DE102021200033A1

DE102021200033A1 - Vorrichtung und verfahren zum entkeimen eines durchfliessenden fluids

Info

Publication number: DE102021200033A1
Application number: DE102021200033.9A
Authority: DE
Inventors: Nico Morgenbrod; Tobias Gleitsmann; Thorsten Klebba; Mathias Bruemmer
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2021-01-05
Filing date: 2021-01-05
Publication date: 2022-07-07
Also published as: US20230399242A1; WO2022148605A1

Abstract

Eine Vorrichtung (1) zum Entkeimen eines durchfließenden Fluids umfasst ein Behältnis (2) mit einem Zulauf (4) zum Aufnehmen des Fluids und mit einem Ablauf (6) zum Abgeben des Fluids aus dem Behältnis (2), einen Körper (8) mit einer zumindest teilweise gekrümmten Oberfläche (13), wobei der Körper (8) innerhalb des Behältnisses (2) so angeordnet ist, dass er zumindest im Bereich seiner gekrümmten Oberfläche (13) von dem über den Zulauf (4) in das Behältnis (2) einströmenden Fluid zumindest teilweise überspült oder umspült wird. Außerdem umfasst die Vorrichtung (1) eine Mehrzahl von LEDs (14), die jeweils konfiguriert sind, Licht mit Wellenlängen im Bereich der UV-Strahlung, bevorzugt der UV-C Strahlung, abzugeben. Die LEDs (14) sind dafür ausgelegt, das die gekrümmte Oberfläche (13) des Körpers (8) überspülende bzw. umspülende Fluid mit der UV-Strahlung, bevorzugt der UV-C Strahlung, der LEDs (14) zu bestrahlen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zum Entkeimen eines durchfließenden Fluids, insbesondere einer durchfließenden Flüssigkeit. Die Vorrichtung umfasst ein Behältnis mit einem Zulauf zum Aufnehmen des Fluids und mit einem Ablauf, an dem das Fluid nach dem Durchfließen aus dem Behältnis abgegeben werden kann. Außerdem umfasst die Vorrichtung eine Mehrzahl von LEDs, die jeweils dafür ausgelegt sind, das in einem Innenraum des Behältnisses fließende Fluid mit Licht mit Wellenlängen im Bereich der UV-Strahlung, bevorzugt der UV-C Strahlung, zu bestrahlen. Solche Vorrichtungen werden auch als UV-Reaktoren bezeichnet.
UV-Reaktoren können vielfältig eingesetzt werden, etwa zur Aufbereitung von Trinkwasser oder zur Sterilisation bzw. Entkeimung von Brauchwasser oder Betriebswasser, welches beispielsweise in gewerblichen, landwirtschaftlichen oder hauswirtschaftlichen Anwendungen (z.B. Spülmaschinen, etc.) eingesetzt wird. Auch andere Fluide als Wasser wie beispielsweise Blut oder Milch können durch solche UV-Reaktoren entkeimt werden.
Besonders wirksam erweist sich dabei die Strahlung im Wellenlängenbereich von 200 nm bis 280 nm, die gem. DIN 5031-7 auch als Ferne UV bzw. FUV-Strahlung bezeichnet wird. Hinzu kommt der sich daran anschließende Bereich von 100 nm bis 200 nm, der entsprechend als Vakuum UV bzw. VUV-Strahlung bezeichnet wird.
Die oben angegebenen Wellenlängenbereiche bis hin zu 280 nm werden in vorliegender Anmeldung als UV-C Strahlung, jene von 280 nm bis 315 nm als UV-B Strahlung sowie jene von 315 nm bis 380 nm als UV-A Strahlung zusammengefasst und überwiegend in UV-Reaktoren eingesetzt. Für die Zwecke dieser Anmeldung wird auch der Bereich von 10 nm bis 121 nm (Extremes Ultraviolett) von dem hier verwendeten Begriff UV-C Strahlung erfasst.
Die Effizienz von UV-Reaktoren zur Entkeimung von Flüssigkeiten wird von der Eindringtiefe der Strahlung in das Flüssigkeitsvolumen beeinflusst. Insbesondere bei UV-C Strahlung und trüben Medien ist durch Absorption und/oder Streuung bereits nach wenigen Millimetern die eingestrahlte Lichtintensität auf wenige Prozent abgefallen, so dass keine relevante Desinfektionswirkung für bestrahlte Schichtstärken von einigen cm oder mehr erreicht werden können oder eine sehr hohe initiale optische Leistung verwendet werden müsste, um nach der Abschwächung noch eine ausreichende Wirkung zu erzielen. Die Trübung eines Mediums kann beispielsweise verursacht werden durch streuende oder absorbierende Partikel. Diese können organischen oder anorganischen Ursprungs sein. Beispiele wären Schmutzpartikel, Mikroorganismen, Algen oder Schwebteilchen, Kalkteilchen oder dergleichen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Trübung auch durch Emulsionen oder Mischung mit anderen Flüssigkeiten (z.B. mit Kolloid-Bestandteilen) hervorgerufen werden.
Als denkbare Lösungen bieten sich zunächst eine Erhöhung der Strahlungsleistung oder eine Reduktion der Schichtdicke der Flüssigkeit an.
Durch geeignete Erhöhung der Strahlungsleistung über einen kritischen Schwellwerte hinaus, beispielsweise um mehr als einen Faktor 10⁴, kann im Prinzip in allen zu desinfizierenden Bereichen der Flüssigkeit eine ausreichende Strahlungsleistung zur Reduktion der fortpflanzungsfähigen Keime erreicht werden. Dieser Lösungsansatz führt jedoch zu einer starken Reduktion der Energieeffizienz des Systems aufgrund von UV-Überdosierungen in einem Großteil des bestrahlten Bereiches. Bei LED-basierten Applikationen ist dieser Lösungsansatz aufgrund der deutlich geringen maximalen UV-Strahlungsmengen und der hohen Kosten aktueller UV-LEDs, insbesondere UV-C-LED, kein gangbarer Weg.
Die oben erwähnte Alternative, die Dicke der zu durchstrahlenden Flüssigkeitsschicht zu reduzieren, hat den Nachteil, dass eine Schichtdicke, die eine ausreichend hohe Bestrahlung oberhalb des oben genannten kritischen Schwellwertes gewährleistet, bei trüben Flüssigkeiten sehr gering werden kann (wenige mm). Um nun die pro Zeiteinheit desinfizierbare Wassermenge nicht entsprechend deutlich zu reduzieren, muss die Flussgeschwindigkeit entsprechend erhöht werden, was aber wiederum zu einer reduzierten UV-Einwirkzeit und damit zu einer verringerten Desinfektionseffizienz führen kann.
Darüber hinaus sind auch verschiedene komplexere Lösungsansätze bekannt, bei denen versucht wird, das oben beschriebene Problem dadurch zu lösen, dass die zu desinfizierende Flüssigkeit als quasi zwei-dimensionale Schicht der UV-Strahlung ausgesetzt wird.
Die US 5626768 A offenbart eine Ausführungsform, bei der die Flüssigkeit in einem Serpentinenweg zwischen mehreren übereinander etagenartig gestapelten planaren Lampen bewegt wird, wobei jeweils von beiden planaren Oberflächen jeder Lampe UV-Strahlung abgestrahlt wird.
Die JP 2000288559 A zeigt eine Vorrichtung, bei der Abwasser aus einem Überlauftank herausfließt, um auf der Oberfläche eines Flüssigkeitsschichtströmungskanals als Flüssigkeitsschicht mit einer Schichtdicke von 10 mm oder weniger zu fließen. Oberhalb des Flüssigkeitsschichtströmungskanals sind Ultraviolettlampen angeordnet, die das in Form einer Flüssigkeitsschicht vorbeiströmende Abwasser mit Ultraviolettstrahlung bestrahlen.
Die US 5069885 A offenbart ein zylindrisches Gehäuse mit einer koaxial angeordneten zylindrischen UV-Lampe, um die ein spiralförmiger Weg für ein durchströmendes Fluid wie Wasser vorgesehen ist.
Nachteilig bei diesen Methoden sind dabei allerdings die voluminösen, teilweise offene Aufbauten und die geringen Durchflussmengen.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Entkeimen eines durchfließenden Fluids derart weiterzubilden, dass die vorgenannten Nachteile überwunden werden, insbesondere die Baugröße ohne Einbuße der Entkeimungswirkung kompakter zu gestalten.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Entkeimen eines durchfließenden Fluids mit den Merkmalen von Patentanspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ausgangspunkt ist eine Vorrichtung zum Entkeimen eines durchfließenden Fluids, die ein Behältnis umfasst mit einem Zulauf zum Aufnehmen des Fluids und mit einem Ablauf, an dem das Fluid nach dem Durchfließen aus dem Behältnis abgegeben werden kann. Im Kern handelt es sich hier folglich um einen Durchflussreaktor. Gleichwohl schließt die Erfindung ein im Behältnis stehendes Fluid mit ein, das vorher eingelassen und später ausgelassen wird.
Außerdem ist innerhalb des Behältnisses ein Körper mit einer zumindest teilweise gekrümmten Oberfläche vorgesehen. Dabei ist der Körper so angeordnet, dass er zumindest im Bereich seiner gekrümmten Oberfläche von dem über den Zulauf in das Behältnis einströmenden Fluid überspült oder umspült wird. Dadurch wird bei kompakter Baugröße eine mit einem dünnen Flüssigkeitsfilm versehene große Oberfläche realisiert.
Der Begriff „Überspülen“ ist in diesem Zusammenhang hier so zu verstehen, dass der Zulauf oberhalb des Körpers angeordnet ist oder alternativ durch den Körper von unten nach oben durchgeführt ist und im oberen Bereich der Oberfläche endet, wobei das Fluid zunächst innerhalb des Körpers entgegen der Schwerkraft nach oben gepumpt wird, jedenfalls das Fluid dann der Schwerkraft folgend im Wesentlichen von oben nach unten entlang der gekrümmten Oberfläche strömt.
Der Begriff „Umspülen“ bezeichnet hingegen die Situation, in der der Zulauf nicht oberhalb, sondern beispielsweise unterhalb vom Körper oder seitlich dazu angeordnet ist und das Fluid mit Hilfe eines aufgebrachten Fluiddrucks (z.B. über eine entsprechende Pumpe) entlang der gekrümmten Oberfläche des Körpers entgegen der Schwerkraft strömt. In beiden Fällen kann die Vorrichtung dazu ausgelegt sein, dass der Druck des Fluids im Zulauf einstellbar ist.
Der Zulauf für das Fluid kann außerhalb des Körpers angeordnet sein oder auch innerhalb des Körpers verlaufen und an der gekrümmten Oberfläche des Körpers in Form einer entsprechenden Öffnung enden.
Der Zulauf kann im einfachsten Fall so ausgebildet sein, dass das Fluid aus ihm als ungeformter Strahl ausströmt, beispielsweise als Rohrende. Optional kann der Zulauf auch eine Düse mit einer oder auch mehreren Düsenöffnungen umfassen, um eine gleichmäßigere Verteilung des Fluids insbesondere auf konvex gekrümmten, rotationssymmetrischen Oberflächen, wie z.B. Kugel, Kegel, Ellipsoid, etc., zu unterstützen.
Die Krümmung der Oberfläche des Körpers unterstützt das Über- bzw. Umspülen des Körpers mit dem vom Zulauf kommenden Fluid sowie die Ausbildung einer dünnen Fluidschicht. Bevorzugt ist die Oberfläche des Körpers zumindest in dem Bereich, in dem das vom Zulauf kommende Fluid auftrifft oder austritt bzw. auf dem das Fluid fließt, konvex gekrümmt, um das Fluid in Form einer dünnen Schicht auf der Oberfläche möglichst gleichmäßig zu verteilen. Außerdem weist die Oberfläche bevorzugt zumindest abschnittsweise eine Rotationssymmetrie auf, da sich damit eine große Oberfläche bei einer kompakten Baugröße realisieren lässt. Die gekrümmte Oberfläche kann beispielsweise als Kugel, Ellipsoid, Kegel, Zylinder oder ähnliches sowie Segmente derselben ausgebildet sein.
Die gekrümmte Oberfläche kann glatt sein oder auch eine Strukturierung aufweisen, beispielsweise Rillen, Riefen, Golfballstruktur, Aufrauhung o.ä. Mit einer Strukturierung lässt sich eine weitere Vergrößerung der Oberfläche erzielen.
Außerdem kann eine gezielte Einstellung der Fluidschichtstärke (= Dicke des Fluidfilms) unter Berücksichtigung der physikalischen Fluideigenschaften, wie Viskosität und Strömungsgeschwindigkeit, in Kombination mit den Oberflächeneigenschaften des Körpers wie Profil, Rauhigkeit und Geometrie vorgesehen sein.
Außerdem kann eine Fluidführungsvorrichtung vorgesehen sein, durch die ein Spaltmaß zwischen der Oberfläche des Körpers und der entsprechend geformten Fluidführungsvorrichtung festgelegt ist und damit auch die Schichtstärke des zwischen der Oberfläche des Körpers und der Fluidführungsvorrichtung strömenden Fluids. Außerdem dient die Fluidführungsvorrichtung dazu, mit Hilfe des zwischen der Oberfläche des Körpers und der benachbarten Oberfläche der Fluidführungsvorrichtung gebildeten Spalts die Strömung des Fluids auf der Oberfläche des Körpers zu führen bzw. zu formen. In einer weiterführenden Ausgestaltung kann vorgesehen sein, das Spaltmaß in Kombination mit der Durchströmungsgeschwindigkeit an die jeweilige Trübung anzupassen, so dass sich ein Optimum aus Desinfektionswirkung und Durchsatz ergibt. Ergänzend kann eine automatische Anpassung an ein Optimum vorgesehen sein, beispielsweise mit Hilfe einer Transmissionsmessung des Fluids. Schließlich kann noch eine Nachregelung bei sich ändernder Trübung des durchströmenden Fluids vorgesehen sein.
Der Körper kann statisch oder auch bewegbar, insbesondere - beispielsweise bei einem kugel- oder walzenförmigen Körper -, drehbar angeordnet sein. Durch Drehung des Körpers kann z.B. eine Selbstreinigung erfolgen. Die Reinigungswirkung kann mit Hilfe einer abstreifenden Dichtlippe verbessert sein.
Der dünne Flüssigkeitsfilm wird während des Betriebs der Vorrichtung mit UV-Licht bestrahlt. Dazu ist die Vorrichtung mit einer Mehrzahl von LEDs ausgestattet, die jeweils konfiguriert sind, Licht mit Wellenlängen im Bereich der UV Strahlung, vorzugsweise UV-C Strahlung, auf die gekrümmte Oberfläche abzugeben, um das diese gekrümmte Oberfläche über- bzw. umspülende Fluid zu bestrahlen.
Die LEDs zum Bestrahlen der Fluidschicht auf der gekrümmten Oberfläche können außerhalb des Körpers angeordnet sein und/oder auch innerhalb, beispielsweise unterhalb der gekrümmten Oberfläche. Falls die LEDs innerhalb des Körpers angeordnet sind, ist die gekrümmte Oberfläche aus einem für die UV-Strahlung der LEDs durchlässigem Material ausgebildet, beispielsweise Quarzglas. Falls die LEDs außerhalb des Körpers angeordnet sind kann es vorteilhaft sein, wenn die gekrümmte Oberfläche mit einer für die UV-Strahlung reflektierenden Schicht versehen ist, beispielsweise einer metallischen Schicht.
Der Körper kann neben der Strömungsführung und -formung für das Fluid für weitere Funktionen ausgelegt sein. Beispielweise kann der Körper für die Strahlungsführung und - homogenisierung ausgelegt sein. Dafür kann der Körper - wie oben bereits erwähnt - aus einem für die UV-Strahlung der LEDs durchlässigen Material ausgebildet sein, beispielsweise Quarzglas, oder mit einer für die UV-Strahlung reflektierenden Oberfläche oder Schicht versehen sein. Außerdem kann der Körper für die Abführung der Abwärme der LEDs ausgelegt sein, beispielsweise durch die Verwendung von wärmeleitendem Material, z.B. Aluminium.
Selbstverständlich können mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen parallel oder seriell angeordnet sein, um größere Fluidmengen durch entsprechendes Aufteilen gleichzeitig bestrahlen zu können bzw. den Entkeimungsgrad stufenweise zu verbessern.
Figurenliste
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung in Schnittansicht eines UV-Durchflussreaktors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung in Schnittansicht eines UV-Durchflussreaktors mit Zulauf im Körper gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Darstellung in Schnittansicht eines UV-Durchflussreaktors mit ellipsoidem Körper gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Darstellung in Schnittansicht eines UV-Durchflussreaktors mit unterhalb des Körpers angeordnetem Zufluss gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Darstellung in Schnittansicht eines UV-Durchflussreaktors mit kugeligem Körper gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 eine schematische Darstellung in Schnittansicht eines UV-Durchflussreaktors mit einem als Walze ausgeführten Körper gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 eine schematische Darstellung in Schnittansicht eines UV-Durchflussreaktors mit kegelförmigem Körper gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Bevorzugte Ausführungen der Erfindung
Gleiche oder gleichartige Merkmale können im Folgenden der Einfachheit halber auch mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sein.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Entkeimen eines Fluids ist in 1 in schematischer Darstellung im Schnitt gezeigt. Es handelt sich hierbei um einen UV-C Durchflussreaktor mit Zulauf 4 und separatem Ablauf 6. Das zulaufende bzw. ablaufende Fluid ist durch entsprechende Pfeile und gestrichelte Linien symbolisiert.
Der rohrförmige Zulauf 4 definiert auch eine Achse A. Unterhalb des Zulaufs 4 ist ein bezüglich der Achse A rotationssymmetrischer Körper 8 angeordnet. Die Oberfläche 13 des Körpers 8 weist einen ersten Abschnitt 10 auf, mit einer dem Zulauf 4 zugewandten konvexen Krümmung. Die konvex gekrümmte Abschnitt 10 der Oberfläche 13 kann beispielsweise sphärisch oder - wie in 1 gezeigt - angenähert sphärisch sein, aber auch ellipsoid oder ähnlich. Der erste Abschnitt 10 geht in einen kreiszylindrischen zweiten Abschnitt 12 über. Innerhalb des Körpers 8 ist eine Vielzahl von UV-C LEDs 14 (durch Symbole nur schematisch angedeutet) möglichst nah unterhalb der Oberfläche 13 des Körpers 8 gleichmäßig verteilt angeordnet. Der Körper 8 ist aus Quarzglas gefertigt, damit die von den innen angeordneten LEDs abgestrahlte UV-C Strahlung möglichst gut an die Oberfläche 13 des Körpers 8 transmittieren kann.
Innerhalb des Körpers 8 kann noch eine Treiberelektronik und eventuell weitere Steuerungselektronik für den Betrieb der LEDs 14 vorgesehen sein, was der besseren Übersicht wegen nicht dargestellt ist. Ebenfalls nicht dargestellt ist eine interne elektrische Energieversorgung der LEDs 14 oder alternativ der Anschluss an eine externe elektrische Energieversorgung.
Im Betrieb strömt das Fluid vom Ende 5 des Zulaufs 4 auf die höchste Stelle des Körpers 8, der zentralen Auftreffstelle 9 und Zentrum des gekrümmten Abschnitts 10 der Oberfläche 13 des Körpers 8. Von dort verteilt sich das Fluid nach allen Seiten und fließt auf der Oberfläche 13 als dünner Fluidfilm, zuerst über den gekrümmten ersten Abschnitt 10 und schließlich über die kreiszylindrische Mantelfläche des zweiten Abschnitts 12 nach unten. Dies ist durch gestrichelte Linien mit Pfeilen schematisch symbolisiert. Der dünne Fluidfilm wird von den im Inneren des Körpers 8 angeordneten LEDs 14 durch die transparente Oberfläche 13 hindurch mit UV-C Strahlung bestrahlt. Am Fuße 16 des Körpers 8 sammelt sich das bestrahlte Fluid 18 und fließt über den Auslauf 6 aus dem Behältnis 2 ab.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 30 in einer schematischen Schnittansicht. Im Unterschied gegenüber dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist der Zulauf 4 nicht oberhalb des Körpers 8 angeordnet, sondern ist von unten entlang der Rotationsachse A durch den Körper 8 hindurchgeführt und mündet mit seinem Ende 5 unmittelbar im Zentrum 9 des ersten Abschnitts 10 der gekrümmten Oberfläche 13 des Körpers 8. Auf diese Weise kann das Fluid, beispielsweise mit Hilfe einer Pumpe zum Ende 5 des Zulaufs befördert werden und fließt (durch gestrichelte Linien mit Pfeilen symbolisiert) vom Zentrum 9 nach allen Seiten als dünner Fluidfilm entlang der Oberfläche 13, d.h. zunächst über den ersten konvex gekrümmten Abschnitt 10 und schließlich über die kreiszylindrische Mantelfläche des zweiten Abschnitts 12 nach unten, wie bereits im ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 beschrieben.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 40 in einer schematischen Schnittansicht. Hier handelt es sich um eine besonders symmetrische Ausgestaltung, bei der der Körper 8 als Ellipsoid geformt ist. Dadurch lässt sich bei kompakter Bauform ein besonders großer Teil der gesamten Oberfläche 13 des Körpers 8 für den überspülenden Fluidfilm nutzen. Der überspülende Fluidfilm erstreckt sich auf der gekrümmten Oberfläche 13 von der zentralen Auftreffstelle 9 gegenüber dem Zulaufende 5 fast bis zum anderen Ende des ellipsoiden Körpers 8 bevor das Fluid vom Körper abfließt in Richtung Ablauf 4 (schematisch angedeutet durch gestrichelte Linien mit entsprechenden Pfeilen). Um dieses weitgehend vollständige Überspülen der gekrümmten Oberfläche 13 des ellipsoiden Körpers 8 zu ermöglichen, ist dieser so orientiert, dass die große Halbachse des Ellipsoiden koaxial zur Zulaufachse A des Fluids orientiert ist. Innerhalb des ellipsoiden Körpers 8 sind wiederum LEDs 14 so angeordnet, dass sie das den ellipsoiden Körpers 8 überspülende Fluid durch die transparente Oberfläche 13 hindurch mit UV-C Strahlung bestrahlen. Dabei sind die LEDs 14 vorzugsweise so angeordnet und ausgelegt, dass auf dem fließenden Fluidfilm eine möglichst gleichmäßige Strahlungsverteilung erzielt wird.
Bei dem in 4 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Zulauf 4 unterhalb des Körpers 8 angeordnet. Von dort trifft das zulaufende Fluid (siehe gestrichelte Linie mit Pfeil) auf die Auftreffstelle 9 der Oberfläche 13 des Körpers 8. Von dort umspült das Fluid einen sphärischen Abschnitt 10 der Oberfläche 13 des Körpers 8. Dabei wird der fließende Fluidfilm von einer Fluidführungsvorrichtung in Form einer gefäßartigen Wandung 52, die sich ringsum am Ende 5 des Zulaufs 4 erstreckt, geführt. Bevorzugt weist zumindest die Innenseite 53 der Wandung 52, wie in 4 gezeigt, eine ähnliche oder annährend gleiche Krümmung wie der Körper 8 auf. Weiterhin ist die Wandung 52 so geformt, dass zwischen deren Innenseite 53 und der Oberfläche 13 des sphärischen Abschnitts 10 ein Spalt 54 gebildet ist. Am Ende des sphärischen Abschnitts 10 schließt sich ein kreiszylindrischer zweiter Abschnitt 12 so an, dass das an den Übergang beider Abschnitte 10, 12 anströmende Fluid über den umlaufenden Rand 56 der gefäßartigen Wandung 52 umgelenkt wird. Dann fließt das durch die transparente Oberfläche 13 hindurch mit UV-C Strahlung bestrahlte Fluid an der Außenseite der gefäßartigen Wandung 52 entlang nach unten Richtung Boden des Behältnisses 2. Dort fließt das bestrahlte Fluid über den Auslauf 6 aus dem Behältnis 2 ab. Die UV-C Strahlung wird von innerhalb des Körpers 8 im Bereich der transparente Oberfläche 13 angeordneten LEDs 14 emittiert. Vorzugsweise ist die Innenseite 53 der Wandung 52 für UV-Strahlung reflektiv ausgestaltet.
5 zeigt eine schematische Darstellung in Schnittansicht eines UV-Durchflussreaktors mit kugeligem Körper 8 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Konzept entspricht im Wesentlichen dem zuvor in 4 Gezeigten. Auch hier erfolgt der Zufluss von unten auf die Auftreffstelle 9 des kugeligen Körpers 8. Von dort wird das Fluid möglichst gleichmäßig rotationssymmetrisch um die Achse A und entlang des Spalts 54 zwischen kugeliger Oberfläche 13 des Körpers 8 und der Innenseite 53 der gefäßartigen Wandung 52 (Fluidführungsvorrichtung) geführt und strömt danach über den Rand 56 der Wandung an deren Außenseite nach unten zurück. Im Unterschied zu den zuvor in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen sind allerdings hier die LEDs 14 nicht im Inneren des Körpers 8 angeordnet, sondern im Inneren der gefäßartigen Wandung 52. Bevorzugt sind die LEDs 14 so ausgelegt, dass sie das Fluid sowohl entlang der Innenals auch der Außenseite - also beidseitig - der Wandung 52 mit UV-C Strahlung bestrahlten. Dazu ist die Wandung 52 beidseitig, zumindest im Bereich der LEDs 14, für die UV-C Strahlung transparent ausgeführt. Zusätzlich oder alternativ können auch LEDs innerhalb des Körpers angeordnet sein (nicht gezeigt), ähnlich wie im vorherigen Ausführungsbeispiel beschrieben bzw. in 4 gezeigt.
Alternativ kann der Körper anstatt als Kugel 8 auch als Walze ausgeführt sein (nicht dargestellt). Die Geometrie des Zulaufs ist dann entsprechend an die Walzenform angepasst oder es sind mehrere Zuläufe entlang der Walzendrehachse angeordnet.
6 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel mit einem als Walze (Kreiszylinder) ausgeführten Körper 8. Die Walze 8 dreht sich im Beispiel entgegen dem Uhrzeigersinn um die Drehachse D. Dazu wird das Fluid über den Zulauf 4 der Walze 8 zugeführt. Eine Fluidführungsvorrichtung in Form einer hohlzylinderartigen Wandung 60 führt das Fluid im Drehsinn durch den rohrförmigen Spalt 54 zwischen der Mantelfläche 81 der Walze 8 und der Innenseite 61 der hohlzylinderförmigen Wandung 60. Die Mantelfläche 81 der Walze 8 kann zur besseren Mitführung des Fluids eine bereits oben genannte Oberflächenstrukturierung aufweisen. Außerdem unterbindet eine Dichtlippe 58 eine gegenläufige Strömung des Fluids. Darüber hinaus unterstützt die abstreifende Dichtlippe 58 die Selbstreinigung der sich drehenden Walze 8. Dazu funktioniert die abstreifende Dichtlippe 58 ähnlich wie ein Scheibenwischer. Am Ende des rohrförmigen Spalts 54 direkt vor der Dichtlippe 58 ist in der hohlzylinderförmigen Wandung 60 eine schlitzförmige Öffnung 62 angeordnet. Durch diese schlitzförmige Öffnung 62 fließt das bestrahlte Fluid aus dem rohrförmigen Spalt 54 hinaus nach unten Richtung Boden des Behältnisses 2. Dort fließt das bestrahlte Fluid 18 über den Auslauf 6 aus dem Behältnis 2 ab. Die für die Bestrahlung des Fluids vorgesehenen LEDs 14 sind in diesem Ausführungsbeispiel außerhalb der Walze 8 und auch außerhalb der hohlzylinderförmigen Wandung 60 angeordnet. Stattdessen sind die LEDs 14 zwischen der für die UV-C Strahlung der LEDs 14 transparente Wandung 60 und dem Behältnis 2 angeordnet, vorzugsweise möglichst nahe der hohlzylinderförmigen Wandung 60. Die LEDs 14 können alternativ, ähnlich wie im Ausführungsbeispiel der 5 dargestellt, auch innerhalb der Wandung angeordnet sein (nicht gezeigt).
7 zeigt eine schematische Darstellung in Schnittansicht eines UV-Durchflussreaktors mit kegelförmigem Körper 8 (bzw. Körper mit konusförmigem Abschnitt) gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Fluid strömt über einen rohrförmigen Zulauf 4 in eine Fluidführungsvorrichtung mit gefäßartiger Wandung 70, wobei die gefäßartige Wandung 70 eine zylindrische Außenseite aufweist. Der rohrförmige Zulauf 4 mündet in eine trichterförmige Innenseite 72 der Fluidführungsvorrichtung 70. Innerhalb der trichterförmigen Innenseite 72 ist der kegelförmige Körper 8 angeordnet. Dabei sind die Trichterform der Innenseite 72 und die Kegelform des Körpers 8 so aufeinander abgestimmt, dass sich durch axiales Verschieben des kegelförmigen Körpers 8 entlang einer Längsachse A (symbolisiert durch den dicken Doppelpfeil) ein umlaufender Spalt 54 zwischen der trichterförmigen Innenseite 72 der Fluidführungsvorrichtung 70 und der kegelförmigen Oberfläche 82 des Körpers 8 mit verschiedenen Spaltmaßen d einstellen lässt. Mit Hilfe des auf diese Weise einstellbaren Spaltmaßes d lässt sich direkt die Schichtdicke des durch den Spalt 54 strömenden und zu bestrahlenden Fluids (wiederum durch entsprechende Pfeile mit gestrichelten Linien symbolisiert) auf sich gegebenenfalls ändernde Bedingungen, beispielsweise Trübung des Fluids, anpassen. Dadurch ist es bei unterschiedlichen Bedingungen weitgehend möglich, ein optimales Spaltmaß im Hinblick auf möglichst hohe Durchflussmenge (größeres Spaltmaß) und ausreichende Effizienz der Entkeimung, d.h. Eindringtiefe der Strahlung in das Fluid (kleineres Spaltmaß), einzustellen. In einer nicht dargestellten Weiterbildung kann eine Sensorik vorgesehen sein, die derartige Änderungen des Fluids erfasst und an eine Steuerung für die Einstellung des geeigneten Spaltmaßes d weitergibt. In der Steuerung können entsprechende Spaltmaße für verschiedene Fluideigenschaften hinterlegt sein. Innerhalb der gefäßartigen Wandung der Fluidführungsvorrichtung 70 ist eine Vielzahl von LEDs 14 (wiederum durch Symbole nur schematisch angedeutet) entlang der trichterförmigen Innenseite 72 gleichmäßig verteilt angeordnet. Die LEDs 14 sind für die Bestrahlung des durch den Spalt 54 fließenden Fluids mit UV-C Strahlung ausgelegt. Die Fluidführungsvorrichtung 70 ist zumindest abschnittsweise für UV-Strahlung transmittierend ausgelegt.
Die in den 1 bis 7 gezeigte Form der Behältnisse 2 ist rein exemplarisch zu verstehen. Je nach Anwendungsfall oder konkreter Ausgestaltung können auch andere Formen zweckmäßig sein. Beispielsweise kann bei den Ausführungsformen mit entgegengesetztem Zu- und Abfluss (siehe auch 1 und 3) der zum Auffangen und Abfließen des bestrahlten Fluids dienende Boden des Behältnisses trichterartig geformt sein. Bevorzugt besteht die Wandung der Behältnisse 2 aus einem Material oder weist eine Beschichtung auf, welche(s) eine Transmission von UV-Strahlung in den Außenraum verhindert und einen Großteil der Strahlung in den Innenraum zurückreflektiert, beispielsweise diffus zurückreflektiert.
In den Ausführungsbeispielen gemäß 1 bis 7 können optional zusätzlich desinfizierende Gase innerhalb des Behältnisses 2 vorgesehen sein, z.B. O₃, Cl₂, ClO₂, H₂O₂.
Eine Vorrichtung zum Entkeimen eines durchfließenden Fluids umfasst ein Behältnis mit einem Zulauf zum Aufnehmen des Fluids und mit einem Ablauf zum Abgeben des Fluids aus dem Behältnis, einen Körper mit einer zumindest teilweise gekrümmten Oberfläche, wobei der Körper innerhalb des Behältnisses so angeordnet ist, dass er zumindest im Bereich seiner gekrümmten Oberfläche von dem über den Zulauf in das Behältnis einströmenden Fluid zumindest teilweise überspült oder umspült wird. Außerdem umfasst die Vorrichtung eine Mehrzahl von LEDs, die jeweils konfiguriert sind, Licht mit Wellenlängen im Bereich der UV-Strahlung, bevorzugt der UV-C Strahlung, abzugeben. Die LEDs sind dafür ausgelegt, das die gekrümmte Oberfläche des Körpers überspülende bzw. umspülende Fluid mit der UV-Strahlung, bevorzugt der UV-C Strahlung, der LEDs zu bestrahlen.
Bezugszeichenliste

1; 30; 40; 50; 60: Vorrichtung
2: Behältnis
4: Zulauf
5: Ende des Zulaufs
6: Ablauf
8: Körper
9: Auftreffstelle
10: Erster Abschnitt (sphärische gekrümmte Oberfläche)
12: Zweiter Abschnitt (kreiszylindrische Oberfläche)
13: Oberfläche des Körpers
14: LED
16: Fuß des Körpers
18: Bestrahltes Fluid
52: gefäßartige Wandung (Fluidführungsvorrichtung)
53: Innenseite der Wandung
54: Spalt
56: Rand der Wandung
58: Dichtlippe
60: hohlzylinderartige Wandung (Fluidführungsvorrichtung)
61: Innenseite der Wandung
62: Schlitzförmige Öffnung
70: gefäßartige Wandung (Fluidführungsvorrichtung)
72: trichterförmige Innenseite der Wandung
81: Mantelfläche (der Walze)
82: kegelförmige Oberfläche
A: Achse
D: Drehachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5626768 A [0010]
JP 2000288559 A [0011]
US 5069885 A [0012]

Claims

Vorrichtung (1, 30, 40, 50, 60) zum Entkeimen eines durchfließenden Fluids, umfassend: ein Behältnis (2) mit einem Zulauf (4) zum Aufnehmen des Fluids und mit einem Ablauf (6) zum Abgeben des Fluids aus dem Behältnis (2), einen Körper (8) mit einer zumindest teilweise gekrümmten Oberfläche (13), wobei der Körper (8) innerhalb des Behältnisses (2) so angeordnet ist, dass er zumindest im Bereich seiner gekrümmten Oberfläche (13) von dem über den Zulauf (4) in das Behältnis (2) einströmenden Fluid zumindest teilweise überspült oder umspült wird, eine Mehrzahl von LEDs (14), die jeweils konfiguriert sind, Licht mit Wellenlängen im Bereich der UV-Strahlung, bevorzugt der UV-C Strahlung, abzugeben, und wobei die LEDs (14) dafür ausgelegt sind, das die gekrümmte Oberfläche (13) des Körpers (8) überspülende bzw. umspülende Fluid mit der UV-Strahlung, bevorzugt der UV-C Strahlung, der LEDs (14) zu bestrahlen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche (13) des Körpers (8) zumindest in dem Bereich, auf dem das vom Zulauf (4) kommende Fluid fließt, konvex gekrümmt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Oberfläche (13) des Körpers (8) zumindest abschnittsweise eine Rotationssymmetrie aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die gekrümmte Oberfläche (13) des Körpers (8) eine oder mehrere der folgenden Formen, zumindest abschnittsweise, aufweist: Kugel, Ellipsoid, Kegel, Zylinder.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Teil der LEDs (14) innerhalb des Körpers (8) und im Bereich der gekrümmten Oberfläche (13) verteilt angeordnet sind derart, dass die von den LEDs (14) abgegebene Strahlung durch die gekrümmte Oberfläche (13) hindurchstrahlt.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die gekrümmte Oberfläche (13) des Körpers (8) zumindest teilweise aus einem für die von den LEDs (14) abgegebene Strahlung transparenten Material besteht.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die gekrümmte Oberfläche (13) des Körpers (8) eine Strukturierung aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Körper (8) drehbar gelagert ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer Fluidführungsvorrichtung (52, 60, 70), wobei zwischen zumindest einem Teil der Oberfläche (13, 81, 82) des Körpers (8) und zumindest einem Teil der Oberfläche (53, 61, 72) der Fluidführungsvorrichtung (52, 60, 70) ein Spalt (54) gebildet ist, und wobei der Spalt (54) dafür ausgelegt ist, dass das Fluid durch diesen Spalt (54) strömt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, die dazu ausgelegt ist, dass das Spaltmaß (d) des Spalts (54) veränderbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Oberfläche (82) des Körpers (8) und die Oberfläche (72) der Fluidführungsvorrichtung (70) so geformt und ausgelegt sind, dass sich durch ein gegeneinander Verschieben von Körper (8) und Fluidführungsvorrichtung (70) das Spaltmaß (d) des Spalts (54) verändern lässt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Körper (8) einen Abschnitt mit einer kegelförmigen Oberfläche (82) aufweist, wobei die Fluidführungsvorrichtung (70) einen Abschnitt mit einer zur kegelförmigen Oberfläche (82) komplementären trichterförmigen Oberfläche (82) aufweist und wobei der Körper (8) und die Fluidführungsvorrichtung (70) entlang einer Längsachse (A) so angeordnet sind, dass zwischen der kegelförmigen Oberfläche (82) und der trichterförmigen Oberfläche (82) ein Spalt (54) gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Fluidführungsvorrichtung eine Wandung (52, 60, 70) umfasst, in der zumindest ein Teil der LEDs (14) verteilt angeordnet sind derart, dass die von den LEDs (14) abgegebene Strahlung durch die Innenseite (53, 61, 72) der Wandung (52, 60, 70) in den Spalt (54) strahlt.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Zulauf eine Düse mit einer oder mehreren Düsenöffnungen umfasst.
Verfahren zum Entkeimen eines durchfließenden Fluids, umfassend: Bereitstellen einer Vorrichtung (1, 30, 40, 50, 60) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche; Verbinden des Zulaufes (4) der Vorrichtung (1, 30, 40, 50, 60) mit einer Quelle eines Fluids und der Mehrzahl von LEDs (90) mit einer elektrischen Energieversorgungsquelle; Zulaufen des Fluids durch den Zulauf (4) in das Behältnis (2); Überspülen oder Umspülen zumindest eines Teils der gekrümmten Oberfläche (13, 81, 82) des Körpers (8) mit dem Fluid; Bestrahlen des die gekrümmte Oberfläche (13, 81, 82) des Körpers (8) überspülenden bzw. umspülenden Fluids mit der UV-Strahlung, bevorzugt der UV-C Strahlung, der LEDs (14); Rückführung des Fluids zu der Quelle oder in ein anderes Reservoir über den Ablauf (6).
Verfahren nach Anspruch 12, zusätzlich umfassend: Verändern des Spaltmaßes des Spalts (54) zwischen zumindest einem Teil der Oberfläche (13, 81, 82) des Körpers (8) und zumindest einem Teil der Oberfläche (53, 61, 72) der Fluidführungsvorrichtung (52, 60, 70) bei Änderung einer Eigenschaft des durch den Spalt (54) strömenden Fluids.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16, zusätzlich umfassend: Zuführen mindestens eines desinfizierenden Gases in das Behältnis (2).