JP2005508228A - 紫外線殺菌装置 - Google Patents

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Abstract

流れチューブ（１１０）内で空気（１０５）を殺菌するために紫外線放射線が使用され、この場合、流れチューブ（１１０）はその外部表面の一部上に全反射構造（１２０）を有し、紫外線放射線は全反射構造を介して流れチューブの部分を通って伝播する。

Description

【関連出願】
【０００１】
この出願は２００２年１０月９日に出願された米国特許出願第１０／２６８５６７号の一部継続出願であり、２００１年１１月２日に出願された米国仮特許出願番号第６０／３３６３８１号の開示に依存する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は有毒化合物における化学結合を破壊し、病原体を不活動にするために、強い紫外線（ultraviolet irradiation）を使用する空気純化装置に関する。その方法は、自然に生じる毒素又は戦争で使用された生物学的及び化学的薬品から由来するものを含む任意の物質輸送に適用することができる。
【背景技術】
【０００３】
従来の紫外線殺菌装置は典型的には、紫外線が水を通過し、反射表面を打撃し、反射後に水を再度通過するように、水が紫外線に曝されるような水殺菌装置である。典型的には研磨したステンレス鋼である反射表面は、かなりの量の放射線を吸収する。米国特許第３，７４４，２１６号明細書に記載されたような空気殺菌装置は空気流内で延びたアーク低圧水銀殺菌ランプを使用する。アメリカン・ウルトラバイオレット・アンド・ステリル−エア社(American Ultraviolet and Steril-Aire) のような会社は殺菌作用を提供する加熱、換気及び空気コンディショニング（ＨＶＡＣ）装置のダクト内でこのようなランプを使用する装置を製造している。
【特許文献１】
米国特許第３，７４４，２１６号明細書 米国特許第４，２６０，２２０号明細書においては、正方形横断面の中空チューブ導波管が構成され、全内部反射（ＴＩＲ）の原理の下に作動する。各壁区分は平坦な内側表面と、９０°の角度の長手方向波形を備えた外側表面とを有する。壁はアクリルガラス又は光学的に透明なガラスの如き透明な誘電材料で構成される。この米国特許の装置は可視光を運ぶために使用される。
【特許文献２】
米国特許第４，２６０，２２０号明細書 正方形横断面の光導波管は米国特許第３，１７０，９８０号明細書に従った小距離での流動の同質性を最大化するものとして当業界で知られている。これらの装置は典型的には光源と例えば米国特許第５，６２５，７３８号明細書に記載されたような作像装置との間で投影装置に使用される。
【特許文献３】
米国特許第３，１７０，９８０号明細書
【特許文献４】
米国特許第５，６２５，７３８号明細書 従来の紫外線殺菌装置に共通なものは、殺菌している空気に対する紫外線の過剰放射線量であり、これは、結果としての設備の寸法、重量及びパワーを必然的に増大させる。このような装置の効率を改善し、また、空気のための携帯用の有効な紫外線殺菌装置を提供する、長年思われている要求が存在する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は中空の全内部反射式光導管即ち導波管の一端を通して空気を運び、他端から導管即ち導波管を通して高強度ランプからの紫外線（ＵＶ）エネルギを組み合わせる、空気を殺菌するための装置及び方法である。導波管自体は紫外線等級の融解シリカガラスの如き紫外線非吸収材料で構成される。有利には、全内部反射に基づく光パイプ技術の使用は、すべての入力紫外線が空気内で発散されることを保証する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
まず図１を参照すると、中央の光パイプとして作用する流体入口チューブ１０と、流体入口チューブ１０の下方部分のまわりに位置し、これと一緒に同心ギャップ１５を画定する光学クラッディング（cladding;被覆金属板）チューブ２０と、流体収容容器３０と、流体出口チューブ５０と、フラッシュランプの如き高強度紫外線ランプ４０とを含む、本発明に係る紫外線（ＵＶ）水殺菌装置の基本構造が示されている。
【０００６】
次に図２を参照すると、流体収容容器３０は、紫外線ミラー３１として形状づけられた内部表面を含む。例えば、流体収容容器は、アルミニウムから構成することができ、内部表面は研磨したアルミニウムとすることができる。水の如き殺菌すべき流体５は入口端部１１を通して流体入口チューブ１０へ入る。流体入口チューブ１０は、例えば紫外線等級溶融シリカから製造することができる。
【０００７】
流体５は、流体入口チューブ１０を通って高強度紫外線ランプ４０の方へ進行し、出口端部１２において流体入口チューブ１０から出る。次いで、流体５は流体収容容器３０の下端の一部を形成する紫外線（ＵＶ）伝達性窓下方表面３６により向きを変えられる。次に、流体５の流れは流体収容容器３０の上方端部に位置する流体出口チューブ５０へ仕向けられる。
【０００８】
流体５は、流体収容容器３０内に収容される。流体収容容器３０は紫外線等級溶融シリカから構成することのできる内側チューブ３３を含み、この内側チューブは外側シェルと内側チューブ３３との間に空気ギャップの如きギャップ３２を備えた紫外線ミラー３１を画定する反射性の内部表面を具備する外側のアルミニウムシェル内に収容される。次いで、外側チューブ３０の端部は下方の紫外線窓表面３６及び紫外線窓上方表面３７により閉じられる。
【０００９】
紫外線（ＵＶ）水殺菌装置の好ましい方位（orientation）は垂直であり、そのため、流体５の流れはほぼプラグ流れ（plug-flow）となり、流体出口チューブ５０の位置は最高点又はその近傍にあり、望ましくない空気気泡の迅速で有効な除去を可能にする。流体５内に存在する空気気泡は、装置の効率を低下させる、紫外線のための発散箇所を形成することがある。このような紫外線発散箇所は、紫外線を最適の角度よりも小さな角度に仕向け、紫外線ミラー３１である流体収容容器内部表面からの反射を、アルミニウムチューブから構成される場合のほぼ８６％の反射にしてしまう。このような紫外線発散箇所が無ければ、紫外線は大半流体５内に放散される。その理由は、光パイプの全内部反射（ＴＩＲ）作用のためすべての反射がほぼ損失を伴わないからである。
【００１０】
次に図３を参照すると、光パイプ１００の区域は、水の如き流体５と、紫外線等級溶融シリカチューブの如き流体入口チューブ１０と、空気ギャップ又は真空ギャップの如き同心ギャップ１５とから形成される。同心ギャップ１５は、光パイプ１００が作動するのを許容するために、流体５から液圧的に隔離される。光パイプの作動は流体５の屈折率よりも小さい同心ギャップの屈折率に基づく。光スペクトルの紫外線区域における溶融シリカ及び水の屈折率は以下の表１に示す。
【００１１】
【表１】
Figure 2005508228
【００１２】
表１に示すように、水は光スペクトルの紫外線（ＵＶ）部分において紫外線等級溶融シリカとほぼ同じ屈折率を有する。
紫外線は、高強度紫外線ランプ４０から伝達され、紫外線入口開口３５を通って進み、図２に示すように下方の紫外線窓表面３６へ入る。流体搬送又は表面の汚染物による紫外線の吸収を排除するためにランプ４０と開口５０との間の距離を最小にするのが望ましい。ある実施の形態においては、開口５０は（光学結合効率を向上させるために）１又はそれ以上のレンズ素子を具備する。第１の紫外線７１は下方の紫外線窓表面を出て、屈折により曲げられ、流体５へ入って第２の紫外線７２を画定する。第２の紫外光線７２は内部表面１３に垂直な表面を基準にして測定した入射角１で流体５に接触する流体入口チューブ１０の内部表面１３上に衝突する。第２の紫外光線７２が流体入口チューブ１０の側壁へ入ると、光線は屈折により曲げられ、新たな内部反射角度２で再指向され、第３の紫外光線７３を画定する。
【００１３】
スネルの法則により定義されるような角度２の値は入射角１、並びに、流体５及び流体入口チューブ１０を構成するＵＶ等級シリカの如き材料の屈折率の関数である。第３のＵＶ光線７３は流体入口チューブ１０の材料を通り続け、同心ギャップ１５に接触する流体入口チューブの外部表面１４上に衝突する。第３の紫外線７３は流体入口チューブ１０内へ戻り反射され、流体入口チューブ１０の材料及び同心ギャップ１５の屈折率がスネルの法則により定義されたような全内部反射条件を満たした場合に、第４の紫外線光線７４を画定する。同心ギャップ１５の屈折率は同心ギャップ内に収容される材料により、又は、同心ギャップ１５内に材料が収容されていない場合は、真空の屈折率により画定される。
【００１４】
本発明の特徴は、紫外線光源４０からの初期の光学軌跡により画定されるような光パイプ１００の区域（region）が流体入口チューブ１０の長さの少なくとも一部にわたって存在することである。それ故、流体５、流体入口チューブ１０を構成する材料及び同心ギャップ１５の屈折率に従って、入射角２を所定の範囲に制限する必要がある。本発明の好ましい実施の形態においては、流体入口チューブ１０は紫外線等級シリカガラスから構成され、殺菌すべき流体５は水であり、同心ギャップ１５は乾燥空気を収容する。
【００１５】
空気を殺菌するのに適した本発明の別の実施の形態を図４−６に示す。まず図４を参照すると、空気収容容器１３０は紫外線ミラー１３１として形状づけられた内部表面を有し；例えば、空気収容容器はアルミニウムから構成することができ、内部表面は研磨したアルミニウムとすることができる。殺菌すべき空気１０５は入口端部１１１を通してＴＩＲ光導管１１０へ入る。光導管１１０は、例えば紫外線等級溶融シリカ、特にヘリオス・サプラシル(Hereaus Suprasil)の如き２００ｎｍ−３００ｎｍの殺菌波長において高い伝達性を有する等級から製造することができる。
【００１６】
ここで、図５を参照すると、入口チューブ１１０は、全内部反射（ＴＩＲ）構造（features）１２０を有する区分へ遷移する。この区分は、ランプ１４０に最も近い出口端部１１２から入口端部１１１の方へある距離だけ延びる。このことは、ある紫外線が空気入口チューブ１１０から漏れ出すこと及び空気収容容器１３０全体にわたって分布することを許容する。１つの実施の形態においては、ＴＩＲ構造１２０は、米国特許第４，２６０，２２０号明細書における可視光のために教示されたものと同様の複数のプリズム光ガイドである。米国特許第４，２６０，２２０号明細書は、立体角（solid angle）であって、それを通して空気導波管のためにＴＩＲを維持できる立体角を記載している。
【００１７】
例えば、補助の光学系を伴わない短アークキセノンフラッシュランプからのコリメートされていない紫外線エネルギは、約２７度の円錐半角の外へＴＩＲを介して全体的に含ませることができる。この角度を越える紫外線は、紫外線ミラー１３１の如き他の表面を打撃するまで、ＴＩＲ構造１２０を通って空気１０５内へ必然的に漏れる。有利には、空気収容容器１３０は紫外線を収容することにより装置の全体効率を最大化し、空気流との相互作用の一層の機会を可能にする。空気収容容器１３０はまた最大紫外線ビーム均質性のための如き正方形横断面、又は、必要なら他の形状を有することができる。
【００１８】
空気１０５は空気入口チューブ１１０を通って高強度紫外線ランプ１４０の方へ進み、出口端部１１２で光導管１１０から出る。空気１０５の流れは光学偏向ミラー１２３を打撃して、そのまわりで発散され、これはまた、空気収容容器１３０から逃げる紫外線の量を最小化するように光学的に機能する。
【００１９】
ミラー１２３を含まない実施の形態に対しては、ランプからの紫外線の一部はＴＩＲ構造１２０を有する入口チューブ１１０の区分を出て、収容容器１３０の上方部分へ入る。高度にコリメートされたランプからの紫外線の部分のみが入口開口１１１に到達する。これらの線はさらに、例えば、入口開口１１１で直角取付け部を導入することにより、容容器１３０内へ戻り偏向させることができる。
【００２０】
空気流経路１０５を参照し続けると、次いで、空気は空気収容容器１３０の下方端部の一部を形成する紫外線（ＵＶ）窓１３５を打撃する。先に述べたように、ある実施の形態においては、窓１３５は１又はそれ以上のレンズ素子を含む。空気を殺菌するように主として設計された実施の形態に対しては、ＴＩＲ構造は水を殺菌するように主として設計された実施の形態よりも一層制限された収容角度を有する。空気を殺菌するように設計された実施の形態に対しては、ある程度の光学コリメートが有利であるが、チューブ１１０のＴＩＲ区域１２０に対して、エテンデュー(etendue) の原理は一層大きな横断面を必要とする。
【００２１】
最後に、空気１０５の流れは空気収容容器１３０の上方端部内に位置する空気出口１５０へ向きを変えられる。有利には、空気１０５がＴＩＲ区分の外部へ進行している間、空気は紫外線ミラー１３１により捕捉されてしまった付加的な紫外線を受け取り、従って高効率の紫外線照射装置の実践的な実施の形態を形成する。代わりに、ランプを出る紫外線は約２７度の円錐半角でコリメートすることができ、極めて長いＴＩＲ案内構造体内へ射出され、極めて高い効率（即ち、電力ワット当りの殺菌量）を達成する。
【００２２】
好ましい実施の形態においては、適正な照射レベルが適用されるのを保証するために、紫外線センサ１４１がフィードバック素子として使用される。アプライズ・テクノロジー社(Apprise Technology)（ミネソタ州、ダルス(Duluth) ）は、紫外線クリーン(紫外線 Clean) の商品名の下で、連続的及び脈動する紫外線源を取り扱うことのできる適当な紫外線センサを製造している。紫外線センサ１４１は見える状態で容器１３０内に位置するが、紫外線ランプ１４０から直接見えない。有利には、この位置は、センサが統合された空洞照射を測定するのを可能にし、ランプの出力分布における変化を生じさせる傾向を有しない。空気流が濾過されるので、センサの入力開口のクリーニングは最小となる。殺菌空気寿命臨界を設けた場合のようなある実施の形態においては、余分の紫外線源及びセンサが使用される。
【００２３】
ここで、図６を参照すると本発明の紫外線殺菌装置を使用する紫外線空気殺菌装置が概略的に示される。殺菌すべき空気は、例えば、入口ファン１０１を通って進入し、紫外線を吸収することにより装置の効率を低下させることのある汚染物を除去するために空気フィルタ１０２を通過する。次に、濾過された殺菌すべき空気１０５は空気収容容器３０内へ流入し、そこで、空気は高強度紫外線（ＵＶ）ランプ１４０により照射される。照射の後、空気は、空気収容容器１３０から、オゾンを呼吸可能な酸素に変換する光学触媒フィルタ１０３を通って流れ、最終的に、空気出口ファン１０４を通って流出する。センサからのフィードバックはコントローラ２００内へ送られ、次いで、コントローラは容器１３０内へ導入される紫外線の量、並びに、入口ファン１０１及び出口ファン１０４を通る流量を規制する。その上、脈動ランプを紫外線源として使用する実施の形態に対しては、コントローラ２００はパルス反復率を変化させる。別の実施の形態においては、コントローラ２００はまた、例えば、センサ１４１が室１３０内で異常に低い紫外線照射を検出したときに、警報を提供することができ、できたらランプを交換する必要があることを合図する。
明細書で使用された頭字語のリスト
次のものは、アルファベット順での明細書で使用された頭字語のリストである。
【００２４】
ＨＥＰＡ 高効率微粒子空気（フィルタ）
ＮＶＡＣ 加熱、換気及び空気コンディショニング
ＴＩＲ 全内部反射
ＵＶ 紫外線
別の実施の形態
本発明の精神又は範囲を逸脱することなく、別の実施の形態を工夫することができる。例えば、この同じ装置は、複数の流体（例えば、空気及び水）を純化できるように、二重使用の応用に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の１つの図示の実施の形態に係る、紫外線放射線（ＵＶ）を使用して水を殺菌する装置を示す図である。
【図２】図１の紫外線殺菌装置の断面図である。
【図３】全内部反射（ＴＩＲ）を使用していかに紫外線放射線を閉じ込めるかを示す、図１のＵＶ殺菌装置内の光パイプ照射区域を示す図である。
【図４】本発明の１つの図示の実施の形態に係る、紫外線放射線（ＵＶ）を使用して空気を殺菌する装置を示す図である。
【図５】図４のＵＶ殺菌装置の断面図である。
【図６】本発明のＵＶ殺菌装置を組み込んだ空気処理装置のブロック線図である。
【符号の説明】
【００２６】
１ 入射角（流体入口チューブ内部表面での屈折）
２ 内部反射角（流体入口チューブ外部表面での反射）
５ （殺菌すべき）流体
１０ 流体入口チューブ
１１ （流体入口チューブの）入口端部
１２ （流体入口チューブの）出口端部
１３ （流体入口チューブの）内部表面
１４ （流体入口チューブの）外部表面
１５ （入口チューブと光学クラッディングチューブとの間の）同心ギャップ
２０ 光学クラッディングチューブ
３０ 流体収容容器
３１ 紫外線ミラー（流体収容容器内部表面）
３２ （流体収容容器での）空気ギャップ
３３ （流体収容容器の）内側チューブ
３５ 紫外線入口開口
３６ 下方紫外線窓表面
３７ 上方紫外線窓表面
４０ 高強度紫外線ランプ
５０ 流体出口チューブ
７１ （下方紫外線窓表面を出る）第１のＵＶ光線
７２ （流体を出る）第２のＵＶ光線
７３ （流体入口チューブ内部表面へ入る）第３のＵＶ光線
７４ （流体入口チューブ内部表面を出る）第４のＵＶ光線
７５ （流体へ入る）第５のＵＶ光線
１００ （流体、流体入口チューブ及び同心ギャップで構成された）光パイプ
１０１ 空気入口ファン
１０２ 空気フィルタ
１０３ 触媒フィルタ
１０４ 空気出口ファン
１０５ （殺菌すべき）空気
１１０ 空気入口チューブ
１１１ （空気入口チューブの）入口端部
１１２ （空気入口チューブの）出口端部
１１３ （流体入口チューブの）内部表面
１１４ （流体入口チューブの）外部表面
１２０ （空気入口チューブの）全内部反射構造
１２１ （全内部反射構造の）内部表面
１２３ 偏向ミラー
１３０ 空気収容容器
１３１ 紫外線ミラー（空気収容容器内部表面）
１３５ 紫外線入口開口
１３７ 紫外線窓表面
１４０ 高強度紫外線ランプ
１４１ 紫外線センサ
１５０ 流体出口チューブ
１０１ 空気入口ファン
１０２ 空気フィルタ
１０３ 触媒フィルタ
１０４ 空気出口ファン
２００ （殺菌装置のための）コントローラ

Claims (6)

  1. 紫外線を使用して予め濾過された空気を殺菌する装置であって、
    （ａ）入口端部（１１１）、末端方向で対向する出口端部（１１２）、空気に接触する内部表面（１２１）、及び外部表面を有する空気入口チューブ（１１０）；
    （ｂ）空気入口チューブの外部表面の少なくとも一部上に位置する全内部反射構造；
    （ｃ）空気入口チューブのまわりに位置する空気収容容器（１３０）；
    （ｄ）空気収容容器に光学的に透過する紫外線入口開口（１３５）；
    （ｅ）紫外線入口開口を通り、空気入口チューブの内部表面に衝突する紫外線を提供する高強度紫外線ランプ（４０）；及び
    （ｆ）空気収容容器から延びる空気出口（１５０）；
    を有することを特徴とする装置。
  2. 前記空気入口チューブは紫外線等級シリカガラスから構成されることを特徴とする請求項１の装置。
  3. 前記光導管は複数のプリズム光ガイドを有することを特徴とする請求項１の装置。
  4. フィードバック機構としての紫外線センサ（１４１）を更に有することを特徴とする請求項１の装置。
  5. オゾンの発生がＵＶ吸収ガラスを利用するランプの使用により抑制されることを特徴とする請求項１の装置。
  6. オゾンを酸素に変換する触媒フィルタ（１０３）を更に有することを特徴とする請求項１の装置。
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