DE102021006408A1

DE102021006408A1 - Vorrichtung, System und Verfahren zur Wasserdesinfektion

Info

Publication number: DE102021006408A1
Application number: DE102021006408.9A
Authority: DE
Inventors: Dirk Elskamp
Original assignee: Led3 0 GmbH; Led30 GmbH
Current assignee: Led3 0 GmbH; Led30 GmbH
Priority date: 2021-12-29
Filing date: 2021-12-29
Publication date: 2023-06-29
Also published as: WO2023126407A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wasserdesinfektion mittels UV-C Strahlung für die Anordnung in einem wasserführenden System, aufweisend ein Gehäuse mit einem Wassereinlass, einem Wasserauslass sowie einem zwischen Wassereinlass und -auslass verlaufenden Strömungskanal für das zu entkeimende Wasser, und aufweisend wenigstens eine UV-C-LED, welche mit Bezug auf ihre Strahlungsrichtung auf den Strömungskanal ausgerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wasserdesinfektion mittels UV-C Strahlung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Wasserdesinfektion durch UV-C Strahlung mittels einer erfindungsgemäßen Wasserdesinfektionsvorrichtung. Auch betrifft die Erfindung ein System mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Entkeimung, insbesondere Wasserentkeimung, mittels UV-Strahlung ist dem Grunde nach aus dem Stand der Technik bekannt. Dieser Anwendung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass Keime, insbesondere Bakterien und Viren, empfindlich gegenüber UV-Strahlung sind.
Gleichwohl ist die Entkeimung zur Wasserdesinfektion mittels UV-Strahlung für kompakte Bauformen bislang nicht wirtschaftlich sinnvoll nutzbar. Darüber hinaus ist es bei gängigen UV-Quellen, wie etwa Quecksilberdampflampen, Quarzlampen oder Schwarzlichtlampen nicht möglich die Strahlungsenergie so zu bündeln bzw. technisch anzuordnen, dass eine Wirksamkeit gegeben ist. Darüber hinaus sind diese wartungsintensiv und von vergleichsweise kurzer Lebensdauer und großen Dimensionen.
Im Bereich der Wasserreaktoren sind Aufbauten bekannt, bei denen eine von Wasser durchströmte zylindrische Reaktorkammer entgegen der Strömungsrichtung mit UV-C-Strahlung bestrahlt wird. Als UV-C-Quellen dienen in dieser Anordnung Quarzlampen, welche einendseitig der zylindrischen Reaktorkammer angeordnet sind. Diese Ausgestaltung hat jedoch mit Bezug auf Energieverbrauch und Desinfektionsleistung erhebliche Nachteile.
Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Wasserdesinfektionsvorrichtung und ein Verfahren anzugeben, welche die Desinfektion von Wasser mittels UV-Strahlung in energieeffizienter Weise und mit hoher Wirksamkeit auch bei kompakter Bauform ermöglicht.
Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung vorrichtungsseitig eine Vorrichtung zur Wasserdesinfektion, insbesondere eine Wasserdesinfektionsvorrichtung, mittels UV-C Strahlung für die Anordnung in einem wasserführenden System, aufweisend ein Gehäuse mit einem Wassereinlass, einem Wasserauslass sowie einem zwischen Wassereinlass und -auslass verlaufenden Strömungskanal für das zu entkeimende Wasser, und aufweisend wenigstens eine UV-C-LED, welche mit Bezug auf ihre Strahlungsrichtung auf den Strömungskanal ausgerichtet ist.
Mit der Erfindung wird in vorteilhafter Weise eine Vorrichtung zur Wasserdesinfektion bereitgestellt, welche in bestehende wasserführende Systeme integrierbar ist und in kompakter Bauform eine kontinuierliche Desinfektion des Wassers beim Durchfließen des vorrichtungsseitig bereitgestellten Strömungskanals erlaubt. Es hat sich gezeigt, dass die derartige Bestrahlung mit UV-C Strahlung besonders effektiv gegenüber im Wasser befindliche Keime ist. Die Vorrichtung bildet dabei einen Wasserdesinfektionsreaktor. Es ist dabei bevorzugt, dass der Strömungskanal einen eckigen, insbesondere rechteckigen, Querschnitt aufweist. Weiter bevorzugt ist dabei eine lange Seite des im Querschnitt eckigen Strömungskanals um wenigstens das Zweifache länger ist, als eine kurze Seite des im Querschnitt eckigen Strömungskanals. Durch diese Ausgestaltung wird erreicht, dass der Strömungsquerschnitt des Wassers im Strömungskanal derart abgeflacht wird, dass die für die Strahlungseffektivität ausschlaggebende Schichtdicke des durch den Strömungskanal strömenden Wassers verringert wird. Hierdurch kann zum einen eine vollständige Desinfektion des Wassers mit vergleichsweise geringem Energiebedarf erreicht werden. Aufgrund der Absorptionseigenschaften von Wasser, steigt der Energiebedarf der für eine Desinfektion benötigten Strahlungsintensität mit der zu bestrahlenden Schichtdicke exponentiell an. Eine Verringerung der Querschnittsschichtdicke durch Veränderung der Strömungsgeometrie in erfindungsgemäßer Weise hat sich daher als besonders wirksam erwiesen.
Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass der Strömungskanal ein plattenförmiges und/oder scheibenförmiges Strömungsleitelement aufweist, welches den Strömungsweg des Wassers durch den Strömungskanal verlängert. Durch die Verlängerung des Strömungswegs kann, bei entsprechender Anordnung einer Mehrzahl von UV-C-LEDs entlang des Strömungswegs die Einwirkzeit auf das zu desinfizierende Wasser verlängert werden. Hierdurch wird die Desinfektionsleistung insgesamt verbessert. Es ist ferner bevorzugt, dass das Strömungsleitelement derart im Strömungskanal angeordnet ist, dass die Strömungsrichtung des Wassers im Strömungskanal auf der einen flächigen Seite des Strömungsleitelements entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung des Wassers im Strömungskanal auf der anderen flächigen Seite des Strömungsleitelements verläuft. Durch diese Ausgestaltung wird eine besonders vorteilhafte Strömungsgeometrie realisiert, die sich mit Bezug auf die für die Bestrahlung nutzbare Fläche als besonders effektiv erwiesen hat. Es ist in diesem Zusammenhang besonders bevorzugt, dass das Strömungsleitelement aus Glas, insbesondere Quarzglas, gebildet ist. Durch die Wahl des strahlungsdurchlässigen Materials in Verbindung mit dem bevorzugten Strömungsweg kann das zu desinfizierende Wasser von ein und derselben UV-C-LED zweifach bestrahlt werden. Nämlich einmal während es die eine flächige Seite des Strömungsleitelements umströmt und ein zweites Mal, während es die andere flächige Seite des Strömungsleitelements umströmt.
Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens eine Außenwand des Strömungskanals von einer Gehäusewand gebildet ist und dass eine Innenwand des Strömungskanals vom Strömungsleitelement gebildet ist. Insbesondere ist bei dieser Ausgestaltung vorgesehen, dass das Gehäuse aus zwei Teilen gebildet ist, die miteinander verschraubt oder verschweißt sind. Das Gehäuse stellt dabei den Strömungskanal in seinem hohlraumförmigen Innenraum bereit. Vorzugsweise ist zwischen den Gehäusehälften das Strömungsleitelement, insbesondere in Form einer Glasscheibe, vorzugsweise aus Quarzglas, eingebracht. Das Strömungsleitelement teilt dabei den Strömungskanal vorzugsweise im Wesentlichen in zwei Hälften und bildet damit den Strömungsweg aus. Fixiert wird das Strömungsleitelement entweder an dafür vorgesehenen Aufnahmepunkten des Gehäuses oder an eingefrästen Nuten zwischen beiden Gehäusehälften.
Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die den Strömungskanal begrenzenden Gehäusewand und/oder das Strömungsleitelement an ihren dem Strömungskanal zugewandten Kanten abgerundet ausgebildet sind. Hierdurch wird die Entstehung einer turbulenten Strömung an den jeweiligen Kanten verhindert, wodurch gleichmäßige Behandlung des Wassers mittels UV-C Strahlung verbessert wird.
Bevorzugt ist ferner vorgesehen, dass die wenigstens eine UV-C-LED an der Innenwand und/oder der Außenwand des Strömungskanals angeordnet ist. Vorzugsweise ist sie in das Strömungsleitelement und/oder in die Gehäusewand eingelassen. Hierdurch ist sichergestellt, dass das im Strömungskanal geführte Wasser unmittelbar mit der UV-C-LED bestrahlt werden kann und das Wasser der UV-C Strahlung unmittelbar ausgesetzt ist. Bevorzugt sind eine Mehrzahl bzw. eine Vielzahl an UV-C-LEDs vorgesehen, die an verschiedener Stelle an der Gehäusewand und/oder dem Strömungsleitelement angeordnet, vorzugsweise in einem vorgebbaren Muster verteilt, sind. Hierdurch lässt sich ein homogenes Strahlungsnutzung über den gesamten Strömungsweg erreichen, wodurch die Desinfektion besonders wirksam und energieeffizient durchgeführt werden kann. Vorzugsweise wird die UV-C-LED in einem separaten Gehäuse, im Folgenden UV-C-Strahlungsquelle genannt, angeordnet. Die UVC-Strahlungsquelle weist vorzugsweise ein Außengewinde, mindestens zwei Innenliegende Fixierpunkte, einen überstehenden Rand und eine Scheibe aus insbesondere Glas oder Quarzglas auf. An der den Strömungskanal nach Außen hin begrenzenden Gehäusewand sind vorzugsweise je nach benötigter Strahlungsintensität eine Vielzahl an Öffnungen eingebracht, in denen eine UV-C-Strahlungsquelle entweder via Gewinde verschraubt oder fest mit der Gehäusewand verschweißt sind.
Die UV-C-LED ist vorzugsweise in Chipbauweise ausgebildet. Der Chip und/oder das LED-Board mit mehreren verschalteten UV-C-LED Chips, ist mit der rückwertigen Seite auf einem Kühlkörper fixiert. Die Vorderseite ist vorzugsweise mit einer Linse ausgestattet, die unmittelbar vor der Scheibe der UV-C-Strahlungsquelle angebracht ist. Vorzugsweise ist die LED in Chipbauweise gefertigt und/oder auf einem LED Board mit mehreren LED-Chips verschaltet. Sie verfügt dabei über eine Platine, auf welcher das hinsichtlich der Leuchtkraft wirksame Halbleiter-Bauelement und/oder mehrere Halbleiter-Bauelemente angeordnet sind und die Leitungen verlaufen. Besonders bevorzugt ist die LED in SMD-Bauweise (surface mounted device) ausgebildet. Vorzugsweise weist der UV-C-LED-Chip dabei die Maße 3535 SMD, 2835 SMD oder 6060 SMD auf.
Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung weist die UV-C-LED eine Leistung zwischen 35 mW und 1,5 W, vorzugsweise 500 mW bis 1,5 W, besonders bevorzugt 1 W bis 1,5 W auf und sind je nach Anforderung auf einem LED-Board mit einer Vielzahl von UV-C-LEDs verschaltet.
Je nach Anforderung ist der UV-C-LED Chipbausatz in der UVC-Strahlungsquelle thermisch von der UVC-Strahlungsquelle getrennt oder thermisch miteinander verbunden.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Merkmal der Erfindung ist die UV-C-LED mit einer Linse ausgerüstet, welche zumindest das Halbleiter-Bauelement(e) abdeckt. Dies dient zum einen dem Schutz vor Fremdeinwirkung und zum anderen der Bündelung der zu emittierenden Strahlung. Die Linse der UV-C-LED kann prinzipiell aus Kunststoff, Silikon oder Glas gebildet sein. Hinsichtlich der bevorzugt vorgesehenen Bündelung der UV-Strahlung ist der Einsatz von Glas oder Silikon als Linsenmaterial bevorzugt. Dies deshalb, da Glas und Silikon in der Regel bessere optische Eigenschaften aufweisen. Darüber hinaus ist es bevorzugt vorgesehen, Glas oder Silikon mit einem vergleichsweise hohen Brechungsindex einzusetzen, um die Bündelung der Strahlung weiter zu präzisieren. Vorzugsweise wird Glas oder Silikon mit einem Brechungsindex von wenigstens 1,6 eingesetzt.
Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung ist wenigstens ein Kühlkörper zur Aufnahme der wenigstens einen UV-C-LED vorgesehen. Vorzugsweise ist die LED mit ihrer Platine auf dem Kühlkörper angeordnet. Hierdurch wird die Leistung der LED verbessert. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Leuchtmitteln sinkt die Leistung einer LED bei steigender Temperatur. Es ist bevorzugt vorgesehen, dass eine Mehrzahl von LEDs auf dem wenigstens einen Kühlkörper angeordnet ist. Es kann darüber hinaus vorgesehen sein, eine Mehrzahl von Kühlkörpern aufweisend eine Mehrzahl von LEDs am Gehäuse anzuordnen.
Es kann dabei bevorzugt vorgesehen sein, dass der Kühlkörper unmittelbar mit der Gehäusewand verbunden ist. Zu diesem Zweck ist der Kühlkörper zwischen der gehäuseseitigen Oberfläche der Platine und der Seitenwand des Gehäuses angeordnet und verbindet beide miteinander. Durch die Kontaktierung des Gehäuses durch den Kühlkörper wird dessen Kühlleistung weiter verbessert, da thermische Energie mittels Wärmeleitung vom Kühlkörper an das Gehäuse übertragen wird. In dieser Hinsicht ist es von besonderem Vorteil, wenn das Gehäuse zumindest im Verbindungsbereich mit dem Kühlkörper aus einem wärmeleitenden Material, wie insbesondere aus einem Metall gebildet ist.
Alternativ kann wenigstens eine Gehäusewand wenigstens eine die Gehäusewand vollständig durchgreifende Ausnehmung aufweisen. Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Kühlkörper in diese Ausnehmung wenigstens teilweise eingesetzt ist und eine dem Strömungskanal zugwandte Oberfläche bereitstellt. Auf dieser Oberfläche des Kühlkörpers, welche von einem Plattenelement bzw. Board des Kühlkörpers bereitgestellt sein kann, ist die wenigstens eine LED angeordnet. Diese Ausgestaltung hat hinsichtlich der Wärmeregulierung besondere Vorteile, da unter Umgehung der Seitenwand des Gehäuses eine Wärmeabfuhr erfolgt. Es ist dabei bevorzugt, dass der Kühlkörper einen Abschnitt zum Wärmetransfer aufweist, welcher sich außerhalb des Gehäuses befindet und im Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft steht.
Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung ist wenigstens ein Kühlkörper als Profil mit hoher Wärmeleitfähigkeit ausgebildet. Insbesondere ist er als Strangpressprofil ausgebildet. Strangpressprofile weisen durch Ihre vergleichsweise hohe Oberfläche eine besonders gute Wärmetransfer-Eigenschaften auf. Vorzugsweise ist das Strangpressprofil aus einem Metall, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung, gebildet.
Die Erfindung macht sich zwei miteinander synergierende Effekte zunutze. Zum einen hat es sich ergeben, dass UV-C Strahlung gegenüber Keimen, insbesondere gegenüber Viren, besonders wirksam ist. Der Ausdruck „UV-C Strahlung“ bezeichnet im Sinne der Erfindung elektromagnetische Strahlung im ultravioletten Wellenlängenbereich von 280 bis 100 nm. Zum anderen ist der Einsatz einer LED als UV-C Strahlungsquelle hinsichtlich Energieverbrauch und Leistungsfähigkeit besonders vorteilhaft. Darüber hinaus weist eine im Besonderen als UV-C-LED ausgebildete LED eine gegenüber anderen UV-Quellen hohe Lebensdauer auf und bedarf vergleichsweise wenig Wartung. Der Begriff „LED“ bezeichnet im Sinne der Erfindung eine Leuchtdiode. Der Begriff „UV-C-LED“ bezeichnet im Sinne der Erfindung eine Leuchtdiode, die im Besonderen für die Emission von ultravioletter Strahlung im Wellenlängenbereich von 280 bis 100 nm ausgebildet ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist es nun erstmals möglich, eine Entkeimung z.B. in einen Duschkopf zu integrieren, um einen Schutz vor Bakterien wie z.B. Legionellen zu bieten.
Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die wenigstens eine UV-C-LED derart angeordnet ist, dass die Strahlungsrichtung der von ihr emittierten Strahlung wenigstens teilweise im rechten Winkel zur Strömungsrichtung des Wasser im Strömungskanal verläuft. Diese Ausgestaltung hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Insbesondere, wenn die LED an einer der im rechteckigen Querschnitt des Strömungskanals langen Seite angeordnet ist, ist die von der UV-C Strahlung zu durchdringende Schichtdicke des Wassers im Strömungskanal minimal und die auf was Wasser wirkende Strahlungsintensität am größten.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Energiequelle, insbesondere Stromquelle, vorgesehen, mit welcher die UV-C-LEDs betreibbar sind. Vorzugsweise kann dafür eine Turbine zur Erzeugung von elektrischer Energie für den Betrieb der wenigstens einen UV-C-LED vorgesehen sein. Die Turbine kann dabei im Strömungskanal oder in dem mit dem Wassereinlass strömungstechnisch verbindbaren wasserführenden System angeordnet sein. Das im Strömungskanal selbst oder im übrigen wasserführenden System strömende Wasser treibt dabei die Turbine an, welche die LEDs mit der benötigten elektrischen Energie versorgt. Die Turbine ist dabei vorzugsweise derart bemessen, dass sie in hausüblichen Wasserrohren angeordnet werden kann. Bevorzugt ist sie zylindrisch ausgebildet und weist einen Querschnittsdurchmesser von 0,5 cm bis 20 cm auf. Die Ausgestaltung mit einer Turbine ist die sogenannte Ausgestaltung mit interner Energiequelle.
Alternativ oder als redundantes System ist eine bevorzugte Ausgestaltung mit einer externen Energiequelle vorgesehen. Hierbei wird durch den sich im System ändernden Volumenstrom Strömungsschalter aktiviert, welcher einen elektrischen Kontakt schließt. Durch den geschlossenen Kontakt wird eine externe Energiequelle aktiviert, der die UVC-LEDs in der UVC-Strahlungsquellen aktiviert und den Strömungskanal mit ultraviolettem Licht bestrahlen, um schädliche Aerosole wie sie bei dem Austritt aus dem Duschkopf entstehen zu vernichten.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dafür bestimmt, in wasserführende Systeme integriert zu werden. Entsprechende wasserführende Systeme sind dabei insbesondere solche, wie sie in Gebäuden eingesetzt werden. Prinzipiell ist bereits eine einzige Vorrichtung ausreichend, um die Keimbelastung in einem wasserführenden System auf einen unschädlichen Wert zu reduzieren. Es ist daher vorzugsweise vorgesehen, dass Gehäuse der Vorrichtung an das jeweilige Wassersystem anzupassen. Hierzu weist das Gehäuse vorzugsweise eine Breite, Höhe und/oder Länge von 2,5 cm bis 200 cm auf. Ferner weist der vom Gehäuse bereitgestellte Strömungskanal eine Querschnittsfläche von 1 cm² bis 200 cm², insbesondere 5 cm² bis 200 cm², auf. Insbesondere im Bereich der Haushaltsarmaturen ist es bevorzugt, dass der Strömungskanal eine Querschnittsfläche von 1 cm² bis 20 cm² aufweist. Im Bereich größerer Anlagen, bei der größere Wassermengen verarbeitet werden sollen, ist es bevorzugt, dass der Strömungskanal eine Querschnittsfläche von 50 cm² bis 200 cm² aufweist.
Das Gehäuse ist hinsichtlich seines Materials an das Material des wasserführenden Systems anpassbar. Insbesondere ist es zu diesem Zweck aus Kunststoff und/oder Metall, insbesondere Edelstahl und/oder Aluminium, ausgebildet. Es ist ferner bevorzugt vorgesehen, dass das Gehäuse wassereinlassseitig und/oder wasserauslassseitig Verbindungselemente, insbesondere in Form von Mitteln zur Verrastung und/oder Verschraubung, aufweist, die der strömungstechnischen Verbindung mit dem wasserführenden System dienen. Hierdurch kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in einfacher Weise in das wasserführende System integriert werden. Vorzugsweise ist die mit dem wasserführenden System mittels der Verbindungselemente ausgebildete Verbindung wasserdicht. Die Verbindungselemente verfügen zu diesem Zweck vorzugsweise über entsprechende Dichtmittel.
Das erfindungsgemäße Gehäuse kann mit eckigem, vorzugsweise viereckigem, insbesondere rechteckigem Querschnitt ausgebildet sein. In seiner Ausgestaltung mit viereckigem Querschnitt ist das Gehäuse insgesamt vorzugsweise quaderförmig ausgebildet. Das Gehäuse weist dabei vorzugsweise sechs Seitenwände auf, welche zwischen sich und dem Strömungsleitelement den Strömungskanal ausbilden. Wassereinlass und Wasserauslass sind jeweils in einer der beiden gegenüberliegenden Seitenwänden mit der größten Fläche ausgebildet. Die den jeweiligen Ein- oder Auslass bereitstellenden Seitenwände können hierzu jeweils eine Öffnung bereitstellen.
Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Vielzahl von UV-C-LEDs auf. Gemäß einer ersten Alternative sind die LEDs gleichmäßig innerhalb des Gehäuses verteilt angeordnet. Dies umfasst insbesondere die Anordnung von LEDs an jeder Seitenwand des Gehäuses und/oder des Strömungsleitelements, so dass das zu entkeimende Wasser aus jeder Raumrichtung homogen bestrahlbar ist. Ferner bevorzugt sind die LEDs dabei über die gesamte Erstreckung des Gehäuses und/oder des Strömungsleitelements verteilt angeordnet. So wird sichergestellt, dass das zu desinfizierende Wasser während der gesamten Durchströmungsdauer durch den Strömungskanal der Vorrichtung bestrahlbar ist. Gemäß einer zweiten Alternative sind die LEDs heterogen im Gehäuse angeordnet. Insbesondere ist vorgesehen, dass wenigstens ein Abschnitt des Gehäuses und/oder des Strömungsleitelements sämtliche LEDs aufnimmt. Vorzugsweise ist dies ein Abschnitt des Gehäuses, welcher auf einer der im Querschnitt langen Seiten des Strömungskanals positioniert ist. Die Zusammenfassung der LEDs in einem oder mehreren räumlich voneinander getrennten Abschnitten hat zum einen steuerungstechnische Vorteile. Zum anderen können die nicht mit LEDs besetzten Abschnitte andere Funktionen, wie insbesondere der Sensorik, zugewiesen werden und entsprechende Mittel aufnehmen.
Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung ist die LED derart im Gehäuse angeordnet, dass deren Linse in Richtung des Strömungskanals ausgerichtet ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass die emittierte UV-C-Strahlung in Wechselwirkung mit der den Strömungskanal durchströmenden Wasser tritt. Zur weiteren Verbesserung der Wirksamkeit ist es vorgesehen, die emittierten Strahlen über die Linsenwirkung an sich hinaus zu bündeln. Hierzu weist die Linse der LED bevorzugt eine zusätzliche Einfräsung zur weiteren Bündelung der zu emittierenden UV-C-Strahlung auf. Hinsichtlich der bevorzugt einzubringenden Einfräsung ist der Einsatz von Glas und/oder Silikon als Linsenmaterial bevorzugt. Die Einfräsung kann dabei mit größerer Präzision in Glas und/oder Silikon eingebracht werden.
Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung ist wenigstens ein Kühlkörper zur Aufnahme der wenigstens einen UV-C-LED vorgesehen. Vorzugsweise ist die LED mit ihrer Platine und/oder LED-Board auf dem Kühlkörper angeordnet. Hierdurch wird die Leistung der LED verbessert. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Leuchtmitteln sinkt die Leistung einer LED bei steigender Temperatur. Es ist bevorzugt vorgesehen, dass eine Mehrzahl von LEDs auf dem wenigstens einen Kühlkörper angeordnet ist. Es kann darüber hinaus vorgesehen sein, eine Mehrzahl von Kühlkörpern aufweisend eine Mehrzahl von LEDs am Gehäuse anzuordnen.
Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Keimkonzentration in dem zu desinfizierenden Wasser bestimmt, insbesondere gemessen, wird. In Abhängigkeit des Zeitpunkts und der Position der Messung kann die Keimkonzentration, insbesondere Bakterienkonzentration und/oder Viruskonzentration, in dem zu desinfizierenden Wasser vor, nach und/oder während der Behandlung mit UV-C-Strahlung bestimmt werden. Zu diesem Zweck weist die Vorrichtung eine Messeinheit zur Messung von Keimkonzentrationen auf. Die Messeinheit kann vorzugsweise dazu ausgebildet sein, spektrographische Messungen des Wassers vorzunehmen. Die Messeinheit ist vorzugsweise zumindest teilweise im Gehäuse angeordnet. Bevorzugt weist die Messeinheit über wenigstens einen Sensor auf. Der wenigstens eine Sensor kann dabei in Strömungsrichtung des zu entkeimenden Wassers im Bereich des Wassereinlasses, des Wasserauslasses oder in einem dazwischenliegenden Abschnitt angeordnet sein. Auf diese Weise kann eine Anfangskonzentration vor der Bestrahlung, eine Restkonzentration nach der Bestrahlung oder eine Verlaufskonzentration während der Bestrahlung bestimmt werden. Sofern lediglich ein Sensor vorgesehen ist, ist dieser besonders bevorzugt im Bereich des Wasserauslasses angeordnet, um sicherzustellen, dass die Keimkonzentration auf einen voreingestellten Wert reduziert wurde.
Vorzugsweise sind eine Mehrzahl von Sensoren vorgesehen, welche im Bereich des Wassereinlasses, des Wasserauslasses und in einem dazwischenliegenden Abschnitt angeordnet sind, um eine Anfangskonzentration vor der Bestrahlung, eine Restkonzentration nach der Bestrahlung oder eine Verlaufskonzentration während der Bestrahlung zu bestimmen.
Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung sind Bestrahlungsparameter in Abhängigkeit der bestimmten Konzentrationen, insbesondere Anfangs-, Rest- und/oder Verlaufskonzentration, steuerbar und/oder regelbar. Bestrahlungsparameter sind insbesondere Bestrahlungsdauer, Strahlungsintensität und Bestrahlungsmodus, wie etwa Dauerbestrahlung oder Intervallbestrahlung. Vorrichtungsseitig ist die Messeinheit zu diesem Zweck mit einer Steuereinheit signaltechnisch verbunden. Die Steuereinheit Ihrerseits ist mit der oder den UV-C-LEDs steuerungstechnisch verbunden. Die Steuereinheit kann vorzugsweise Teil eines Regelkreises sein, bei dem ein vorgegebener Soll-Wert der Keimkonzentration mit einem seitens der Messeinheit bestimmten Ist-Wert verglichen und bei Über und/oder Unterschreiten des Soll-Werts durch den Ist-Wert die LED, insbesondere zur Steuerung der Bestrahlungsparameter, ansteuert.
Die Erfindung betrifft ferner ein System aufweisend ein wasserführendes System, eine mit dem wasserführenden System wenigstens über ihren Wassereinlass strömungstechnisch verbundene Vorrichtung zur Wasserdesinfektion mittels UV-C Strahlung gemäß der Erfindung.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es hinsichtlich des Systems vorgesehen, dass wenigstens zwei erfindungsgemäße Vorrichtungen, insbesondere eine Mehrzahl oder eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Vorrichtungen, strömungstechnisch innerhalb des Systems parallel und/oder in Reihe geschaltet sind. Hierdurch lässt sich grundsätzlich eine beliebige Menge an Wasser zeit- und energieeffizient desinfizieren. Das System ist daher in vorteilhafter Weise an verschiedenste Anwendungen anpassbar und hinsichtlich seiner Leistung skalierbar ausgebildet. Vorzugsweise kann das System hierfür verschiedene Strömungsleitmittel, wie etwa Strömungsteiler, Ventile, Anschlüsse usw. bereitstellen, um die Vorrichtungen in entsprechender Weise untereinander und mit dem wasserführenden System strömungstechnisch zu verbinden. Es ist diesbezüglich vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung entsprechende Verbindungsmittel zur strömungstechnischen Verbindung mit dem wasserführenden System einerseits und/oder mit weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtungen aufweist.
Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung ferner verfahrensseitig ein Verfahren zur Wasserdesinfektion mittels UV-C Strahlung in einem wasserführenden System vor, bei dem innerhalb des wasserführenden Systems strömendes Wasser durch eine mit dem wasserführenden System strömungstechnisch verbundene Vorrichtung zur Wasserdesinfektion gemäß der Erfindung geleitet wird, wobei das Wasser in der Vorrichtung während der Durchströmung zumindest zeitweise mit UV-C Strahlung bestrahlt wird, welche von der wenigstens einen UV-C-LED emittiert wird.
Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Vielzahl von Systemen einsetzbar. Insbesondere vorgesehen ist die Verwendung einer Vorrichtung zur Wasserdesinfektion mittels UV-C Strahlung gemäß der Erfindung in Haushaltsarmaturen, insbesondere Duschköpfen und/oder Handbrausen. Auf diese Art kann die Keimbelastung des Wassers unmittelbar vor dem Benutzer derart reduziert werden, dass die Benutzung des Wassers unschädlich ist. Für die Verwendung in Duschköpfen eignet sich insbesondere die Ausgestaltung mit interner Energiequelle in Form einer Turbine, so dass der Betrieb der Vorrichtung ohne störende Einschränkung des üblichen Duschvorgangs realisiert werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. Nachfolgende Darstellung dient lediglich der Verdeutlichung einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung und für den Fachmann nicht dahingehend zu verstehen, dass andere erfindungsgemäße oder bevorzugte Merkmale der Erfindung mit dieser Ausführungsform inkompatibel seien. Dabei zeigen

1 eine erste Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung in schematischer Schnittdarstellung;
2 eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung in schematischer Schnittdarstellung;
3 die erste Ausführungsform gemäß 1 in perspektivischer Schnittdarstellung;
4 die zweite Ausführungsform gemäß 2 in perspektivischer Schnittdarstellung;

Die 1 und 3 zeigen eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 mit einem Gehäuse 2. Die nicht weiter beschrifteten Pfeile zeigen die Strömungsrichtung des zu desinfizierenden Wassers in der Vorrichtung 1 und damit den im Strömungskanal 8 zurückgelegten Strömungsweg.
Das Gehäuse 2 weist einen Wassereinlass 3 und einen Wasserauslass 4 auf. Der Wassereinlass 3 und der Wasserauslass 4 sind den einander gegenüberliegenden Seitenwänden 5, 6 des Gehäuses 2 ausgebildet. Das Gehäuse 2 ist vorliegend quaderförmig ausgebildet, wobei die Seitenwände 5, 6 die flächenmäßig größten Seitenwände bilden.
Innerhalb des Gehäuses 2 ist zwischen dem Wassereinlass 3 und dem Wasserauslass 4 ein Strömungskanal 8 ausgebildet. Der Strömungskanal 8 ist vorliegend von den Seitenwänden des Gehäuses 2 und einem Strömungsleitelement 7 begrenzt. Das Strömungsleitelement 7 ist als rechteckige Quarzglasscheibe ausgebildet.
Das Strömungsleitelement 7 mit drei seiner vier Kanten wasserdicht mit der jeweiligen korrespondierenden Gehäusewand verbunden. Dadurch wird der Strömungsweg des zu desinfizierenden Wassers im Strömungskanal 8 dadurch verlängert, dass er die freie Kante 10 des Strömungsleitelements 7 umströmen muss. Wie zu erkennen ist, bildet die freie Kante 10 einen Umkehrpunkt, in dem sich die Strömungsrichtung um 180 ° ändert.
An der Seitenwand 5 und an der Seitenwand 6 sind stromabwärts des Wassereinlasses UV-C-LEDs 9 angeordnet. Das den Strömungskanal 8 durchströmende Wasser wird in Folge des transparent ausgebildeten Strömungsleitelements von jeder LED 9 zweimal bestrahlt. Das erste Mal, in dem durch das Strömungsleitelement 7 und der Seitenwand 5 begrenzten Abschnitt des Strömungskanals 8 und das zweite Mal, in dem durch das Strömungselement 7 und der Seitenwand 6 begrenzten Abschnitt.
Vorzugsweise können mehrere, in der Gehäusewand 6 ausgebildete Wasserauslässe ausgebildet sein. Vorzugsweise sind die Wasserauslässe dabei mit Bezug auf die jeweilige Zeichenebene der 1 und 3 in Höhenrichtung in gleicher Höhe jedoch in Längenrichtung der Gehäusewand 6 beabstandet, insbesondere äquidistant, zueinander angeordnet. Hierdurch wird ein gleichzeitiges Ausströmen des Wassers durch alle Wasserauslässe erreicht. Ebenso kann es vorgesehen sein, in der Gehäusewand 5 ausgebildete Wassereinlässe auszubilden. Vorzugsweise sind die Wassereinlässe dabei mit Bezug auf die jeweilige Zeichenebene der 1 und 3 in Höhenrichtung in gleicher Höhe jedoch in Längenrichtung der Gehäusewand 5 beabstandet, insbesondere äquidistant, zueinander angeordnet. Hierdurch wird ein gleichzeitiges Einströmen des Wassers durch alle Wassereinlässe erreicht. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise der Volumenstrom betragsmäßig eingestellt und die Strömungsgeometrie homogenisiert werden.
Vorzugsweise kann die Anzahl der LEDs 9 und deren Anordnung an die Anzahl der Wassereinlässe und -auslässe angepasst sein, um eine wirkungsvolle Desinfektion bei gegebenem Volumenstrom und Strömungsgeometrie sicherzustellen.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung werden Einwirkzeit und Intensität der Strahlungseinwirkung optimiert, so dass die Desinfektion des Wassers vergleichsweise energieeffizient und gleichwohl hochwirksam erfolgen kann.
Die erste Ausführungsform eignet sich insbesondere zur Verwendung in Haushaltsarmaturen, wie insbesondere Wasserhähnen oder wasserführenden Systemen in Gebäuden.
2 und 4 zeigen eine alternative erfindungsgemäße Vorrichtung 1 mit einem Gehäuse 2. Die nicht weiter beschrifteten Pfeile zeigen die Strömungsrichtung des zu desinfizierenden Wassers in der Vorrichtung 1 und damit den im Strömungskanal 8 zurückgelegten Strömungsweg.
Das Gehäuse 2 weist einen Wassereinlass 3 und einen Wasserauslass 4 auf. Der Wassereinlass 3 und der Wasserauslass 4 sind den einander gegenüberliegenden Seitenwänden 5, 6 des Gehäuses 2 ausgebildet. Das Gehäuse 2 ist vorliegend zylindrisch ausgebildet, wobei die Seitenwände 5, 6 die in Aufsicht runden, insbesondere kreisförmigen, Seitenwände bilden.
Innerhalb des Gehäuses 2 ist zwischen dem Wassereinlass 3 und dem Wasserauslass 4 ein Strömungskanal 8 ausgebildet. Der Strömungskanal 8 ist vorliegend von den Seitenwänden des Gehäuses 2 und einem Strömungsleitelement 7 begrenzt. Das Strömungsleitelement 7 ist als runde, insbesondere kreisförmige Quarzglasscheibe ausgebildet.
Das Strömungsleitelement 7 ist vorliegend ortsfest im Gehäuse angeordnet, wobei die umlaufende Kante 11 des Strömungsleitelements von dem zu desinfizierenden Wasser, vorzugsweise vollumfänglich, umströmt werden kann. Dadurch wird der Strömungsweg des zu desinfizierenden Wassers im Strömungskanal 8 dadurch verlängert, dass er das Strömungsleitelement über dessen Kante 11 umströmen muss. Wie zu erkennen ist, bildet die umlaufende Kante 11 eine Umkehrlinie, an der sich die Strömungsrichtung um 180 ° ändert.
An der Seitenwand 5 und an der Seitenwand 6 sind stromabwärts des Wassereinlasses UV-C-LEDs 9 angeordnet. Das den Strömungskanal 8 durchströmende Wasser wird in Folge des transparent ausgebildeten Strömungsleitelements von jeder LED 9 zweimal bestrahlt. Das erste Mal, in dem durch das Strömungsleitelement 7 und der Seitenwand 5 begrenzten Abschnitt des Strömungskanals 8 und das zweite Mal, in dem durch das Strömungselement 7 und der Seitenwand 6 begrenzten Abschnitt.
Dieses Ausführungsbeispiel ist insbesondere für Duschköpfe geeignet. Dabei können insbesondere mehrere, musterhaft über die Gehäusewand 6 verteilte Wasserauslässe vorgesehen sein. Ebenso kann es vorgesehen sein, mehrere über die Gehäusewand 5 verteilte Wassereinlässe auszubilden. Wasserdurchsatz und Verteilung können insbesondere in der Ausgestaltung nach 2 an den jeweiligen Duschkopf angepasst werden.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung werden Einwirkzeit und Intensität der Strahlungseinwirkung optimiert, so dass die Desinfektion des Wassers vergleichsweise energieeffizient und gleichwohl hochwirksam erfolgen kann.
Beide Ausgestaltungen verfügen über eine nicht dargestellte elektrische Energiequelle zum Betrieb der UV-C-LEDs. Diese kann als interne Energiequelle in Form einer Turbine oder in Form einer externen Energiequelle ausgebildet sein. Im Falle der externen Energiequelle ist ein Strömungsschalter vorgesehen, der im Strömungskanal oder im wasserführenden System angeordnet ist und bei Änderung der Strömungsgeschwindigkeit einen Stromkreis schließt und die LEDs 9 mit der externen Stromquelle verbindet.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Gehäuse
3: Wassereinlass
4: Wasserauslass
5: Gehäusewand
6: Gehäusewand
7: Strömungsleitelement
8: Strömungskanal
9: UV-C-LED
10: freie Kante
11: umlaufende Kante

Claims

Vorrichtung zur Wasserdesinfektion mittels UV-C Strahlung für die Anordnung in einem wasserführenden System, aufweisend ein Gehäuse mit einem Wassereinlass, einem Wasserauslass sowie einem zwischen Wassereinlass und - auslass verlaufenden Strömungskanal für das zu entkeimende Wasser, und aufweisend wenigstens eine UV-C-LED, welche mit Bezug auf ihre Strahlungsrichtung auf den Strömungskanal ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal einen eckigen, insbesondere rechteckigen, Querschnitt aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine lange Seite des im Querschnitt eckigen Strömungskanals um wenigstens das Zweifache länger ist, als eine kurze Seite des im Querschnitt eckigen Strömungskanals.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal ein plattenförmiges und/oder scheibenförmiges Strömungsleitelement aufweist, welches den Strömungsweg des Wassers durch den Strömungskanal verlängert, wobei das Strömungsleitelement derart im Strömungskanal angeordnet ist, dass die Strömungsrichtung des Wassers im Strömungskanal auf der einen flächigen Seite des Strömungsleitelements entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung des Wassers im Strömungskanal auf der anderen flächigen Seite des Strömungsleitelements verläuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Außenwand des Strömungskanals von einer Gehäusewand gebildet ist und dass eine Innenwand des Strömungskanals vom Strömungsleitelement gebildet ist, wobei die wenigstens eine UV-C-LED an der Innenwand und/oder der Außenwand des Strömungskanals angeordnet ist, wobei sie in das Strömungsleitelement und/oder wobei sie in die Gehäusewand eingelassen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine UV-C-LED derart angeordnet ist, dass die Strahlungsrichtung der von ihr emittierten Strahlung wenigstens teilweise im rechten Winkel zur Strömungsrichtung des Wasser im Strömungskanal verläuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch wenigstens eine Turbine zur Erzeugung von elektrischer Energie für den Betrieb der wenigstens einen UV-C-LED, wobei die Turbine im Strömungskanal oder in dem mit dem Wassereinlass strömungstechnisch verbindbaren wasserführenden System anordenbar ist.
System aufweisend ein wasserführendes System, eine mit dem wasserführenden System wenigstens über ihren Wassereinlass strömungstechnisch verbundene Vorrichtung zur Wasserdesinfektion mittels UV-C Strahlung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren zur Wasserdesinfektion mittels UV-C Strahlung in einem wasserführenden System, bei dem innerhalb des wasserführenden Systems strömendes Wasser durch eine mit dem wasserführenden System strömungstechnisch verbundene Vorrichtung zur Wasserdesinfektion gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 geleitet wird, wobei das Wasser in der Vorrichtung während der Durchströmung zumindest zeitweise mit UV-C Strahlung bestrahlt wird, welche von der wenigstens einen UV-C-LED emittiert wird.
Verwendung einer Vorrichtung zur Wasserdesinfektion mittels UV-C Strahlung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 in Haushaltsarmaturen, insbesondere Duschköpfen und Handbrausen.