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Gegenstand der Neuerung ist ein rohrartiges UVC-LED-Entkeimungsmodul für flüssige Medien mit dem unabhängig von bestehenden Druckschwankungen, Belastungen durch Schwebstoffe oder Einschränkungen der Viskosität eine möglichst vollständige Entkeimung erreichbar ist.
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Um eine effektive Entkeimung von Flüssigkeiten zu erreichen, erfolgt wiederholt eine Bestrahlung von dünnen Flüssigkeitsschichten mit UV-Licht. Mit
DE 198 42 160 A1 wird eine solche Vorrichtung zum Entkeimen von Prozessflüssigkeiten durch Einwirkung von UV-Licht vorgeschlagen. Sie besteht aus einem Rohrkörper in dem ein Ringspalt bildender Quarzglaskolben als Verdrängungskörper angeordnet ist, in dem sich mindestens eine UV-Lichtquelle befindet. Sind zusätzlich äußere UV-Lichtquellen vorgesehen, so besteht der äußere Rohrkörper ebenfalls aus Quarzglas.
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DE 10 2008 021 301 A beschreibt einen Reaktor zur Einstrahlung von Licht in ein fließendes Medium mit einer Wellenlänge zwischen 200 nm und 500 nm. Der Reaktor umfasst einen äußeren rohrförmigen Hohlkörper, in dem ein ultraviolettes Licht durchlässiges Rohr aus Quarzglas angeordnet ist, sodass zwischen beiden ein ringartiger Raum für das fließende Medium entsteht. Innerhalb des Rohres aus Quarzglas ist eine UV-LED-Lichtquelle angeordnet. Zusätzlich ist der Hohlkörper mit einem UV-Strahlung reflektierendem Material beschichtet.
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Mit
EP 0803 472 A1 (
DE 29607581 U1 ) wird des Weiteren ein UV-Reaktor zur Einstrahlung von ultravioletten Licht in ein Reaktionsmedium vorgeschlagen, das aus einem rohrförmigen Gehäuse besteht, in welches ein UV-lichtdurchlässiges Rohr (Quarzglas) eingesetzt und in diesem eine UV-Lichtquelle angeordnet ist. Zwischen der inneren Wandung des Gehäuses und dem UV-lichtdurchlässigen Rohr ist ein Ringspalt mit einem Ein- und Auslass vorgesehen, durch den das Reaktionsmedium hindurch geleitet und von der UV-Lichtquelle bestrahlt wird.
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Weiterhin wurde mit der
US 2014/0263091 A1 eine Entkeimungsvorrichtung vorgeschlagen, die ein Rohr umfasst, in dessen Inneren ein wendelartiger Kanal angeordnet ist. Das Rohr besteht aus Quarzglas, wobei auf der Außenseite mehrere über den Umfang verteilte UV-Strahler angeordnet sind und das durchströmende Medium bestrahlen.
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Zur Entkeimung von Flüssigkeiten über dünne Schichten wurde mit
DE 10 2014 015 642 A1 auch eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der der Flüssigkeitsstrom mittels eines Wirbelkörpers mit Nadeldüse am Düsenausgang homogene Flüssigkeitsblasen erzeugt, die mit emittiertem und gepulstem UVC-LED-Licht durchdringend bestrahlt werden (
5, Anspruch
13). Eine optimale Entkeimung der Flüssigkeiten ist erreichbar, wenn diese unter konstantem Druck gleichmäßige stabile Flüssigkeitsblasen bzw. Innenwandschichten bildet. Bei Druckschwankungen, unterschiedlicher Viskosität oder dem Mittransport von Schwebestoffen kommt es zu Instabilitäten der Flüssigkeitsblasen und Innenwandschichten, so dass eine Entkeimung nur bedingt erreichbar ist. Dieses ansonsten funktionsfähige System ist nicht optimal für geschlossene Rohrsysteme einsetzbar.
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In der
DE 10 2014 015 642 A1 wird auch eine Variante (
4, Anspruch
10) zur Entkeimung von Flüssigkeiten offenbart, bei der in einem Rohrabschnitt ein eiförmiger Strömungskörper (Schauberger Ei) drehbar gelagert ist. Dieser Strömungskörper gibt gegenüber der Rohrinnenwandung einen Spalt frei, der von UVC-LEDs beidseitig bestrahlt wird. Dazu sind die LEDs im äußeren Durchmesserbereich des Strömungskörpers und in der gegenüber liegenden Rohrwandung angeordnet. Durch das durchströmende Medium wird der Strömungskörper in Rotation versetzt und ein Drehimpuls erzeugt, der den Durchtritt des Mediums im Spaltbereich verzögert und so die Entkeimung verstärkt.
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In Kenntnis des Standes der Technik soll ein Entkeimungsmodul für Flüssigkeiten geschaffen werden, mit dem unabhängig von möglichen Druckschwankungen, Belastungen durch Schwebstoffe oder Einschränkungen der Viskosität unter Einwirkung von intensiven UVC-LED-Licht eine effiziente Entkeimung erreichbar ist. Das Entkeimungsmodul soll für geschlossene Rohrsysteme einsetzbar sein und einen relativ geringen Strömungswiderstand bieten.
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Ausgehend von den Erfahrungen mit der Entkeimungsvorrichtung nach
DE 10 2014 015 642 A1 soll der Flüssigkeitsstrom innerhalb des Entkeimungsmoduls intensiv verwirbelt und durchgreifend mit konzentrierten UVC-LED-Licht bestrahlt werden. Der Aufbau des Moduls soll so modifiziert sein, dass einzelne Funktionselemente rationell auch im 3D-Verfahren herstellbar sind.
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Die technischen Merkmale der Neuerung sind entsprechend der vorstehenden Zielsetzung im Haupt- und darauf Bezug nehmende Unteransprüche aufgeführt.
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Zunächst ist das neue UVC-LED-Entkeimungsmodul als universell in ein Rohrsystem einfügbares Zwischenstück / Modul für jegliche Art zu sterilisierende Wassersysteme anwendbar. Das UVC-LED-Entkeimungsmodul umfasst ein UV-Licht durchlässiges Quarzrohr mit einem Konus-artig verengten Rohrabschnitt in dem mittig ein Düsenkanal angeordnet ist. Damit ergibt sich auf der Einlassseite eine Mischkammer und nach dem Konus eine Auslasskammer. Vor dem Düsenkanal ist in der Mischkammer ein frei beweglicher drehbarer Wirbelkörper eingesetzt. Weiterhin ist das Quarzrohr zum Schutz vor mechanischen Schäden in einem stabilen Gehäuserohr eingesetzt und wird stirnseitig durch Ring-schrauben gehalten. Auf der Eintrittsseite des Entkeimungsmoduls ist die Ringschraube zur Erzeugung einer Drallbewegung im Fluid mit Impeller-artigen Profilflügeln ausgestattet. Die Abdichtung zwischen Quarzrohr und Gehäuserohr bzw. der Ringschrauben erfolgt durch einen zwischen der Stirnseite des Quarzrohres und der Ringschraube angeordnetem Dichtring (Nullring oder Fachdichtung). Über den Umfang des Quarzrohres verteilt und auf unterschiedlichen Querschnittsebenen angeordnet sind die zur Entkeimung erforderlichen UVC-LEDs von außen in das Quarz-rohr eingelassen. Davon ist mindestens ein UVC-LEDs-Satz einer Querschnittsebene mit seiner Strahlungsachse unter einem Winkel von rund 45° auf die Mittelachse des Entkeimungsmoduls in Richtung Mischkammer ausgerichtet. Weitere UVC-LEDs sind im Bereich des Konus von außen unter einem Anstellwinkel von rund 45° in beide Flussrichtungen in das Quarzrohr eingesetzt und auf den Düsenkanal ausgerichtet. Mit dieser Anordnung der UVC-LEDs wird erreicht, dass die Strahlengänge der jeweils diametral auf einer Durchmesserebene eingesetzten UVC-LEDs auf die Mittelachse des Entkeimungsmoduls in einem Brennpunkt fokussiert werden. Ausgehend von diesem Effekt ist weiterhin vorgesehen, dass die Anordnung der LEDs auf zueinander versetzten Querschnittsebenen erfolgt. Damit wird, bezogen auf die Mittelachse des Entkeimungsmoduls, eine Staffelung der einzelnen Brennpunkte und somit eine effektive Entkeimung des Fluid erreicht. Eine zusätzliche Verstärkung des UVC-LED-Lichts wird erreicht, indem das gesamte Quarzrohr auf der Außenseite, verspiegelt ist. Die sich dabei ergebenden Mehrfachspiegelungen des UVC-LED-Lichts ist sowohl in Fließrichtung als auch entgegen der Fließrichtung wirksam. Eine weiter optimale Verstärkung des Entkeimungsprozesses ergibt sich, in dem der Wirbelkörper zusätzlich versilbert ist und damit antibakteriell auf die Flüssigkeit einwirkt. Zu beachten ist hierbei, dass die versilberte Oberfläche einem Verschleiß unterliegt, sodass nach einer ermittelten Betriebszeit dieses Funktionsteil regeneriert werden muss.
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Die Entkeimungsfunktion des Entkeimungsmoduls bei gleichzeitiger Vermeidung von Totraumzonen wird insgesamt durch die Kombination der nachstehend angeführten Konstruktionsmerkmale erreicht:
- 1. Verwirbelung des Flüssigkeitsstromes im Einlassbereich des Entkeimungsmoduls durch Impeller-artige Profilflügel in der Ringschraube und damit Erzeugung einer durchgehenden Drallbewegung des Flüssigkeitsstromes in der Mischkammer.
- 2. Maximierung des Durchmischungsgrades des Flüssigkeitsstromes im UVC-LED-Behandlungsteil durch einen frei-beweglichen Wirbelkörpers, der eine 3-fach-Verwirbelung generiert:
- a) Eigenrotation des Wirbelkörpers durch anströmende Flüssigkeit.
- b) Wirbelbildung durch schräg in die Mantelfläche des Wirbelkörpers eingelassene Nutenkanäle.
- c) Verstärkung der Wirbelbildung durch Drallgestaltung der Nutenkanäle.
- 3. Zwangsführung homogen verdrallter und verengter Flüssigkeitsschichten im Düsenkanal des UVC-LED-Behandlungsteils.
- 4. Fokussierung, Überlagerung und Staffelung mehrerer UVC-LED-Einzelstrahler im Bereich des Düsenkanals und damit intensive Verstärkung der UVC-LED-Strahlenwirkung.
- 5. Verstärkung der UVC-LED-Strahlenwirkung durch Mehrfachreflexionen an den verspiegelten Quarzrohraußenflächen.
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Wie bereits in der
DE 10 2014 015 642 A1 ausgeführt, sind die UVC-LEDs auf die optimal biologisch wirksame UVC-Wellenlänge des entsprechend vorhandene Mikroorganismenspektrums im biologisch-effektiven Bereich von 255 nm bis 275 nm, vorzugsweise auf einen Wellenlängenbereich von 262 nm bis 268 nm eingestellt. Zugleich erfolgt eine Pulsung der eingesetzten UVC-LEDs mit den wachstumshemmenden NF-Frequenzen nach „Global Scaling“ von 42,7 Hz, 51 Hz, und/oder 60,3 Hz.
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Mit der vorgeschlagenen Anordnung wird erreicht, dass die zu entkeimende Flüssigkeit durch die intensive Verwirbelung mittels des Impeller-artigen Einlassteiles, dem Wirbelkörper und dem anschließenden Düsenkanal unabhängig vom Druck, Strömungsgeschwindigkeit, Viskosität oder Schwebstoffbelastung und ohne Toträume in dem Entkeimungsmodul vollständig vom UVC-LED-Licht erfasst und komplette wirksame Keimfreiheit erlangt. Zugleich wird durch die mehrfach überlagerte intensive Wirbelbildung in der Flüssigkeitsströmung innerhalb des durchströmten Quarzglases weitgehend eine Biofilm-und Belag-Freiheit der Quarzrohrinnenflächen erreicht. Damit verringert sich der Strömungswiderstand und Verschleiß und somit die Störanfälligkeit, was wiederum die Verfügbarkeit des Entkeimungsmoduls erhöht.
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Nachfolgende Abbildung zeigt in einer Prinzipdarstellung das Entkeimungsmodul im Längsschnitt. Dabei ist eine Halbseiten mit einem Anschlussflansch 2 mit Flanschbohrungen 2.1 zur Befestigung und auf der Gegenseite mit einem Rohrgewinde 1.1 am Gehäuserohr 1 dargestellt. Damit kann das Entkeimungsmodul je nach vorhandenem Rohrsystem konstruktiv ausgeführt und eingesetzt werden.
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Das Entkeimungsmodul besteht aus einem Gehäuserohr 1 in dem das Quarzrohr 3 eingesetzt ist. Die kraft- und formschlüssige Befestigung und Abdichtung des Quarzrohres 3 im Gehäuserohr 1 erfolgt jeweils stirnseitig durch Ringschrauben 8 und 9. Die Ringschraube 8 auf der Eintrittsseite ist zusätzlich mit Impeller-artigen Profilflügeln 8.1 bestückt, so dass der Flüssigkeitsstrom zwangsweise in eine Drallbewegung versetzt wird. Das hat den Vor-teil, das mitgeführte Schwebeteilchen oder viskositätsbedingte Schlieren aufgelöst und homogenisiert werden. Auf der Austrittsseite wird das Quarzrohr 3 durch eine offene Ringschraube 9 im Gehäuserohr 1 gesichert. Ihre Befestigung erfolgt vorzugsweise mit einem Zweilochschlüssel, der in den Bohrungen 8.2 bzw. 9.1 eingreift. Die Abdichtung zwischen Quarzrohr 3 und den Ringschrauben 8 und 9 erfolgt jeweils durch einen Dichtring (Nullring) 11 und 12. Das Quarzrohr 3 ist in Flussrichtung im hinteren Drittel zu einem Konus 16 verengt. Dieser Konus 16 unterteilt das Quarzrohr 3 in eine Mischkammer 13 und eine Auslaufkammer 14. Beide Funktionsbereiche sind durch einen in der Konusmitte angeordneten Düsenkanal 4 verbunden. Der Durchmesser des Düsenkanals beträgt 1 bis maximal 5 mm. Vor dem Konus 16 ist in der Mischkammer 13 ein frei drehbarer Wirbelkörper 5 eingesetzt. In der umfassenden Mantelfläche des Wirbelkörpers 5 sind Drallnuten 6 eingelassen, durch die er im Flüssigkeitsstrom in eine berührungsfreie stabilisierte Drehung versetzt wird. Auf der Abströmseite trägt der Wirbelkörper 5 einen kegelförmigen Übergang 7, der im gleichen Verhältnis zum spiegelbildlichen Übergang des Konus 16 zur Innenwand des Quarzrohr 3 steht. Damit ist sichergestellt, dass der Flüssigkeitsstrom als relativ dünne homogenisierte Flüssigkeitsschicht die Öffnung des Düsenkanal 4 erreicht und diesen wirbelartig passiert. Ein analog ausgeführter kegelförmiger Übergang am Ausgang des Düsenkanals 4 zur Auslaufkammer 14 bewirkt, dass der entkeimte Flüssigkeitsstrom sich in der Auslaufkammer 14 ohne Kavitationsgefahr frei entspannen kann.
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Fertigungstechnisch kann das Quarzrohr 3 auch optional mehrteilig ausgeführt sein. Die Unterteilung erfolgt vorzugsweise zwischen Mischkammer 13 und Konus 4 und zwischen Auslasskammer 14 und Konus 4. Zur Zentrierung der einzelnen Rohrabschnitte kann die Trennfuge (in der Abbildung nicht dargestellt) schräg, stufenartig oder als Nut-Ringverbund ausgeführt sein. Die Abdichtung folgt analog wie bei den Ringschrauben 8 und 9. Damit eine ausreichende Vorspannung in den Dichtungen erreicht wird, ist das Gewinde im Gehäuserohr 1 für die Ringschraube 8 oder 9 um den Betrag des erforderlichen Spannweges vertieft. Von Vorteil ist hierbei, dass bei einem Wechsel der LEDs (15) bzw. der Regenerierung des Wirbelkörpers (5) keine vollständige Demontage des Entkeimungsmoduls erfolgen muss.
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Die ausgewählten UVC-LEDs 15 sind von außen in das Quarzrohr 3 eingelassen. Ihre Anzahl richtet sich nach der Art des zu entkeimenden Mediums. Vorzugsweise wird eine n-Anzahl von UVC-LEDs über den Umfang des Quarzrohres 3, vorzugsweise mit einem Bogenwinkelabstand von 90, 60, 45 und/oder 30 Grad angeordnet. Das schließt nicht aus, dass andere Gradeinteilungen vorgesehen werden können. Entsprechend dieser Aufteilung sind die einem Bogenwinkel zugeordneten UVC-LEDs auf einer Querschnittsebene positioniert. Die Strahlengänge der UVC-LEDs sind in einem Winkel von rund 45° bezogen auf die Mittelachse des Entkeimungsmoduls in beide Fließrichtungen ausgerichtet. Wie das Beispiel zeigt, sind die LEDs 15a und 15a' und LEDs 15b und 15b' gegen die Strömungsrichtung auf die Mischkammer 13 gerichtet, wo sie auf der Mittelachse des Entkeimungsmoduls in einem Brennpunkt fixiert werden. Den Strahlengängen folgend werden sie von der verspiegelten Außenseite 3.1 des Quarzrohres 3 in die Mischkammer 13 zurück reflektiert. Die UVC-LED 15 c, c', d, d', e, e', f und f' sind im Bereich des Konus 16 positioniert. Die Strahlenachse der UVC-LED 15c,15d und 15c', 15d' sind in Strömungsrichtung auf die Mittelachse des Düsenkanals 4 ausgerichtet. Dagegen sind die UVC-LED 15e, 15e' und 15f, 15f' entgegen der Strömungsrichtung im Quarzrohr 3 ausgerichtet. So kreuzen sich die Strahlengänge der diametral im Quarzrohr 3 angeordneten LEDs 15c, 15e' und 15 e,15c' auf der Mittelachse im Düsenkanal 4 in einem ersten gemeinsamen Brennpunkt und die UVC-LEDs 15d, 15f' und 15f, 15d' in einem dahinter liegenden zweiten gemein-samen Brennpunkt. Durch die mehrfache Konzentration der LED-UVC-Strahlen in beiden Brennpunkt wird eine intensive Entkeimung des im Wirbelstrom durch den Düsenkanal 4 strömenden Fluid erreicht. Hierzu ist anzumerken, dass alle auf einer Querschnittsebene im Quarzrohr 3 angeordneten LEDs unabhängig vom zugeordneten Bogenwinkel auf einen Brennpunkt auf der Mittelachse des Entkeimungsmoduls ausgerichtet sind.
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Die Stromversorgung der UVC-LEDs erfolgt zentral über einen Spannungsregler und eine Steuerelektronik, die zugleich die LED-Pulsung übernimmt. Die LED-Verkabelung erfolgt über den im Gehäuserohr 1 vorgegeben Kabelkanal 10 und einer hier nicht dargestellten Anschlussbuchse.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuserohr
- 1.1
- Rohrgewinde
- 2
- Flansche
- 2.1
- Bohrung
- 3
- Quarzrohr
- 3.1
- Außenseite (verspiegelt)
- 4
- Düsenkanal
- 5
- Wirbelkörper
- 6
- Drallnut
- 7
- Übergang
- 8
- Ringschraube
- 8.1
- Profilflügel
- 8.2
- Bohrung
- 9
- Ringschraube
- 9.1
- Bohrung
- 10
- Kabelkanal
- 11
- Dichtring
- 12
- Dichtring
- 13
- Mischkammer
- 14
- Auslaufkammer
- 15 a, a', b, b', c, c', d, d', e, e', f, f' :
- n-Anzahl UVC-LEDs
- 16
- Konus
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19842160 A1 [0002]
- DE 102008021301 A [0003]
- EP 0803472 A1 [0004]
- DE 29607581 U1 [0004]
- US 2014/0263091 A1 [0005]
- DE 102014015642 A1 [0006, 0007, 0009, 0013]
