JP2013536003A - 流体を紫外線光に晒すことによって流体に殺菌処理を施すための装置 - Google Patents

Abstract

流体を紫外線光に晒すことによって流体に殺菌処理を施すための装置が、紫外線光を放射するための手段２０が配置された内部空間１１を持つ反応炉１０と、内部空間１１に流体を入れるための入口１２と、内部空間１１から流体を出すための出口とを有する。発光手段２０は、単一電極を有し、内部空間１１を取り囲んでいる壁１４は、電極として機能するように構成され、且つ、導電性材料を有し、上記装置は、導電性材料を有し、且つ、反応炉壁１４と発光手段２０との間の空間における導電率を局所的に高める手段３０を更に有する。当該手段３０を適用することによって、紫外線光処理の殺菌効果が改善可能になる。

Description

本発明は、流体を紫外線光に晒すことによって流体に殺菌処理を施すための装置に関し、当該装置は、紫外線光を放射するための手段が配置された内部空間を持つ反応炉と、流体を内部空間へ入れるための入口と、流体を内部空間から出すための出口とを有し、発光手段は、単一電極を有し、内部空間を取り囲んでいる壁は、電極として機能するように構成され、且つ、導電性材料を有する。

流体を紫外線（ＵＶ）光に晒すことによって流体に殺菌処理を施すための装置がよく知られている。例えば、飲料水の微生物学的な殺菌のため、１００ｎｍ〜２８０ｎｍのオーダの波長を有する比較的短波を持つ紫外線光である、いわゆるＵＶ−Ｃ放射を放つ放射源／ランプを使用することが知られている。家庭的なアプリケーションのため、ＵＶ−Ｃ放射源は、通常、周辺に対する放射の有害な影響を防ぎながらもＵＶ−Ｃ放射への流体の露出を可能とする放射線不透過性の筐体内に封入される。十分な殺菌作用のため、特定の紫外線放射量が必要とされ、当該放射量は、放射源の放射照度と筐体内側の流体処理領域における微生物／病原菌の滞留時間との積によって決定される。放射源の放射照度は、放射源のタイプ及び流体の特性、特に、紫外線光が伝わる流体の容量によって決定される一方、滞留時間は、流体処理領域を通る流路の長さによって決定される。

多くの場合、低圧水銀ランプが、紫外線放射源として使用される。代わりのタイプのランプは、いわゆる誘電体バリア放電の原理に従って機能するように設計されたランプであり、ＤＢＤランプとして知られている。このランプの利点は、ランプの瞬時的な使用、即ち、予熱の必要がなく、ランプの動作の温度依存性が小さく、ＵＶ−Ｃ出力が増加され、これにより小型化が可能で、水銀や他の有害物質が適用されないことを含む。

ＤＢＤランプは、１つの電極のみを備えていてもよく、この場合、ランプは、ランプが導電性の流体又は材料と接触している場合にのみ点灯され得る。当該ランプが、流体に殺菌処理を施すための装置内に適用される場合、流体は、ランプを取り囲むようにされ、且つ、ランプの内側の電極からランプ及び流体が存在している空間を取り囲んでいる壁によって構成される他の電極へ通じている装置内の電流路の一部となる。流体が水などの液体である場合、壁は、例えば、金属板でできていてもよい。流体が空気などの気体であれば、壁は、ワイヤフレームであってもよく、例えば、金網でできていてもよい。後者の場合、例えば、電気を通すという点に関しては、空気が水よりも低い性質を持つという事実に鑑みて、壁が、ランプの外管の近傍にあるか、又は、ランプの外管に接触していることが重要である。実際には、ワイヤフレームが使用される場合、当該フレームは、ランプの外面（外管）の周りに置かれる。

流体を殺菌するための紫外線ランプを適用する場合、ランプの放射照度は、ランプまでの半径方向距離が増加するにつれて減少することに留意する必要がある。特に、処理される流体が低い透過率を持つ場合、流体への紫外線光の侵入深さは制限される。例えば、処理される流体が飲料水である場合、侵入深さは、一般的に、数センチメートルであり、処理される流体がジュース又は高い吸収性の液体である場合、侵入深さは、１ミリメートルよりも小さくなる。距離に伴う紫外線光の強度減少は、紫外線ランプを持つ装置における処理能力を制限したり、ランプが配置される空間の最小限の容量を必要としたり、又は、空間における圧力損失を大きくする強い混合及び乱れを必要とする。

ランプの殺菌能力の増加、又は、建築容積の減少が、紫外線放射照度を大きくすることによって達成され得る。これは、例えば、ランプに入力される電力を増加させることによって実現される。しかしながら、この解決法は、ランプ寿命の短命化を含む幾つかの欠点を持つ。

本発明の目的は、有用な結果をもたらし、且つ、発光手段と、発光手段を収容し、大量の流体を発光手段に晒すための内部空間を持つ反応炉と、導電性の反応炉壁とを有する装置により実現され得る、距離に伴う紫外線強度の低下を補うための他の選択肢を提供することである。本発明の目的は、反応炉壁と発光手段との間の空間における導電率を局所的に高める、導電性材料を有する手段を更に有する装置によって達成される。

本発明が適用された場合、距離に伴う紫外線強度の低下は、必要とされる場所において、即ち、反応炉壁と発光手段との間の空間において、導電率を局所的に高めるために、導電性材料を有する手段を供給することによって、補償され得る。発光手段がＤＢＤランプを有し、且つ、処理される流体が低い電気伝導性を持つ場合、ランプの両端において、紫外線強度がかなり減少され得る。本発明によれば、このような問題が、ランプの両端に導電率を局所的に高めるための手段を使用することによって解決され得るので、当該位置において電気抵抗が低下され得る。結果として、紫外線強度は、当該位置において増加され、ランプのより均一に分布した紫外線出力が得られるので、反応炉の入口及び出口における殺菌能力が増大され得る。本発明の文脈において実施された実験は、処理される流体の導電率が低い場合に、とりわけ流体の時定数が電極間の電圧パルスの立ち上がり時間よりも大きい場合に、上記の増加作用が特に得られたことを示した。

反応炉壁と発光手段との間の空間における伝導性を局所的に高めるための手段は、種々の態様で実現されてもよく、高額な部品の適用を伴う必要はない。反対に、上記手段は、
反応炉壁から発光手段へ向かって延在している少なくとも１つの細長い要素を有していてもよく、当該要素は、例えば、単に、金属棒又は金属線であってもよい。一般的に、かかる要素は、棒状の要素又はワイヤ状の要素であってもよく、当該要素と発光手段との間の物理的な接触は必要でないが、反応炉壁と発光手段の外殻との間に延在するように配置されてもよい。

他の選択肢によれば、反応炉壁と発光手段との間の空間における伝導性を局所的に高めるための手段は、孔を持つ少なくとも１つの板を有していてもよい。当該実施形態の利点は、上記手段が、反応炉を通る流体の流れを整える追加的な機能を持っていてもよいということであり、これは、紫外線放射量の増大をもたらす。実際の実施形態において、上記板は、閉じた中央部分、即ち孔の無い中央部分を持つことができるので、上記板は、中央に位置した入口を持つ反応炉の中央に位置する紫外線ランプの端部において使用されるのに適しており、さらに、ランプの上記端部を覆うことによって保護機能を果たすのに適している。

一般的に、反応炉壁と発光手段との間の空間における伝導性を局所的に高めるための手段が反応炉を通る流体の流れを邪魔しないように、又は、流れ整形機能さえ持つように設計されている場合、好適である。さらに、上記手段が、仕様に従った最小限の紫外線量性能を保証するための出力が必要とされる位置における発光手段の紫外線出力を阻害しないことが重要である。

好適には、反応炉壁と発光手段との間の空間における伝導性を局所的に高めるための手段は、更に、紫外線光を反射するように構成されている。例えば、上記手段は、反射性材料を有するか、又は、反射性の層で被覆されていてもよい。反射の下に、反射性材料が、紫外線光が反射性材料の存在する表面に達すると、紫外線光の大部分が処理される流体の方に引き戻すようにするので、紫外線放射の強度は増加され得る。

さらに、反応炉壁と発光手段との間の空間における伝導性を局所的に高めるための手段が、動作中、発光手段によって放射された紫外線放射から、上記手段が配置された装置の一部を保護するように構成されていることも好適である。例えば、当該保護は、前述のように、反応炉壁と発光手段との間の空間における伝導性を局所的に高めるための手段が、閉じた中央部分の外側に配置された孔を持つ少なくとも１つの板を有する場合に可能である。一般に、上記手段が種々の機能を果たすように設計される場合、上記手段が置かれる上記装置は、最小限の部品点数を有する小型化された設計を持つことが可能である。

全体として、本発明は、流体に殺菌処理を施すための装置の反応炉内の任意の所望位置における紫外線強度の増加を提供する。当該目的を達成するために、上記装置は、電気伝導性を持つ手段を備えており、当該手段は、反応炉壁と発光手段との間の空間における導電率を局所的に高めるために反応炉の内側に配置される。当該手段は、例えば、少なくとも１つの細長い要素、又は、孔を持つ板を有していてもよい。後者の場合、上記手段は、装置と通る流体の流れを整える機能を果たすためにも使用され得る。当該手段は、他の追加的な機能、即ち、紫外線放射を反射する機能、及び／又は、紫外線放射から部品を保護する機能を同様に持っていてもよい。

本発明の上記の態様及び他の態様が、反応炉及び紫外線ランプを有する水殺菌装置の以下の詳細な説明を参照して、とりわけ、装置とともに使用され、且つ、ランプと装置の２つの電極の一方として使用される反応炉の壁との間の導電率を局所的に高める機能を持つ要素又は板についての種々の実施形態の詳細な説明を参照して、明確且つ明瞭となるであろう。

本発明は、同一又は同様の部品が同じ参照符号によって示された図面を参照して、より詳細に説明されるであろう。
図１は、反応炉及び紫外線ランプを有する水殺菌装置を図示している。 図２は、水殺菌装置のランプの端部と、反応炉の端部と、反応炉を通る水の流れを整形するのに役立ち、紫外線光を反射するのに役立ち、反応炉の壁とランプとの間の空間における導電率を局所的に高めるのに役立ち、ランプの端部に配置された多機能要素とを図示している。 図３は、多機能要素の第１の例を図示している。 図４は、多機能要素の第２の例を図示している。 図５は、多機能要素の第３の例を図示している。 図６は、水殺菌装置のランプの端部と、反応炉の端部と、反応炉の壁とランプとの間の空間における導電率を局所的に高めるための、ランプの端部近くに配置された要素とを図示している。

図１は、水を殺菌するために使用されるように設計された装置１を示している。完全を期すために、当該装置１が、水以外の液体を殺菌するための装置及び空気清浄装置を含む、本発明の範囲内で実現可能な多くの装置の一例として説明されていることに留意すべきである。

水殺菌装置１は、反応炉１０、即ち、装置１の動作中に水殺菌工程が行なわれるようになっている内部空間１１を持つ容器を有する。反応炉１０は、処理される水を入れるための入口１２と、水を出すための出口１３とを持つ。さらに、水殺菌装置１は、反応炉１０の内側に配置された、紫外線光を放射するためのランプ２０を有する。図の例において、ランプ２０は細長い形状を有し、ランプ２０の全表面の効果的な使用を可能とするため、ランプ２０は最も実用的な位置である反応炉１０内の中央に位置する。

ランプ２０は、いわゆる誘電体バリア放電の原理に従って機能するように設計されていてもよく、この場合、ランプはＤＢＤランプと称される。当該ランプ２０は、１つの電極２１を有し、また、反応炉１０の壁１４は、他の電極を構成するための金属などの導電性材料を有し、反応炉壁１４は接地されている。反応炉１０が水で満たされている場合、当該水は、ランプ２０の内側の電極２１から外側の電極、即ち、導電性の反応炉壁１４へ電流を流す電流路の一部となる。従って、ランプ２０は、ランプの周囲に水がある場合にのみ点灯され得る。図１において、ランプ２０の内側の電極２１への電源は、ブロックとして図示されており、参照符号２２によって示されている。

水殺菌装置１が動作される場合、水が入口１２から出口１３へ反応炉１０を通って流れることになり、ランプ２０は、紫外線光を放射するように動作される。紫外線光の影響下では、既知の態様で水の殺菌工程が行なわれる。規定量の紫外線光が達成される態様で水殺菌工程を実現するために、通常、ランプ２０からの距離に伴って低下する紫外線放射強度を改善するための対策が施される。

特に、水殺菌装置１は、紫外線強度を局所的に増加させるための反射素子３０を備えている。例えば、装置１内に、２つの反射素子３０があってもよく、反射素子３０のそれぞれは、ランプ２０の他端に配置される。上記反射素子３０の一例が図２において示されている。最適性能を保証するために、反射素子３０が、ランプ２０を通過する水の流れの場を邪魔しないことが好ましい。従って、反射素子３０が流れを乱さない素子、又は、流れを整えさえする素子である場合、好適である。また、反射素子３０は、仕様に従った最小限の紫外線量性能を保証するための紫外線出力が必要とされる位置におけるランプ２０の紫外線出力を妨害しないように配置されなければならない。

反射素子３０は、紫外線光の一部が戻される、即ち、紫外線光の一部が反射素子３０の反射面において反射されるという事実に基づいて、紫外線強度を局所的に増加させることができる。非反射性の材料が使用された場合、非反射性の材料に到達した全ての紫外線光は、当該材料によって吸収される。一方、反射性材料は、反射面に到達した紫外線光の大部分を再び水の方へ引き戻すようにする。さらに、前述のように、反射素子３０は、水の流れを整える追加的な機能を持っていてもよい。この点において、図３，図４及び図５は、反射機能と流れを整える機能との両方を実行するのに適した反射素子３０の種々の実施形態を示している。

示された実施形態の全てにおいて、素子３０の中央部分３１が閉じている一方、素子３０は、当該部分３１の外側に孔３２を持つ。孔３２の存在の下に、水が通過できるために十分広い空間を素子３０内に持つことができる。図３に示された第１の実施形態において、素子３０は、中央部分３１と外周環部３４との間に延在している４つのスポーク３３を持つ。従って、素子３０内には、４つの比較的大きい孔３２がある。図４に示されるような第２の実施形態と図５に示されるような第３の実施形態との両方において、より多くの孔３２があり、第３の実施形態では、孔３２の数が最も大きく、孔３２の直径が最も小さい。

素子３０が反応炉１０の入口側に配置された場合、閉じた中央部分３１が入口１２からの水の噴流を低減する機能を持つ一方、孔３２は水の流れを整形する役割を果たす。同様の素子３０が反応炉の出口側に使用された場合、好適であり、この素子３０は、素子３０がランプ２０の端部に配置されることを可能とするための中心孔を持ち得る。当該素子３０が使用された場合、素子３０は、水が出口１３へ向かう最も速い経路を見出すのを防ぐ機能を持つ仕切り板として役立つ。素子３０が存在せず、且つ、出口１３が図１に示された例のように反応炉壁１４の中央でない位置にある場合、捻れ速度プロファイルが作られるであろう。従って、仕切り板の存在の下に、水の流れプロファイルの最適化と、紫外線強度の増加との両方を達成することが可能である。なお、後者は、板の反射特性によるものである。

完全を期すために、前述のような反射素子３０の位置は、可能性のある位置の単なる例であって、本発明の範囲内で、他の位置が同様に可能であることに留意すべきである。

本発明によれば、ランプ２０によって放射された紫外線光を反射する機能及び水の流れを整える機能に加え、反射素子３０は、他の機能、即ち、接地された反応炉壁１４とランプ２０との間の電気抵抗を局所的に低下させる機能を持つ。この第３の機能を持つ反射素子３０は、導電性材料を有する。前述の電気抵抗を局所的に低下させる機能は、ランプ２０を囲んでいる水の導電率が低い場合、結果として、ランプ２０の両端における紫外線強度がランプ２０の中心における紫外線強度よりも低い場合、一般的に有用である。反射素子３０が導電性を持つとともにランプ２０の両端に配置されている場合、ランプ２０の両端における紫外線強度が増加され、ランプ２０の長さ方向に沿った紫外線出力がより均一に分布される。これは、反応炉１０の入口１２及び出口１３における殺菌能力の増加につながる。

素子３０とランプ２０との間の物理的な接触は必要とされない。ランプ２０の表面近くの導電性材料の配置は、ただでさえ紫外線強度を局所的に増加させる。従って、ランプ２０の表面から一定距離の所に素子３０を置くことが可能である。反射素子３０は、紫外線強度が妨げられる度合いが最小化されるように配置されるか、又は、反応炉１０の内側の特定の位置において全く遮断がないように配置されることが可能であり、これにより、素子３０の反射機能は最適となり得る。低い導電率を持つ水を処理する場合、紫外線強度は、素子３０の反射特性及び導電性材料に基づいて、局所的に増加される。

素子３０が板のような形をしており、且つ、素子３０がランプ２０の両端に配置されている場合、反応炉１０の入口１２及び出口１３の近くでは、素子３０に関する第４の機能、即ち水殺菌装置１の部品を紫外線放射から保護する機能があってもよい。例えば、装置１は、入口１２及び出口１３が中に配置されるエンドキャップを有していてもよく、ランプ２０によって放たれた紫外線放射がエンドキャップに達することができないことが保証されている場合は、比較的安価で、且つ、成形し易い材料からエンドキャップを製造することが可能である。

素子３０のために使用されるのに適した材料は、例えば、アルミニウム，スチール（ステンレス鋼）などの、電解研磨され得る金属を含む。紫外線放射の反射に関する限り、紫外線放射の反射は、延伸加工されたポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）又はＡＬ_２Ｏ_３などの高いバンドギャップのセラミックスを使用することによりオプションで達成されてもよい。かかる材料は、乱反射特性を有するが、金属は、指向性のある反射特性を有する。両タイプの反射性材料が使用されてもよく、関連した波長範囲で低い吸収作用を有する不透明な材料も使用されてもよい。

本発明の範囲内で、１つの素子３０が、流れ整形，紫外線反射及び電気抵抗を局所的に低下させる種々の機能を兼ね備える必要はない。単一の素子３０において、上記機能のうち１又は２の機能だけを持つことも可能である。

図６は、水流の妨げを避けるとともに、導電率を改善するように構成された素子３５の一例を示している。素子３５は、反応炉壁１４から延在している金属線又は棒であってもよく、ランプ２０の表面に触れていてもよい。上記の線又は棒は、線又は棒が小さい表面積を持つという事実により、遮蔽効果及び流れ阻害効果を最小限がされつつも、導電率を局所的に改善することができ、これにより、紫外線強度を局所的に改善することができる。図６は、複数の線又は棒を反応炉１０内の同様の高さに適用することが可能であるという事実を示しており、ここで、線又は棒は、ランプ２０の円周周りに沿って均一に分布されてもよい。例えば、ある高さにおける線又は棒の数は、２個，３個又は４個であってもよい。

本発明の範囲が、前示の例に限定されず、幾つかの修正及び変更が、添付の請求項に記載の本発明を逸脱しない範囲で可能であるということが、当該技術の当業者に対して明らかであろう。本発明は、図面及び記述により詳細に図示及び説明されたが、かかる図示及び説明は、単なる例示であって、本発明を限定するものでないと考えられるべきである。本発明は、開示された実施形態に限定されない。

開示された実施形態に対する変形が、当該技術の当業者によって、本発明を実施する際、図面，説明及び添付の請求項の研究から、理解され、もたらされ得る。請求項において、「有する」なる語句は、他のステップ又は要素を除外せず、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は、複数を除外しない。特定の手段が互いに異なる従属項で言及されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが好適に使用されないということを示すものではない。請求項中の任意の参照符号は、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

本説明の文脈において、「紫外線光」及び「紫外線放射」なる語句は、全く同一の現象、即ち紫外線領域の波長を持つ光波を示すために使用されることに留意すべきである。さらに、「流体」なる語句は、液体及び気体の両方を含むことを意図されている。

本発明は、任意のタイプのＤＢＤランプ２０及びかかるランプ２０の任意のアプリケーションに適用されるのに適合している。導電率を局所的に高めるための手段３０、場合によっては、紫外線光を反射し、紫外線放射から部品を保護し、及び／又は、流体の流れを整えるための手段３０の使用は、高い紫外線吸収性の材料がランプ２０によって殺菌される場合に、特に好適である。従って、本発明は、家庭雑排水又は廃水の殺菌分野に適用されるのに極めて適合している。アプリケーションの他の分野は、空気清浄や、場合によっては、紫外線処理装置が、蛇口、又は、蛇口へ向かう配管の内側にさえ直接マウントされた直ぐに使用可能なシステムにおける飲料水の処理である。

本発明は、以下に要約可能である。流体を紫外線光に晒すことによって流体に殺菌処理を施すための装置１は、紫外線光を放射するための手段２０が配置された内部空間１１を持つ反応炉１０と、内部空間１１に流体を入れる入口１２と、内部空間１１から流体を出す出口１３とを有する。発光手段２０は、単一電極２１を有し、内部空間１１を取り囲んでいる壁１４は、電極として機能するように構成されるとともに、導電性材料を有しており、装置１は、導電性材料を有し、且つ、反応炉壁１４と発光手段２０との間の空間における導電率を局所的に高めるために配置された手段３０，３５を更に有する。これらの手段３０，３５を適用することによって、紫外線光処理の殺菌効果を改善することが可能となる。

Claims (13)

1. 流体を紫外線光に晒すことによって前記流体に殺菌処理を施すための装置であって、
   前記装置は、紫外線光を放射するための発光手段が配置された内部空間を持つ反応炉と、前記内部空間に流体を入れるための入口と、前記内部空間から流体を出すための出口とを有し、
   前記発光手段は、単一電極を有し、
   前記内部空間を取り囲んでいる反応炉壁は、電極として機能し、且つ、導電性材料を有し、
   前記装置は、前記反応炉壁と前記発光手段との間の空間における導電率を局所的に高める、導電性材料を有する手段を更に有する、装置。
2. 前記反応炉壁と前記発光手段との間の空間における導電率を局所的に高める前記手段は、前記反応炉壁から前記発光手段へ向かって延在している少なくとも１つの細長い要素を有する、請求項１記載の装置。
3. 前記細長い要素は、前記反応炉壁と前記発光手段の外殻との間に延在している、請求項２記載の装置。
4. 前記細長い要素は、棒状の要素である、請求項２記載の装置。
5. 前記細長い要素は、ワイヤ状の要素である、請求項２記載の装置。
6. 前記反応炉壁と前記発光手段との間の空間における導電率を局所的に高める前記手段は、流体の流れを整形する、請求項１記載の装置。
7. 前記反応炉壁と前記発光手段との間の空間における導電率を局所的に高める前記手段は、紫外線光を反射する、請求項６記載の装置。
8. 前記反応炉壁と前記発光手段との間の空間における導電率を局所的に高める前記手段は、動作中、前記発光手段によって放射された紫外線放射から前記装置の一部を保護する、請求項６記載の装置。
9. 前記反応炉壁と前記発光手段との間の空間における導電率を局所的に高める前記手段は、孔を持つ少なくとも１つの板を有する、請求項６記載の装置。
10. 前記板の中央部分には孔がない、請求項９記載の装置。
11. 前記発光手段は、細長いランプを有し、
    前記板は、前記ランプの端部に配置されている、請求項９記載の装置。
12. 前記反応炉壁と前記発光手段との間の空間における導電率を局所的に高める前記手段は、紫外線光を反射する、請求項１記載の装置。
13. 前記反応炉壁と前記発光手段との間の空間における導電率を局所的に高める前記手段は、動作中、前記発光手段によって放射された紫外線放射から前記装置の一部を保護する、請求項１記載の装置。

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