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Die Erfindung betrifft ein Fluiddesinfektionsverfahren mit einer Fluidströmung über Fluideinlass, Desinfektionskammer und Fluidauslass, wobei in der Desinfektionskammer das darin fließende Fluid mit UVC-Bestrahlung desinfiziert wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Fluiddesinfektionsvorrichtung mit einem Strömungsweg des Fluides über Fluideinlass, Desinfektionskammer und Fluidauslass, wobei in der Desinfektionskammer UVC-Lichtquellenmittel zur Desinfektion des darin fließenden Fluides angeordnet sind.
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Fluiddesinfektionsvorrichtungen sind im Stand der Technik in verschiedenen Ausgestaltungen und für verschiedene Anwendungen bekannt. Beispielsweise sind sogenannte Luftreiniger für Wohnräume bekannt, die einen Lufteinlass und einen Luftauslass mit einer dazwischenliegenden Reinigungskammer haben. In der Reinigungskammer sind dann Luftreinigungsmittel, häufig ein Filter oder Luftwäscher oder auch eine UV-Lichtbestrahlung, enthalten. Derartige Luftreiniger sind jedoch meist mit Netzstrom versorgt und entsprechend nicht oder nur sehr unhandlich mobil einsetzbar. Ferner ist ein Einsatz für besonders strenge Hygieneanforderungen, beispielsweise im Krankenhaus, Altenheimen und insbesondere für einzelne Personen mit den bekannten Luftreinigern nicht möglich, da der jeweilige Luftstrom nur unvollständig der keimtötenden UVC-Lichtbestrahlung ausgesetzt ist.
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Ferner sind Desinfektionsverfahren für Flüssigkeiten, bspw. in Schwimmbädern, Badeteichen oder Fischteichen bekannt, bei denen ein Wasserteilstrom zur Umwälzung und Filterung des Wassers zur Entkeimung mit UV-Licht bestrahlt wird.
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Ferner gibt es Atemschutzmasken, die ebenfalls eine Art Reinigungskammer aufweisen, in der keimtötendes Material (Filtermaterial) enthalten ist, durch das die Trägerperson der Maske Umgebungsluft beim Einatmen ansaugt. Dabei sind bei derartigen Masken auch häufig Ausatemventile vorgesehen, um einen kontrollierten Weg für die von der Trägerperson ausgeatmete Luft zu ermöglichen und zu vermeiden, dass beim Ausatmen der Trägerperson die Maske abhebt und somit Nebenluft ziehen könnte. Andererseits sind technisch aufwendige Luftzubereitungs- und Desinfektionsvorrichtungen bekannt, die beispielsweise für den stationären Einsatz in Krankenhäusern bekannt sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es jedoch ein Fluiddesinfektionsverfahren für Gase, insbesondere Luft, und Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, anzugeben, mit dem eine Desinfektion des Fluids dauerhaft, kostengünstig und energieeffizient möglich ist, die bevorzugt mobil einsetzbar ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Fluiddesinfektionsverfahren gemäß Anspruch 1 und einer Fluiddesinfektionsvorrichtung gemäß Anspruch 7.
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Dadurch, dass die Strömungsgeschwindigkeit der Fluidströmung in der Desinfektionskammer durch Aufteilung in eine Vielzahl von Kapillarströmungen mit deutlich gegenüber der Strömungsquerschnittsfläche des Fluideinlasses und/oder Fluidauslasses vergrößerter Gesamtquerschnittsfläche verringert wird, wird die Aufenthaltszeit des Fluids im Bereich der Desinfektionskammer entsprechend der niedrigeren Strömungsgeschwindigkeit verlängert, sodass die in der Desinfektionskammer wirkende UVC-Bestrahlung eine längere Einwirkzeit auf das darin fließende Fluid hat. Entsprechend können bei relativ geringer Intensität der UVC-Bestrahlung und somit geringem Energieverbrauch wirkungsvolle keimtötende Eigenschaften erzielt werden.
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Analog zeichnet sich die Erfindung vorrichtungsgemäß dadurch aus, dass der Strömungsweg in der Desinfektionskammer auf eine Vielzahl von Kapillaren aufgeteilt ist, wobei die Gesamtquerschnittsfläche über alle Kapillaren mindestens eine Größenordnung größer ist als die Strömungsquerschnittsfläche des Fluideinlasses und/oder Fluidauslasses. Entsprechend der erheblich größeren Gesamtquerschnittsfläche über alle Kapillaren verringert sich somit vorrichtungsgemäß im Bereich der Kapillaren die Strömungsgeschwindigkeit, sodass entsprechend der verfahrensgemäßen Lösung sich vorrichtungsgemäß die herabgesetzte Strömungsgeschwindigkeit in den Kapillaren ergibt.
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Wenn die Kapillarströmungen alle gleichen Strömungswiderstand haben, ergeben sich über alle Kapillaren im Wesentlichen gleichverteilte Teilströme, sodass die Strömungsgeschwindigkeit in den Kapillaren im Wesentlichen gleich ist. Entsprechend kann die Aufenthaltszeit von Fluidteilchen in den Kapillaren unter Einfluss der UVC-Bestrahlung bestimmt werden und in geeigneter Weise die Intensität der UVC-Bestrahlung an die Einwirkzeit angepasst werden.
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Dadurch, dass die UVC-Bestrahlung im Bereich der Kapillarströmungen in das fließende Fluid eingekoppelt wird, wird die UVC-Bestrahlung besonders wirkungsvoll in das fließende Fluid geleitet.
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In weiterer Ausbildung wird das Fluiddesinfektionsverfahren zur Desinfektion von Einatemluft im Einwegbetrieb verwendet. Somit wird die zu einer zu schützenden Person geleitete Atemluft stets mit dem Fluiddesinfektionsverfahren desinfiziert. Dabei wird lediglich die Einatemluft durch die Fluiddesinfektionsvorrichtung im Einwegbetrieb geleitet. Das Ausatmen erfolgt über ein gesondertes Überdruckventil zwischen der Fluiddesinfektionsvorrichtung und der Atemmaske für die zu schützende Person, wobei bspw. am Fluidauslass ein Rückschlagventil angeordnet sein kann, um ein unerwünschtes Rückfließen von Atemluft durch die Fluiddesinfektionsvorrichtung zu vermeiden.
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Alternativ wird das Fluiddesinfektionsverfahren zur Desinfektion von Ein- und Ausatemluft im Zweiwegbetrieb verwendet. Dabei wird sowohl die Einatemluft durch die Desinfektionskammer vom Fluideinlass zum Fluidauslass geleitet, sobald die zu schützende Person über eine Atemmaske Luft einsaugt, als auch anschließend die Ausatemluft ebenfalls durch die Desinfektionskammer in diesem Fall in entgegengesetzter Richtung vom „Fluidauslass“ zum „Fluideinlass“ rückgeleitet. Dabei ist zu berücksichtigen, dass das in den Leitungen zwischen Atemmaske und Fluiddesinfektionsvorrichtung befindliche Volumen möglichst klein ist, um ein unerwünscht zu großes Totvolumen, das lediglich immer wieder hin und her gepumpt wird und eine übermäßige Sauerstoffaufzehrung darin zu vermeiden.
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In weiterer alternativer Ausbildung wird das Fluiddesinfektionsverfahren zur Durchflussdesinfektion von Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, verwendet. Damit können Flüssigkeiten, insbesondere Wasser energieeffizient und kostengünstig desinfiziert werden.
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In weiterer Ausbildung der Vorrichtung ist die Gesamtquerschnittsfläche über alle Kapillaren mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei Größenordnungen größer als die Strömungsquerschnittsfläche des Fluideinlasses oder Fluidauslasses. Damit ist gewährleistet, dass im Bereich der Kapillaren eine erhebliche Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit der Fluidströmung erfolgt, sodass Strömungsgeschwindigkeiten des Fluids in den Kapillaren von < 0,01 m/s entstehen.
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Dadurch, dass für eine Ein- und/oder Ausatemluftdesinfektion die Strömungsquerschnittsfläche des Fluideinlasses und/oder Fluidauslasses 25 bis 500 mm2, insbesondere 50 bis 300 mm2 beträgt, wobei die Gesamtquerschnittsfläche über alle Kapillaren 104 bis 106 mm2, insbesondere 5 bis 10 x 104 mm2 beträgt, wird eine erhebliche Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit abgestimmt auf die Verwendung der Fluiddesinfektionsvorrichtung für Atemluft angegeben, bei der bspw. ein durchschnittliches Atemluftvolumen von 500 ml zugrunde gelegt wird. Dabei sinkt die Strömungsgeschwindigkeit deutlich unter 1 cm/s in den Kapillaren, sodass auch bei nur sehr kurzen Kapillarkanälen von wenigen Millimetern noch Verweilzeiten im Sekundenbereich in diesen Kapillaren gegeben sind, in denen das darin aufgenommene Fluid (hier Atemluft) der UVC-Bestrahlung ausgesetzt ist.
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Bevorzugt ist die Desinfektionskammer aus mehreren Schichten als Schichtstapel aufgebaut, wobei jede Schicht Fluidverbindungen zum Fluideinlass und zum Fluidauslass sowie eine Schichtdicke haben und die Kapillaren nebeneinander mit ihrer Durchströmungsrichtung in Richtung der Schichtdicke in einer Kapillarstruktur angeordnet sind. Damit ist es möglich, über die als Schichtstapel ausgebildeten mehreren Schichten jeweils Kapillarstrukturen auszubilden, die ein Vielfaches der Strömungsquerschnittsfläche des Fluideinlasses und/oder des Fluidauslasses in ihrer Gesamtheit (Gesamtquerschnittsfläche über alle Kapillaren) aufweisen.
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In besonders bevorzugter Ausgestaltung sind die Kapillarstruktur(en) in jeder Schicht gleich orientiert angeordnet, so dass im Schichtstapel die Kapillarstrukturen übereinander angeordnet sind und von UVC-Lichtquellenmitteln durchleuchtbar ausgebildet sind. Damit können die übereinander angeordneten Kapillarstrukturen von den UVC-Lichtquellenmitteln effizient über mehrere Schichtebenen angestrahlt werden.
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Wenn die UVC-Lichtquellenmittel in einzelnen oder in allen Schichten als Halbleiter-UVC-LEDs integriert sind, können die UVC-Lichtquellenmittel in besonders einfacher Weise ausgebildet werden.
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Als Material für die Schichten eignet sich UVC-Licht durchlässiges Material, insbesondere Quarzglas, UVC-Licht durchlässiger Kunststoff oder Silizium, da damit eine gute Durchdringung der Strukturen mit der UVC-Bestrahlung möglich ist. UVC-durchlässige Kunststoffe, wie PMMA, sind kostengünstig und leicht zu verarbeiten. Silizium, insbesondere gefrästes Silizium, ist ein präzises Baumaterial, das ebenfalls nutzbar ist zum Integrieren von Halbleiterelementen.
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Um in dem Fluid befindliche Schwebpartikel austragen zu können, sind Partikelfilter am Fluideinlass und/oder am Fluidauslass angeordnet, die das über die Desinfektionskammer fließende Fluid filtern.
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Dadurch, dass die Schichten als Mikrochip aus Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, gebildet sind, können neben Halbleiter-UVC LEDs auch weitere auf Halbleitern realisierbare Schaltungen, Sensoren und Dergleichen direkt in den aus Schichten aufgebauten Schichtstapel als Desinfektionskammer aufgenommen werden. Dabei können die darauf realisierten Elemente beispielsweise Halbleiterschalter zum Betätigen von Ventilen, Lüftern oder Dergleichen verwendet werden.
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Wenn Lüfter am Fluideinlass und/oder am Fluidauslass angeordnet sind, kann bspw. für die Desinfektion von Atemluft ein kleiner Lüfter am Fluideinlass dafür sorgen, dass stets ein geringer Überdruck in der Atemmaske für die zu schützende Person vorliegt, sodass keine Außenluft in die Atemmaske eindringen kann, auch nicht bei Atempausen bzw. beim Ausatmen. Ferner können Lüfter eingesetzt werden, um unterstützende Maßnahmen beim Ein-/Ausatmen für geschwächte Patienten zu ermöglichen (unterstützende Beatmung).
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Dadurch, dass Ventile als Rückschlagventile und/oder als ansteuerbare Ventile am Fluideinlass und/oder am Fluidauslass angeordnet sind, kann die Desinfektionskammer mit Rückschlagventilen so ausgestaltet werden, dass nur ein Einwegbetrieb möglich ist, stets also das anforderte Fluid über die Desinfektionskammer fließen muss, jedoch nicht unerwünscht in die entgegengesetzte Richtung zurückgedrängt werden kann.
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Bei ansteuerbaren Ventilen können ergänzende technische Funktionen berücksichtigt werden, die bspw. von elektrischen Schaltkreisen, Sensoren etc. angesteuert werden. Dabei können die ansteuerbaren Ventile auch als Piezoelemente ausgestaltet sein, die in die Schichtstapel als Chipstruktur eingebunden werden können.
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Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben.
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Darin zeigt:
- 1 in einer räumlichen Prinzipskizze ein erstes Ausführungsbeispiel einer Fluiddesinfektionsvorrichtung mit 5 x 6 Kapillarstrukturen;
- 2 ein zweites Aufführungsbeispiel einer Fluiddesinfektionsvorrichtung als Schichtstapel aus acht übereinander angeordneten Schichten und
- 3 in vergrößerter und teils geschnittener Detailansicht eine Kapillarstruktur gemäß der vorgenannten Ausführungsbeispiele.
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In 1 ist eine Fluiddesinfektionsvorrichtung 1 in einem ersten Ausführungsbeispiel in schematischer Ansicht dargestellt. Die Fluiddesinfektionsvorrichtung 1 weist einen Strömungsweg (Fluidströmung) X gemäß der dargestellten Pfeilrichtung des in entsprechenden Leitungen (Rohren, Röhrchen, Kapillaren) geführten Fluides auf. Dabei weist die Fluiddesinfektionsvorrichtung 1 einen Fluideinlass 11, eine Desinfektionskammer 2 und einen Fluidauslass 12 auf. Beim Fluideinlass 11 wird die Fluidströmung X in eine Vielzahl von Fluideinlassteilströmen 13 geteilt und in verschiedene Ebenen, hier sechs übereinander liegenden Ebenen und in jeder Ebene in fünf Fluideinlassteilströme 13 aufgeteilt. Jeder dieser Fluideinlassteilströme 13 führt zu einer Kapillarstruktur 20 in der Desinfektionskammer 2, die im weiteren Detail in 3 ausführlich beschrieben ist.
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In der Kapillarstruktur 20 ist jeweils eine Einlassebene 21 und eine Auslassebene 23 (3) vorhanden. Die Einlassebene 21 hat eine Vielzahl von als kleine Kreise in der dreidimensionalen Ansicht dargestellte Kapillare 22, die unterhalb der Einlassebene 21 (in 1 etwas heller dargestellt) in die Auslassebene 23 münden.
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Dabei besteht die Desinfektionskammer 2 aus einer Vielzahl von Schichten, die aus einem UVC-Licht durchlässigem Material, bspw. einem geeigneten Kunststoff, wie bspw. PMMA oder Quarzglas oder Silizium besteht. In diesem UVC-Licht durchlässigem Material sind die Kapillarstrukturen 20 mit der Einlassebene 21 und der Auslassebene 23 eingearbeitet, wobei zwischen der Einlassebene 21 und der Auslassebene 23 ein Vielzahl von Kapillaren 22 im Material vorgesehen sind, die eine Fluidverbindung zwischen Einlassebene 21 und Auslassebene 23 bilden. Entsprechend fließt die Fluidströmung X vom Fluideinlass 11 zum Fluidauslass 12 durch die Desinfektionskammer 2, wobei die Fluidströmung X über die Vielzahl der Kapillare 22 geleitet werden. Dies ist entsprechend in dem Strömungsweg (Pfeil X) symbolisch mit der „Z“-Form wiedergegeben.
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Ferner ist über jedem Stapel von sechs übereinander angeordneten Kapillarstrukturen 20 ein UVC-Lichtquellenmittel 3 angeordnet, das jeweils eine UVC-LED 31 enthält, die in den Stapel der übereinander liegenden Kapillarstrukturen 20 einstrahlt. Ferner kann auch auf der unteren Seite der gestapelten Kapillarstrukturen 20 jeweils eine UVC-LED 31 (hier nicht dargestellt) angeordnet sein. Damit ist gewährleistet, dass ein gesamter Stapel aus übereinander angeordneten Kapillarstrukturen 20 mit ausreichend intensiver UVC-Bestrahlung beaufschlagt wird, um das darin fließende Fluid desinfizieren zu können.
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In einem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist ein Schichtstapel 4 aus rechteckig ausgebildeten, flachen Schichten 41, hier insgesamt acht übereinander liegenden Schichten, räumlich dargestellt. Funktionsgleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In der räumlichen Ansicht ist von schräg hinten rechts oben eine Einlassebene 21 zur Zuführung des zu desinfizierendem Fluids wiedergegeben. In diesem Ausführungsbeispiel sind die sich an der Einlassebene 21 anschließenden Kapillarstrukturen 20 in einer gekreuzten Anordnung (Würfelform für fünf Punkte) angeordnet. Da jede Schicht 41 die gleiche Anordnung der Kapillarstrukturen 20 hat, durchstrahlen die UVC-Lichtquellenmittel 3, die über jedem Stapel von Kapillarstrukturen 20 angeordnet sind, den gesamten Schichtstapel 4, jedenfalls im Bereich der Kapillarstrukturen 20.
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In 3 ist eine Kapillarstruktur 20 in gegenüber den 1 und 2 vergrößerter Darstellung wiedergegeben. Diese eine Kapillarstruktur 20 ist teilweise geschnitten dargestellt, sodass im räumlich gesehen hinteren Teil der Kapillarstruktur 20 die Einlassebene 21 mit Ihrer Fluidströmungsverästelung in Fluideinzelströme 24 abgebildet ist, wobei auf der vorderen unteren Ebene die Auslassebene 23 mit einer entsprechenden Sammelstruktur für die jeweiligen Fluideinzelströme 24 aufgeteilt ist. Dabei ist zwischen oberer Ebene (Einlassebene 21) und unterer Ebene (Auslassebene 23) eine Schnittfläche Z ausgebildet, in der zu jedem Fluideinzelstrom 24 eine Vielzahl von Kapillaren 22 dargestellt ist, die in Höhenerstreckung der Schicht 41, also zu Ihrer schmälsten Ausdehnung parallel ausgerichtet sind. Somit verbinden die Kapillaren 22 die Einlassebene 21 mit der Auslassebene 23 im Bereich der gesamten, hier kreisförmigen Kapillarstruktur 20.
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Aufgrund der Vielzahl der Kapillaren 22 mit einer dicht-an-dicht Verteilung über die Kapillarstruktur 20 wird über alle Kapillarstrukturen 20, die in verschiedenen Ebenen und an verschiedenen lateralen Positionen in jeder Schicht 41 angeordnet sind, eine Gesamtquerschnittsfläche über alle Kapillaren erzielt, die deutlich größer ist, als die Strömungsquerschnittsfläche des Fluideinlasses und/oder Fluidauslasses 12.
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Bei einer Anwendung der Fluiddesinfektionsvorrichtung 1 für Atemluft ist es daher möglich, für den Fluideinlass 11, der hier als Zuführschlauch ausgebildet ist, eine Strömungsquerschnittsfläche von bspw. 25 mm2 bis 300 mm2 hervorzusehen. Meist dürfte eine Strömungsquerschnittsfläche von 50 bis 100 mm2 bevorzugt sein, wobei Schlauchdurchmesser von 8 bis 20 mm für die Beatmung einer Person ausreichend ist. Entsprechend kann bei einer Ausbildung der Desinfektionskammer 2 mit einem Schichtstapel 4 mit bspw. acht Schichten 41 gemäß 2 eine Gesamtquerschnittsfläche über alle Kapillaren von 1000 mm2 bis 1000000 mm2, bspw. 50000 bis 100000 mm2 untergebracht werden. Damit können Strömungsquerschnittsvergrößerungen um den Faktor 1000, als drei Größenordnungen ohne Probleme erreicht werden. Entsprechend verringert sich die Strömungsgeschwindigkeit des durch die Kapillaren 22 strömenden Fluids.
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Unter der Annahme, dass eine mit desinfizierter Luft zu versorgende Person ein Ruheatemvolumen von ca. 0,5 I hat, und die Dauer des Atemzugs ungefähr 1,5 s beträgt, beträgt bei einem Schlauchdurchmesser für den Fluideinlass 11 bzw. Fluidauslass 12 von 9 mm bei einer Querschnittserweiterung im Bereich der Kapillarstrukturen 20 um den Faktor 1000 eine Strömungsgeschwindigkeit der Luft in den Kapillaren 22 von ca. 7 mm/s. Da bspw. die Schichten 41 des Schichtstapels 4 eine Bauhöhe von 8 bis 10 mm haben, strömt das gleichmäßig auf alle Kapillaren 22 verteilte Fluid somit ungefähr eine Sekunde lang durch die jeweilige Kapillarstruktur 20, in der das Fluid der unmittelbaren UVC-Bestrahlung durch die UVC-LED 31 ausgesetzt ist.
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Erste Versuche haben dabei ergeben, dass für den Aufbau gemäß 2 mit jeweils zwei UVC-LED oberhalb und unterhalb der Stapel von Kapillarstrukturen 20, also insgesamt zehn UVC-LED's mit einer Strahlungsstärke von >5 mW/cm2, idealerweise mehr als 10 mW/cm2 vorzusehen sind. Damit könnte diese UVC-Lichtdesinfektionvorrichtung bei einer Gesamtleistung von ca. 50 W bei entsprechender Ausbildung der bevorzugt wiederaufladbaren Batterien für die Energieversorgung für eine Nutzungszeit von z. B. >12 h ausgelegt werden.
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Alternativ könnten die UVC-Lichtquellenmittel 3 auch als integrierte Schaltungen in der jeweiligen Schicht 41 des Schichtstapels 4 als Halbleiterelement, ggf. in einer entsprechenden Siliziumstruktur oder dergleichen integriert werden. Es wäre damit eine noch direktere Bestrahlung des durch die Kapillaren 22 in der Kapillarstruktur 20 strömenden Fluids möglich. Alternativ ist es auch möglich, dass gesonderte Zwischenschichten als Microchipebene zur Integration der UVC-LED's in den Schichtstapel 4 aufgenommen werden.
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Anwendung des Fluiddesinfektionsverfahrens bzw. Verwendung der Fluiddesinfektionsvorrichtung ist einerseits insbesondere die Desinfektion von Atemluft, sowohl für das Einatmen, wie auch für das Ausatmen oder auch im Zweiwegebetrieb. Ferner ist es möglich, diese Technologie auch für den Einsatz zur Durchflussdesinfektion für Flüssigkeiten zu verwenden, wie bspw. Wasser in Haushalten zur Bekämpfung von bspw. Legionellen oder auch anderen im Wasser oder anderen Flüssigkeiten enthaltenden Bakterien. Ferner kann die Technologie auch für den Medizinbereich für Analysemethoden verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fluiddesinfektionsvorrichtung
- 11
- Fluideinlass
- 12
- Fluidauslass
- 13
- Fluideinlassteilstrom
- 14
- Fluidauslassteilstrom
- 2
- Desinfektionskammer
- 20
- Kapillarstruktur
- 21
- Einlassebene
- 22
- Kapillar
- 23
- Auslassebene
- 24
- Fluideinzelstrom
- 3
- UVC-Lichtquellenmittel
- 31
- UVC-LED
- 4
- Schichtstapel
- 41
- Schicht
- X
- Fluidströmung, Strömungsweg
- Z
- Schnittfläche
