EP4323021A1 - Device and method for the disinfection of liquids and gases - Google Patents

Device and method for the disinfection of liquids and gases

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Publication number
EP4323021A1
EP4323021A1 EP22722189.2A EP22722189A EP4323021A1 EP 4323021 A1 EP4323021 A1 EP 4323021A1 EP 22722189 A EP22722189 A EP 22722189A EP 4323021 A1 EP4323021 A1 EP 4323021A1
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EP
European Patent Office
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disinfection
radiation
disinfection chamber
flow guide
chamber
Prior art date
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Pending
Application number
EP22722189.2A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Andreas Kuntze
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Compact Laser Solutions GmbH
Original Assignee
Compact Laser Solutions GmbH
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Publication date
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    • A61L9/00Disinfection, sterilisation or deodorisation of air
    • A61L9/16Disinfection, sterilisation or deodorisation of air using physical phenomena
    • A61L9/18Radiation
    • A61L9/20Ultraviolet radiation
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
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    • A61L2/02Methods or apparatus for disinfecting or sterilising materials or objects other than foodstuffs or contact lenses; Accessories therefor using physical phenomena
    • A61L2/08Radiation
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    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
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    • C02F1/30Treatment of water, waste water, or sewage by irradiation
    • C02F1/32Treatment of water, waste water, or sewage by irradiation with ultraviolet light
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    • C02F2201/32Details relating to UV-irradiation devices
    • C02F2201/328Having flow diverters (baffles)
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2301/00General aspects of water treatment
    • C02F2301/02Fluid flow conditions
    • C02F2301/028Tortuous

Definitions

  • the invention relates to a method for the disinfection of liquids or gases with the method steps: creating a radiation barrier in a disinfection chamber, introducing a gas and/or liquid flow into the disinfection chamber, guiding the gas and/or liquid flow through several volume areas of the disinfection chamber and discharging of the gas and/or liquid flow from the disinfection chamber, and a device for carrying out the method.
  • Ultraviolet light is a well-known disinfectant for surfaces, liquids and gases.
  • Gas discharge lamps such as low-pressure mercury vapor lamps, xenon lamps, excimer lamps, UV LEDs and, to a very small extent, UV lasers are used as the light source.
  • the liquid or the gas itself can be disinfected in special containers through which the liquid or the gas flows.
  • US Pat. No. 4,661,264 describes such a method for disinfecting liquids (water) in particular, but also gases, as well as a corresponding device.
  • a pulsed laser beam is radiated into the container through which the liquid flows.
  • the flow of liquid cuts the laser beam several times during the process.
  • the laser beam is always arranged in a fixed position on the container.
  • a disadvantage of the container presented here is the presence of areas in which the liquid does not intersect the laser beam, ie is not impinged by the disinfecting laser beam and is therefore not disinfected.
  • Another disadvantage of a different configuration of the container presented is the low energy input of the laser beam, acting on the liquid.
  • the laser beam must therefore have a high power density combined with a high average power in pulsed operation.
  • the provision of basic mode operation for the generation of a wide variety of beam shapes is of crucial importance. Targeted changes to the transversal mode can ensure optimizations in the disinfection process.
  • US Pat. No. 1,037,267 B2 discloses a container for disinfecting liquids, in which the container has one or more radiation sources that emit radiation in the UV range.
  • the liquid flows through the container and has diffusely reflecting surfaces that conduct the UV radiation through the liquid.
  • the method according to the invention for disinfecting liquids or gases has four method steps:
  • a radiation barrier is produced in a disinfection chamber.
  • the UV radiation from the radiation source is shaped by optical components in such a way that UV radiation impinges on a surface and/or a volume within the disinfection chamber.
  • a liquid and/or a gas stream is introduced into the disinfection chamber.
  • the disinfection chamber has an inlet on one side.
  • the liquid and/or gas flow is passed through several volume areas of the disinfection chamber.
  • the liquid and/or gas flow is channeled out of the disinfection chamber.
  • the disinfection chamber has an outlet on the side opposite the inlet.
  • the volume areas of the disinfection chamber are formed by the radiation barrier, a wall of the disinfection chamber, and a flow-guiding surface of a flow-guiding element.
  • the individual volume areas of the disinfection chamber are completely separated from one another by the radiation barrier, by a wall of the disinfection chamber, and by a flow guide surface of a flow guide element. Due to this advantageous arrangement, the substance to be disinfected is passed through the radiation barrier several times. This increases the exposure time of the UV radiation to the substance to be disinfected.
  • the flow guide element is arranged as a separate component in the disinfection chamber.
  • the disinfection chamber has a plurality of flow-guiding elements of the same type.
  • the disinfection chamber can be enlarged by installing further flow control elements of the same type.
  • the production costs of a flow guide element are reduced due to possible series production.
  • the flow guide element is attached to a wall of the disinfection chamber.
  • a flow guide element is therefore advantageously arranged on one side of the disinfection chamber.
  • the gas and/or liquid flow is guided through a flow-guiding element with a plurality of flow-guiding surfaces and/or through the flow-guiding surfaces of a plurality of flow-guiding elements.
  • the gas or liquid flow is guided through the flow guide surfaces inside the disinfection chamber. This increases the exposure time of the UV radiation to the substance to be disinfected.
  • the flow guide surface has a curved surface along which the gas and/or liquid flow is guided. This increases the exposure time of the UV radiation to the substance to be disinfected.
  • the radiation from the radiation barrier is radiated into the disinfection chamber through a window which is transparent to the radiation.
  • the transparent window can be positioned at Brewster's angle to allow polarized radiation to enter the disinfection chamber.
  • the window can also be made slidable to control the entry of the radiation barrier.
  • the exit window can also be arranged at the Brewster angle to the beam direction.
  • Brewster window made of quartz glass is advantageous, since there is no need for a complex, cost-intensive anti-reflection coating, which is also subject to rapid degradation due to UV radiation.
  • the transmission of polarized light through a Brewster angle window is almost lossless. In the event of any degradation from the UV light or general contamination of the Brewster window, it can be pushed forward by an appropriate amount in order to ensure that the light can pass through undamaged.
  • a rotating, circularly symmetrical window arranged at Brewster's angle could advantageously be used as a further exemplary embodiment.
  • the radiation barrier is created with a width B that is greater than or equal to an inner diameter D of the disinfection chamber. In this way it is ensured that the gas or liquid flow deflected by the flow guide elements must flow through the radiation barrier, advantageously several times. This increases the exposure time of the UV radiation to the substance to be disinfected.
  • the gas and/or liquid flow is passed through the radiation barrier several times. In this way it is ensured that the gas or liquid flow deflected by the flow guide elements must flow through the radiation barrier, advantageously several times.
  • This increases the exposure time of the UV radiation to the substance to be disinfected.
  • the radiation barrier is deflected. The radiation barrier is deflected by suitable optical components in such a way that it is radiated back into the disinfection chamber at an angle to the primary radiation barrier (secondary radiation barrier). This also increases the exposure time of the UV radiation to the substance to be disinfected. It is also possible to deflect the radiation barrier to introduce the radiation barrier into further disinfection chambers. A plurality of disinfection chambers are thus operated by means of a beam source.
  • the radiation from the radiation barrier is laser radiation.
  • UV light especially the UV-C spectrum, is suitable for effectively deactivating bacteria and viruses.
  • UV-C is the spectrum between 280 and 100 nanometers (nm) wavelength. In contrast to the UV-A (380 nm-315 nm) and UV-B range (315 nm-280 nm), this range of UV light is almost completely absorbed by the oxygen in the atmosphere and does not reach the earth's surface under natural conditions . Within the UV-C spectrum, you have to differentiate again according to the biological effect. Proteins in particular absorb at 280 nm - especially as a component of the amino acid tryptophan - which leads to denaturation.
  • nucleic acids are particularly damaged by dimerization of the base thymine. Nucleic acids in particular absorb in the range of 245 nm, while there is an absorption minimum for proteins in this range, which allows the technical application of a narrow frequency spectrum, for example for the disinfection of protein solutions.
  • the entire gas and/or liquid flow is guided through several volume areas of the disinfection chamber. This has the advantage that the entire gas and/or liquid flow is guided through at least one radiation barrier and it is thus ensured that the entire gas and/or liquid flow has been disinfected when it leaves the disinfection reactor.
  • the task is also solved by means of a disinfection reactor for the disinfection of liquids and/or gases.
  • the disinfection reactor according to the invention for disinfecting liquids and/or gases has a disinfection chamber which has an inlet and an outlet for the substance to be disinfected. Furthermore, the disinfection chamber has a chamber wall. The disinfection chamber according to the invention also has a flow directing element. The disinfection chamber additionally has a radiation element that is suitable for generating a radiation barrier in the disinfection chamber.
  • the disinfection chamber has several volume areas that are completely separated from one another by the radiation barrier, the flow guide element and the chamber wall.
  • the flow of gas or liquid is passed through the radiation barrier several times due to the flow guide element. This increases the exposure time of the UV radiation to the substance to be disinfected.
  • the flow guide element has a flow guide surface.
  • the gas or liquid flow is guided through the flow guide surfaces inside the disinfection chamber. This increases the exposure time of the UV radiation to the substance to be disinfected.
  • the flow guide surface has a curved surface.
  • the gas flow or liquid flow is such at the flow guide distracted that he is crossing/cutting the radiation barrier.
  • the gas or liquid flow is guided through the flow guide surfaces inside the disinfection chamber. This increases the exposure time of the UV radiation to the substance to be disinfected.
  • the disinfection chamber has a plurality of flow-guiding elements and/or flow-guiding surfaces.
  • the disinfection chamber can be enlarged by installing further flow control elements of the same type.
  • the production costs of a flow guide element are reduced due to possible series production.
  • each volume area is separated from an adjacent volume area by at least one radiation barrier.
  • the flow of gas or liquid is conducted multiple times through the radiation barrier sections due to the flow guide elements. This also increases the exposure time of the UV radiation to the substance to be disinfected.
  • the disinfection chamber has a number of radiation barriers.
  • the radiation barrier is deflected by suitable optical components in such a way that it is radiated back into the disinfection chamber at an angle to the primary radiation barrier (secondary radiation barrier). This also increases the exposure time of the UV radiation to the substance to be disinfected.
  • the disinfection chamber has a transparent window for the radiation generated by the radiation element.
  • the transparent window can be positioned at Brewster's angle to allow polarized radiation to enter and/or exit the disinfection chamber.
  • the window can also be made slidable to prevent entry of the radiation barrier.
  • the disinfection chamber has elements for deflecting the radiation generated by the radiation element.
  • the radiation barrier can, for example, be introduced into further disinfection chambers. A plurality of disinfection chambers are thus operated by means of a beam source.
  • the inlet is separated from the outlet by a number of volume areas.
  • the flow of gas or liquid is conducted multiple times through the radiation barrier sections due to the flow guide elements. This also increases the exposure time of the UV radiation to the substance to be disinfected.
  • Fig. 1 Disinfection reactor with radiation source
  • Fig. 2 a Disinfection reactor with concave flow guide elements - side view
  • Fig. 2 b Disinfection reactor with concave flow guide elements - top view
  • Fig. 2 c Disinfection reactor with concave flow guide elements - perspective
  • Fig. 4 Disinfection reactor for diverging radiation barriers
  • Fig. 5 a Disinfection reactor with convex flow guide elements - side view
  • Fig. 5 b Disinfection reactor with convex flow guide elements - perspective
  • the disinfection reactor 1 shows an exemplary embodiment of a disinfection reactor 1 for the disinfection of gases and/or liquids.
  • the disinfection reactor 1 has the disinfection chamber 100, which is delimited by the side walls 120, 130 on the sides, by the walls 140, 150 on the end faces and by walls on the top and bottom (not shown).
  • the disinfection chamber 100 has openings 170, 180 suitable for the entry and exit of the substance to be disinfected (gas or fluid).
  • the disinfection chamber 100 has two rows of flow guide elements 150 arranged parallel to one another, which are arranged opposite one another in such a way that the two rows are offset from one another by half the width of a flow guide element 150 .
  • the flow guide elements 150 are arranged as separate components on the walls 110, 120 in the disinfection chamber 100.
  • the flow guide elements 150 each have a flow guide surface 160 on the concavely curved side, along which the gas or liquid flow is guided.
  • a flow guide element 150 essentially has the shape of a halved cylinder.
  • Other shapes of the flow directing elements 150 are also possible, e.g. B. a sawtooth shape. All that is necessary is a suitable shape so that the gas or liquid flow is deflected around the central axis of the disinfection chamber 100 .
  • the beam source 290 is a laser that generates radiation with a wavelength in the UV range, preferably in the UV-C range (280 nm to 100 nm).
  • the radiation of the laser 290 is radiated into the disinfection chamber 100 through a window 210 that is transparent to the radiation.
  • the laser 290 has a beam shaping element 240 with which the laser beam is expanded into a plane.
  • the laser beam enters the disinfection chamber 100 through a window 210 .
  • the laser radiation forms 100 in the disinfection chamber a radiation barrier 200 running along the longitudinal axis in the central axis of the disinfection chamber 100.
  • the disinfection chamber 100 has an exit window 220 on the side of the disinfection chamber 100 which is opposite the entry window 210 .
  • the laser barrier 200 can therefore be guided into further disinfection chambers 100, e.g. by means of deflection optics 230.
  • the entrance window 210 like the exit window 220, can be displaced perpendicular to the plane of the laser barrier 200.
  • the radiation barrier 200 is set up in the disinfection chamber 100 in order to disinfect a gas or a liquid.
  • the radiation barrier 200 runs along the longitudinal axis in the central axis of the disinfection chamber 100.
  • the substance to be disinfected is guided into the disinfection chamber 100 via the inlet 170 in such a way that a continuous flow of gas or liquid forms in the disinfection chamber 100.
  • the gas or liquid flow optimally has a constant flow rate (volume/time unit) during the disinfection process.
  • the substance to be disinfected leaves the disinfection chamber 100 via the outlet 180.
  • the gas or liquid flow is guided through the flow control surfaces 160 of the flow control elements 150 through the laser barrier 200, advantageously in a plurality of volume areas formed by the flow control elements 150, what increases the time that the laser barrier 200 can act on the substance to be disinfected.
  • FIG. 2 A variant of the disinfection reactor 1 according to the invention for the disinfection of gases and/or liquids is shown in FIG. 2.
  • the disinfection chamber 100 corresponds to the disinfection chamber 100 described in FIG. 1 (FIGS. 2a, 2b).
  • the radiation of the laser 290 is radiated into the disinfection chamber 100 through a window 210 that is transparent to the radiation.
  • the collimator optics, not shown in FIG. 2, such as a cylindrical lens, are also located at this point.
  • the cylindrical lens can also be designed to be displaceable and/or as an entry window of the disinfection chamber 100 serve.
  • the laser 290 has a beam shaping element 240 with which the laser beam is expanded. The laser beam enters the disinfection chamber 100 through a window 210 .
  • the laser radiation forms a radiation barrier 200 in the disinfection chamber 100 which runs along the longitudinal axis in the central axis of the disinfection chamber 100 .
  • the radiation barrier 200 has a width B that corresponds to the width of the disinfection chamber 100 .
  • the entry window 210 is arranged at the Brewster angle.
  • Fig. 2 illustrates the method for disinfecting a gas or a liquid.
  • the disinfection chamber 100 has two rows of flow guide elements 150 arranged parallel to one another, which are arranged opposite one another in such a way that the two rows are offset from one another by half the width of a flow guide element 150 .
  • the flow guide elements 150 each have a curved flow guide surface 160 along which the gas or liquid flow is guided.
  • the radiation barrier 200 is set up in the disinfection chamber 100 in order to disinfect a gas or a liquid.
  • the radiation barrier 200 runs exactly in the middle between the two rows of flow guide elements 150.
  • the gas or liquid flow is guided through the flow guide surfaces 160 of the flow guide elements 150 through the laser barrier 200, advantageously at several points, which reduces the time increases that the laser barrier 200 can act on the substance to be disinfected.
  • the disinfection chamber 100 also has two rows of flow guide elements 150 arranged parallel to one another, which are arranged opposite one another in such a way that the two rows are offset from one another by half the width of a flow guide element 150.
  • the flow guide elements 150 each have a curved flow guide surface 160 along which the gas or liquid flow is guided.
  • the disinfection chamber 100 has walls 190, 191 on the top and bottom, which are arranged at an angle to the central axis of the disinfection chamber 100 .
  • the walls 190, 191 are mirrored in such a way that the laser barrier 200 does not exit the disinfection chamber 100.
  • the wall 190, 191 can also act as a beam limiter without being mirrored.
  • the radiation barrier 200 has a width B which follows the course of the walls 190, 191.
  • the disinfection chamber 100 also has two rows of flow guidance elements 150 arranged parallel to one another, which are arranged opposite one another in such a way that the two rows are offset from one another by half the width of a flow guidance element 150.
  • the flow guide elements 150 each have a flow guide surface 160 on the convexly curved side, along which the gas or liquid flow is guided (FIG. 5a).
  • the radiation of the laser 290 is radiated into the disinfection chamber 100 through a window 210 that is transparent to the radiation.
  • the laser beam enters the disinfection chamber 100 through a window 210 .
  • the laser radiation forms a radiation barrier 200 in the disinfection chamber 100, which runs along the longitudinal axis in the central axis of the disinfection chamber 100 (FIG. 5b).
  • this exemplary embodiment corresponds to the disinfection reactor 1 shown in FIG.
  • FIG. 6 Another exemplary embodiment of a disinfection chamber 100 is shown in FIG. 6.
  • the disinfection chamber 100 has a circular cross section with an internal diameter D (FIG. 6a).
  • the flow guide element 150 is formed by the cylinder wall 110, so that the flow of the fluid or gas conducted through the disinfection chamber 150 forms a spiral (vortex) in the longitudinal direction of the disinfection chamber 100 (FIG. 6b).
  • the flow directing surface 160 is the entire cylindrical wall surface 110 of the volute.
  • the radiation of the laser 290 is radiated into the disinfection chamber 100 through a window 210 that is transparent to the radiation.
  • the laser 290 has a beam shaping element 240 (not shown) with which the laser beam is expanded in one plane and is collimated.
  • the element for shaping the beam 240 eg a collimator
  • the element for beam shaping 240 can also be arranged outside of the disinfection chamber 100 .
  • the element for beam shaping 240 can also be embodied as a scan system.
  • the laser beam enters the disinfection chamber 100 through a window 210 .
  • the laser radiation forms a radiation barrier 200 in the disinfection chamber 100 which runs along the longitudinal axis in the central axis of the disinfection chamber 100 .
  • the substance to be disinfected is fed into the disinfection chamber 100 via the inlet 170 in such a way that a continuous flow of gas or liquid forms in the disinfection chamber 100 .
  • the substance to be disinfected leaves the disinfection chamber 100 via the outlet 180.
  • the gas or liquid flow is swirled by the flow guide surface 150 (FIG. 6c) and passed through the laser barrier 200 several times.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of the disinfection chamber 100 according to the invention, in which two radiation barriers 200 are arranged.
  • the disinfection chamber 100 has a circular cross section with an inner diameter D (FIG. 3c).
  • a flow guide element 150 is arranged inside the disinfection chamber 100 in such a way that the flow guide element 150 forms a spiral (vortex) in the longitudinal direction of the disinfection chamber 150 (FIG. 3a).
  • the flow guide surface 160 is the entire surface of the spiral 150.
  • the radiation from the laser 290 is radiated into the disinfection chamber 100 through a window 210 that is transparent to the radiation.
  • the laser 290 has a beam shaping element 240 with which the laser beam is expanded. The laser beam enters the disinfection chamber 100 through a window 210 .
  • the laser radiation forms a primary radiation barrier 200 in the disinfection chamber 100 which runs along the longitudinal axis in the central axis of the disinfection chamber 100 .
  • suitable optical components 230 which are arranged on the side of the disinfection chamber 100 opposite the window 210, the radiation barrier 200 is deflected in such a way that it is irradiated into the disinfection chamber 100 at a perpendicular angle (Fig. 3b) to the radiation barrier 200 that is primarily irradiated (secondary radiation barrier). This also increases the exposure time of the UV radiation to the substance to be disinfected.
  • adjustable flow control elements 150 of a Tesla valve can be used to control the
  • a laser beam with a beam divergence of approx. 0.55 mRad and a beam diameter of 1 mm is preferably used for the radiation. This guarantees an exponentially higher effective range compared to conventional, strongly diverging beam sources such as gas discharge lamps or LEDs. The power density remains almost the same over the path length. Absorption by air and pathogens is negligible.
  • the power density of a laser beam at the exit of the beam source 290 is largely unchanged even after a distance of several meters. If the laser beam expands, the divergence of the beam decreases according to the expansion factor, so that the power density is high enough to be effective even at a distance of 100 meters, for example. Consequently, it is irrelevant whether pathogenic substances pass through the laser beam directly at the exit of the beam source 290 or at some distance. If the laser beam is formed into a plane of light/wall of light 200 by multiple reflections, an effective, large-area barrier for pathogenic substances is ensured. Each passage point in the "radiation light wall" 200 experiences the same power density. When using line optics, such as a Powell lens, the power density of the laser beam is distributed homogeneously.
  • a diffraction-limited laser radiation with the diffraction index M2 close to 1 is preferred; 0.5mJ - 4mJ in the higher kHz range with a pulse duration of a few nanoseconds and a wavelength of 266nm.
  • Lasers in the femtosecond - or picosecond - range, which usually generate a pulse peak power in the MW or GW range, as well as continuous lasers can also be used. In our embodiment, a pulse peak power of up to 250 kW is used.
  • UV-C laser with a lifetime of 50,000 hours is preferably used.
  • the light has a high spatial and temporal coherence.
  • the narrow-band nature of the laser light compared to conventional, spontaneously emitting, broad-band light from gas discharge lamps, including LEDs, also ensures an increase in the inactivation of viruses.
  • the laser radiation can be directed to any desired location and "further processed".
  • Laser technology is the only way of cost-effective, efficient disinfection of pathogens such as viruses in large public facilities such as hospitals, schools, department stores, airports, hotels, train stations, offices and airplanes, etc. - disinfection in the shortest possible time, with the greatest possible water and air throughput .
  • Radiation barrier 210 Transparent entry window 220 T ransparent exit window 230 Deflection optics 240 Element for beam shaping 290 Radiation element/beam source B Width of the radiation barrier

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Abstract

The invention relates to a method for the disinfection of liquids or gases, having the following method steps: generating a radiation barrier (200) in a disinfection chamber (100), introducing a gas flow and/or a liquid flow into the disinfection chamber (100), guiding the gas flow and/or liquid flow through a plurality of volume regions of the disinfection chamber (100), and discharging the gas flow and/or the liquid flow from the disinfection chamber (100), wherein the volume regions in the disinfection chamber (100) are formed by the radiation barrier (200), a chamber wall (110, 120) and a flow-directing face of a flow-directing element (150), and the volume regions are completely separated from one another by the chamber wall (110, 120), the radiation barrier (200) and the flow-directing face, and also to a device for carrying out the method.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR DESINFEKTION VON DEVICE AND METHOD FOR DISINFECTING
FLÜSSIGKEITEN UND GASEN LIQUIDS AND GASES
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen mit den Verfahrensschritten: Erzeugen einer Strahlungsbarriere in einer Desinfektionskammer, Einschleusen eines Gas- und/oder eines Flüssigkeitsstromes in die Desinfektionskammer, Führen des Gas- und/oder Flüssigkeitsstromes durch mehrere Volumenbereiche der Desinfektionskammer und Ausschleusen des Gas- und/oder der Flüssigkeitsstromes aus der Desinfektionskammer, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. The invention relates to a method for the disinfection of liquids or gases with the method steps: creating a radiation barrier in a disinfection chamber, introducing a gas and/or liquid flow into the disinfection chamber, guiding the gas and/or liquid flow through several volume areas of the disinfection chamber and discharging of the gas and/or liquid flow from the disinfection chamber, and a device for carrying out the method.
Stand der Technik State of the art
Ultraviolettes Licht ist ein bekanntes Desinfektionsmittel für Oberflächen, Flüssigkeiten und Gase. Als Lichtquelle kommen beispielsweise Gasentladungslampen wie Niederdruck- Quecksilberdampf-, Xenon-, Eximerlampen, UV-LED‘s und in sehr geringem Maße UV-Laser zum Einsatz. Die Desinfektion der Flüssigkeit bzw. des Gases selbst kann in speziellen Behältnissen erfolgen, die von der Flüssigkeit bzw. dem Gas durchströmt werden. Ultraviolet light is a well-known disinfectant for surfaces, liquids and gases. Gas discharge lamps such as low-pressure mercury vapor lamps, xenon lamps, excimer lamps, UV LEDs and, to a very small extent, UV lasers are used as the light source. The liquid or the gas itself can be disinfected in special containers through which the liquid or the gas flows.
Ein derartiges Verfahren zur Desinfektion von insbesondere Flüssigkeiten (Wasser), aber auch von Gasen, sowie eine entsprechende Vorrichtung zeigt die Schrift US 4661264. Ein gepulster Laserstahl wird in das von der Flüssigkeit durchströmte Behältnis eingestrahlt. Der Flüssigkeitsstrom schneidet während des Verfahrens mehrfach den Laserstahl. Der Laserstahl ist grundsätzlich in einer festen Position am Behältnis angeordnet. US Pat. No. 4,661,264 describes such a method for disinfecting liquids (water) in particular, but also gases, as well as a corresponding device. A pulsed laser beam is radiated into the container through which the liquid flows. The flow of liquid cuts the laser beam several times during the process. The laser beam is always arranged in a fixed position on the container.
Ein Nachteil des hiervorgestellten Behältnisses ist das Vorhandensein von Bereichen, in denen die Flüssigkeit nicht den Laserstahl schneidet, also nicht vom desinfizierenden Laserstahl beaufschlagt und damit nicht desinfiziert wird. Ein weiterer Nachteil einer anderen Konfiguration des vorgestellten Behältnisses ist der geringe Energieeintrag des Laserstahls, der auf die Flüssigkeit einwirkt. Zur gründlichen Desinfektion muss der Laserstahl also eine hohe Leistungsdichte bei gleichzeitig hoher Durchschnittsleistung im gepulsten Betrieb aufweisen. Zur Erzeugung hoher Leistungsdichten ist es notwendig, den Laser im transversalem Grundmode mit entsprechend geringem Divergenzwinkel zu betreiben. Zudem ist die Bereitstellung des Grundmodebetriebs für die Erzeugung unterschiedlichster Strahlformungen von entscheidender Bedeutung. Durch gezielte Änderungen des transversalen Mode können Optimierungen im Desinfektionsprozess sichergestellt werden.A disadvantage of the container presented here is the presence of areas in which the liquid does not intersect the laser beam, ie is not impinged by the disinfecting laser beam and is therefore not disinfected. Another disadvantage of a different configuration of the container presented is the low energy input of the laser beam, acting on the liquid. For thorough disinfection, the laser beam must therefore have a high power density combined with a high average power in pulsed operation. In order to generate high power densities, it is necessary to operate the laser in the transverse basic mode with a correspondingly small divergence angle. In addition, the provision of basic mode operation for the generation of a wide variety of beam shapes is of crucial importance. Targeted changes to the transversal mode can ensure optimizations in the disinfection process.
Folgende Möglichkeiten können als Beispiel zur Anwendung kommen: The following options can be used as an example:
• Top-Hat Strahlformer • Top hat spray shaper
• Homogenisierer/Diffusoren • Homogenizers/diffusers
• Elliptische Diffusoren • Elliptical diffusers
• Vortex-Linsen • Vortex lenses
• Diffraktive Axikon-Elemente • Axicon diffractive elements
DOEs für strukturiertes Licht Structured Light DOEs
Die Schrift US 10370267 B2 offenbart ein Behältnis zur Desinfektion von Flüssigkeiten, bei dem das Behältnis ein oder mehrere Strahlquellen, die Strahlung im UV-Bereich abgeben, aufweist. Das Behältnis wird von der Flüssigkeit durchströmt und weist diffus reflektierende Oberflächen auf, die die UV-Strahlung durch die Flüssigkeit leiten. US Pat. No. 1,037,267 B2 discloses a container for disinfecting liquids, in which the container has one or more radiation sources that emit radiation in the UV range. The liquid flows through the container and has diffusely reflecting surfaces that conduct the UV radiation through the liquid.
Der Einsatz von PTFE, wie in dem Patent beschrieben, ermöglicht einen Reflektionsgrad von ca. 97%. Jedoch wird die Dekontaminationseffizienz durch die diffuse mehrfach Reflektion der divergierenden UV-LEDs in der Reaktionskammer reduziert. Der Reflektionswirkungsgrad nimmt sehr stark kumulativ ab. Zudem unterliegt der Reflektor des Behältnisses zusätzlich einer sehr schnellen, schwerwiegenden Beeinträchtigung des Reflektionsvermögens, die sich je nach Wassergüte, schon nach wenigen Stunden durch Ablagerungen von gelösten Ionen, wie von Calcium, Natrium und Eisen etc. und allgemeinen Schmutzpartikeln einstellen kann. Eine effiziente und sichere Dekontamination von Pathogenen wird somit rasant eingeschränkt. Ein regelmäßiger Komponentenaustausch verursacht entsprechend anfallende Wartungszyklen, beziehungsweise Wartungskosten. The use of PTFE, as described in the patent, enables a degree of reflection of approx. 97%. However, the decontamination efficiency is reduced by the diffuse multiple reflection of the diverging UV LEDs in the reaction chamber. The reflection efficiency decreases very strongly cumulatively. In addition, the reflector of the container is also subject to a very rapid, serious impairment of the reflectivity, which, depending on the water quality, can occur after just a few hours due to deposits of dissolved ions such as calcium, sodium and iron etc. and general dirt particles. Efficient and safe decontamination of Pathogens are thus rapidly restricted. A regular replacement of components causes corresponding maintenance cycles and maintenance costs.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen bereitzustellen, mit dem eine Desinfektion zuverlässig, kostengünstig und energieeffizient durchgeführt werden kann und robust gegenüber Ablagerungen auf den Flächen der Reaktionskammer ist. It is therefore the object of the present invention to provide a method for disinfecting liquids or gases with which disinfection can be carried out reliably, cost-effectively and energy-efficiently and with which it is resistant to deposits on the surfaces of the reaction chamber.
Es ist ebenfalls Aufgabe der Erfindung, einen Diffusionsreaktor zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen bereitzustellen, mit dem eine Desinfektion zuverlässig, kostengünstig und energieeffizient durchgeführt werden kann. It is also an object of the invention to provide a diffusion reactor for disinfecting liquids or gases, with which disinfection can be carried out reliably, cost-effectively and in an energy-efficient manner.
Die Aufgabe wird mittels des Verfahrens zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt. The object is achieved by means of the method for disinfecting liquids or gases according to claim 1. Advantageous embodiments of the invention are set out in the dependent claims.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen weist vier Verfahrensschritte auf: Im ersten Verfahrensschritt wird eine Strahlungsbarriere in einer Desinfektionskammer erzeugt. Die UV-Strahlung der Strahlquelle wird durch optische Bauelemente derart geformt, dass UV-Strahlung eine Fläche und/oder ein Volumen innerhalb der Desinfektionskammer beaufschlagt. Im zweiten Verfahrensschritt wird ein Flüssigkeits und/oder ein Gasstrom in die Desinfektionskammer eingeleitet. Die Desinfektionskammer weist dazu an einer Seite einen Einlass auf. Im dritten Verfahrensschritt wird der Flüssigkeits- und/oder Gasstrom durch mehrere Volumenbereiche der Desinfektionskammer geleitet. Im vierten Verfahrensschritt wird der Flüssigkeits- und/oder Gasstrom aus der Desinfektionskammer geschleust. Die Desinfektionskammer weist dazu an der dem Einlass gegenüberliegenden Seite einen Auslass auf. Erfindungsgemäß werden die Volumenbereiche der Desinfektionskammer durch die Strahlungsbarriere, eine Wand der Desinfektionskammer, sowie eine Strömungsleitfläche eines Strömungsleitelementes gebildet. Die einzelnen Volumenbereiche der Desinfektionskammer sind durch die Strahlungsbarriere, durch eine Wand der Desinfektionskammer, sowie eine Strömungsleitfläche eines Strömungsleitelementes vollständig voneinander getrennt. Durch diese vorteilhafte Anordnung wird die zu desinfizierende Substanz mehrfach durch die Strahlungsbarriere geleitet. Dies erhöht die Einwirkdauer der UV-Strahlung auf die zu desinfizierende Substanz. The method according to the invention for disinfecting liquids or gases has four method steps: In the first method step, a radiation barrier is produced in a disinfection chamber. The UV radiation from the radiation source is shaped by optical components in such a way that UV radiation impinges on a surface and/or a volume within the disinfection chamber. In the second method step, a liquid and/or a gas stream is introduced into the disinfection chamber. For this purpose, the disinfection chamber has an inlet on one side. In the third method step, the liquid and/or gas flow is passed through several volume areas of the disinfection chamber. In the fourth method step, the liquid and/or gas flow is channeled out of the disinfection chamber. For this purpose, the disinfection chamber has an outlet on the side opposite the inlet. According to the invention, the volume areas of the disinfection chamber are formed by the radiation barrier, a wall of the disinfection chamber, and a flow-guiding surface of a flow-guiding element. The individual volume areas of the disinfection chamber are completely separated from one another by the radiation barrier, by a wall of the disinfection chamber, and by a flow guide surface of a flow guide element. Due to this advantageous arrangement, the substance to be disinfected is passed through the radiation barrier several times. This increases the exposure time of the UV radiation to the substance to be disinfected.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist das Strömungsleitelement als separates Bauelement in der Desinfektionskammer angeordnet. Vorteilhafterweise weist die Desinfektionskammer mehrere gleichartige Strömungsleitelemente auf. Die Desinfektionskammer kann durch Einbau weiterer gleichartiger Strömungsleitelemente vergrößert werden. Zusätzlich sind die Herstellungskosten eines Strömungsleitelementes aufgrund einer möglichen Serienfertigung verringert. In a further embodiment of the invention, the flow guide element is arranged as a separate component in the disinfection chamber. Advantageously, the disinfection chamber has a plurality of flow-guiding elements of the same type. The disinfection chamber can be enlarged by installing further flow control elements of the same type. In addition, the production costs of a flow guide element are reduced due to possible series production.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung ist das Strömungsleitelement an einer Wand der Desinfektionskammer befestigt. Ein Strömungsleitelement ist daher vorteilhafterweise an einer Seite der Desinfektionskammer angeordnet. In a further embodiment of the invention, the flow guide element is attached to a wall of the disinfection chamber. A flow guide element is therefore advantageously arranged on one side of the disinfection chamber.
In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird der Gas- und/oder Flüssigkeitsstrom durch ein Strömungsleitelement mit mehreren Strömungsleitflächen und/oder durch die Strömungsleitflächen mehrerer Strömungsleitelemente geführt. Der Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom wird durch die Strömungsleitflächen innerhalb der Desinfektionskammer geführt. Dies erhöht die Einwirkdauer der UV-Strahlung auf die zu desinfizierende Substanz. In an advantageous embodiment of the invention, the gas and/or liquid flow is guided through a flow-guiding element with a plurality of flow-guiding surfaces and/or through the flow-guiding surfaces of a plurality of flow-guiding elements. The gas or liquid flow is guided through the flow guide surfaces inside the disinfection chamber. This increases the exposure time of the UV radiation to the substance to be disinfected.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Strömungsleitfläche eine gekrümmte Oberfläche auf, entlang derer der Gas- und/oder Flüssigkeitsstrom geführt wird. Dies erhöht die Einwirkdauer der UV-Strahlung auf die zu desinfizierende Substanz. In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird die Strahlung der Strahlungsbarriere durch ein für die Strahlung transparentes Fenster in die Desinfektionskammer eingestrahlt. Das transparente Fenster kann im Brewster- Winkel angeordnet sein, um polarisierte Strahlung in die Desinfektionskammer eintreten zu lassen. Das Fenster kann ebenfalls verschiebbar gestaltet sein, um den Einlass der Strahlungsbarriere zu steuern. Weiterhin kann auch das Austrittsfenster im Brewster- Winkel zur Strahlrichtung angeordnet sein. In a further embodiment of the invention, the flow guide surface has a curved surface along which the gas and/or liquid flow is guided. This increases the exposure time of the UV radiation to the substance to be disinfected. In a further embodiment of the invention, the radiation from the radiation barrier is radiated into the disinfection chamber through a window which is transparent to the radiation. The transparent window can be positioned at Brewster's angle to allow polarized radiation to enter the disinfection chamber. The window can also be made slidable to control the entry of the radiation barrier. Furthermore, the exit window can also be arranged at the Brewster angle to the beam direction.
Die Verwendung eines Brewster-Fensters aus Quarzglas ist von Vorteil, da auf eine aufwendige, kostenintensive Antireflexbeschichtung verzichtet werden kann, welche zudem durch die UV-Strahlung einer schnellen Degradation unterliegt. Die Transmission von polarisiertem Licht durch ein Fenster im Brewster- Winkel ist nahezu verlustfrei. Bei einer etwaigen Degradation durch das UV-Licht oder allgemeiner Verschmutzung des Brewster- Fensters, kann dieses um einen entsprechenden Betrag vorschoben werden, um einen unversehrten Durchgang des Lichts zu gewährleisten. Ein sich drehendes, im Brewster- Winkel angeordnetes rotierendes, kreissymmetrische Fenster wäre als ein weiteres Ausführungsbeispiel vorteilhaft anwendbar. The use of a Brewster window made of quartz glass is advantageous, since there is no need for a complex, cost-intensive anti-reflection coating, which is also subject to rapid degradation due to UV radiation. The transmission of polarized light through a Brewster angle window is almost lossless. In the event of any degradation from the UV light or general contamination of the Brewster window, it can be pushed forward by an appropriate amount in order to ensure that the light can pass through undamaged. A rotating, circularly symmetrical window arranged at Brewster's angle could advantageously be used as a further exemplary embodiment.
In einerweiteren Gestaltung der Erfindung wird die Strahlungsbarriere in einer Breite B erzeugt, die größer oder gleich einem Innendurchmesser D der Desinfektionskammer ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der durch die Strömungsleitelemente umgelenkte Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom durch die Strahlungsbarriere strömen muss, vorteilhafterweise mehrfach. Dies erhöht die Einwirkdauer der UV-Strahlung auf die zu desinfizierende Substanz. In a further embodiment of the invention, the radiation barrier is created with a width B that is greater than or equal to an inner diameter D of the disinfection chamber. In this way it is ensured that the gas or liquid flow deflected by the flow guide elements must flow through the radiation barrier, advantageously several times. This increases the exposure time of the UV radiation to the substance to be disinfected.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird der Gas- und/oder Flüssigkeitsstrom mehrfach durch die Strahlungsbarriere geführt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der durch die Strömungsleitelemente umgelenkte Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom durch die Strahlungsbarriere strömen muss, vorteilhafterweise mehrfach. Dies erhöht die Einwirkdauer der UV-Strahlung auf die zu desinfizierende Substanz. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Strahlungsbarriere umgelenkt. Durch geeignete optische Bauteile wird die Strahlungsbarriere derart umgelenkt, dass sie in einem Winkel zur primär eingestrahlten Strahlungsbarriere wieder in die Desinfektionskammer eingestrahlt wird (sekundäre Strahlungsbarriere). So wird ebenfalls die Einwirkdauer der UV- Strahlung auf die zu desinfizierende Substanz erhöht. Möglich ist auch eine Umlenkung der Strahlungsbarriere zur Einleitung der Strahlungsbarriere in weitere Desinfektionskammern. Somit werden mittels einer Strahlquelle eine Mehrzahl von Desinfektionskammern betrieben. In a further embodiment of the invention, the gas and/or liquid flow is passed through the radiation barrier several times. In this way it is ensured that the gas or liquid flow deflected by the flow guide elements must flow through the radiation barrier, advantageously several times. This increases the exposure time of the UV radiation to the substance to be disinfected. In a further embodiment of the invention, the radiation barrier is deflected. The radiation barrier is deflected by suitable optical components in such a way that it is radiated back into the disinfection chamber at an angle to the primary radiation barrier (secondary radiation barrier). This also increases the exposure time of the UV radiation to the substance to be disinfected. It is also possible to deflect the radiation barrier to introduce the radiation barrier into further disinfection chambers. A plurality of disinfection chambers are thus operated by means of a beam source.
In einer Weiterbildung der Erfindung entstehen infolge der Umlenkung der Strahlungsbarriere mehrere Strahlungsbarrierenabschnitte in der Desinfektionskammer. Der Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom wird aufgrund der Strömungsleitelemente mehrfach durch die Strahlungsbarrierenabschnitte geleitet. So wird ebenfalls die Einwirkdauer der UV-Strahlung auf die zu desinfizierende Substanz erhöht. In a development of the invention, as a result of the deflection of the radiation barrier, several radiation barrier sections are created in the disinfection chamber. The flow of gas or liquid is conducted multiple times through the radiation barrier sections due to the flow guide elements. This also increases the exposure time of the UV radiation to the substance to be disinfected.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist die Strahlung der Strahlungsbarriere Laserstrahlung. UV-Licht, besonders das UV-C-Spektrum, ist geeignet, Bakterien und Viren wirksam zu deaktivieren. UV-C ist dabei das Spektrum zwischen 280 und 100 Nanometern (nm) Wellenlänge. Dieser Bereich des UV-Lichts wird im Gegensatz zum UV-A- (380 nm-315 nm) und UV-B-Bereich (315 nm-280 nm) nahezu vollständig vom Sauerstoff in der Atmosphäre absorbiert und erreicht unter natürlichen Bedingungen nicht die Erdoberfläche. Innerhalb des UV-C-Spektrums muss man dabei nochmal nach der biologischen Wirkung unterscheiden. So absorbieren bei 280 nm vor allem Proteine - insbesondere als Bestandteil die Aminosäure Tryptophan -, was zur Denaturierung führt. Bei 265 nm werden Nukleinsäuren insbesondere durch Dimerisierung der Base Thymin geschädigt. Im Bereich von 245 nm absorbieren vor allem die Nukleinsäuren, während es für Proteine in dem Bereich ein Absorptionsminimum gibt, was die technische Anwendung eines engen Frequenzspektrums etwa zur Desinfektion von Proteinlösungen erlaubt. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der gesamte Gas- und/oder Flüssigkeitsstrom durch mehrere Volumenbereiche der Desinfektionskammer geführt. Das hat den Vorteil, dass der gesamte Gas- und/oder Flüssigkeitsstrom durch mindesten eine Strahlungsbarriere geführt wird und somit sichergestellt ist, dass der gesamte Gas- und/oder Flüssigkeitsstrom desinfiziert wurde, wenn er den Desinfektionsreaktor verlässt. In a further embodiment of the invention, the radiation from the radiation barrier is laser radiation. UV light, especially the UV-C spectrum, is suitable for effectively deactivating bacteria and viruses. UV-C is the spectrum between 280 and 100 nanometers (nm) wavelength. In contrast to the UV-A (380 nm-315 nm) and UV-B range (315 nm-280 nm), this range of UV light is almost completely absorbed by the oxygen in the atmosphere and does not reach the earth's surface under natural conditions . Within the UV-C spectrum, you have to differentiate again according to the biological effect. Proteins in particular absorb at 280 nm - especially as a component of the amino acid tryptophan - which leads to denaturation. At 265 nm, nucleic acids are particularly damaged by dimerization of the base thymine. Nucleic acids in particular absorb in the range of 245 nm, while there is an absorption minimum for proteins in this range, which allows the technical application of a narrow frequency spectrum, for example for the disinfection of protein solutions. In a further embodiment of the invention, the entire gas and/or liquid flow is guided through several volume areas of the disinfection chamber. This has the advantage that the entire gas and/or liquid flow is guided through at least one radiation barrier and it is thus ensured that the entire gas and/or liquid flow has been disinfected when it leaves the disinfection reactor.
Die Aufgabe wird ebenfalls mittels eines Desinfektionsreaktors zur Desinfektion von Flüssigkeiten und/oder Gasen gelöst. The task is also solved by means of a disinfection reactor for the disinfection of liquids and/or gases.
Der erfindungsgemäße Desinfektionsreaktor zur Desinfektion von Flüssigkeiten und/oder Gasen weist eine Desinfektionskammer auf, die einen Einlass sowie einen Auslass für die zu desinfizierende Substanz aufweist. Weiterhin weist die Desinfektionskammer eine Kammerwand auf. Die erfindungsgemäße Desinfektionskammerweist außerdem ein Strömungsleitelement auf. Die Desinfektionskammer weist zusätzlich ein Strahlungselement auf, das geeignet ist, eine Strahlungsbarriere in der Desinfektionskammer zu erzeugen. The disinfection reactor according to the invention for disinfecting liquids and/or gases has a disinfection chamber which has an inlet and an outlet for the substance to be disinfected. Furthermore, the disinfection chamber has a chamber wall. The disinfection chamber according to the invention also has a flow directing element. The disinfection chamber additionally has a radiation element that is suitable for generating a radiation barrier in the disinfection chamber.
Erfindungsgemäß weist die Desinfektionskammer mehrere Volumenbereiche auf, die durch die Strahlungsbarriere, das Strömungsleitelement und die Kammerwand vollständig voneinander getrennt sind. Der Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom wird aufgrund des Strömungsleitelementes mehrfach durch die Strahlungsbarriere geleitet. So wird die Einwirkdauer der UV-Strahlung auf die zu desinfizierende Substanz erhöht. According to the invention, the disinfection chamber has several volume areas that are completely separated from one another by the radiation barrier, the flow guide element and the chamber wall. The flow of gas or liquid is passed through the radiation barrier several times due to the flow guide element. This increases the exposure time of the UV radiation to the substance to be disinfected.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung weist das Strömungsleitelement eine Strömungsleitfläche auf. Der Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom wird durch die Strömungsleitflächen innerhalb der Desinfektionskammer geführt. Dies erhöht die Einwirkdauer der UV-Strahlung auf die zu desinfizierende Substanz. In a further embodiment of the invention, the flow guide element has a flow guide surface. The gas or liquid flow is guided through the flow guide surfaces inside the disinfection chamber. This increases the exposure time of the UV radiation to the substance to be disinfected.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Strömungsleitfläche eine gekrümmte Oberfläche auf. Der Gasstrom bzw. Flüssigkeitsstrom wird an der Strömungsleitfläche derart abgelenkt, dass er die Strahlungsbarriere kreuzt/schneidet. Der Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom wird durch die Strömungsleitflächen innerhalb der Desinfektionskammer geführt. Dies erhöht die Einwirkdauer der UV-Strahlung auf die zu desinfizierende Substanz. In a development of the invention, the flow guide surface has a curved surface. The gas flow or liquid flow is such at the flow guide distracted that he is crossing/cutting the radiation barrier. The gas or liquid flow is guided through the flow guide surfaces inside the disinfection chamber. This increases the exposure time of the UV radiation to the substance to be disinfected.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung weist die Desinfektionskammer mehrere Strömungsleitelemente und/oder Strömungsleitflächen auf. Die Desinfektionskammer kann durch Einbau weiterer gleichartiger Strömungsleitelemente vergrößert werden. Zusätzlich sind die Herstellungskosten eines Strömungsleitelementes aufgrund einer möglichen Serienfertigung verringert. In a further embodiment of the invention, the disinfection chamber has a plurality of flow-guiding elements and/or flow-guiding surfaces. The disinfection chamber can be enlarged by installing further flow control elements of the same type. In addition, the production costs of a flow guide element are reduced due to possible series production.
In einerweiteren Gestaltung der Erfindung ist jeder Volumenbereich durch mindestens eine Strahlungsbarriere von einem benachbarten Volumenbereich getrennt. Der Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom wird aufgrund der Strömungsleitelemente mehrfach durch die Strahlungsbarrierenabschnitte geleitet. So wird ebenfalls die Einwirkdauer der UV-Strahlung auf die zu desinfizierende Substanz erhöht. In a further embodiment of the invention, each volume area is separated from an adjacent volume area by at least one radiation barrier. The flow of gas or liquid is conducted multiple times through the radiation barrier sections due to the flow guide elements. This also increases the exposure time of the UV radiation to the substance to be disinfected.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Desinfektionskammer mehrere Strahlungsbarrieren auf. Durch geeignete optische Bauteile wird die Strahlungsbarriere derart umgelenkt, dass sie in einem Winkel zur primär eingestrahlten Strahlungsbarriere wieder in die Desinfektionskammer eingestrahlt wird (sekundäre Strahlungsbarriere). So wird ebenfalls die Einwirkdauer der UV-Strahlung auf die zu desinfizierende Substanz erhöht. In a further embodiment of the invention, the disinfection chamber has a number of radiation barriers. The radiation barrier is deflected by suitable optical components in such a way that it is radiated back into the disinfection chamber at an angle to the primary radiation barrier (secondary radiation barrier). This also increases the exposure time of the UV radiation to the substance to be disinfected.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung weist die Desinfektionskammer für die durch das Strahlungselement erzeugte Strahlung ein transparentes Fenster auf. Das transparente Fenster kann im Brewster- Winkel angeordnet sein, um polarisierte Strahlung in die Desinfektionskammer eintreten und/oder austreten zu lassen. Das Fenster kann ebenfalls verschiebbar gestaltet sein, um den Einlass der Strahlungsbarriere zu verhindern. In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Desinfektionskammer Elemente zur Ablenkung der durch das Strahlungselement erzeugten Strahlung auf. Die Strahlungsbarriere kann z.B. in weitere Desinfektionskammern eingeleitet werden. Somit werden mittels einer Strahlquelle eine Mehrzahl von Desinfektionskammern betrieben. In a further embodiment of the invention, the disinfection chamber has a transparent window for the radiation generated by the radiation element. The transparent window can be positioned at Brewster's angle to allow polarized radiation to enter and/or exit the disinfection chamber. The window can also be made slidable to prevent entry of the radiation barrier. In a development of the invention, the disinfection chamber has elements for deflecting the radiation generated by the radiation element. The radiation barrier can, for example, be introduced into further disinfection chambers. A plurality of disinfection chambers are thus operated by means of a beam source.
In einer vorteilhaften Gestaltung der Erfindung ist der Einlass vom Auslass durch mehrere Volumenbereiche getrennt. Der Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom wird aufgrund der Strömungsleitelemente mehrfach durch die Strahlungsbarrierenabschnitte geleitet. So wird ebenfalls die Einwirkdauer der UV-Strahlung auf die zu desinfizierende Substanz erhöht. In an advantageous embodiment of the invention, the inlet is separated from the outlet by a number of volume areas. The flow of gas or liquid is conducted multiple times through the radiation barrier sections due to the flow guide elements. This also increases the exposure time of the UV radiation to the substance to be disinfected.
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Desinfektionsreaktors und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen sind in den Zeichnungen schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Exemplary embodiments of the disinfection reactor according to the invention and the method according to the invention for the disinfection of liquids or gases are shown schematically in simplified form in the drawings and are explained in more detail in the following description.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 : Desinfektionsreaktor mit Strahlungsquelle Fig. 1: Disinfection reactor with radiation source
Fig. 2 a: Desinfektionsreaktor mit konkaven Strömungsleitelementen- Seitenansicht Fig. 2 a: Disinfection reactor with concave flow guide elements - side view
Fig. 2 b: Desinfektionsreaktor mit konkaven Strömungsleitelementen - Draufsicht Fig. 2 b: Disinfection reactor with concave flow guide elements - top view
Fig. 2 c: Desinfektionsreaktor mit konkaven Strömungsleitelementen - perspektivischeFig. 2 c: Disinfection reactor with concave flow guide elements - perspective
Ansicht Opinion
Fig. 3 a) - c): Desinfektionsreaktor als Vortex-Kammer mit zwei Strahlungsbarrieren Fig. 4: Desinfektionsreaktor für divergierende Strahlungsbarriere Fig. 3 a) - c): Disinfection reactor as a vortex chamber with two radiation barriers Fig. 4: Disinfection reactor for diverging radiation barriers
Fig. 5 a: Desinfektionsreaktor mit konvexen Strömungsleitelementen - Seitenansicht Fig. 5 b: Desinfektionsreaktor mit konvexen Strömungsleitelementen - perspektivischeFig. 5 a: Disinfection reactor with convex flow guide elements - side view Fig. 5 b: Disinfection reactor with convex flow guide elements - perspective
Ansicht Opinion
Fig. 6 a) - c): Desinfektionsreaktor als Vortex-Kammer mit einer Strahlungsbarriere Fig. 6 a) - c): Disinfection reactor as a vortex chamber with a radiation barrier
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Desinfektionsreaktors 1 zur Desinfektion von Gasen und/oder Flüssigkeiten. Der Desinfektionsreaktor 1 weist die Desinfektionskammer 100 auf, die von den Seitenwänden 120, 130 seitlich, von den Wänden 140, 150 an den Stirnseiten sowie von Wandungen an Ober- und Unterseite (nicht dargestellt) begrenzt wird. Die Desinfektionskammer 100 weist für Eintritt und Austritt der zu desinfizierenden Substanz (Gas oder Fluid) geeignete Öffnungen 170, 180 auf. Die Desinfektionskammer 100 weist zwei Reihen parallel zueinander angeordnete Strömungsleitelemente 150 auf, die derart gegenüber zueinander angeordnet sind, dass die beiden Reihen gegeneinander um die halbe Breite eines Strömungsleitelementes 150 verschoben sind. Die Strömungsleitelemente 150 sind als separate Bauteile an den Wänden 110, 120 in der Desinfektionskammer 100 angeordnet. 1 shows an exemplary embodiment of a disinfection reactor 1 for the disinfection of gases and/or liquids. The disinfection reactor 1 has the disinfection chamber 100, which is delimited by the side walls 120, 130 on the sides, by the walls 140, 150 on the end faces and by walls on the top and bottom (not shown). The disinfection chamber 100 has openings 170, 180 suitable for the entry and exit of the substance to be disinfected (gas or fluid). The disinfection chamber 100 has two rows of flow guide elements 150 arranged parallel to one another, which are arranged opposite one another in such a way that the two rows are offset from one another by half the width of a flow guide element 150 . The flow guide elements 150 are arranged as separate components on the walls 110, 120 in the disinfection chamber 100.
Die Strömungsleitelemente 150 weisen jeweils an der konkav gekrümmten Seite eine Strömungsleitfläche 160 auf, an denen der Gas- oder Flüssigkeitsstrom entlang geführt wird. Ein Strömungsleitelement 150 weist im Wesentlichen die Form eines halbierten Zylinders auf. Andere Formen der Strömungsleitelemente 150 sind ebenfalls möglich, z. B. eine Sägezahn-Form. Nötig ist nur eine geeignete Form, so dass der Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom um die Mittelachse der Desinfektionskammer 100 umgelenkt wird. The flow guide elements 150 each have a flow guide surface 160 on the concavely curved side, along which the gas or liquid flow is guided. A flow guide element 150 essentially has the shape of a halved cylinder. Other shapes of the flow directing elements 150 are also possible, e.g. B. a sawtooth shape. All that is necessary is a suitable shape so that the gas or liquid flow is deflected around the central axis of the disinfection chamber 100 .
Die Stahlquelle 290 ist ein Laser, der Strahlung mit einer Wellenlänge im UV-Bereich, vorzugsweise im UV-C-Bereich (280 nm bis 100 nm) erzeugt. Die Strahlung des Lasers 290 wird durch ein für die Strahlung transparentes Fenster 210 in die Desinfektionskammer 100 eingestrahlt. Der Laser 290 weist ein Element zur Strahlformung 240 auf, mit dem der Laserstrahl zu einer Ebene aufgeweitet wird. Der Laserstrahl tritt durch ein Fenster 210 in die Desinfektionskammer 100 ein. Die Laserstrahlung bildet in der Desinfektionskammer 100 eine Strahlungsbarriere 200, die entlang der Längsachse in der Mittelachse der Desinfektionskammer 100 verläuft. The beam source 290 is a laser that generates radiation with a wavelength in the UV range, preferably in the UV-C range (280 nm to 100 nm). The radiation of the laser 290 is radiated into the disinfection chamber 100 through a window 210 that is transparent to the radiation. The laser 290 has a beam shaping element 240 with which the laser beam is expanded into a plane. The laser beam enters the disinfection chamber 100 through a window 210 . The laser radiation forms 100 in the disinfection chamber a radiation barrier 200 running along the longitudinal axis in the central axis of the disinfection chamber 100.
An der Seite der Desinfektionskammer 100, die dem Eintrittsfenster 210 gegenüber liegt, weist die Desinfektionskammer 100 ein Austrittsfenster 220 auf. Die Laserbarriere 200 kann daher in weitere Desinfektionskammern 100 z.B. mittels einer Umlenkoptik 230 geleitet werden. Das Eintrittsfenster 210 ist ebenso wie das Austrittsfenster 220 senkrecht zur Ebene der Laserbarriere 200 verschiebbar. The disinfection chamber 100 has an exit window 220 on the side of the disinfection chamber 100 which is opposite the entry window 210 . The laser barrier 200 can therefore be guided into further disinfection chambers 100, e.g. by means of deflection optics 230. The entrance window 210, like the exit window 220, can be displaced perpendicular to the plane of the laser barrier 200.
Zur Desinfektion eines Gases oder einer Flüssigkeit wird in der Desinfektionskammer 100 die Strahlungsbarriere 200 aufgebaut. In diesem Ausführungsbeispiel verläuft die Strahlungsbarriere 200 entlang der Längsachse in der Mittelachse der Desinfektionskammer 100. Die zu desinfizierende Substanz wird über den Einlass 170 in die Desinfektionskammer 100 derart geleitet, dass sich in der Desinfektionskammer 100 ein kontinuierlicher Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom ausbildet. Der Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom hat optimalerweise eine während des Desinfektionsvorgangs konstante Strömungsrate (Volumen/Zeiteinheit). Die zu desinfizierende Substanz verlässt die Desinfektionskammer 100 über den Auslass 180. Zwischen Einlass 170 und Auslass 180 wird der Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom durch die Strömungsleitflächen 160 der Strömungsleitelemente 150 durch die Laserbarriere 200 geleitet, vorteilhafterweise in mehreren durch die Strömungsleitelemente 150 gebildeten Volumenbereiche, was die Zeit erhöht, die die Laserbarriere 200 auf die zu desinfizierende Substanz einwirken kann. The radiation barrier 200 is set up in the disinfection chamber 100 in order to disinfect a gas or a liquid. In this exemplary embodiment, the radiation barrier 200 runs along the longitudinal axis in the central axis of the disinfection chamber 100. The substance to be disinfected is guided into the disinfection chamber 100 via the inlet 170 in such a way that a continuous flow of gas or liquid forms in the disinfection chamber 100. The gas or liquid flow optimally has a constant flow rate (volume/time unit) during the disinfection process. The substance to be disinfected leaves the disinfection chamber 100 via the outlet 180. Between the inlet 170 and the outlet 180, the gas or liquid flow is guided through the flow control surfaces 160 of the flow control elements 150 through the laser barrier 200, advantageously in a plurality of volume areas formed by the flow control elements 150, what increases the time that the laser barrier 200 can act on the substance to be disinfected.
Eine Variante des erfindungsgemäßen Desinfektionsreaktors 1 zur Desinfektion von Gasen und/oder Flüssigkeiten zeigt Fig. 2. Die Desinfektionskammer 100 entspricht der in Fig. 1 beschriebenen Desinfektionskammer 100 (Fig. 2 a, 2 b). Die Strahlung des Lasers 290 wird durch ein für die Strahlung transparentes Fenster 210 in die Desinfektionskammer 100 eingestrahlt. An dieser Stelle sitzt auch die in Fig. 2 nicht dargestellte Kollimatoroptik, wie zum Beispiel eine Zylinderlinse. In einer alternativen Ausführungsform kann die Zylinderlinse auch verschiebbar ausgeführt sein und/oder als Eintrittsfenster der Desinfektionskammer 100 dienen. Der Laser 290 weist ein Element zur Strahlformung 240 auf, mit dem der Laserstrahl aufgeweitet wird. Der Laserstrahl tritt durch ein Fenster 210 in die Desinfektionskammer 100 ein. Die Laserstrahlung bildet in der Desinfektionskammer 100 eine Strahlungsbarriere 200, die entlang der Längsachse in der Mittelachse der Desinfektionskammer 100 verläuft. In diesem und dem vorigen Ausführungsbeispiel (Fig. 1) weist die Strahlungsbarriere 200 eine Breite B auf, die der Breite der Desinfektionskammer 100 entspricht. Im Unterschied zum vorherigen Ausführungsbeispiel (Fig. 1) ist in diesem Ausführungsbeispiel (Fig. 2 c) das Eintrittsfenster 210 im Brewsterwinkel angeordnet. A variant of the disinfection reactor 1 according to the invention for the disinfection of gases and/or liquids is shown in FIG. 2. The disinfection chamber 100 corresponds to the disinfection chamber 100 described in FIG. 1 (FIGS. 2a, 2b). The radiation of the laser 290 is radiated into the disinfection chamber 100 through a window 210 that is transparent to the radiation. The collimator optics, not shown in FIG. 2, such as a cylindrical lens, are also located at this point. In an alternative embodiment, the cylindrical lens can also be designed to be displaceable and/or as an entry window of the disinfection chamber 100 serve. The laser 290 has a beam shaping element 240 with which the laser beam is expanded. The laser beam enters the disinfection chamber 100 through a window 210 . The laser radiation forms a radiation barrier 200 in the disinfection chamber 100 which runs along the longitudinal axis in the central axis of the disinfection chamber 100 . In this and the previous exemplary embodiment ( FIG. 1 ), the radiation barrier 200 has a width B that corresponds to the width of the disinfection chamber 100 . In contrast to the previous exemplary embodiment (FIG. 1), in this exemplary embodiment (FIG. 2c), the entry window 210 is arranged at the Brewster angle.
Fig. 2 verdeutlicht das Verfahren zur Desinfektion eines Gases oder einer Flüssigkeit. Die Desinfektionskammer 100 weist zwei Reihen parallel zueinander angeordnete Strömungsleitelemente 150 auf, die derart gegenüber zueinander angeordnet sind, dass die beiden Reihen gegeneinander um die halbe Breite eines Strömungsleitelementes 150 verschoben sind. Die Strömungsleitelemente 150 weisen jeweils eine gekrümmte Strömungsleitfläche 160 auf, an denen der Gas- oder Flüssigkeitsstrom entlang geführt wird. Zur Desinfektion eines Gases oder einer Flüssigkeit wird in der Desinfektionskammer 100 die Strahlungsbarriere 200 aufgebaut. Die Strahlungsbarriere 200 verläuft genau in der Mitte zwischen den beiden Reihen der Strömungsleitelemente 150. Zwischen Einlass 170 und Auslass 180 wird der Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom durch die Strömungsleitflächen 160 der Strömungsleitelemente 150 durch die Laserbarriere 200 geleitet, vorteilhafterweise in mehreren Punkten, was die Zeit erhöht, die die Laserbarriere 200 auf die zu desinfizierende Substanz einwirken kann. Fig. 2 illustrates the method for disinfecting a gas or a liquid. The disinfection chamber 100 has two rows of flow guide elements 150 arranged parallel to one another, which are arranged opposite one another in such a way that the two rows are offset from one another by half the width of a flow guide element 150 . The flow guide elements 150 each have a curved flow guide surface 160 along which the gas or liquid flow is guided. The radiation barrier 200 is set up in the disinfection chamber 100 in order to disinfect a gas or a liquid. The radiation barrier 200 runs exactly in the middle between the two rows of flow guide elements 150. Between inlet 170 and outlet 180, the gas or liquid flow is guided through the flow guide surfaces 160 of the flow guide elements 150 through the laser barrier 200, advantageously at several points, which reduces the time increases that the laser barrier 200 can act on the substance to be disinfected.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Desinfektionsreaktors 1 zeigt Fig. 4. Die Desinfektionskammer 100 weist ebenfalls zwei Reihen parallel zueinander angeordnete Strömungsleitelemente 150 auf, die derart gegenüber zueinander angeordnet sind, dass die beiden Reihen gegeneinander um die halbe Breite eines Strömungsleitelementes 150 verschoben sind. Die Strömungsleitelemente 150 weisen jeweils eine gekrümmte Strömungsleitfläche 160 auf, an denen der Gas- oder Flüssigkeitsstrom entlang geführt wird. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Desinfektionskammer 100 Wandungen 190, 191 an der Oberseite und Unterseite auf, die in einem Winkel zur Mittelachse der Desinfektionskammer 100 angeordnet sind. Die Wandungen 190, 191 sind derart verspiegelt, dass die Laserbarriere 200 nicht aus der Desinfektionskammer 100 austritt. Alternativ kann die Wandung 190, 191 auch unverspiegelt als Strahlbegrenzung fungieren. Die Strahlungsbarriere 200 weist eine Breite B auf, die dem Verlauf der Wandungen 190, 191 folgt. Another exemplary embodiment of the disinfection reactor 1 according to the invention is shown in FIG. 4. The disinfection chamber 100 also has two rows of flow guide elements 150 arranged parallel to one another, which are arranged opposite one another in such a way that the two rows are offset from one another by half the width of a flow guide element 150. The flow guide elements 150 each have a curved flow guide surface 160 along which the gas or liquid flow is guided. In this exemplary embodiment, the disinfection chamber 100 has walls 190, 191 on the top and bottom, which are arranged at an angle to the central axis of the disinfection chamber 100 . The walls 190, 191 are mirrored in such a way that the laser barrier 200 does not exit the disinfection chamber 100. Alternatively, the wall 190, 191 can also act as a beam limiter without being mirrored. The radiation barrier 200 has a width B which follows the course of the walls 190, 191.
Fig. 5 zeigt eine weitere Variante von Strömungsleitelementen 150. Die Desinfektionskammer 100 weist ebenfalls zwei Reihen parallel zueinander angeordnete Strömungsleitelemente 150 auf, die derart gegenüber zueinander angeordnet sind, dass die beiden Reihen gegeneinander um die halbe Breite eines Strömungsleitelementes 150 verschoben sind. Die Strömungsleitelemente 150 weisen jeweils an der konvex gekrümmten Seite eine Strömungsleitfläche 160 auf, an denen der Gas- oder Flüssigkeitsstrom entlang geführt wird (Fig. 5 a). Die Strahlung des Lasers 290 wird durch ein für die Strahlung transparentes Fenster 210 in die Desinfektionskammer 100 eingestrahlt. Der Laserstrahl tritt durch ein Fenster 210 in die Desinfektionskammer 100 ein. Die Laserstrahlung bildet in der Desinfektionskammer 100 eine Strahlungsbarriere 200, die entlang der Längsachse in der Mittelachse der Desinfektionskammer 100 verläuft (Fig. 5 b). Im weiteren Aufbau entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem in Fig. 1 gezeigten Desinfektionsreaktor 1. 5 shows a further variant of flow guidance elements 150. The disinfection chamber 100 also has two rows of flow guidance elements 150 arranged parallel to one another, which are arranged opposite one another in such a way that the two rows are offset from one another by half the width of a flow guidance element 150. The flow guide elements 150 each have a flow guide surface 160 on the convexly curved side, along which the gas or liquid flow is guided (FIG. 5a). The radiation of the laser 290 is radiated into the disinfection chamber 100 through a window 210 that is transparent to the radiation. The laser beam enters the disinfection chamber 100 through a window 210 . The laser radiation forms a radiation barrier 200 in the disinfection chamber 100, which runs along the longitudinal axis in the central axis of the disinfection chamber 100 (FIG. 5b). In terms of further structure, this exemplary embodiment corresponds to the disinfection reactor 1 shown in FIG.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Desinfektionskammer 100 zeigt Fig. 6. Die Desinfektionskammer 100 weist einen kreisförmigen Querschnitt mit Innendurchmesser D auf (Fig. 6 a). In der Desinfektionskammer 100 wird das Strömungsleitelement 150 durch die Zylinderwand 110 gebildet, so dass die Strömung des durch die Desinfektionskammer 150 geleiteten Fluids oder Gases eine Spirale (Vortex) in Längsrichtung der Desinfektionskammer 100 bildet (Fig. 6 b). Die Strömungsleitfläche 160 ist die gesamte Zylinderwandfläche 110 der Spirale. Another exemplary embodiment of a disinfection chamber 100 is shown in FIG. 6. The disinfection chamber 100 has a circular cross section with an internal diameter D (FIG. 6a). In the disinfection chamber 100, the flow guide element 150 is formed by the cylinder wall 110, so that the flow of the fluid or gas conducted through the disinfection chamber 150 forms a spiral (vortex) in the longitudinal direction of the disinfection chamber 100 (FIG. 6b). The flow directing surface 160 is the entire cylindrical wall surface 110 of the volute.
Die Strahlung des Lasers 290 wird durch ein für die Strahlung transparentes Fenster 210 in die Desinfektionskammer 100 eingestrahlt. Der Laser 290 weist ein Element zur Strahlformung 240 (nicht dargestellt) auf, mit dem der Laserstrahl in einer Ebene aufgeweitet und kollimiert wird. Optional kann das Element zur Strahlformung 240 (z.B. ein Kollimator) auch außerhalb der Desinfektionskammer 100 angeordnet sein. Weiterhin kann das Element zur Strahlformung 240 auch als Scan-System ausgebildet sein. Der Laserstrahl tritt durch ein Fenster 210 in die Desinfektionskammer 100 ein. Die Laserstrahlung bildet in der Desinfektionskammer 100 eine Strahlungsbarriere 200, die entlang der Längsachse in der Mittelachse der Desinfektionskammer 100 verläuft. The radiation of the laser 290 is radiated into the disinfection chamber 100 through a window 210 that is transparent to the radiation. The laser 290 has a beam shaping element 240 (not shown) with which the laser beam is expanded in one plane and is collimated. Optionally, the element for shaping the beam 240 (eg a collimator) can also be arranged outside of the disinfection chamber 100 . Furthermore, the element for beam shaping 240 can also be embodied as a scan system. The laser beam enters the disinfection chamber 100 through a window 210 . The laser radiation forms a radiation barrier 200 in the disinfection chamber 100 which runs along the longitudinal axis in the central axis of the disinfection chamber 100 .
Die zu desinfizierende Substanz wird über den Einlass 170 in die Desinfektionskammer 100 derart geleitet, dass sich in der Desinfektionskammer 100 ein kontinuierlicher Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom ausbildet. Die zu desinfizierende Substanz verlässt die Desinfektionskammer 100 über den Auslass 180. Zwischen Einlass 170 und Auslass 180 wird der Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom durch die Strömungsleitfläche 150 verwirbelt (Fig. 6 c) und mehrfach durch die Laserbarriere 200 geleitet. The substance to be disinfected is fed into the disinfection chamber 100 via the inlet 170 in such a way that a continuous flow of gas or liquid forms in the disinfection chamber 100 . The substance to be disinfected leaves the disinfection chamber 100 via the outlet 180. Between the inlet 170 and the outlet 180, the gas or liquid flow is swirled by the flow guide surface 150 (FIG. 6c) and passed through the laser barrier 200 several times.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Desinfektionskammer 100, in der zwei Strahlungsbarrieren 200 angeordnet sind. Die Desinfektionskammer 100 weist einen kreisförmigen Querschnitt mit Innendurchmesser D auf (Fig. 3 c). Innerhalb der Desinfektionskammer 100 ist ein Strömungsleitelement 150 derart angeordnet, dass das Strömungsleitelement 150 eine Spirale (Vortex) in Längsrichtung der Desinfektionskammer 150 bildet (Fig. 3 a). Die Strömungsleitfläche 160 ist die gesamte Oberfläche der Spirale 150. Die Strahlung des Lasers 290 wird durch ein für die Strahlung transparentes Fenster 210 in die Desinfektionskammer 100 eingestrahlt. Der Laser 290 weist ein Element zur Strahlformung 240 auf, mit dem der Laserstrahl aufgeweitet wird. Der Laserstrahl tritt durch ein Fenster 210 in die Desinfektionskammer 100 ein. Die Laserstrahlung bildet in der Desinfektionskammer 100 eine primäre Strahlungsbarriere 200, die entlang der Längsachse in der Mittelachse der Desinfektionskammer 100 verläuft. Durch geeignete optische Komponenten 230, die an der dem Fenster 210 gegenüberliegenden Seite der Desinfektionskammer 100 angeordnet sind, wird die Strahlungsbarriere 200 derart umgelenkt, dass sie in einem senkrechten Winkel (Fig. 3 b) zur primär eingestrahlten Strahlungsbarriere 200 in die Desinfektionskammer 100 eingestrahlt wird (sekundäre Strahlungsbarriere). So wird ebenfalls die Einwirkdauer der UV-Strahlung auf die zu desinfizierende Substanz erhöht. 3 shows an exemplary embodiment of the disinfection chamber 100 according to the invention, in which two radiation barriers 200 are arranged. The disinfection chamber 100 has a circular cross section with an inner diameter D (FIG. 3c). A flow guide element 150 is arranged inside the disinfection chamber 100 in such a way that the flow guide element 150 forms a spiral (vortex) in the longitudinal direction of the disinfection chamber 150 (FIG. 3a). The flow guide surface 160 is the entire surface of the spiral 150. The radiation from the laser 290 is radiated into the disinfection chamber 100 through a window 210 that is transparent to the radiation. The laser 290 has a beam shaping element 240 with which the laser beam is expanded. The laser beam enters the disinfection chamber 100 through a window 210 . The laser radiation forms a primary radiation barrier 200 in the disinfection chamber 100 which runs along the longitudinal axis in the central axis of the disinfection chamber 100 . By means of suitable optical components 230, which are arranged on the side of the disinfection chamber 100 opposite the window 210, the radiation barrier 200 is deflected in such a way that it is irradiated into the disinfection chamber 100 at a perpendicular angle (Fig. 3b) to the radiation barrier 200 that is primarily irradiated (secondary radiation barrier). This also increases the exposure time of the UV radiation to the substance to be disinfected.
In einerweiteren nicht dargestellten Ausführungsvariante können verstellbare Strömungsleitelemente 150 eines Tesla-Ventils zur Steuerung derIn another embodiment variant, not shown, adjustable flow control elements 150 of a Tesla valve can be used to control the
Durchflussgeschwindigkeit bzw. der Wirbelausbreitung/Wirbelwirkbereich verwendet werden. Flow rate or the vortex propagation / vortex effective range are used.
Für die Strahlung wird bevorzugt ein Laserstrahl mit ca. 0,55mRad Strahlendivergenz bei 1mm Strahldurchmesser verwendet. Dies garantiert einen exponentiell höheren Wrkungsbereich gegenüber herkömmlichen, stark divergierenden Strahlquellen, wie zum Beispiel Gasentladungslampen oder LEDs. Die Leistungsdichte bleibt über die Weglänge nahezu gleich. Eine Absorption durch Luft und Pathogene ist vernachlässigbar klein. A laser beam with a beam divergence of approx. 0.55 mRad and a beam diameter of 1 mm is preferably used for the radiation. This guarantees an exponentially higher effective range compared to conventional, strongly diverging beam sources such as gas discharge lamps or LEDs. The power density remains almost the same over the path length. Absorption by air and pathogens is negligible.
Zur Veranschaulichung: Die Leistungsdichte eines Laserstrahls am Austritt der Strahlquelle 290 ist auch nach mehreren Metern Entfernung weitestgehend unverändert. Erfolgt eine Aufweitung des Laserstrahls, verringert sich entsprechend dem Aufweitungsfaktor die Strahlendivergenz, sodass beispielsweise auch in einer Entfernung von 100 Metern die Leistungsdichte genügend groß ist, seine Wirkung zu entfalten. Folglich ist es unerheblich, ob pathogene Substanzen den Laserstrahl unmittelbar am Austritt der Strahlquelle 290 durchlaufen oder in einiger Entfernung. Wrd der Laserstrahl durch mehrfach Reflektion zu einer Lichtebene/Lichtmauer 200 ausgebildet, so wird eine wirksame, großflächige Barriere für pathogene Substanzen gewährleistet. Jeder Durchgangspunkt in der „Strahlen- Lichtmauer“ 200 erfährt die gleiche Leistungsdichte. Bei der Verwendung einer Linienoptik, wie z.B. einer Powell-Linse, wird die Leistungsdichte des Laserstrahls homogen verteilt. To illustrate: the power density of a laser beam at the exit of the beam source 290 is largely unchanged even after a distance of several meters. If the laser beam expands, the divergence of the beam decreases according to the expansion factor, so that the power density is high enough to be effective even at a distance of 100 meters, for example. Consequently, it is irrelevant whether pathogenic substances pass through the laser beam directly at the exit of the beam source 290 or at some distance. If the laser beam is formed into a plane of light/wall of light 200 by multiple reflections, an effective, large-area barrier for pathogenic substances is ensured. Each passage point in the "radiation light wall" 200 experiences the same power density. When using line optics, such as a Powell lens, the power density of the laser beam is distributed homogeneously.
Bevorzugt wird eine beugungsbegrenzte Laserstrahlung mit der Beugungsmaßzahl M2 nahe 1 ; 0,5mJ - 4mJ im höheren kHz-Bereich bei wenigen Nanosekunden Pulsdauer und einer Wellenlänge von 266nm. Laser im Femtosekunden - oder Pikosekunden - Bereich, welche üblicherweise eine Pulsspitzenleistung im MW oder GW-Bereich erzeugen, sowie kontinuierliche Laser können auch zum Einsatz kommen. In unserer Ausführungsform kommt eine Pulsspitzenleistung von bis zu 250 kW zur Anwendung. A diffraction-limited laser radiation with the diffraction index M2 close to 1 is preferred; 0.5mJ - 4mJ in the higher kHz range with a pulse duration of a few nanoseconds and a wavelength of 266nm. Lasers in the femtosecond - or picosecond - range, which usually generate a pulse peak power in the MW or GW range, as well as continuous lasers can also be used. In our embodiment, a pulse peak power of up to 250 kW is used.
Ein kostengünstiger UV-C-Laser mit einer Lebensdauer von 50000 Stunden kommt vorzugsweise zur Anwendung. An inexpensive UV-C laser with a lifetime of 50,000 hours is preferably used.
Allgemeine Vorteile des UV-C-Lasers gegenüber herkömmlichen UV-C-Strahlquellen zur Inaktivierung von Pathogenen: General advantages of the UV-C laser over conventional UV-C radiation sources for inactivating pathogens:
Es können unübertroffene, hohe Impulsspitzenleistungen, beziehungsweise hohe Durchschnittsleistungen erzeugt werden. Das Licht besitzt dabei eine hohe räumliche und zeitliche Kohärenz. Durch die Schmalbandigkeit des Laserlichts gegenüber herkömmlichem, spontan emittierendem, breitbandigem Licht von Gasentladungslampen, einschließlich der LED, wird zusätzlich eine Erhöhung der Inaktivierung von Viren gewährleistet. Unsurpassed, high pulse peak powers or high average powers can be generated. The light has a high spatial and temporal coherence. The narrow-band nature of the laser light compared to conventional, spontaneously emitting, broad-band light from gas discharge lamps, including LEDs, also ensures an increase in the inactivation of viruses.
Die Möglichkeit der Strahlformung des Lasers und die daraus resultierende Flächenhomogenität und Leistungsdichte ist gegenüber gewöhnlichen UV-C Lichts signifikant höher. The possibility of beam shaping of the laser and the resulting surface homogeneity and power density is significantly higher compared to conventional UV-C light.
Die Laserstrahlung kann zu jedem beliebigen Ort geführt und „weiterverarbeitet“ werden. The laser radiation can be directed to any desired location and "further processed".
Die Lasertechnologie ist die einzige Möglichkeit einer kostengünstigen, effizienten Desinfektion von Pathogenen wie Viren in großen öffentlichen Einrichtungen wie Krankenhäuser, Schulen, Kaufhäuser, Flughäfen, Hotels, Bahnhöfe, Büros sowie Flugzeuge usw. - eine Desinfektion in kürzester Zeit, mit größtmöglichem Wasser - und Luftdurchsatz. BEZUGSZEICHENLISTE Laser technology is the only way of cost-effective, efficient disinfection of pathogens such as viruses in large public facilities such as hospitals, schools, department stores, airports, hotels, train stations, offices and airplanes, etc. - disinfection in the shortest possible time, with the greatest possible water and air throughput . REFERENCE LIST
1 Desinfektionsreaktor 1 disinfection reactor
100 Desinfektionskammer 100 disinfection chamber
110 Seitenwand 110 side panel
120 Seitenwand 120 side panel
130 Stirnwand 130 bulkhead
140 Stirnwand 140 bulkhead
150 Strömungsleitelement 150 flow directing element
160 Strömungsleitfläche 160 flow control surface
170 Einlass Gasstrom/Flüssigkeitsstrom170 Gas Flow/Liquid Flow Inlet
180 Auslass Gasstrom/Flüssigkeitsstrom180 outlet gas flow/liquid flow
190 Wandung an Oberseite 190 wall at top
191 Wandung an Unterseite 200 Strahlungsbarriere 210 Transparentes Eintrittsfenster 220 T ransparentes Austrittsfenster 230 Umlenkoptik 240 Element zur Strahlformung 290 Strahlungselement/Strahlquelle B Breite der Strahlungsbarriere 191 Wall on the underside 200 Radiation barrier 210 Transparent entry window 220 T ransparent exit window 230 Deflection optics 240 Element for beam shaping 290 Radiation element/beam source B Width of the radiation barrier
D Durchmesser der DesinfektionskammerD diameter of the disinfection chamber
Vn Volumenbereich Vn volume area

Claims

PAT E N TA N S P R Ü C H E PATENT CLAIMS
1. Verfahren zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen, das folgende Verfahrensschritte aufweist: 1. Process for the disinfection of liquids or gases, comprising the following process steps:
• Erzeugen einer Strahlungsbarriere (200) in einer Desinfektionskammer (100)• Creation of a radiation barrier (200) in a disinfection chamber (100)
• Einschleusen eines Gas- und/oder eines Flüssigkeitsstromes in die Desinfektionskammer (100) • Introducing a gas and/or liquid stream into the disinfection chamber (100)
• Führen des Gas- und/oder Flüssigkeitsstroms durch mehrere Volumenbereiche (Vn) der Desinfektionskammer (100) • Guiding the gas and/or liquid flow through several volume areas (Vn) of the disinfection chamber (100)
• Ausschleusen des Gas- und/oder der Flüssigkeitsstromes aus der Desinfektionskammer (100) dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenbereiche (Vn) in der Desinfektionskammer (100) durch die Strahlungsbarriere (200), eine Kammerwand (110, 120) und eine Strömungsleitfläche (160) eines Strömungsleitelementes (150) gebildet werden und die Volumenbereiche durch die Kammerwand (110, 120), die Strahlungsbarriere (200) und die Strömungsleitfläche (160) vollständig voneinander getrennt sind. • Discharge of the gas and/or liquid flow from the disinfection chamber (100), characterized in that the volume areas (Vn) in the disinfection chamber (100) are separated by the radiation barrier (200), a chamber wall (110, 120) and a flow guide surface (160 ) of a flow guide element (150) are formed and the volume areas are completely separated from one another by the chamber wall (110, 120), the radiation barrier (200) and the flow guide surface (160).
2. Verfahren zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (150) als separates Bauelement in der Desinfektionskammer (100) angeordnet ist. 2. A method for disinfecting liquids or gases according to claim 1, characterized in that the flow guide element (150) is arranged as a separate component in the disinfection chamber (100).
3. Verfahren zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (150) an einer Wand (110, 120) der Desinfektionskammer (100) befestigt ist. 3. A method for disinfecting liquids or gases according to claim 1 or 2, characterized in that the flow guide element (150) is attached to a wall (110, 120) of the disinfection chamber (100).
4. Verfahren zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Gas- und/oder Flüssigkeitsstrom durch ein Strömungsleitelement (150) mit mehreren Strömungsleitflächen (160) und/oder durch die Strömungsleitflächen (160) mehrerer Strömungsleitelemente (150) geführt wird. 4. Method for disinfecting liquids or gases according to one or more of the preceding claims, characterized in that the gas and/or liquid flow is directed through a flow guide element (150) with a plurality of flow guide surfaces (160) and/or through the flow guide surfaces (160) of a plurality of flow guide elements (150) is performed.
5. Verfahren zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitfläche (160) eine gekrümmte Oberfläche aufweist, entlang derer der Gas- und/oder Flüssigkeitsstrom geführt wird. 5. Method for disinfecting liquids or gases according to one or more of the preceding claims, characterized in that the flow guide surface (160) has a curved surface along which the gas and/or liquid flow is guided.
6. Verfahren zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung der Strahlungsbarriere (200) durch ein für die Strahlung transparentes Fenster (210) in die Desinfektionskammer (100) eingestrahlt wird. 6. Method for disinfecting liquids or gases according to one or more of the preceding claims, characterized in that the radiation from the radiation barrier (200) is radiated into the disinfection chamber (100) through a window (210) that is transparent to the radiation.
7. Verfahren zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsbarriere (200) in einer Breite B erzeugt wird, die größer oder gleich einem Innendurchmesser D der Desinfektionskammer (100) ist. 7. Method for disinfecting liquids or gases according to one or more of the preceding claims, characterized in that the radiation barrier (200) is produced with a width B that is greater than or equal to an inner diameter D of the disinfection chamber (100).
8. Verfahren zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Gas- und/oder Flüssigkeitsstrom mehrfach durch die Strahlungsbarriere (200) geführt wird. 8. Method for the disinfection of liquids or gases according to one or more of the preceding claims, characterized in that the gas and/or liquid flow is passed through the radiation barrier (200) several times.
9. Verfahren zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsbarriere (200) umgelenkt wird. 9. Method for disinfecting liquids or gases according to one or more of the preceding claims, characterized in that the radiation barrier (200) is deflected.
10. Verfahren zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass infolge der Umlenkung der Strahlungsbarriere (200) mehrere Strahlungsbarrierenabschnitte (Vn) in der Desinfektionskammer (100) entstehen. 10. Method for the disinfection of liquids or gases according to claim 9, characterized in that as a result of the deflection of the radiation barrier (200) several radiation barrier sections (Vn) arise in the disinfection chamber (100).
11. Verfahren zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung der Strahlungsbarriere (200) Laserstrahlung ist. 11. Method for disinfecting liquids or gases according to one or more of the preceding claims, characterized in that the radiation from the radiation barrier (200) is laser radiation.
12. Verfahren zur Desinfektion von Flüssigkeiten oder Gasen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Gas- und/oder Flüssigkeitsstrom durch mehrere Volumenbereiche (Vn) der Desinfektionskammer (100) geführt wird. 12. Method for disinfecting liquids or gases according to one or more of the preceding claims, characterized in that the entire gas and/or liquid flow is guided through a plurality of volume areas (Vn) of the disinfection chamber (100).
13. Desinfektionsreaktor (1) zur Desinfektion von Flüssigkeiten und/oder Gasen umfassend: 13. Disinfection reactor (1) for disinfecting liquids and/or gases comprising:
• eine Desinfektionskammer (100), wobei die Desinfektionskammer (100) einen Einlass (170) und einen Auslass (180) sowie eine Kammerwand (110, 120) aufweist, • a disinfection chamber (100), the disinfection chamber (100) having an inlet (170) and an outlet (180) and a chamber wall (110, 120),
• ein Strömungsleitelement (150), • a flow guide element (150),
• ein Strahlungselement (290), das geeignet ist, eine Strahlungsbarriere (200) in der Desinfektionskammer (100) zu erzeugen dadurch gekennzeichnet, dass die Desinfektionskammer (100) mehrere durch die Strahlungsbarriere (200), das Strömungsleitelement (160) und die Kammerwand (110, 120) vollständig voneinander getrennte Volumenbereiche (Vn) aufweist. • a radiation element (290) suitable for generating a radiation barrier (200) in the disinfection chamber (100). characterized in that the disinfection chamber (100) has a plurality of volume areas (Vn) which are completely separated from one another by the radiation barrier (200), the flow guide element (160) and the chamber wall (110, 120).
14. Desinfektionsreaktor (1) zur Desinfektion von Flüssigkeiten und/oder Gasen nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (150) eine Strömungsleitfläche (160) aufweist. 14. Disinfection reactor (1) for disinfecting liquids and/or gases according to claim 13, characterized in that the flow guide element (150) has a flow guide surface (160).
15. Desinfektionsreaktor (1) zur Desinfektion von Flüssigkeiten und/oder Gasen nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitfläche (160) eine gekrümmte Oberfläche aufweist. 15. Disinfection reactor (1) for disinfecting liquids and/or gases according to claim 14, characterized in that the flow guide surface (160) has a curved surface.
16. Desinfektionsreaktor (1) zur Desinfektion von Flüssigkeiten und/oder Gasen nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass die Desinfektionskammer (100) mehrere Strömungsleitelemente (150) und/oder Strömungsleitflächen (160) aufweist. 16. Disinfection reactor (1) for disinfecting liquids and/or gases according to one or more of claims 13 to 15, characterized in that the disinfection chamber (100) has a plurality of flow guide elements (150) and/or flow guide surfaces (160).
17. Desinfektionsreaktor (1) zur Desinfektion von Flüssigkeiten und/oder Gasen nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 16 dadurch gekennzeichnet, dass jeder Volumenbereich (Vn) durch mindestens eine Strahlungsbarriere (200) von einem benachbarten Volumenbereich (Vn) getrennt ist. 17. Disinfection reactor (1) for disinfecting liquids and/or gases according to claim 12, characterized in that each volume area (Vn) is separated from an adjacent volume area (Vn) by at least one radiation barrier (200).
18. Desinfektionsreaktor (1) zur Desinfektion von Flüssigkeiten und/oder Gasen nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 17 dadurch gekennzeichnet, dass die Desinfektionskammer (100) mehrere Strahlungsbarrieren (200) aufweist. 18. Disinfection reactor (1) for disinfecting liquids and/or gases according to one or more of claims 13 to 17, characterized in that the disinfection chamber (100) has a plurality of radiation barriers (200).
19. Desinfektionsreaktor (1) zur Desinfektion von Flüssigkeiten und/oder Gasen nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 18 dadurch gekennzeichnet, dass die Desinfektionskammer (100) für die durch das Strahlungselement (290) erzeugte19. Disinfection reactor (1) for the disinfection of liquids and/or gases according to one or more of claims 13 to 18, characterized in that the disinfection chamber (100) for the radiation element (290) generated
Strahlung ein transparentes Fenster (210, 220) aufweist. Radiation has a transparent window (210, 220).
20. Desinfektionsreaktor (1) zur Desinfektion von Flüssigkeiten und/oder Gasen nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 19 dadurch gekennzeichnet, dass die Desinfektionskammer (100) Elemente zur Ablenkung der durch das20. Disinfection reactor (1) for disinfecting liquids and/or gases according to one or more of Claims 13 to 19, characterized in that the disinfection chamber (100) has elements for deflecting the
Strahlungselement (290) erzeugten Strahlung aufweist. Radiating element (290) has generated radiation.
21. Desinfektionsreaktor (1) zur Desinfektion von Flüssigkeiten und/oder Gasen nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 20 dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (170) vom Auslass (180) durch mehrere Volumenbereiche getrennt ist. 21. Disinfection reactor (1) for disinfecting liquids and/or gases according to one or more of claims 13 to 20, characterized in that the inlet (170) is separated from the outlet (180) by a plurality of volume areas.
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