DE102010047318A1

DE102010047318A1 - UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung und deren Verwendung

Info

Publication number: DE102010047318A1
Application number: DE201010047318
Authority: DE
Inventors: Dr. Sklarek Werner; Dr. Wölfing Bernd
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2010-10-01
Filing date: 2010-10-01
Publication date: 2012-04-05

Abstract

Kompakte UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung, in der ein durch eine Bestrahlungskammer (2) geleitetes Medium von einer UV-Halbleiterlichtquelle in einem gemittelten Winkel α von größer als 60° zur Hauptflussrichtung R durch das zu bestrahlende Medium hindurchtritt und die von der UV-Halbleiterlichtquelle (1) emittierte Strahlung mehrfach innerhalb der Bestrahlungskammer (2) reflektiert werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung, in der ein durch eine Bestrahlungskammer geleitetes Medium effizient in Wechselwirkung mit der emittierten UV-Strahlung treten und so verändert werden kann, sowie ein Verfahren, welches die genannte Bestrahlung effizient ermöglicht. Die erfindungsgemäße UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung kann beispielsweise zur Sterilisation von strömenden Medien eingesetzt werden, aber auch als Reaktor für chemische und/oder biochemische Reaktionen und/oder zum Erzeugen physikalisch angeregter Zustände von Molekülen und/oder Atomen.
Es ist seit langem bekannt, ultraviolette (UV) Strahlung zur Abtötung von Keimen zu verwenden. Dieses Prinzip wird beispielsweise in Wasseraufbereitungsanlagen eingesetzt. Dabei erzeugt üblicherweise ein spezieller Brenner kurzwellige UV-Strahlung, die Keime im Wasser abtöten. Das Wirkungsprinzip beruht darauf, dass die kurzwellige UV-Strahlung die Zellkerne von Bakterien durchdringt und deren Erbsubstanz zerstört, so dass sich diese nicht vermehren können. Der Einsatz von UV-Strahlung insbesondere zum Entkeimen von Trinkwasser wird als besonders umweltfreundlich und gesundheitsschonend angesehen, weil bei dem Wasseraufbereitungsprozess keine Chemikalien wie Chlor notwendig sind, welche das Trinkwasser und/oder das Abwasser belasten können.
Als Brenner zum Erzeugen der UV-Strahlung kommen üblicherweise allerdings Quecksilberdampf-Niederdruck, -Mitteldruck-, -Hochdruck- und -Höchstdrucklampen zum Einsatz. Schon der Einsatz von hochgiftigem Quecksilber lässt die Umweltfreundlichkeit dieser Technik zumindest relativ erscheinen, und auch der Stromverbrauch dieser Lampen ist sehr hoch, wenn die benötigte Leistungsdichte an UV-Strahlung erzeugt werden soll. Ebenfalls wirken die bekannten Quecksilberdampflampen näherungsweise als Lambertscher Strahler, d. h. Sie strahlen die emittierte Strahlung näherungsweise gleichmäßig in den gesamten Raum ab, ohne eine spezifische Vorzugsrichtung zu haben. Aus diesem Grund sind Systeme mit UV-Strahlern in Wasseraufbereitungsanlagen so aufgebaut, dass die UV-Strahlungsquelle in einem Quartzrohr angeordnet ist, das koaxial in einem Leitungsrohr untergebracht ist, so dass das aufzubereitende Wasser möglichst gleichmäßig entlang der Außenumfangsfläche des Quartzrohres in dessen Längsrichtung fließt. Das Quartzrohr selbst ist erforderlich, da es transparent für die emittierte UV-Strahlung sein muss. Es ist aber sehr teuer in der Herstellung und in der Anschaffung.
Mit der zunehmenden Verfügbarkeit von UV-LEDs hat es Anstrengungen gegeben, die bekannten UV-Lampen und -Brenner durch diese LEDs zu ersetzen. So offenbart die US 2005/0242013 A1 Sterilisationskammern mit einer Vielzahl von UV-LEDs, die in einer Bestrahlungskammer angebracht sind und an denen das zu bestrahlende Medium vorbeifließt. Die von den UV-LEDs emittierte Strahlung durchtritt dabei das zu bestrahlende Medium senkrecht zu dessen Flussrichtung, so dass die Verweilzeit eines sich in dem Medium befindlichen und durch die Wechselwirkung mit der UV-Strahlung zu sterilisierenden Elements im Strahlbereich einer UV-LED gering ist. Um eine ausreichende Wechselwirkungswahrscheinlichkeit und damit Effizienz der vorgeschlagenen Sterilisationskammern zu erreichen, sind eine Vielzahl von UV-LEDs in der Kammer angebracht. Allerdings wird der Strom des Mediums in der Kammer durch die Verringerung des zur Verfügung stehenden Querschnitts beschleunigt, was die Wechselwirkungswahrscheinlichkeit weiter reduziert.
Die US 7,520,978 B2 beschreibt eine weitere UV-LED-Bestrahlungseinrichtung. Eine Vielzahl von UV-LEDs sind einseitig auf Trägerelementen angebracht, welche kleine Durchtrittsöffnungen für das durch die Kammer zu leitende Medium aufweisen. Die Trägerelemente sind innerhalb der Bestrahlungskammer so angebracht, dass sich die UV-LEDs gegenseitig bestrahlen und so die Strahlungsintensität in der Bestrahlungskammer möglichst hoch ist. Verglichen mit den Zuleitungen ist die Querschnittsfläche der Bestrahlungskammer sehr groß, die Strömungsgeschwindigkeit des durch die Kammer geleiteten Mediums wird reduziert.
Diese Konstruktionen haben mehrere Nachteile. Einerseits steigt der Energieverbrauch mit der Zahl der verwendeten UV-LEDs. Weiterhin sind UV-LEDs schlichtweg teuer, so dass die vorgeschlagenen Lösungen ebenfalls nur sehr teuer herzustellen sind. Und andererseits kann die Veränderung des Flussquerschnitts in der Kammer neben einer Vergrößerung des benötigten Bauraums zu einem reduzierten Durchsatz zu unerwünschten Begleiterscheinungen wie unangenehmen Geräuschentwicklungen führen. Viele neue Anwendungen verlangen aber nach einer hohen Effizienz solcher Bestrahlungseinrichtungen bei einer gleichzeitig kompakten Bauweise. Auch sind störende Geräuschentwicklungen beispielsweise bei der Sterilisation der Luftzufuhr von Fahrzeugen wie Automobilen, Passagierflugzeugen und/oder Zügen nicht tolerierbar.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine auf UV-Halbleiterlichtquellen beruhende Bestrahlungseinrichtung zur Verfügung zu stellen, die einen kleinen Bauraum und eine hohe Energieeffizienz aufweist, sowie ein effizientes Verfahren zum Bestrahlen von strömenden Medien mit UV-Strahlung.
Die Aufgabe wird gelöst durch die UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung gemäß den Hauptansprüchen. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den davon abhängigen Ansprüchen.
Eine erfindungsgemäße UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung enthält zumindest eine UV-Halbleiterlichtquelle und eine Bestrahlungskammer, welche einen Reflektionsgrad von mindestens 95% aufweist. Unter UV-Halbleiterlichtquelle wird im Sinne der Erfindung jegliche Halbleiterlichtquelle verstanden, welche elektromagnetische Strahlung im ultravioletten (abgekürzt UV) Spektralbereich emittiert. Der ultraviolette Spektralbereich umfasst nach gängiger Auffassung Wellenlängen von etwa 400 nm bis etwa 3 nm. Der bevorzugte Bereich, der sich für die Zellinaktivierung als besonders vorteilhaft erwiesen hat, liegt bei etwa 200 nm bis 280 nm. UV-Halbleiterlichtquellen im Sinne der Erfindung sind insbesondere Lichtemittierende Dioden (Light Emitting Diode, abgekürzt LED oder UV-LED, wenn sie UV-Strahlung emittieren) verstanden. Ebenso sind aber UV-Halbleiterlaser einsetzbar, insbesondere UV-Diodenlaser.
Die Bestrahlungskammer definiert ein Volumen, durch das ein zu bestrahlendes Medium geleitet werden kann. Bevorzugt ist sie rohrförmig. Das Rohr kann beispielsweise eine kreisrunden, eine ovalen, eine rechteckigen oder aber eine vieleckige Durchmessergeometrie aufweisen.
Der Fluss des zu bestrahlenden Mediums in der Bestrahlungskammer erfolgt entlang einer Hauptflussrichtung R. Die Hauptflussrichtung R repräsentiert den gemittelten Weg der einzelnen Elemente des fließenden zu bestrahlenden Mediums durch die Bestrahlungskammer und stellt somit eine idealisierte Richtung dar, der nicht notwendigerweise von allen Elementen des fließenden zu bestrahlenden Mediums eingehalten wird. Die Hauptflussrichtung R stellt sich beim Betrieb der erfindungsgemäßen UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung von selbst ein, wenn das zu bestrahlende Medium durch die Bestrahlungskammer geleitet wird.
Die zumindest eine UV-Halbleiterlichtquelle ist erfindungsgemäß so angebracht, dass im Betriebszustand, d. h. wenn ein zu bestrahlendes Medium durch die Bestrahlungskammer fließt und wenn die UV-Halbleiterlichtquelle eingeschaltet ist und Strahlung emittiert, die Primärstrahlung der UV-Halbleiterlichtquelle in einem gemittelten Winkel α von größer als 60° und bevorzugt kleiner als 90°, im Folgenden Winkelbedingung genannt, durch das zu bestrahlende Medium hindurchtritt. α wird dabei von der Hauptflussrichtung R aus und bei demjenigen Strahl des Strahlengangs gemessen, welcher zuerst den Vektor der Hauptflussrichtung R schneidet.
UV-Halbleiterlichtquellen emittieren Licht nicht üblicherweise nicht nur in eine Richtung, sondern die Emission erfolgt in einer Winkelverteilung. Daher wird in der vorliegenden Beschreibung der Begriff der Primärstrahlung und des gemittelten Winkels α verwendet. Unter Primärstrahlung wird der innerhalb der Bestrahlungskammer über alle Raumwinkel der Emission integrierte Strahlungsfluss der UV-Halbleiterlichtquelle verstanden, so dass die Richtung der Primärstrahlung vereinfacht ausgedrückt die Richtung des in der Bestrahlungskammer gemittelten Lichtflusses der Strahlungsemission der UV-Halbleiterlichtquelle entspricht. Aus Gründen der Verdeutlichung wird daher auch von dem gemittelten Winkel α gesprochen.
Die Definition der Primärstrahlung gilt für jeden Teilstrahl, der im Betriebszustand in der Bestrahlungskammer wirksam ist. Wird die Strahlung der UV-Halbleiterlichtquelle beispielsweise durch einen Strahlteiler oder ein anderes geeignetes optisches Element in zwei Teilstrahlen aufgespaltet, durchtritt erfindungsgemäß die Primärstrahlung jeder dieser Teilstrahlen die Hauptflussrichtung R unter der genannten Winkelbedingung für den gemittelten Winkel α.
Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Bestrahlungseinrichtung beruht darauf, dass die Strahlung der UV-Halbleiterlichtquelle, wenn sie unter den vorgenannten Winkelbedingungen in die Bestrahlungskammer eingestrahlt wird, mehrfach in der Bestrahlungskammer reflektiert werden kann, so dass auch bei einer geringen Absorption des zu bestrahlenden Mediums durch die Mehrfachreflektion innerhalb der Bestrahlungskammer eine ausreichend große optische Weglänge bereitgestellt wird, so dass eine ausreichend große Wechselwirkungswirkungswahrscheinlichkeit des von der Halbleiterlichtquelle emittierten UV-Quants mit dem entsprechenden. Element des zu bestrahlenden Mediums erreicht wird. Aus diesem Grund beträgt der Reflektionsgrad der inneren Wandung der Bestrahlungskammer erfindungsgemäß zumindest 95%. Der Reflektionsgrad gibt dabei an, wie viel der Intensität der emittierten Primärstrahlung nach der ersten Reflektion an der inneren Wandung der Bestrahlungskammer noch vorhanden ist, wobei sich bei dieser Messung kein zu bestrahlendes Medium in der Bestrahlungskammer befindet oder ein solches Medium verwendet wird, welches die von der UV-Halbleiterlichtquelle emittierte Strahlung nicht wesentlich absorbiert.
Zum Erreichen des Reflektionsgrades kann die innere Wandung bevorzugt verspiegelt sein. Verfahren zur Verspiegelung, beispielsweise durch Metallverdampfung, sind hinlänglich bekannt. Die Bestrahlungskammer selbst kann bevorzugt aus Metallen, Kunststoffen oder Glas bestehen, oder aus Kombinationen dieser Materialen.
Im Unterschied zu den aus dem Stand der Technik bekannten UV-LED-Bestrahlungseinrichtungen, welche im Prinzip die von Quecksilberdampflampen bekannten Strahlengänge und Wirkungsmechanismen nachbilden, nutzt die erfindungsgemäße Bestrahlungseinrichtung die Abstrahlcharakteristik von Halbleiterlichtquellen und die damit möglichen optischen Strahlengänge, um die Aufgabe zu lösen. Im Betrieb emittieren Halbleiterlichtquellen Strahlung unter engen Abstrahlwinkeln, also in einen kleinen Raumwinkelbereich, weil bei LEDs in direkter Nähe zu der Emissionsfläche fokussierende optische Elemente angebracht sind und Halbleiterlaser eine stark nach vorne gerichtete Strahlung mit wenig Divergenz emittieren. LEDs ohne direkt vor ihnen angebrachte optische Elemente weisen dahingegen das Verhalten eines Lambertschen Strahlers auf, der in große Raumwinkelbereiche emittiert. Trotzdem lässt sich das von LEDs emittierte Licht gut kollimieren.
Durch die nach vorne gerichtete Strahlung erhöht sich die Leistungsdichte je Flächeneinheit einer bestrahlten Meßfläche. Der Vergleich zu UV-Niederdruck-Quecksilberlampen zeigt, dass bereits weit verbreitete blaue LEDs mit einer Emission bei 450 nm eine höhere Leistungsdichte aufweisen. So beträgt die Leistungsdichte von UV-Niederdruck-Quecksilberlampen etwa 1 mW je Quadratmillimeter, während der von blauen LEDs mit einer Emission bei 450 nm etwa 1000 mW je Quadratmillimeter beträgt. Auch heutige UV-LEDs erreichen wesentlich höhere Leistungsdichten als UV-Quecksilberlampen. Die höheren Leistungsdichten der verfügbaren Halbleiterlichtquellen werden durch die aus dem Stand der Technik bekannten UV-LED-Bestrahlungseinrichtungen allerdings nicht ausgenutzt.
Gleichfalls ist es in den aus dem Stand der Technik bekannten UV-LED-Bestrahlungseinrichtungen möglich, dass die von einer LED emittierte Strahlung durch Reflektion wieder auf diese LED trifft oder sogar andere LEDs direkt bestrahlt werden. Dies kann einerseits den Gesamtwirkungsgrad des Systems reduzieren, aber auch zu einer Beschädigung und/oder Verringerung der Lebensdauer der LEDs führen. In einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung wird die zumindest eine UV-Halbleiterlichtquelle daher so angeordnet, dass im Betriebszustand weniger als 5% der von der zumindest einen UV-Halbleiterlichtquelle emittierten Strahlung von der inneren Wandung der Bestrahlungskammer wieder auf diese UV-Halbleiterlichtquelle trifft. Die emittierte Strahlung wird also sozusagen nach vorne in die Bestrahlungskammer reflektiert, wobei die Strahlungskammer so ausgelegt ist, dass eine mehrfache Reflektion der emittierten Strahlung an der inneren Wandung der Bestrahlungskammer möglich ist.
Die zumindest eine UV-Halbleiterlichtquelle kann innerhalb der Bestrahlungskammer angebracht sein. Geeignete Stromdurchführungen können dabei durch die Wandung der Bestrahlungskammer geführt werden. Als besonders geeignet haben sich beispielsweise Glas-Metall-Durchführungen bewährt, in denen Stromleiter aus Metall in einem Isoliermaterial aus Glas eingeschmolzen und/oder eingesintert sind.
Besonders bevorzugt befindet sich die zumindest eine UV-Halbleiterlichtquelle allerdings außerhalb der Bestrahlungskammer und die von der zumindest einen UV-Halbleiterlichtquelle emittierte Strahlung ist durch zumindest ein für diese Strahlung weitgehend durchlässiges Fenster in die Bestrahlungskammer einkoppelbar. Weitgehend durchlässig bedeutet im Sinne der Erfindung, dass das Fenster hinsichtlich seines Materials und seiner Ausformung so gestaltet ist, dass die emittierte UV-Strahlung nicht oder höchstens wenig von dem Fenster absorbiert wird, so dass ein Großteil der Strahlungsleistung durch das Fenster in die Bestrahlungskammer gelangen kann. Geeignete Materialien sind beispielsweise UV-transparente Gläser und/oder Quartz. Die Anordnung der zumindest einen UV-Halbleiterlichtquelle außerhalb der Bestrahlungskammer hat den Vorteil, dass sie einfacher ausgetauscht und/oder gewartet werden kann. Außerdem ist sie den direkten Einflüssen wie Druck, Temperatur und/oder aggressiven Bestandteilen des zu bestrahlenden Mediums, das durch die Bestrahlungskammer geleitet wird, entzogen. Die außerhalb der Bestrahlungskammer angeordnete UV-Halbleiterlichtquelle kann zum Erreichen des vorgenannten Winkels der Primärstrahlung durch geeignete Maßnahmen schon in dem entsprechenden Winkel montiert sein.
Das Eintrittsfenster kann in diesem Fall am einfachsten ausgeformt sein, beispielsweise in Form einer planparallelen Scheibe oder Platte. Ist die Bestrahlungskammer aus einem Metall gefertigt, kann das Eintrittfenster beispielsweise durch Glaslote mit der Bestrahlungskammer verbunden werden. Dazu wird ein Pressling umfassend das gemahlene Glaslot, das ggfls. mit einem organischen Binder vermischt ist, in Form eines Rahmens auf das Eintrittsfenster oder um die Öffnung in der Bestrahlungskammer gelegt und/oder auf dieses in Form einer Paste aufgetragen. Durch Erwärmen der Bauteile Bestrahlungskammer, Eintrittsfenster und Glaslot kann ein Verbund zwischen diesen Bauteilen erreicht werden, der sogar hermetisch sein kann. Hermetisch heißt, dass so gut wie kein Medium durch die Verbindungsstelle hindurchtreten kann. Glaslotverbindungen können sogar Heliumlecktests bestehen und zeichnen sich auch durch eine extrem hohe Dauerhaltbarkeit aus, weil sie nicht anfällig gegen hohe Temperaturen, UV-Bestrahlung, Disposition gegenüber chemisch aggressiven Medien usw. sind. Werden geringere Anforderungen an die Hermetizität der Verbindung und/oder deren Dauerhaltbarkeit gestellt, ist es im Sinne der Erfindung aber ebenfalls möglich, dass das Eintrittsfenster mit Hilfe von Klebeverfahren z. B. mit organischen Klebstoffen mit der Bestrahlungskammer verbunden wird.
Eine alternative Ausführungsform sieht vor, dass die von der UV-Halbleiterlichtquelle emittierte Strahlung durch ein optisches Element aufgespalten wird, so dass die vorgenannte Winkelbedingung des Durchtritts der Primärstrahlung zur Hauptflussrichtung R erfüllt werden kann. In diesem Fall kann die UV-Halbleiterlichtquelle im wesentlichen colinear oder senkrecht zur Längsachse der Bestrahlungskammer angebracht und bevorzugt außerhalb der Bestrahlungskammer angebracht sein. In diesem Fall kann das beschriebene optische Element gleichzeitig als Eintrittsfenster fungieren, es ist aber ebenso möglich, es als separates oder als ein mit dem Eintrittsfenster verbundenes Element auszulegen. Ebenfalls ist es möglich, die colineare oder senkrechte Anordnung mit einer innerhalb der Bestrahlungskammer befindlichen UV-Halbleiterlichtquelle zu realisieren.
Ebenso ist es möglich, mehr als eine UV-Halbleiterlichtquelle in der erfindungsgemäßen Bestrahlungseinrichtung einzusetzen. Bevorzugt können die verwendeten UV-Halbleiterlichtquellen ihre spektralen Emissionsmaxima bei unterschiedlichen Wellenlängen aufweisen. Dies kann Vorteile haben, um eine Vielzahl unterschiedlicher in dem durch die Bestrahlungskammer geleiteten Medium befindlicher Keime zu eliminieren und/oder um stufenweise chemische Reaktionen zu induzieren.
Die erfindungsgemäße UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung zeichnet sich aufgrund der gezielten Strahlführung durch eine effiziente Nutzung der von den Halbleiterlichtquellen emittierten Strahlung aus. Um die Effizienz einer Bestrahlungseinrichtung zu charakterisieren kann die Gütezahl FOM₁ verwendet werden. FOM₁ kann berechnet werden durch FOM₁ = Dosis·Strom / Leistung
Dosis steht dabei für die Gesamtdosis in J m^–2, was der über die Zeit eingeleiteten Strahlungsmenge entspricht. Die benötigte Gesamtdosis für eine wirksame UV-Sterilisierung beträgt gemäß der US National Science Foundation bzw. der US Environmental Protection Agency 400 J m^–2. Diese Dosis wird von den erfindungsgemäßen Bestrahlungseinrichtungen bevorzugt mindestens erreicht.
Strom steht für die Menge des durch die Bestrahlungskammer leitbaren Mediums und repräsentiert damit den Volumenstrom in m^–3s^–1.
Leistung steht für die von den UV-Halbleiterlichtquellen emittierte Strahlungsleistung in W.
Die Einheit von FOM₁ ist Meter. Die Gütezahl FOM₁ ist hoch, wenn bei kleiner emittierter Strahlungsleistung der Halbleiterlichtquellen eine hohe Dosis in einem großen Strom des durch die Bestrahlungskammer geleiteten Mediums erreicht wird. Wird für Dosis der zuvor genannten empfohlene Wert von 400 J m^–2 als Konstante eingesetzt, ergeben sich hohe Werten von FOM₁, wenn ein hoher Volumenstrom bei geringer Strahlungsleistung realisiert werden kann, um die genannte Gesamtdosis zu erreichen. Dies wird wie beschrieben durch eine große Weglänge der Photonen in der Bestrahlungskammer erreicht.
In Bezug auf diese Gütezahl FOM₁ lässt sich ein gutes System jedoch sehr einfach realisieren, und zwar durch eine sehr große Bestrahlungskammer. Auch bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten kann der Volumenstrom des durch die Bestrahlungskammer geleiteten Mediums sehr groß sein. Eine solche großvolumige Ausführungsform ist allerdings keine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Eine bevorzugte Ausführungsform lässt sich dahingegen unter begrenzten Raumverhältnissen einsetzen. In solchen muss das Volumen der Bestrahlungskammer ebenfalls begrenzt sein und in einer für diesen Fall maßgeblichen Gütezahl FOM₂ ist dieses ebenfalls zu berücksichtigen. FOM₂ wird daher berechnet durch FOM₂ = Dosis·Strom / Leistung·Volumen
Volumen steht für das Volumen der Bestrahlungskammer. Die Einheit von FOM₂ ist m^–2. Ein reduziertes Volumen der Bestrahlungskammer verbessert demnach FOM₂. Angestrebt werden möglichst hohe Werte für FOM₂. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung Werte für FOM₂ auf, die größer als 1000 m^–2 sind, besonders bevorzugt größer als 5000 m^–2, ganz besonders bevorzugt größer als 10000 m^–2 und insbesondere besonders bevorzugt größer als 15000 m^–2.

Tabelle 1 vergleicht die gemäß dem Stand der Technik bekannten und erzielbaren FOM₂-Werte mit denen, die durch die Erfindung erzielbaren. Tabelle 1

System	Querschnitt	Länge	Leistung	FOM₂
konventionell	9 cm (rund)	0,94 m	11,7 W	3 m^–2
LED S. d. T.	2 × 2 cm	0,25 m	10,0 W	200 m^–2
LED Variante 1	1 × 1,4 cm	0,38 m	0,67 W	5700 m^–2
LED Variante 2	1 × 1,4 cm	0,38 m	0,2 W	19000 m^–2

Bei dem gesamten Vergleich und der Berechnung von FOM₂ wird von einem Volumenstrom oder kurz Strom des zu bestrahlenden Mediums von 0,5 l/s ausgegangen. Die benötigte Gesamtdosis für eine wirksame UV-Sterilisierung beträgt wie beschrieben 400 J m^–2.
Querschnitt steht in Tabelle 1 für die Geometrie der Querschnittsfläche. Daraus lässt sich der Wert der Querschnittsfläche errechnen und über das Produkt dieses Werts mit der Länge das Kammervolumen oder kurz Volumen berechnen.
Die benötigte Leistung an UV-Strahlung ist prinzipiell von der freien Weglänge der UV-Quanten in der Bestrahlungseinrichtung abhängig. Es gilt Leistung = (Dosis·Strom)/(freie Weglänge). Bevorzugt wird Strahlung im UV-C Spektralbereich verwendet, der nach üblicher Diktion einen Wellenlängenbereich von 100 nm bis 280 nm abdeckt.
In der ersten Spalte sind die verglichenen Bestrahlungssysteme aufgelistet. ”Konventionell” steht hierbei für ein UV-Desinfektionssystem, bei dem eine Niederdrucklampe verwendet wird. Der Durchmesser der rohrförmigen Bestrahlungskammer beträgt 9 cm, ihre Länge 0,94 m. Koaxial in ihrem Innern ist die Niederdrucklampe angebracht. Die freie Weglänge für ein UV-Quant beträgt in einem solchen System etwa 0,2 m, die benötigte Leistung an UV-Strahlung beträgt dabei 11,7 W. Damit berechnet sich der Wert für FOM₂ für ein solches System zu 3 m^–2. Dies bedeutet, dass das konventionelle System nur sehr ineffizient arbeitet.
In der zweiten Zeile sind die Leistungsdaten eines aus dem Stand der Technik bekannten LED-Desinfektionssystems (”LED S. d. T.”) dargestellt. Es ist ähnlich dem in 1 dargestellten System, nur dass das zu bestrahlende Medium in einem Kanal an den LEDs vorbei geführt wird. Das untersuchte System LED S. d. T besteht aus einem quadratischen Rohr mit der Querschnittsfläche 0,02 m auf 0,02 m und einer Länge von 0,25 m. Eine Innenseite des Rohres, d. h. eine rechteckige Fläche, ist mit UV-LEDs besetzt. Reflektionen an der Innenseite werden nicht genutzt. Die freie Weglänge für ein UV-Quant beträgt in einem solchen System 0,02 m. Die Verweildauer eines Elements des zu bestrahlenden Mediums in der Kammer berechnet sich aus dem Quotienten von Kammervolumen und Volumenstrom und beträgt somit mit den angegebenen Werten 0,2 s. Die Leistungsdichte in dieser Kammer wird aus dem Quotienten von der benötigten Dosis und der Verweilzeit zu 2000 W m^–2 berechnet. Die benötigte Leistung, welche als Leistung in die Formel von FOM₂ einzusetzen ist, ist das Produkt aus Leistungsdichte und leuchtender Fläche, d. h. 2000 W m^–2·0,02 m·0,25 m = 10 W. Daraus ergibt sich wiederum ein Wert für FOM₂ von 200 m^–2.
Die erfindungsgemäße Ausführungsform ”LED Variante 1” geht von einem Reflektionsgrad der inneren Wandung der Bestrahlungskammer von 95% aus. Die Bestrahlungskammer weist eine kreisförmige Querschnittsfläche mit einem Durchmesser von 1,4 cm und eine Länge von 0,38 m auf, hat also in etwa die Form eines dünnen Rohres. Die freie Weglänge der UV-Quanten aufgrund der Reflektionsfähigkeit an der inneren Wandung 0,3 m. Die benötigte Strahlungsleistung beträgt in dieser erfindungsgemäßen Bestrahlungseinrichtung nur 0,67 W, womit ein Wert von FOM₂ von 5700 m^–2 erreicht wird.
Eine weitere Variante ”LED Variante 2” geht von einem Reflektionsgrad von 99% und gleichen Kammergeometrien wie in Variante 1 und einer freien Weglänge der UV-Quanten von 1 m aus. Die benötigte Strahlungsleistung beträgt in diesem System nur noch 0,2 W, und FOM₂ hat einen Wert von 19000 m^–2.
Dies belegt, dass in der erfindungsgemäßen UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung dank der gezielten Strahlführung die emittierte UV-Strahlung viel effizienter mit dem zu bestrahlenden Medium in Wechselwirkung treten kann, als es die in dem Stand der Technik vorgeschlagenen Bestrahlungseinrichtungen können.
Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass zwei UV-LEDs mit Emissionsmaxima bei 268 nm und 282 nm in der Nähe der Eintrittsöffnung der Bestrahlungskammer angebracht sind. Durch die Verwendung von UV-LEDs mit unterschiedlichen Spektrallagen der Emissionsmaxima kann sich eine gesteigerte Wirkung insbesondere bei unterschiedlichen sich in dem durch die Bestrahlungskammer zu leitenden Medium befindlichen Keimen erreicht werden. Bevorzugt werden in einer erfindungsgemäßen UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung höchstens vier UV-LEDs verbaut.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung weist die Querschnittsfläche der Bestrahlungskammer einen Wert auf, der im wesentlichen dem Wert der Querschnittsfläche der Einlassöffnung in die Bestrahlungskammer und im wesentlichen dem Wert der Auslassöffnung der Bestrahlungskammer entspricht. Das bedeutet, dass durch die Bestrahlungskammer bevorzugt keine wesentliche Querschnittsverminderung der Leitungen des Systems auftritt, in welches sie integriert wird. Dadurch kann erreicht werden, dass das durch die Bestrahlungskammer leitbare Medium mit einer im wesentlichen gleichen Flussgeschwindigkeit wie in den Zuleitungs- und Ableitungsbereichen durch die Bestrahlungskammer leitbar ist. Dadurch wird ein guter Durchfluss des zu bestrahlenden Mediums durch die Bestrahlungskammer sichergestellt und störende Nebeneffekte, wie beispielsweise eine Geräusch- und oder Vibrationsbildung, weitgehend vermieden.
Bevorzugt ist die erfindungsgemäße UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung so ausgelegt, dass Luft und/oder Wasser als zu bestrahlendes Medium durch sie leitbar ist. Mischungen von beiden Medien sind ebenfalls möglich, beispielsweise in Form von Wasserdampf. Selbstverständlich ist es von der Erfindung aber ebenso umfasst, dass andere gasförmige oder flüssige Medien ebenfalls durch die Bestrahlungskammer leitbar und von der zumindest einen UV-Halbleiterlichtquelle bestrahlbar ist. Auch Lösungen von Feststoffen in Flüssigkeiten und/oder Aerosole sind davon umfasst.
Besonders bevorzugt kann die von der zumindest einen UV-Halbleiterlichtquelle emittierte Strahlung nach einer Mehrzahl von Reflektionen an der inneren Wandung der Bestrahlungskammer mit Hilfe eines Sensors überwacht, d. h. detektiert werden, welcher der zumindest einen UV-Halbleiterlichtquelle zugeordnet ist. Auf diese Weise können im Betrieb der erfindungsgemäßen Bestrahlungseinrichtung Informationen über den Reflektionsgrad der Bestrahlungskammer und/oder die Absorption des in der Bestrahlungskammer befindlichen Mediums gewinnbar gemacht werden, aber auch über die Funktionsfähigkeit der zumindest einen UV-Halbleiterlichtquelle selbst und/oder den Verschmutzungsgrad der Bestrahlungskammer. Dies kann den Wartungszustand der Bestrahlungseinrichtung indizieren und auf diese Weise den Einsatz in besonders sicherheitsbedürftigen Verkehrsmitteln wie z. B. Flugzeugen, aber auch in Massenverkehrsmitteln wie Automobilen oder Zügen erleichtern.
Eine noch bessere Überwachung des Betriebszustandes wir möglich, wenn mehr als ein Sensor zur Überwachung eingesetzt wird. Sollen die drei Parameter Leistung der UV-Halbleiterlichtquelle, Trübung des zu bestrahlenden Mediums und Reflektivität der inneren Wandung Bestrahlungskammer detektiert werden, sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung vor, dass sich ein Sensor an der UV-Halbleiterlichtquelle befindet und dort die von ihr emittierte Strahlungsleistung detektiert, ein weiterer Sensor am ersten Reflektionspunkt an der inneren Wandung die Trübung des durch die Kammer leitbaren Mediums misst und ein weitere Sensor am Ende der Reflektionskette die Reflektivität und damit Verschmutzung und/oder Beschädigungen der inneren Wandung der Bestrahlungskammer bemerkbar macht.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren beruht auf den Wirkungsprinzipien der beschriebenen erfindungsgemäßen Bestrahlungseinrichtung. Es sieht vor, dass das zu bestrahlende Medium entlang der Hauptflussrichtung R durch eine Bestrahlungskammer geleitetet und mit von zumindest einer UV-Halbleiterlichtquelle emittierten UV-Strahlung bestrahlt wird. Die voran definierte Primärstrahlung der zumindest einen UV-Halbleiterlichtquelle tritt dabei in einem Winkel α von größer als 60° und bevorzugt kleiner als 90° gemessen zur Hauptflussrichtung R durch das zu bestrahlende Medium und die innere Wandung der Bestrahlungskammer weist für die emittierte Strahlung der UV-Halbleiterlichtquelle einen ebenso voran definierten Reflektionsgrad von mindestens 95% auf, so dass die von der UV-Halbleiterlichtquelle emittierte Strahlung mehrfach innerhalb der Bestrahlungskammer reflektiert wird. Alle bezüglich der Bestrahlungseinrichtung bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
Die erfindungsgemäße Bestrahlungseinrichtung wird bevorzugt zur Sterilisation und/oder Desinfektion von durch die Bestrahlungskammer geleiteten Medien eingesetzt. Die Wirkungsweise der Sterilisation und/oder Desinfektion wurde zuvor beschrieben. Aufgrund ihrer Kompaktheit und Effizienz kann die erfindungsgemäße Desinfektions- und/oder Sterilisationsbestrahlungseinrichtung bevorzugt in Fahrzeugen eingesetzt werden, beispielsweise in Flugzeugen, Automobilen (Bussen, PKW und LKW), Schiffen, Unterseebooten oder Zügen, zur Aufbereitung der Luft in der Passagierkabine und/oder im Führerstand.
Eine weitere bevorzugte Anwendung ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Bestrahlungseinrichtung als Reaktor. In einem solchen werden durch die emittierte UV-Strahlung chemische und/oder biochemische Reaktionen induziert. Solche Reaktionen sind insbesondere photoinduzierte Reaktionen wie beispielsweise die Vernetzung von Kunststoffen oder das Aufspalten von chemischen Bindungen.
Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die physikalische Anregung von Molekülen und/oder Atomen in einen höheren physikalischen Anregungszustand. Dies kann beispielsweise dazu genutzt werden, um effizient Singulettsauersstoff, auch bekannt als ”aktiver Sauerstoff” zu erzeugen. Weil die direkte Anregung durch Absorption von Triplett-Grundzustandssauerstoff zu elektronisch angeregtem Singulettsauerstoff aufgrund der quantenmechanischen Auswahlregeln nur extrem ineffizient erfolgen kann, werden dazu Sensibilisatoren verwendet. Diese sind üblicherweise Singulett-Grundzustandsmoleküle, welche durch Absorption in einen elektronisch angeregten Singulett- und/oder Triplettzustand gebracht werden. Durch Kollissionen mit Grundzustandssauerstoff kann es zu einer Energieübertragung auf den Sauerstoff kommen, so dass elektronisch angeregter Singulettsauerstoff (¹Δ_g und ¹Σ_g ⁺) entstehen können. Die effizientesten Sensibilisatoren erreichen dabei Quanteneffizienzen von nahezu 1, wie beispielsweise Phenalenon, Phenazin und Benzanthron.
Einer der bekanntesten Sensibilisatoren ist Tetraphenylporphyrin (mitsamt seinen Derivaten). Er wird zur photodynamischen Krebstherapie eingesetzt, bei welcher die Eigenschaft von Singulettsauerstoff als starkes Zellgift ausgenutzt wird, indem mit ihm das Gewebe des Krebs zerstört wird. Die geeigneten Sensibilisatoren weisen üblicherweise eine starke Absorbtion im UV-Spektralbereich auf, so dass die erfindungsgemäße Bestrahlungseinrichtung vorteilhaft zur Produktion von Singulettsauerstoff verwendet werden kann. Auch heimische Anwendungen können auf diese Weise realisiert werden, beispielsweise Reinigungsbäder für Protesen und Hygieneartikel wie beispielsweise Zahnbürsten und Rasierapparate.
Die Erfindung soll anhand der Figuren eingehender erläutert werden. Es zeigen
1: Eine UV-LED Bestrahlungseinrichtung gemäß dem Stand der Technik.
2: Eine weitere UV-LED Bestrahlungseinrichtung gemäß dem Stand der Technik.
3: Eine erfindungsgemäße UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung.
4: Eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung.
5: Eine weitere alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung.
6: Eine weitere alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung.
7: Eine weitere alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung.
8: Eine weitere alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung.
Alle Figuren sind schematisch und dienen der Verdeutlichung. Die Abmessungen und/oder Proportionen der Zeichnungen müssen nicht mit den tatsächlichen Vorrichtungen übereinstimmen.
1 stellt eine aus der US 2005/0242013 A1 bekannte Sterilisationskammer mit einer Vielzahl von UV-LEDs (1) dar. Wie eingangs beschrieben fließt das zu bestrahlende Medium in der Hauptflussrichtung R an den UV-LEDs (1) vorbei, wobei von den UV-LEDs (1) emittierte Strahlung das zu bestrahlende Medium senkrecht zu dessen Hauptflussrichtung (R) durchtritt. Der dem Strom des Mediums in der Kammer (2) zur Verfügung stehende Querschnitt wird in der Kammer (2) verringert, so dass sich die Strömungsgeschwindigkeit in den beiden Ästen im Vergleich zur Zuleitung erhöht. Dadurch wird die Wechselwirkungswahrscheinlichkeit verringert und muß mit einer höheren Anzahl von teuren UV-LEDs (1) kompensiert werden. Mehrfachreflektionen in der Kammer sind nicht beabsichtigt, die UV-LEDs (1) strahlen sich gegenseitig an. Ferner ist mit einer Geräuschentwicklung durch die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit zu rechnen, welche ebenfalls unerwünscht ist.
2 zeigt die in der US 7,520,978 B2 vorgeschlagene UV-LED-Bestrahlungseinrichtung. Eine Vielzahl von UV-LEDs (1) sind einseitig auf Trägerelementen (20) angebracht, welche Durchtrittsöffnungen für das durch die Kammer (2) zu leitende Medium aufweisen. Die Trägerelemente sind innerhalb der Bestrahlungskammer (2) so angebracht, dass sich die UV-LEDs (1) gegenseitig bestrahlen und so die Strahlungsintensität in der Bestrahlungskammer (2) möglichst hoch ist. Verglichen mit den Zuleitungen ist der Querschnitt der Bestrahlungskammer (2) sehr groß, die Strömungsgeschwindigkeit des durch die Kammer (2) geleiteten Mediums wird reduziert. Es sei dahingestellt, ob sich im Mittel die Hauptflussrichtung (R) einstellt oder hauptsächlich eine Verwirbelung stattfindet. Trotz der reduzierten Flussgeschwindigkeit kann es in dieser Kammer (2) zu unerwünschten Geräuschentwicklungen kommen, weil das in die Kammer (2) eintretende Medium expandieren kann und/oder durch den Durchtritt durch die engen Durchgangsöffnungen die Trägerelemente und/oder die Wandung (3) in Vibration geraten kann. Auf jeden Fall weist die dargestellte Kammer ein großes Volumen auf, so dass die vorgeschlagene UV-LED-Bestrahlungseinrichtung keine kompakte Bauform aufweisen kann.
Der US 7,520,978 B2 ist ebenfalls zu entnehmen, dass die innere Wandung (3) reflektiv für die von den UV-LEDs (1) emittierte Strahlung sein kann. Aufgrund der in der Kammer angebrachten Trägerelemente (20) und der Abstrahlcharakteristik der UV-LEDs (1) kann es aber nicht zu Mehrfachreflektionen in der Kammer (2) kommen, weil die emittierte Strahlung sehr schnell von den Trägerelementen (20) und/oder den darauf angebrachten UV-LEDs (1) absorbiert wird. Auch dadurch ist die Wechselwirkungswahrscheinlichkeit der emittierten UV-Strahlung mit dem durch die Kammer (2) geleiteten Mediums gering, so dass ebenfalls eine große Zahl von UV-LEDs (1) vorgesehen ist.
In 3 ist eine erfindungsgemäße UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung schematisch dargestellt. In dieser Ausführungsform ist die zumindest eine UV-Halbleiterlichtquelle (1), bevorzugt eine UV-LED (1), außerhalb der Bestrahlungskammer (2) angebracht. Die von der UV-Halbleiterlichtquelle (1) emittierbare Strahlung wird im Betriebszustand durch ein optisches Element (4) durch das für die Strahlung weitgehend durchlässige Fenster (5) in die Bestrahlungskammer (2) eingekoppelt. Das Fenster (5) kann mit den weiter oben beschriebenen Methoden an der Wandung (3) der Bestrahlungskammer befestigt sein.
Der Strahlengang der von der UV-Halbleiterlichtquelle (1) emittierbaren Strahlung ist schematisch bei allen Figuren durch die dargestellten Pfeile symbolisiert. In 1 ist die von der UV-Halbleiterlichtquelle (1) emittierbare Strahlung als divergent dargestellt. Das optische Element (4) parallelisiert bevorzugt die Strahlung. Das optische Element (4) kann direkt auf der UV-Halbleiterlichtquelle (1) angebracht sein oder separat. Auch ist es möglich, dass das optische Element (4) ein weiteres Element ist, das in Kombination mit direkt auf der UV-Halbleiterlichtquelle (1) angebrachten weiteren oder sonstigen optischen Elementen wirkt. Seine Aufgabe ist es, zumindest einen geeigneten, bevorzugt weitgehend kollimierten, Strahl von Primärstrahlung (10) in die Bestrahlungskammer (2) zu leiten.
Die Bestrahlungskammer weist einen nahezu gleichen Querschnitt auf wie die Zu- und Ableitungen (30). Im vorliegenden Fall hat die Bestrahlungskammer (2) die Form eines Rohres und das zu bestrahlende Medium wird im Betriebszustand entlang der ebenfalls als Pfeil dargestellten Hauptflussrichtung R durch die Bestrahlungskammer (2) geleitet. Bevorzugt ist die Strömung laminar. Die Zu- und Ableitungen (30) können wie dargestellt mit einer Muffe versehen sein, um die Bestrahlungskammer (2) mit den Zu- und Ableitungen (30) verbindbar zu machen. Ebenso ist es möglich, die Bestrahlungskammer (2) mit einer Muffe zu versehen. Die Muffe kann ein- oder mehrteilig ausgeführt sein. Selbstverständlich ist jegliche andere geeignete Ausführung der Verbindung ebenso möglich und von der Erfindung umfasst.
Gemäß der dargestellten Ausführungsform ist die UV-Halbleiterlichtquelle (1) in einem solchen Winkel außerhalb der Bestrahlungskammer (2) angebracht, dass die emittierte Primärstrahlung (10) der UV-Halbleiterlichtquelle (1) im Betriebszustand das durch die Kammer (2) strömende Medium in einem Winkel α von größer als 60° durchtritt. α wird dabei von der Hauptflussrichtung R aus gemessen. Laut Winkelkonvention wird dabei der kleinere Winkel als α benannt, der Nebenwinkel beträgt also weniger als 120°. Im vorliegenden Fall liegt die von der UV-Halbleiterlichtquelle (1) emittierbare Primärstrahlung (10) als ein Strahlenbündel vor, das gemäß der 3 in Richtung der Hauptflussrichtung R in der Bestrahlungskammer (2) hin und her reflektiert wird. Es ist aber ebenso möglich, dass die Hauptflussrichtung R in die entgegengesetzte Richtung läuft bzw. dass die zumindest eine UV-Halbleiterlichtquelle (1) am anderen Ende der Bestrahlungskammer (2) angebracht ist, so dass im Betriebszustand die emittierte Strahlung gegen die Hauptflussrichtung läuft.
Die Mehrfachreflektion ist ein wesentliches Element der erfindungsgemäßen UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung. Um sie zu erreichen, ist die innere Wandung (3) der Bestrahlungskammer (2) durch geeignete und zuvor bereits beschriebene Maßnahmen so ausgestaltet worden, dass die Strahlung reflektiert werden kann. Der Reflektionsgrad der inneren Wandung (3) der Bestrahlungskammer (2) beträgt wie bereits beschrieben erfindungsgemäß mindestens 95%. Die Fähigkeit zur Mehrfachreflektion wird gemäß der in der in 3 dargestellten Ausführungsform auch dadurch erreicht, dass sich die zumindest eine UV-Halbleiterlichtquelle (1) außerhalb der Bestrahlungskammer (2) befindet und die emittierte Strahlung von dem Fenster (5) wegläuft. Um den gesamten Reflektionsgrad der Kammer und damit die Fähigkeit zur Mehrfachreflektion weiter zu erhöhen, kann es auch vorgesehen werden, das durchlässige Fenster (5) halbdurchlässig zu verspiegeln, so dass zwar die emittierbare Strahlung von der UV-Halbleiterlichtquelle (1) in Richtung der Bestrahlungskammer (2) hindurchtreten, nicht aber wieder von dem Inneren der Kammer (2) wieder heraustreten kann. An dieser Stelle soll noch einmal betont werden, dass sich bei der Messung des gesamten Reflektionsgrades kein zu bestrahlendes Medium in der Kammer (2) befindet, so dass der Reflektionsgrad die Fähigkeit der inneren Wandung (3) angibt, das von der zumindest einen UV-Halbleiterlichtquelle (1) emittierbare Licht im Innern der Kammer (2) zu reflektieren.
In 4 ist eine Variation der in 3 abgebildeten Ausführungsform dargestellt. Das optische Element (4) ist in die Wandung (3) der Bestrahlungskammer (2) eingesetzt. Dadurch ist das optische Element (4) sozusagen auch ein funktionalisiertes Eintrittsfenster (5). Auch hier ist es möglich, dass das optische Element (4) zusammen mit nicht abgebildeten optischen Elementen eingesetzt wird. Gemäß der in 4 dargestellten Ausführungsform hat das optische Element (4) eine besondere Form, die es ermöglicht, die von der UV-Halbleiterlichtquelle (1) emittierte Strahlung nicht nur prinzipiell zu parallelisieren, sondern auch in zwei Teilstrahlen aufzuspalten. Jeder dieser Teilstrahlen durchtritt im Betriebszustand das entlang der Hauptflussrichtung R durch die Bestrahlungskammer (2) leitbare zu bestrahlende Medium in einem Winkel α von größer als 60°. Die Primärstrahlung (10, 11) ist wie bzgl. deren Definition beschrieben für jeden der Teilstrahlen einzeln zu betrachten und für jeden der Teilstrahlen ist die Bedingung α > 60° und bevorzugt α ≤ 90° erfüllt.
Somit ist es möglich, das optische Element (4) in der Mitte der Bestrahlungskammer (2) anzuordnen und die zumindest eine UV-Halbleiterlichtquelle (1) senkrecht zur Achse der Bestrahlungskammer (2) anzubringen. Die Winkelbedingung zum Einstrahlen wird durch die Ausformung des optischen Elements (4) erreicht. Die von der UV-Halbleiterlichtquelle (1) emittierte Primärstrahlung (10, 11) verläuft in zwei Teilstrahlen, einmal entgegen der Hauptflussrichtung R, einmal mit der Hauptflussrichtung R. Auf diese Weise ergibt sich eine besonders kompakte und einfach zu montierende UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung.
In der in 5 dargestellten Ausführungsform findet wiederum das bzgl. 4 beschriebene besonders ausgeformte optische Element (4) Verwendung. Diesmal ist es allerdings kolinear zur Achse der Bestrahlungskammer (2) an dieser angebracht. Die Form der Bestrahlungskammer (2) erinnert an ein Winkelversatzstück. Das durch die Kammer (2) leitbare zu bestrahlende Medium durchläuft die Bestrahlungskammer (2) nun nicht kolinear, so dass die Hauptflussrichtung R gegenüber der Wandung (3) der Bestrahlungskammer (2) geneigt ist. Die Querschnittsfläche der Bestrahlungskammer (2) ist dennoch im wesentlichen genauso groß wie die Querschnittsfläche der Zu- und der Ableitung (30).
Das optische Element (4) parallelisiert auch in dieser Ausführungsform prinzipiell wieder die von der UV-Halbleiterlichtquelle (1) emittierte Strahlung und spaltet diese in 2 Teilstrahlen auf, welche zwei Äste von Primärstrahlung (10, 11) bilden. Jeder dieser Äste durchtritt die Hauptflussrichtung R in dem Winkel α, für den erfindungsgemäß die genannte Winkelbedingung gilt.
6 zeigt wiederum eine Variation der in 4 vorgestellten Ausführungsform, bei welcher der UV-Halbleiterlichtquelle (1) ein Sensor (6) zugeordnet ist. Der Sensor ist gemäß dieser Figur außerhalb der Bestrahlungskammer (2) angebracht. Damit die emittierte Strahlung nach einigen Reflektionen an der inneren Wandung (3) der Kammer auf den Sensor treffen kann, ist in der Wandung (3) und vor dem Sensor (6) ein weiteres für die Strahlung durchlässiges Fenster (5) angebracht. Der Sensor kann bevorzugt die Intensität der reflektierten Strahlung messbar und so Rückschlüsse über den gesamten Reflektionsgrad der Bestrahlungskammer (2) und somit auch über deren Verschmutzungsgrad gewinnbar machen. Daher ist dem Sensor in dem konkreten Bauteil üblicherweise eine Auswerteelektronik zugeordnet, welche bevorzugt auch Einfluss auf die Intensität der von der UV-Halbleiterlichtquelle (1) emittierten Strahlung nehmen kann. Diese Ausführungsform ist besonders geeignet, wenn das durch die Kammer (2) zu leitende Medium besonders aggressiv ist und/oder hohe Temperaturen aufweist.
7 stellt eine Variation der in 6 beschriebenen Ausführungsform dar, bei welcher der Sensor (6) in der Wandung (3) der Bestrahlungskammer (2) angebracht ist. Auf diese Weise kann auf das Fenster (5) verzichtet werden.
In 8 ist wiederum eine Variation der Ausführungsform der 6 und 7 dargestellt, bei der sich der Sensor (6) im Innern der Bestrahlungskammer (2) befindet. Ein Durchführungselement (61) ist in der Wandung (3) der Kammer (2) eingelassen und verschließt diese. In dem Durchführungselement (61) sind die Leitungselemente (62) eingelassen bzw. führen durch dieses hindurch, um den Sensor mit elektrischem Strom zu versorgen und/oder die Messsignale von ihm erhaltbar zu machen. Die Leitungselemente (62) sind bevorzugt an die dem Sensor wie beschrieben zugeordnete Auswerteelektronik anschließbar. Wie ebenfalls bereits beschrieben ist das Durchführungselement (61) bevorzugt eine Glas-Metall-Durchführung, die besonders geeignet ist, wenn die Wandung (3) der Bestrahlungskammer (2) aus einem Metall gefertigt ist.
Neben den erwähnten UV-LEDs (1) können bei allen beschriebenen Ausführungsformen, insbes. gemäß den 3 bis 8, auch UV-Diodenlaser (1) eingesetzt werden.
Die beschriebene erfindungsgemäße UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung kommt aufgrund der gezielten Strahlführung und der Mehrfachreflektion in der Bestrahlungskammer (2) mit wenigen UV-Halbleiterlichtquellen (1) aus. Dies macht sie sowohl in der Herstellung als auch im Betrieb kosteneffizient. Aufgrund des Ausnutzens der geeigneten Strahlführung ist sie auch kompakt zu bauen und die Größe der Querschnittsflächen der Bestrahlungskammer (2) kann im wesentlichen derjenigen der Zu- und Ableitungen (30) entsprechen, so dass das durch die Kammer (2) geleitete Medium im Betriebszustand zu keiner nennenswerten Geräuschentwicklung sorgt. All dies macht die erfindungsgemäße UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung benutzerfreundlich und einsetzbar auch in vielen nichtindustriellen Anwendungen, insbesondere in Verkehrsmitteln und in der Nähe von Passagieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2005/0242013 A1 [0004, 0061]
US 7520978 B2 [0005, 0062, 0063]

Claims

UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung umfassend zumindest eine UV-Halbleiterlichtquelle (1) und eine Bestrahlungskammer (2), durch die ein zu bestrahlendes Medium entlang der Hauptflussrichtung R leitbar ist, wobei die von der UV-Halbleiterlichtquelle (1) emittierte Primärstrahlung (10, 11) im Betriebszustand in einem gemittelten Winkel α von größer als 60° zur Hauptflussrichtung R durch das zu bestrahlende Medium hindurchtritt und die innere Wandung (3) der Bestrahlungskammer (2) für die emittierte Strahlung der UV-Halbleiterlichtquelle einen Reflektionsgrad von mindestens 95% aufweist, so dass die von der UV-Halbleiterlichtquelle (1) emittierte Strahlung mehrfach innerhalb der Bestrahlungskammer (2) reflektiert werden kann.
UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei im Betriebszustand weniger als 5% der von der UV-Halbleiterlichtquelle (1) emittierten Strahlung von der inneren Wandung (3) der Bestrahlungskammer auf die UV-Halbleiterlichtquelle zurückreflektiert wird.
UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die UV-Halbleiterlichtquelle (1) eine UV-LED oder ein UV-Halbleiterlaser ist.
UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die UV-Halbleiterlichtquelle (1) außerhalb der Bestrahlungskammer angeordnet ist und die von der UV-Halbleiterlichtquelle (1) emittierte Strahlung durch ein für diese Strahlung weitgehend durchlässiges Eintrittsfenster (5) und/oder ein optisches Element (4) in die Bestrahlungskammer (2) einkoppelbar ist.
UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bestrahlungseinrichtung eine Gütezahl FOM₂ aufweist, die größer als 1000 m^–2 ist, bevorzugt größer als 5000 m^–2, besonders bevorzugt größer als 10000 m^–2, ganz besonders bevorzugt größer als 15000 m^–2, wobei FOM₂ berechnet wird durch FOM₂ = (Dosis·Strom)/(Leistung·Volumen).
UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Querschnittsfläche der Bestrahlungskammer (2) einen Wert aufweist, der im wesentlichen dem Wert der Querschnittsfläche der Einlassöffnung in die Bestrahlungskammer und im wesentlichen dem Wert der Auslassöffnung der Bestrahlungskammer entspricht, so dass das durch die Bestrahlungskammer (2) leitbare Medium mit einer im wesentlichen gleichen Flussgeschwindigkeit wie in den Zuleitungs- und Ableitungsbereichen durch die Bestrahlungskammer leitbar ist.
UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das durch die Bestrahlungskammer (2) leitbare Medium im wesentlichen Luft und/oder Wasser ist.
UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest einen UV-Halbleiterlichtquelle (1) zumindest ein Sensor (6) zugeordnet ist, welcher im Betriebszustand die Intensität der von der UV-Halbleiterlichtquelle (1) emittierten Strahlung nach einer Mehrzahl von Reflektionen an der inneren Wandung (3) der Bestrahlungskammer (2) detektierbar und somit bevorzugt Informationen über den Reflektionsgrad der Bestrahlungskammer (3) und/oder die Absorption des in der Bestrahlungskammer (3) befindlichen Mediums gewinnbar macht.
Verfahren zum Bestrahlen von durch eine Bestrahlungskammer (2) entlang der Hauptflussrichtung R geleiteten Medien mit UV-Strahlung, wobei die UV-Strahlung von zumindest einer UV-Halbleiterlichtquelle (1) emittiert wird, deren Primärstrahlung (10, 11) in einem Winkel α von größer als 60° zur Hauptflussrichtung R durch das zu bestrahlende Medium hindurchtritt und die innere Wandung (3) der Bestrahlungskammer (2) für die emittierte Strahlung der UV-Halbleiterlichtquelle (1) einen Reflektionsgrad von mindestens 95% aufweist, so dass die von der UV-Halbleiterlichtquelle (1) emittierte Strahlung beim Bestrahlen mehrfach innerhalb der Bestrahlungskammer (2) reflektiert wird.
Verwendung einer UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Sterilisation und/oder Desinfektion und/oder zum Induzieren von chemischen und/oder biochemischen Reaktionen und/oder zur physikalischen Anregung von Molekülen und/oder Atomen in einen höheren physikalischen Anregungszustand.