DE60211941T2 - Uv-desinfektionsgerät - Google Patents

Description

• ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
• Technisches Gebiet
• Diese Erfindung betrifft ein Luftreinigungssystem, das starke Ultraviolettstrahlung verwendet, um chemische Bindungen in toxischen Verbindungen aufzubrechen und Pathogene zu deaktivieren.
• Stand der Technik
• UV-Desinfektionsgeräte nach dem Stand der Technik sind typischerweise Wasserdesinfektionssysteme, in denen das Wasser UV-Strahlung so ausgesetzt wird, dass die Strahlung durch das Wasser läuft, auf eine Reflexionsfläche trifft und dann nach der Reflexion wieder durch das Wasser läuft. Die Reflexionsflächen, typischerweise aus poliertem nichtrostendem Stahl, absorbieren eine beträchtliche Strahlungsmenge. Luftdesinfektionssysteme wie z.B. das von Halloran (US-Patentschrift 3.744.216) beschriebene verwenden Niederdruck-Quecksilberdampf-Entkeimungslampen mit verlängertem Bogen. Firmen wie „American Ultraviolet and Steril-Aire" stellen Systeme her, die diese Lampen im Kanal einer Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlage (HVAC) einsetzen, wodurch eine entkeimende Wirkung erhalten wird.
• In Whitehead, US 4.260.220 , wird ein Hohlrohr-Wellenleiter mit einem quadratischen Querschnitt ersonnen, der nach dem Prinzip der totalen internen Reflexion (TIR) arbeitet. Jeder Wandabschnitt weist eine plane Innenfläche und eine Außenfläche mit Längswellungen in einem Winkel von 90° auf. Die Wände bestehen aus einem transparenten dielektrischen Material wie Acrylglas oder optisch reines Glas. Die Whitehead-Vorrichtung wird verwendet, um sichtbares Licht zu leiten.
• Ein Lichtwellenleiter mit quadratischem Querschnitt nach Pritchard (US-Patent 3.170.980) ist dem Fachmann dafür bekannt, dass er die Flusshomogenität in einer kurzen Entfernung maximiert. Diese Vorrichtungen werden typischerweise in Projektionssystemen zwischen einer Lichtquelle und einem Abbildungsgerät verwendet, wie z.B. in Magarill (US-Patent 5.625.738) beschrieben.
• Den UV-Desinfektionssystemen des Stands der Technik gemeinsam ist die Überdosierung der Ultraviolett (UV)-Strahlung in der Luft, die desinfiziert wird, was die Größe, das Gewicht und die Leistung der resultierenden Ausrüstung notwendigerweise erhöht. Es besteht seit langem ein Bedarf, den Wirkungsgrad solcher Systeme zu erhöhen und ein tragbares leistungsfähiges UV-Desinfektionssystem für Luft bereitzustellen.
• ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Ein erfindungsgemäßes System zur Desinfektion von vorgefilterter Luft wird in Anspruch 1 definiert. Das System führt Luft durch ein Ende einer hohlen Lichtleitung oder eines hohlen Wellenleiters mit totaler interner Reflexion ein und koppelt Ultraviolett (UV)-Energie aus einer Lampe mit hoher Intensität durch die Lichtleitung oder den Wellenleiter vom anderen Ende aus. Der Wellenleiter selbst besteht aus einem Material, das keine UV-Strahlung absorbiert, z.B. ein UV-beständiges geschmolzenes Silicatglas. Die Anwendung der auf der totalen internen Reflexion (TIR) beruhenden Lichtleitungstechnologie gewährleistet vorteilhafterweise dass die gesamte zugeführte UV-Strahlung in der Luft zerstreut wird.
• KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Kurze Beschreibung der verschiedenen Ansichten der Zeichnung
• 1 zeigt eine Vorrichtung zur Desinfektion von Luft durch Ultraviolettstrahlung (UV) nach einer beispielhaften Ausführungsform meiner Erfindung.
• 2 zeigt eine Schnittansicht des UV-Desinfektionsgeräts von 1.
• 3 zeigt ein Blockdiagramm einer Lüftungsanlage, in welcher mein erfindungsgemäßes UV-Desinfektionsgerät integriert ist.
• Liste der Bezugszeichen für die Hauptelemente in der Zeichnung
• Es folgt eine Liste der Hauptelemente in den Zeichnungen in numerischer Reihenfolge

101

Lufteinlassgebläse

102

Luftfilter

103

Katalysatorfilter

104

Luftauslassgebläse

105

(zu desinfizierende) Luft

110

Lufteinlassrohr

111

Eintrittsende (Lufteinlassrohr)

112

Austrittsende (Lufteinlassrohr)

113

Innenfläche (Fluideinlassrohr)

114

Außenfläche (Fluidauslassrohr)

120

totale interne Reflexionsmerkmale (des Luftein

lassrohrs)

121

Innenfläche (der totalen internen Reflexions

merkmale)

123

Ablenkspiegel

130

Luftbehälter

131

Ultraviolettspiegel (Innenfläche Luftbehälter)

135

Ultraviolett-Eintrittsöffnung

137

Ultraviolett-Fensterfläche

140

Ultraviolettlampe mit hoher Intensität

141

Ultraviolettsensor

150

Fluidauslassrohr

101

Lufteinlassgebläse

102

Luftfilter

103

Katalysatorfilter

104

Luftauslassgebläse

200

Steuergerät (für Desinfektionssystem)

• BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Art(en) der Ausführung der Erfindung
• Bezug nehmend auf 1 und 2, umfasst ein Luftbehälter 130 eine Innenfläche, die als ein Ultraviolettspiegel 131 konfiguriert ist; der Luftbehälter kann zum Beispiel aus Aluminium bestehen, und die Innenfläche kann aus poliertem Aluminium sein. Die zu desinfizierende Luft 105 tritt durch ein Eintrittsende 111 in das TIR-Lufteinlassrohr 110 ein. Das Lufteinlassrohr 110 kann zum Beispiel aus UV-beständigem geschmolzenen Silicatglas bestehen, vor allem solcher Güten, die in den entkeimenden Wellenlängen von 200 nm–300 nm hochdurchlässig sind, wie z.B. Hereaus Suprasil.
• Bezug nehmend nun auf 2, geht das Lufteinlassrohr 110 in einen Abschnitt über, der totale interne Reflexionsmerkmale (TIR) 120 umfasst, die sich vom Austrittsende 112, das der Lampe 140 am nächsten liegt, in einiger Entfernung zum Eintrittsende 111 hin erstrecken. Dies erlaubt etwas UV-Licht, aus dem Lufteinlassrohr 110 auszutreten und sich durch den Luftbehälter 130 zu verteilen. In einer Ausführungsform sind die TIR-Merkmale 120 eine Vielzahl von Lichtleitprismen ähnlich wie jene, die in Whitehead (US-Patent 4.260.220) für sichtbares Licht gelehrt werden, die den Raumwinkel beschreibt, durch welchen die TIR bei einem Luftwellenleiter aufrechterhalten werden kann. Zum Beispiel kann die ungebündelte UV-Energie aus einer Kurzbogen-Xenonblitzlampe ohne Hilfsoptik durch TIR auf einen konischen Halbwinkel von etwa 27 Grad voll eingeschränkt werden. UV-Strahlen, die jenseits dieses Winkels liegen, treten notwendigerweise durch die TIR-Merkmale 120 in die Luft 105 aus, bis sie auf eine andere Fläche treffen, wie z.B. den UV-Spiegel 131. Der Luftbehälter 130 maximiert vorteilhafterweise die Gesamtsystemleistung, indem er die UV-Strahlung einschließt, was ihr mehr Gelegenheit gibt, auf den Luftstrom einzuwirken. Der Luftbehälter 130 kann auch einen quadratischen Querschnitt aufweisen, wie z.B. zur maximalen UV-Strahl-Homogenität, oder nach Bedarf eine andere Form.
• Die Luft 105 läuft durch das Lufteinlassrohr 110 zur UV-Lampe 140 mit hoher Intensität und tritt am Austrittsende 112 aus der Lichtleitung 110 aus. Der Luftstrom 105 trifft auf den optischen Ablenkspiegel 123 und wird abgelenkt, wobei dieser auch optisch wirkt, um die Menge der UV-Strahlung, die in den Luftbehälter 130 entweicht, zu minimieren.
• Bei Ausführungsformen, die keinen Ablenkspiegel 123 umfassen, wird ein Teil der UV-Strahlung von der Lampe aus dem Abschnitt des Lufteinlassrohrs 110, der TIR-Merkmale 120 aufweist, austreten und in den oberen Abschnitt des Luftbehälters 130 eintreten. Nur der Bruchteil der UV-Strahlung aus der Lampe, der stark gebündelt ist, wird die Eintrittsöffnung 111 erreichen. Diese Strahlen können zudem in den Luftbehälter 130 zurück umgelenkt werden, zum Beispiel, indem an der Eintrittsöffnung 111 ein rechtwinkliges Verbindungsstück vorgesehen wird.
• Weiter Bezug nehmend auf den Luftstromweg 105, trifft die Luft dann auf ein Ultraviolett (UV)-Fenster 135, das einen Abschnitt des unteren Endes des Luftbehälters 130 formt. Wie zuvor erläutert, umfasst das Fenster 135 in bestimmten Ausführungsformen ein oder mehrere Linsenelemente. Die TIR-Struktur bei den Ausführungsformen, die primär ausgelegt sind, um Luft zu desinfizieren, hat weniger begrenzte Beschränkungswinkel als die Ausführungsformen, die primär ausgelegt sind, um Wasser zu desinfizieren. Bei den Ausführungsformen, die ausgelegt sind, um Luft zu desinfizieren, ist ein bestimmtes Maß an optischer Bündelung von Vorteil, auch wenn das Etendue-Prinzip einen größeren Querschnitt für die TIR-Region 120 des Lufteinlassrohrs 110 erfordert.
• Schließlich wird der Luftstrom 105 zum Luftauslass 150 umgeleitet, der im oberen Ende des Luftbehälters 130 angeordnet ist. Während die Luft 105 sich außerhalb des TIR-Abschnitts fortbewegt, empfängt sie vorteilhafterweise zusätzliche UV-Strahlung, die durch den UV-Spie gel 131 eingefangen wurde, und formt daher eine praktische Ausführungsform eines UV-Bestrahlungssystems mit hohem Wirkungsgrad. Alternativ dazu kann die aus der Lampe austretende UV-Strahlung mit dem konischen Halbwinkel von –27 Grad gebündelt werden und in eine sehr lange TIR-Führungsstruktur eingespeist werden, wodurch ein extrem hoher Wirkungsgrad erreicht wird (d.h., die Desinfektionsmenge pro Stromwatt).
• In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein UV-Sensor 141 als ein Rückkopplungselement benutzt, um zu gewährleisten, dass geeignete Bestrahlungsniveaus angelegt werden. Apprise Technology (Duluth, MN) stellt unter der Handelsbezeichnung „UV Clean" einen geeigneten UV-Sensor her, der stetige und gepulste UV-Quellen handhaben kann. Der UV-Sensor 141 ist mit einer Sicht in das Gefäß 130 installiert, jedoch ohne direkte Sicht auf die UV-Lampe 140. Diese Position erlaubt dem Sensor vorteilhafterweise, die integrierte Hohlraumbestrahlung zu messen, und ist Schwankungen in der Ausgangsleistungsverteilung der Lampe gegenüber nicht anfällig. Da der Luftstrom gefiltert ist, wird die Reinigung der Eingangsöffnung des Sensors minimiert. In gewissen Ausführungsformen wie solchen, wo die Bereitstellung von desinfizierter Luft lebenswichtig ist, werden redundante UV-Quellen und Sensoren verwendet.
• Nun Bezug nehmend auf 3, wird auf schematische Weise ein UV-Luftdesinfektionssystem veranschaulicht, das mein erfindungsgemäßes UV-Desinfektionsgerät verwendet. Zu desinfizierende Luft tritt zum Beispiel durch ein Einlassgebläse 101 ein und läuft durch ein Luftfilter 102, um Verunreinigungen zu entfernen, die Wirksamkeit des Systems herabsetzen würden, indem sie die UV-Strahlung absorbieren. Die gefilterte Luft 105, die zu desinfizieren ist, strömt als nächstes in den Luftbehälter 130, wo sie von einer Ultraviolett (UV)-Lampe mit hoher Intensität 140 bestrahlt wird. Nach der Bestrahlung strömt die Luft aus dem Luftbehälter 130, durch optionale Katalysatorfilter 103, die Ozon in atembaren Sauerstoff zurück umwandeln, und tritt schließlich durch das Luftauslassgebläse 104 aus. Die Rückführung von den Sensoren wird dem Steuergerät 200 zugeführt, das dann die Menge der UV-Strahlung, die in den Behälter 130 eingeleitet wird, und den Strömungsdurchsatz über das Einlassgebläse 101 und das Auslassgebläse 104 regeln kann. Bei jenen Ausführungsformen, die eine pulsierte Lampe als UV-Quelle 140 verwenden, variiert das Steuergerät 200 zudem die Pulswiederholungsrate. In weiteren Ausführungsformen kann das Steuergerät 200 auch Alarmwarnungen ausgeben, zum Beispiel, wenn der Sensor 141 eine anormal niedrige UV-Strahlung in der Kammer 130 erkennt, was eventuell anzeigt, dass die Lampe ausgetauscht werden muss.
• Liste der in der Patentschrift verwendeten Akronyme
• Es folgt eine Liste der in der Patentschrift verwendeten Akronyme in alphabetischer Reihenfolge.

HEPA

Feinstfilter

HVAC

Heizung, Lüftung und Klimatisierung

TIR

totale interne Reflexion

UV

Ultraviolett

Claims (6)

1. System zur Desinfektion von vorgefilterter Luft mit Ultraviolettstrahlung (UV), wobei dieses System umfasst: (a) einen Luftbehälter (130); (b) ein Lufteinlassrohr (110), bestehend aus einem Material, das UV-Strahlung nicht absorbiert, in den Luftbehälter hinein verläuft und umfassend ein Eintrittsende (111), ein distal entgegengesetztes Austrittsende (112), eine Innenfläche (121), die mit der Luft in Kontakt ist, und eine Außenfläche; (c) totale interne Reflexionsmerkmale, die auf mindestens einem Abschnitt der Außenfläche des Einlassrohrs angeordnet sind; (d) eine Ultraviolett-Eintrittsöffnung (135), die nur optisch in den Luftbehälter eindringt; (e) eine Ultraviolettlampe mit hoher Intensität (40), die so angeordnet ist, dass die von der Lampe (40) erzeugte Ultraviolettstrahlung durch die Ultraviolett-Eintrittsöffnung läuft und auf die Innenfläche des Lufteinlassrohrs einfällt; und (f) einen Luftauslass (150), der vom Luftbehälter abgeht.
2. System nach Anspruch 1, wobei das Lufteinlassrohr aus UV-beständigem Quarzglas besteht.
3. System nach Anspruch 1, wobei die totalen internen Reflexionsmerkmale eine Vielzahl von Lichtleitprismen umfassen.
4. System nach Anspruch 1, außerdem umfassend einen UV-Sensor (141) als Rückkopplungsmechanismus.
5. System nach Anspruch 1, wobei die Ozonentstehung durch Verwendung einer Lampe unterdrückt wird, die UV-absorbierendes Glas verwendet.
6. System nach Anspruch 1, außerdem umfassend ein Katalysatorfilter (103), um Ozon in Sauerstoff umzuwandeln.