DE102010047318A1 - Ultraviolet semiconductor light source irradiation device useful for e.g. sterilization and physical excitation of molecules into higher physical excitation state, comprises ultraviolet semiconductor light source and irradiation chamber - Google Patents
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Abstract
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.The invention relates to a UV semiconductor light source irradiation device in which a medium conducted through an irradiation chamber efficiently interacts with the emitted UV radiation and thus can be changed, and a method which efficiently enables said irradiation. The UV semiconductor light source irradiation device according to the invention can be used, for example, for the sterilization of flowing media, but also as a reactor for chemical and / or biochemical reactions and / or for generating physically excited states of molecules and / or atoms.
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.It has long been known to use ultraviolet (UV) radiation to kill germs. This principle is used for example in water treatment plants. Usually a special burner produces short-wave UV radiation that kills germs in the water. The principle of action is based on the fact that the short-wave UV radiation penetrates the cell nuclei of bacteria and destroys their genetic material, so that they can not multiply. The use of UV radiation especially for sterilizing drinking water is considered to be particularly environmentally friendly and health-friendly, because in the water treatment process no chemicals such as chlorine are necessary, which can pollute the drinking water and / or wastewater.
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.However, mercury vapor low pressure, medium pressure, high pressure and maximum pressure lamps are usually used as burners for generating the UV radiation. Even the use of highly toxic mercury makes the environmental friendliness of this technology seem at least relatively, and the power consumption of these lamps is very high, if the required power density of UV radiation is to be generated. Likewise, the known mercury vapor lamps act approximately as Lambertian radiators, d. H. They radiate the emitted radiation approximately equally into the entire space without having a specific preferred direction. For this reason, systems with UV lamps in water treatment plants are constructed such that the UV radiation source is arranged in a quartz tube coaxially housed in a conduit, so that the water to be treated flows as evenly along the outer circumferential surface of the quartz tube in its longitudinal direction. The quartz tube itself is required because it must be transparent to the emitted UV radiation. But it is very expensive to manufacture and to buy.
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
Die
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.These constructions have several disadvantages. On the one hand, energy consumption increases with the number of UV LEDs used. Furthermore, UV LEDs are simply expensive, so that the proposed solutions are also very expensive to manufacture. And on the other hand, the change of the flow cross-section in the chamber in addition to an increase in the required space to a reduced throughput can lead to unwanted side effects such as unpleasant noise developments. However, many new applications call for a high efficiency of such irradiation devices with a simultaneously compact design. Also disturbing noise developments, for example, in the sterilization of the air supply of vehicles such as automobiles, passenger aircraft and / or trains are intolerable.
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. The object of the invention is therefore to provide an irradiation device based on UV semiconductor light sources, which has a small installation space and high energy efficiency, as well as an efficient method for irradiating flowing media with UV radiation.
Die Aufgabe wird gelöst durch die UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung gemäß den Hauptansprüchen. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den davon abhängigen Ansprüchen.The object is achieved by the UV semiconductor light source irradiation device according to the main claims. Preferred embodiments will be apparent from the dependent claims.
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.A UV semiconductor light source irradiation device according to the invention contains at least one UV semiconductor light source and an irradiation chamber which has a reflectance of at least 95%. For the purposes of the invention, UV semiconductor light source means any semiconductor light source which emits electromagnetic radiation in the ultraviolet (abbreviated UV) spectral range. The ultraviolet spectral range includes wavelengths of about 400 nm to about 3 nm. The preferred range, which has proven to be particularly advantageous for the cell inactivation, is about 200 nm to 280 nm. UV semiconductor light sources according to the invention are in particular Light-emitting diodes (Light Emitting Diode, abbreviated LED or UV-LED, if they emit UV radiation) understood. However, it is also possible to use UV semiconductor lasers, in particular UV diode lasers.
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.The irradiation chamber defines a volume through which a medium to be irradiated can be passed. Preferably, it is tubular. The tube may have, for example, a circular, an oval, a rectangular or a polygonal diameter geometry.
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.The flow of the medium to be irradiated in the irradiation chamber takes place along a main flow direction R. The main flow direction R represents the averaged path of the individual elements of the flowing medium to be irradiated through the irradiation chamber and thus represents an idealized direction which is not necessarily of all the elements of the flowing one irradiated medium is observed. The main flow direction R adjusts itself during operation of the UV semiconductor light source irradiation device according to the invention when the medium to be irradiated is passed through the irradiation chamber.
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.The at least one UV semiconductor light source according to the invention is mounted so that in the operating state, d. H. when a medium to be irradiated flows through the irradiation chamber and when the UV semiconductor light source is turned on and emits radiation, the primary radiation of the UV semiconductor light source at an average angle α greater than 60 °, and preferably less than 90 °, hereinafter called angle condition the medium to be irradiated passes. α is measured from the main flow direction R and at that beam of the beam path, which first intersects the vector of the main flow direction R.
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.UV semiconductor light sources usually emit light not only in one direction, but the emission takes place in an angular distribution. Therefore, in the present specification, the term of the primary radiation and the averaged angle α is used. Primary radiation is the radiation flow of the UV semiconductor light source integrated within the irradiation chamber over all solid angles of the emission, so that the direction of the primary radiation in simplified terms corresponds to the direction of the light flux averaged in the irradiation chamber, the radiation emission of the UV semiconductor light source. For reasons of clarity, therefore, α is also spoken of the averaged angle.
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.The definition of the primary radiation applies to every partial beam that is effective in the operating state in the irradiation chamber. If the radiation of the UV semiconductor light source is split, for example, by a beam splitter or another suitable optical element into two sub-beams, the primary radiation of each of these sub-beams passes through the main flow direction R under the aforementioned angle condition for the averaged angle 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.The mode of operation of the irradiation device according to the invention is based on the fact that the radiation of the UV semiconductor light source, if it is irradiated into the irradiation chamber under the aforementioned angle conditions, can be reflected several times in the irradiation chamber, so that even with a low absorption of the medium to be irradiated by the multiple reflection a sufficiently large optical path length is provided within the irradiation chamber, so that a sufficiently large interaction probability of the UV quantum emitted by the semiconductor light source with the corresponding. Element of the medium to be irradiated is achieved. For this reason, the degree of reflection of the inner wall of the irradiation chamber according to the invention is at least 95%. The degree of reflection indicates how much of the intensity of the emitted primary radiation after the first reflection on the inner wall of the irradiation chamber is still present, with no to be irradiated in this measurement Medium is in the irradiation chamber or such a medium is used, which does not substantially absorb the radiation emitted by the UV semiconductor light source radiation.
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.To achieve the degree of reflection, the inner wall may preferably be mirrored. Methods for mirroring, for example by metal evaporation, are well known. The irradiation chamber itself may preferably consist of metals, plastics or glass, or of combinations of these materials.
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.In contrast to the UV-LED irradiation devices known from the prior art, which in principle simulate the beam paths and action mechanisms known from mercury vapor lamps, the irradiation device according to the invention uses the emission characteristic of semiconductor light sources and the optical beam paths possible therewith in order to achieve the object. In operation, semiconductor light sources emit radiation at narrow angles of radiation, that is, in a small solid angle range, because optical elements are mounted near LEDs in close proximity to the emission surface, and semiconductor lasers emit highly forwardly directed radiation with little divergence. By contrast, LEDs without optical elements mounted directly in front of them have the behavior of a Lambertian emitter, which emits in large solid angle ranges. Nevertheless, the light emitted by LEDs can be well collimated.
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.The radiation directed to the front increases the power density per unit area of an irradiated measuring surface. The comparison to UV low-pressure mercury lamps shows that already widespread blue LEDs with an emission at 450 nm have a higher power density. Thus, the power density of UV low-pressure mercury lamps is about 1 mW per square millimeter, while that of blue LEDs with an emission at 450 nm is about 1000 mW per square millimeter. Even today's UV LEDs achieve much higher power densities than UV mercury lamps. However, the higher power densities of available semiconductor light sources are not exploited by the prior art UV LED irradiators.
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.Likewise, in the UV-LED irradiation devices known from the prior art, it is possible for the radiation emitted by an LED to hit this LED again by reflection, or even other LEDs are irradiated directly. This can on the one hand reduce the overall efficiency of the system, but also lead to damage and / or reduction of the life of the LEDs. In a preferred embodiment of a UV semiconductor light source irradiation device according to the invention, the at least one UV semiconductor light source is therefore arranged such that in the operating state less than 5% of the radiation emitted by the at least one UV semiconductor light source from the inner wall of the irradiation chamber is returned to this UV radiation. Semiconductor light source hits. The emitted radiation is therefore reflected, as it were, forward into the irradiation chamber, wherein the radiation chamber is designed so that a multiple reflection of the emitted radiation on the inner wall of the irradiation chamber is possible.
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.The at least one UV semiconductor light source may be mounted within the irradiation chamber. Suitable current feedthroughs can be guided through the wall of the irradiation chamber. For example, glass-metal bushings have proven particularly suitable in which current conductors made of metal are melted in an insulating material made of glass and / or sintered.
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.However, the at least one UV semiconductor light source is particularly preferably located outside the irradiation chamber and the radiation emitted by the at least one UV semiconductor light source can be coupled into the irradiation chamber by at least one window that is largely transparent to this radiation. For the purposes of the invention, largely permeable means that the window is designed with regard to its material and its shape so that the emitted UV radiation is not or at most absorbed only slightly by the window, so that a large part of the radiation power passes through the window into the irradiation chamber can. Suitable materials are, for example, UV-transparent glasses and / or quartz. The arrangement of the at least one UV semiconductor light source outside the irradiation chamber has the advantage that it can be exchanged and / or maintained more easily. In addition, it is the direct influences such as pressure, temperature and / or aggressive components of the medium to be irradiated, which is passed through the irradiation chamber, extracted. The arranged outside the irradiation chamber UV semiconductor light source may be mounted to achieve the aforementioned angle of the primary radiation by appropriate measures already at the appropriate angle.
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.The entrance window can be most easily formed in this case, for example in the form of a plane-parallel disk or plate. If the irradiation chamber is made of a metal, the entrance window can be connected to the irradiation chamber, for example by glass solders. This is a Pressling comprising the ground glass solder, if necessary. is mixed with an organic binder, placed in the form of a frame on the entrance window or around the opening in the irradiation chamber and / or applied to this in the form of a paste. By heating the components irradiation chamber, entrance window and glass solder a bond between these components can be achieved, which may even be hermetic. Hermetically means that virtually no medium can pass through the joint. Glass solder joints can even pass helium leak tests and are also characterized by extremely high durability, because they are not prone to high temperatures, UV radiation, disposition against chemically aggressive media, etc. If lower requirements are placed on the hermeticity of the connection and / or its durability, it is also possible in the sense of the invention, however, that the entrance window can be fixed with the aid of gluing methods, e.g. B. is connected to the irradiation chamber with organic adhesives.
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.An alternative embodiment provides that the radiation emitted by the UV semiconductor light source radiation is split by an optical element, so that the aforementioned angle condition of the passage of the primary radiation to the main flow direction R can be met. In this case, the UV semiconductor light source may be mounted substantially colinear or perpendicular to the longitudinal axis of the irradiation chamber and preferably mounted outside the irradiation chamber. In this case, the described optical element can simultaneously act as an entrance window, but it is also possible to design it as a separate element or as an element connected to the entrance window. It is likewise possible to realize the colinear or vertical arrangement with a UV semiconductor light source located within the irradiation chamber.
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.It is likewise possible to use more than one UV semiconductor light source in the irradiation device according to the invention. The UV semiconductor light sources used may preferably have their spectral emission maxima at different wavelengths. This may have advantages for eliminating a variety of different bacteria present in the medium conducted through the irradiation chamber and / or for inducing chemical reactions stepwise.
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
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.Dose stands for the total dose in J m -2 , which corresponds to the amount of radiation introduced over time. The total dose required for effective UV sterilization is 400 J m -2 , according to the US National Science Foundation and US Environmental Protection Agency, respectively. This dose is preferably at least achieved by the irradiation devices according to the invention.
Strom steht für die Menge des durch die Bestrahlungskammer leitbaren Mediums und repräsentiert damit den Volumenstrom in m–3s–1.Current stands for the quantity of medium which can be conducted through the irradiation chamber and thus represents the volume flow in m -3 s -1 .
Leistung steht für die von den UV-Halbleiterlichtquellen emittierte Strahlungsleistung in W.Power stands for the radiation power emitted by the UV semiconductor light sources 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.The unit of FOM 1 is meters. The figure of merit FOM 1 is high when, with the radiation power of the semiconductor light sources emitted small, a high dose is achieved in a large current of the medium conducted through the irradiation chamber. If a constant dose is used for the dose of the previously mentioned recommended value of 400 J m -2 , high values of FOM 1 result if a high volume flow with low radiation power can be realized in order to achieve the said total dose. This is achieved as described by a large path length of the photons in the irradiation chamber.
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
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. Volume represents the volume of the irradiation chamber. The unit of FOM 2 is m -2 . A reduced volume of the irradiation chamber thus improves FOM 2 . The aim is to achieve the highest possible values for FOM 2 . In a preferred embodiment, the UV semiconductor light source irradiation device according to the invention has values for FOM 2 which are greater than 1000 m -2 , particularly preferably greater than 5000 m -2 , very particularly preferably greater than 10000 m -2 and particularly particularly preferably greater as 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
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.In the overall comparison and the calculation of FOM 2 is assumed by a flow rate or short flow of the medium to be irradiated of 0.5 l / s. The total dose required for effective UV sterilization is 400 J m -2 as described.
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.Cross section is in Table 1 for the geometry of the cross-sectional area. From this the value of the cross-sectional area can be calculated and the product of this value can be used to calculate the chamber volume or, in short, the volume.
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.The required power of UV radiation is in principle dependent on the free path length of the UV quanta in the irradiation device. Power = (dose · current) / (free path) applies. Preference is given to using radiation in the UV-C spectral range which covers a wavelength range of 100 nm to 280 nm according to customary diction.
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.The first column lists the compared irradiation systems. "Conventional" here stands for a UV disinfection system in which a low-pressure lamp is used. The diameter of the tubular irradiation chamber is 9 cm, its length 0.94 m. Coaxially inside the low pressure lamp is attached. The free path length for a UV quantum is about 0.2 m in such a system, the required power of UV radiation is 11.7 W. Thus, the value for FOM 2 for such a system is calculated to be 3 m -2 , This means that the conventional system is very inefficient.
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
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.The embodiment of the invention "
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. Another variant "
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.This proves that in the UV semiconductor light source irradiation device according to the invention, thanks to the targeted beam guidance, the emitted UV radiation can interact much more efficiently with the medium to be irradiated than can the irradiation devices proposed in the prior art.
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.Particularly preferably, it is provided that two UV LEDs with emission maxima at 268 nm and 282 nm are arranged in the vicinity of the inlet opening of the irradiation chamber. By using UV LEDs with different spectral layers of the emission maxima, an increased effect can be achieved, in particular with different germs present in the medium to be conducted through the irradiation chamber. At most four UV LEDs are preferably installed in a UV semiconductor light source irradiation device according to the invention.
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.In a further preferred embodiment of the UV semiconductor light source irradiation device according to the invention, the cross-sectional area of the irradiation chamber has a value which substantially corresponds to the value of the cross-sectional area of the inlet opening in the irradiation chamber and substantially to the value of the outlet opening of the irradiation chamber. This means that preferably no substantial cross-section reduction of the lines of the system in which it is integrated by the irradiation chamber occurs. It can thereby be achieved that the medium which can be conducted through the irradiation chamber can be conducted through the irradiation chamber at a substantially same flow rate as in the supply and discharge regions. As a result, a good flow of the medium to be irradiated is ensured by the irradiation chamber and disturbing side effects, such as a noise and or vibration, largely avoided.
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.The UV semiconductor light source irradiation device according to the invention is preferably designed such that air and / or water can be conducted through it as a medium to be irradiated. Mixtures of both media are also possible, for example in the form of water vapor. Of course, however, it is likewise encompassed by the invention that other gaseous or liquid media can likewise be conducted through the irradiation chamber and can be irradiated by the at least one UV semiconductor light source. Also solutions of solids in liquids and / or aerosols are included.
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.Particularly preferably, the radiation emitted by the at least one UV semiconductor light source can be monitored by means of a sensor after a plurality of reflections on the inner wall of the irradiation chamber, i. H. be detected, which is associated with the at least one UV semiconductor light source. In this way, information about the degree of reflection of the irradiation chamber and / or the absorption of the medium located in the irradiation chamber can be made obtainable during operation of the irradiation device according to the invention, but also about the operability of the at least one UV semiconductor light source itself and / or the degree of contamination of the irradiation chamber. This can indicate the maintenance status of the irradiation device and in this way the use in particularly vulnerable means of transport such. As aircraft, but also in mass transit such as automobiles or trains easier.
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.Even better monitoring of the operating state is possible if more than one sensor is used for monitoring. If the three parameters of power of the UV semiconductor light source, turbidity of the medium to be irradiated and reflectivity of the inner wall irradiation chamber are to be detected, a preferred embodiment of the UV semiconductor light source irradiation device according to the invention provides that a sensor is located at the UV semiconductor light source and there Detected by her radiated power detected, another sensor at the first reflection point on the inner wall measures the turbidity of the medium through the chamber and another sensor at the end of the reflection chain makes the reflectivity and thus pollution and / or damage to the inner wall of the irradiation chamber noticeable.
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.An inventive method is based on the principles of action of the described irradiation device according to the invention. It provides that the medium to be irradiated along the main flow direction R is passed through an irradiation chamber and irradiated with UV radiation emitted by at least one UV semiconductor light source. The pre-defined primary radiation of the at least one UV semiconductor light source occurs at an angle α of greater than 60 ° and preferably less than 90 ° measured The main flow direction R through the medium to be irradiated and the inner wall of the irradiation chamber has for the emitted radiation of the UV semiconductor light source also a defined degree of reflection of at least 95%, so that the radiation emitted by the UV semiconductor light source is reflected multiple times within the irradiation chamber. All embodiments which are preferred with respect to the irradiation device also apply to the method according to the invention.
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.The irradiation device according to the invention is preferably used for the sterilization and / or disinfection of media conducted through the irradiation chamber. The mode of action of sterilization and / or disinfection has been described previously. Because of its compactness and efficiency, the disinfection and / or sterilization irradiation device according to the invention can preferably be used in vehicles, for example in aircraft, automobiles (buses, cars and trucks), ships, submarines or trains, for the treatment of the air in the passenger cabin and / or in cab.
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.Another preferred application is the use of the irradiation device according to the invention as a reactor. In such a chemical and / or biochemical reactions are induced by the emitted UV radiation. Such reactions are in particular photoinduced reactions such as, for example, the crosslinking of plastics or the breaking down of chemical bonds.
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 (1Δg und 1Σg +) entstehen können. Die effizientesten Sensibilisatoren erreichen dabei Quanteneffizienzen von nahezu 1, wie beispielsweise Phenalenon, Phenazin und Benzanthron.Another field of application is the physical excitation of molecules and / or atoms into a higher state of physical excitation. This can be used, for example, to efficiently generate singlet oxygen, also known as "active oxygen". Because direct excitation by absorption of triplet ground state oxygen to electronically excited singlet oxygen can only be extremely inefficient due to quantum mechanical selection rules, sensitizers are used. These are usually singlet ground state molecules, which are brought by absorption into an electronically excited singlet and / or triplet state. By collisions with ground state oxygen, an energy transfer to the oxygen can occur, so that electronically excited singlet oxygen ( 1 Δ g and 1 Σ g + ) can arise. The most efficient sensitizers achieve quantum efficiencies of nearly 1, such as phenalenone, phenazine and benzanthrone.
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.One of the best known sensitizers is tetraphenylporphyrin (and its derivatives). It is used for photodynamic cancer therapy, in which the property of singlet oxygen is exploited as a potent cytotoxin, destroying the tissue of the cancer. The suitable sensitizers usually have a strong absorption in the UV spectral range, so that the irradiation device according to the invention can advantageously be used for the production of singlet oxygen. Domestic applications can also be realized in this way, for example, cleaning baths for proteses and hygiene articles such as toothbrushes and razors.
Die Erfindung soll anhand der Figuren eingehender erläutert werden. Es zeigenThe invention will be explained in more detail with reference to the figures. Show it
Alle Figuren sind schematisch und dienen der Verdeutlichung. Die Abmessungen und/oder Proportionen der Zeichnungen müssen nicht mit den tatsächlichen Vorrichtungen übereinstimmen. All figures are schematic and serve to illustrate. The dimensions and / or proportions of the drawings need not be the same as the actual devices.
Der
In
Der Strahlengang der von der UV-Halbleiterlichtquelle (
Die Bestrahlungskammer weist einen nahezu gleichen Querschnitt auf wie die Zu- und Ableitungen (
Gemäß der dargestellten Ausführungsform ist die UV-Halbleiterlichtquelle (
Die Mehrfachreflektion ist ein wesentliches Element der erfindungsgemäßen UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung. Um sie zu erreichen, ist die innere Wandung (
In
Somit ist es möglich, das optische Element (
In der in
Das optische Element (
In
Neben den erwähnten UV-LEDs (
Die beschriebene erfindungsgemäße UV-Halbleiterlichtquellen-Bestrahlungseinrichtung kommt aufgrund der gezielten Strahlführung und der Mehrfachreflektion in der Bestrahlungskammer (
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