.
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Die Bestandteile bzw. die Materialien des optischen Systems sollten darüber hinaus ”umweltverträglich” sein.
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Es soll vorzugsweise auch möglich sein, solche optischen Systeme massentauglich und somit kostengünstig herstellen zu können.
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Gelöst wird diese Aufgabe bereits durch das optische System gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Im Allgemeinen sieht die Erfindung die Verwendung einer Lichtquelle mit mehr als einer LED, welche Licht im UV-C-Bereich emittiert, in Verbindung mit gepressten optischen Bauteilen aus fluorhaltigen Phosphatgläsern vor. Die Gläser weisen eine Transmission bzw. ein ausreichend hohe Transmission im UV-C-Wellenlängenbereich, insbesondere in einem Bereich von etwa 250 nm bis etwa 280 nm, auf.
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LEDs als Strahlungsquellen sind gegenüber den bekannten Quecksilber-Entladungslampen vorteilhaft, da sie zum einen frei von Quecksilber und zum anderen gerichteter in ihrer Abstrahlcharakteristik sind. Weiterhin können mit LEDs auch kompakte Lichtquellen realisiert werden.
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Derzeit sind die LEDs jedoch hinsichtlich der erzielten Effizienz und Lebensdauer noch nicht ausreichend. Statt 3% und 1000 Stunden wären 10% und 50000 Stunden erforderlich. Um insbesondere diesen Nachteil ausgleichen zu können, ist das optische Bauteil vorgesehen.
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Im Detail beansprucht die Erfindung ein optisches System zur Desinfektion mit bzw. mittels UV-C-Strahlung umfassend
- – eine Gruppierung von LEDs mit einem Emissionsspektrum in einem Wellenlängenbereich von 100 nm, vorzugsweise von 250 nm, bis 280 nm
- – wenigstens ein optisches Bauteil aus Glas zum Erfassen und zum Zusammenführen des von den LEDs emittierten Lichts, so dass die Leistungsdichte in einem Zielvolumen erhöht ist, wobei das optische Bauteil blankgepresst ist und das Glas des optischen Bauteils ein Fluor-Phosphat-Glas des optischen Kron-Bereichs ist und
zumindest ein optisches Faserbündel, das in Strahlrichtung hinter dem optischen Bauteil angeordnet ist, wobei das Licht durch das optische Bauteil auf eine Eintrittsseite des Faserbündels zusammengeführt und mittels des Faserbündels dem Zielvolumen zugeführt wird, wobei das optische Faserbündel ein Quarzfaserbündel ist.
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Das erfindungsgemäße Glas ist ein UV-C-transparentes Fluor-Phosphat-Glas. Unter einem UV-C-transparenten Glas wird ein Glas verstanden, welches in einem Bereich von etwa 100 nm, vorzugsweise 250 nm, bis etwa 280 nm eine Reintransmission von größer als 80% aufweist.
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Im Folgenden Absatz werden einige Beispiele für geeignete Fluor-Phosphat-Gläser aufgeführt. Die genannte Auswahl ist beispielhaft zu verstehen und beschränkt sich nicht auf die genannten Beispiele. Gläser mit ähnlichen thermomechanischen und optischen Eigenschaften können ebenfalls verwendet werden.
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Ein Beispiel für die genannten Fluor-Phosphatgläser sind die sogenannten Ultran-Gläser (vgl. Liepmann et al., ”Optical and physical properties of UV-transmitting fluorocrown glasses”, SPIE Vol. 1128 (1989), 213–224). Andere bekannte Fluor-Phosphatgläser, die erfindungsgemäß verwendet werden können, beinhalten die SCHOTT-Gläser FK3, FK5, N-FK5, N-FK51, N-FK56, FK54, N-PK51, N-PK52, N-PK51A, N-PSK56, N-PSK57 und N-PSK58 beziehungsweise äquivalente Gläser anderer Hersteller. Das Glas ist somit wenigstens ein Glas ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ultran-Gläser, FK3, FK5, N-FK5, N-FK51, N-FK56, FK54, N-PK51, N-PK52, N-PK51A, N-PSK56, N-PSK57 und N-PSK58.
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Das optische Bauteil ist somit allgemein ein gepresstes, im Detail ein blankgepresstes, optisches Bauteil aus einem Fluor-Phosphat-Glas. Das optische Bauteil ist insbesondere geeignet zur Verwendung in dem optischen System zur Desinfektion.
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Das Glas ist wenigstens ein Glas ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ultran-Gläser, FK3, FK5, N-FK5, N-FK51, N-FK56, FK54, N-PK51, N-PK52, N-PK51A, N-PSK56, N-PSK57 und N-PSK58.
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Das optische Bauteil ist ein Bauteil beliebiger Geometrie, welches für die gewünschte Verwendung geeignet ist. Das optische Bauteil ist zum Beispiel ein Konzentrator, ein polygonförmiges Prisma, eine Linse, eine Stablinse und/oder ein optisches Bauteil mit konvexen, konkaven, sphärischen und/oder asphärischen Flächen. Beispiele für die genannten asphärischen Flächen sind elliptische, zylindrische und/oder parabolischen Flächen. Die angeführten Flächen beschreiben im Allgemeinen die optisch aktiven Flächen, d. h. die Flächen, an denen eine gewünschte Brechung, Reflexion und/oder Streuung des Lichts stattfindet. Die vorstehend genannten optischen Bauteile sind beispielhaft zu verstehen und beschränken sich keinesfalls auf die genannte Auswahl.
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Ein Vorteil blankgepresster Bauteile besteht darin, dass eine Nachbearbeitung der optischen Bauteile bzw. deren optisch aktiver Flächen nicht mehr erforderlich ist. Somit können nachträgliche Arbeitsgänge, wie Schleifen und/oder Polieren, entfallen. Für weitere Details zum ”Blankpressen” sei auf die nachfolgenden Ausführungen verwiesen.
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Die Fluor-Phosphat-Gläser sind Gläser des optischen Fluor-Kron-Bereichs. Es sind ”hoch-fluorhaltige” Phosphatgläser. Das Fluor-Phosphat-Glas erweist sich in vorteilhafter Weise als geeignet für das Blankpressen, insbesondere von Linsen. Denn das erfindungsgemäße Glas besitzt eine niedrige Transformationstemperatur Tg. Aufgrund seines niedrigen Tg kann das Glas kostengünstig zu optischen Elementen blankgepresst werden. Dies ist zum Beispiel mit einem Quarzglas als Alternativmaterial nicht möglich.
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Das genannte Blankpressen ist eine Technologie zur massentauglichen Heißformgebung optischer Bauteile mit ”gebrauchsfertigen” optisch aktiven Flächen, insbesondere in einem einzigen Verfahrensschritt. Mittels Blankpressen läßt sich das erfindungsgemäße Glas bzw. die Glasschmelze bei Temperaturen zwischen 500°C und 800°C, vorzugsweise von 600°C bis 700°C, präzise formen. Beim Blankpressen wird Rohmaterial typischerweise zunächst außerhalb der Vorrichtung zum Blankpressen erwärmt und eine in der Form undefinierte Masse des heißen Glases zwischen zwei Formstempeln verpresst. Die heiß geformten Flächen der Presslinge werden dabei direkt durch den Pressvorgang in ausreichender optischer Qualität erzeugt. Daher ist im Allgemeinen eine Nachbearbeitung nicht mehr erforderlich.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die Glasmasse nicht vorab erwärmt, sondern vorbereitete Rohlinge, die sogenannten ”Glasgobs”, werden direkt in der Presse erwämt. Die ”Glasgobs”, welche auch als ”Vorformlinge” bezeichnet werden, haben dabei typischerweise eine ähnliche Form wie das herzustellende optische Bauteil. Bei Temperaturen oberhalb der Transformationstemperatur (Tg) werden die Rohlinge in die fertige Endform überführt. Durch das Präzisionsblankpressen lassen sich optische Bauteile mit erhöhter Präzision herstellen.
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Ein Verfahren zum Pressen oder Blankpressen optischer Bauteile umfasst die folgenden Schritte: 1.) Bereitstellen zumindest einer Heizeinrichtung und zumindest eines Formblocks mit einer Oberform und einer Unterform, wobei eine Form durch eine innere Formfläche der Oberform und der Unterform definiert wird; 2.) Einbringen einer erhitzen Glasmasse oder eines Vorformlings eines Fluor-Phosphat-Glases in die Form; 3.) Erwärmen der Form mittels der Heizeinrichtung, so dass die Glasmasse oder der Vorformling eine Viskosität in einem Bereich von 103 dPa·s bis etwa 107 dPa·s besitzt; 4.) Pressen oder Blankpressen der Glasmasse oder des Vorformlings, so dass die optischen Bauteile geformt werden und 5.) Abkühlen der geformten optischen Bauteile.
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Das optische Bauteil ist insbesondere herstellbar oder hergestellt mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren. Zudem ist auch eine Verwendung des erfindungsgemäßen Glases zur Herstellung von optischen Bauteilen mittels Blankpressen beschrieben.
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Durch das Verpressen lassen sich optische Bauteile, wie zum Beispiel komplex geformte Stäbe, mit einer Oberflächenrauigkeit von kleiner als 3 rms (DIN ISO 4287) fertigen. Ein nachträgliches Polieren der optisch aktiven Flächen kann dadurch vermieden werden.
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Die genannten erfindungsgemäßen Gläser weisen niedrige Schmelz- und Verarbeitungstemperaturen auf. Dadurch werden gute Primär-Heißformgebungseigenschaften, insbesondere zum Herstellen der Glasgobs, erreicht und sekundäre Heißformgebungsprozesse, wie das Präzisionsblankpressen, mit geeigneten Prozessparametern ermöglicht. Dies erlaubt eine kostengünstige Herstellung einer Vielzahl von Komponenten mit einer niedrigen Fertigungstoleranz.
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Teilweise kann dabei sogar eine optische Qualität der relevanten Flächen erreicht werden.
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Die genannten Glaser weisen zudem eine hohe Transmission im Wellenlängenbereich von 250 nm bis 280 nm auf. Beispiele für die Reintransmission der Glaser bei einer Dicke von 25 mm sind in der Tabelle 1 angeführt. Tabelle 1:
| Wellenlänge | Reintransmission | Reintransmission |
| | P2O5 (10 Gew.-%) | P2O5 (30 Gew.-%) |
| 250 nm | 66% | 37% |
| 270 nm | 76% | 60% |
| 290 nm | 92% | 77% |
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Der geringe Brechungsindex der Fluor-Kron-Gläser ist vorteilhaft für die optische Ankopplung an Quarzglas mit einem Brechungsindex von 1,51 (bei 248 nm). So beträgt zum Beispiel der Brechungswert 1,53 (bei 248 nm) bei einem erfindungsgemäßen Glas mit einem Anteil an P2O5 von 20 Gew.-%.
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Andere Gläser, welche für den erfindungsgemäß relevanten Wellenlängenbereich in Frage kommen, sind beispielsweise bleihaltige Fluoridgläser. Diese sind jedoch bezüglich ihrer ökologischen Unbedenklichkeit den Gläsern, welche in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, unterlegen. Außerdem kommt für den erfindungsgemäß relevanten Wellenlängenbereich Quarzglas in Frage. Dieses lässt sich aufgrund seiner extrem hohen Verarbeitungstemperaturen jedoch nicht durch die Präzisionsheißformgebung zu den erfindungsgemäßen Bauteilen formen.
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In einer Ausgestaltung des optischen Systems weist das optische Bauteil zumindest abschnittsweise die Gestalt einer plankonvexen Linse auf. Dadurch kann das von den LEDs emittierte Licht gezielt zusammengeführt, d. h. gebündelt oder fokussiert werden. Insbesondere um das Licht effizient erfassen zu können, sind die gruppierten LEDs hierzu in einer Art Matrix, beispielsweise von sieben LEDs mit einem optischen Bauteil, angeordnet.
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Erfindungsgemäß weist das optische System zumindest ein optisches Faserbündel auf, das in Strahlrichtung hinter dem optischen Bauteil angeordnet ist. Das Licht wird durch das optische Bauteil auf eine Eintrittsseite des Faserbündels zusammengeführt und nun mittels des Faserbündels dem Zielvolumen zugeführt. Das Licht wird von dem optischen Bauteil sozusagen zur Einkopplung in das Faserbündel bereitgestellt. Durch das Faserbündel kann das Licht auch zu Orten gelangen, in denen zum Beispiel die Positionierung der LEDs nicht oder nur unter großem Aufwand möglich wäre. Erfindungsgemäß ist das Faserbündel ein Quarzfaserbündel, da das erfindungsgemäße Glas an Quarzglas gut optisch ankoppelbar ist.
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Das Zielvolumen beschreibt den Ort, an dem der Vorgang der Desinfektion oder allgemein einer Reinigung ”stattfinden” soll. Dies kann zum Beispiel ein Behälter sein, in dem Instrumente gereinigt werden sollen, oder aber auch eine Wasserleitung, in der das Wasser entkeimt werden soll. Die Erhöhung der Leistungsdichte drückt aus, dass die von den einzelnen LEDs emittierten ”Lichtkegel” zumindest in dem Zielvolumen wenigstens teilweise überlagert sind. Die resultierende Lichtintensität ist erhöht gegenüber der von den LEDs emittierten Lichtintensität an sich.
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Die Desinfektion beschreibt die Gesamtheit der Maßnahmen, durch die Krankheitserreger, wie Bakterien, Viren oder Protozoen, abgetötet oder an ihrer Vermehrung gehindert und somit ”inaktiviert” werden, damit sie nicht mehr infektiös sind. Werden in diesem Zusammenhang alle Mikroorganismen einschließlich ihrer Dauerformen oder Sporen vernichtet, wird dieser Vorgang im Allgemeinen als Sterilisation bezeichnet. Somit wird unter der Desinfektion auch eine Sterilisation verstanden.
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Entsprechend liegt im Bereich der Erfindung auch eine Einrichtung zur Desinfektion, vorzugsweise für mobile Anwendungen, die wenigstens ein erfindungsgemäßes optisches System umfasst. Weiterhin liegt im Rahmen der Erfindung auch die Verwendung der vorstehend genannten erfindungsgemäßen Einrichtung zur Desinfektion in einer Klimaanlage, insbesondere für ein Fahrzeug. Ein Fahrzeug kann ein Landfahrzeug, ein Wasserfahrzeug, ein Luftfahrzeug und/oder ein Raumfahrzeug sein. Zudem wird die Erfindung auch beschrieben durch die Verwendung der vorstehend genannten erfindungsgemäßen Einrichtung zur Desinfektion in einer Anlage zur Wasseraufbereitung, die eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Desinfektion umfasst.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele im Einzelnen erläutert. Hierzu wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Die gleichen Bezugszeichen in den einzelnen Zeichnungen beziehen sich auf die gleichen Bauteile.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt eine Ausführungsform eines Bestandteils einer erfindungsgemäßen Lichtquelle 10, die auch als optisches System 10 bezeichnet wird, in einer schematischen Darstellung. Diese setzt sich beispielhaft aus vier UV-C-Licht emittierenden LEDs 1 und einer Kondensoroptik 2 als optischem Bauteil 2 zusammen. Eine mögliche Ausführung einer LED 1 basiert auf einem Halbleiter auf der Basis von AlN. Das von den LEDs 1 emittierte Licht trifft auf die Kondensoroptik 2 auf. Die Kondensoroptik 2 ist als eine Art Plankonvexlinse ausgebildet. Sie ist auf der Seite, welche den LEDs 1 zugeordnet ist, plan ausgebildet. Auf der dazu gegenüberliegenden Seite sind nebeneinander, zum Beispiel vier, Plankonvexlinsen 4 angeordnet. Die Plankonvexlinsen 4 sind sozusagen auf einem Block 3 aufgesetzt. Das Licht wird von der Kondensoroptik 2 auf einen Bereich 7, wie zum Beispiel einen Behälter 7, fokussiert, in dem eine hohe UV-C-Strahlungsdichte zum Desinfizieren oder allgemein zum Reinigen erforderlich ist. Der Lichtkegel ist hierbei durch die Striche 5 und 6 angedeutet.
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Das Glas des optischen Bauteils 2, hier der Kondensoroptik 2, ist ein Fluor-Phosphat-Glas des optischen Fluor-Kron-Bereichs. Erfindungsgemäß ist die Kondensoroptik 2 durch Blankpressen oder Präzisionsblankpressen hergestellt.
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Insbesondere das Fluor-Phosphat-Glas Ultran erweist sich in vorteilhafter Weise als geeignet für das Blankpressen. Es ist folglich geeignet zur massentauglichen Herstellung von Kondensoroptiken 2 für den Wellenlängenbereich von etwa 250 nm bis etwa 280 nm. Das Glas mit einem Anteil an P2O5 von 30 Gew.-% kann zum Beispiel bei einer Temperatur von etwa 600°C bis etwa 700°C in sekundärer Heißformgebung durch das Blankpressen in die endgültige Form gebracht werden. Die Viskositäten liegen dabei in einem Bereich von etwa 103 dPa·s bis etwa 107 dPa·s, der für die Heißformgebung relevant ist. Hierbei können einfache ”Vorformlinge” durch ein Verpressen oder durch das Blankpressen, vorzugsweise direkt, in die Endgeometrie überführt werden.
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Das genannte Glas ist somit in Kombination mit den UV-C-Licht emittierenden LEDs 1 geeignet zur Herstellung von effizienten und kompakten Lichtquellen 10, zum Beispiel zur Desinfektion, vorzugsweise in mobilen Anwendungen.
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Die 2 zeigt eine erfindungsgemäße Lichtquelle 10 mit der Lichtquelle 10 aus 1 und mit einem optischen Faserbündel 8 in einer Wasseraufbereitungsanlage. Das Faserbündel 8 ist vorzugsweise ein Quarzfaserbündel 8. Das Faserbündel 8 ist zwischen der Optik 2 und dem Behälter 7 angeordnet. Das Licht wird durch die Kondensoroptik 2 auf eine Lichteintrittsseite des Faserbündels 8 gelenkt und/oder fokussiert. Das Licht wird in dem Faserbündel 8 zu dem Ort der Desinfektion und/oder Sterilisation geleitet und tritt aus der Lichtaustrittsseite des Faserbündels 8 aus. Als Ort der Desinfektion bzw. Sterilisation ist vorliegend eine Wasseraufbereitungsanlage illustriert. Das Wasser fließt durch eine Leitung 9 durch den Behälter 7 hindurch. Es wird durch das aus dem Faserbündel austretende Licht gereinigt, insbesondere desinfiziert und/oder sterilisiert.
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Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind. Die Erfindung ist nicht auf diese beschränkt sondern kann in vielfältiger Weise variiert werden, ohne den Geist der Erfindung zu verlassen. Merkmale einzelner Ausführungsformen und die im allgemeinen Teil der Beschreibung genannten Merkmale können jeweils untereinander als auch miteinander kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- LED
- 2
- Optisches Bauteil oder Linse oder Kondensoroptik
- 3
- Block der Kondensoroptik
- 4
- Plankonvexlinsen der Kondensoroptik
- 5
- Begrenzung des Lichtkegels
- 6
- Begrenzung des Lichtkegels
- 7
- Zielvolumen oder Behälter zur Aufnahme von zu desinfizierenden, zu reinigenden und/oder zu sterilisierenden Komponenten
- 8
- Faserbündel
- 9
- Wasserleitung
- 10
- Optisches System oder Lichtquelle
