JP2024502684A - 流体へのサイクロン式紫外光照射システム - Google Patents

Abstract

流体材料を消毒するための流体へのサイクロン式紫外光照射システムについて記載する。照射システムは、円筒状のチャンバ部と円錐状のチャンバ部とを有する照射チャンバを含む。円筒状のチャンバ部は、流体出口と、流体材料を上部チャンバに流入させ、螺旋経路に沿って移動させて下方に向かって上部チャンバを通過して円錐状のチャンバ内に流入させ、円錐状のチャンバから上方に向かって移動させて流体出口を通過して流出させる流体入口とを有する。流体材料が円筒状のチャンバ及び円錐状のチャンバを通過する際に、消毒用紫外光が照射される。該システムは、同じボリュームを有する非サイクロン式照射システムに比べて、有利には、流体材料が消毒用紫外光に曝される時間を増加させる。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本願は、２０２１年１月１２日に提出された米国仮特許出願第６３／１３６，６３７号の優先権を主張し、その内容全体は、参照により本明細書に組み込まれるものとする。

本発明は、流体（液体、気体、流動固体）の消毒、濾過、処理の分野に関する。具体的には、本発明は、流体の処理における紫外光の利用に関する。処理としては、屑及び粒子の濾過、流体中の病原体（ウイルス、細菌、カビ、真菌など）への消毒、紫外光による流体又は流体中の固体への照射が挙げられる。また、消毒以外の目的のために流体及び混入した固体への照射は、流体を紫外光で硬化するか又は化学的に処理／変質させることを含む。具体的な用途としては、水中及び空気中の病原体への消毒が挙げられる。

流体の濾過、消毒、紫外線照射は、流体処理の分野において一般的である。典型的なシステムは、流体の消毒、濾過、又は紫外線照射を達成するために、独立した、又は大きなシステムで実施してもよい。

流体の濾過は、機械的濾過（濾材ベッド、ＨＥＰＡ又は類似の繊維／織布フィルタアセンブリ、浸透／膜フィルタ、機械的分離器）、静電濾過、化学濾過により達成される。典型的な濾過方法は、流体（気体又は液体）がポンプ又はファンを用いて引き込まれた濾過チャンバ／アセンブリ／ボリュームに接続された配管又はダクトを用いることにより実施される。典型的には、機械的な流体濾過では、透過性濾材、膜、又は織布を使用して、流体から屑（ｄｕｓｔ）又は微粒子（ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ）を除去する。静電フィルタは、屑及び粒子が濾過アセンブリに進入する際に、屑及び粒子を充電して、反対の電荷を持つ収集板に静電的に収集する。化学濾過では、化学凝集物を用いて、屑及び粒子をより大きな又はより緻密な塊（ｃｏｎｇｌｏｍｅｒａｔｅ）に形成した後、機械的に分離して収集され、又は、沈降ボリュームに沈殿することで、除去する。

サイクロン式分離器（ｃｙｃｌｏｎｉｃ ｓｅｐａｒａｔｏｒ）は、機械式粒子分離器の一種であり、一般的に、工業用流体流からダスト及び混入した粒子を除去するために用いられる。サイクロン式分離器は、典型的には、円筒状の移行領域の接線方向の入口、円筒状ボリューム、下部円錐状ボリューム、中央出口を含む。流体がサイクロン式分離器を通過する際には、螺旋状の流路が形成される。混入したダスト及び粒子は、接線方向から半径方向の速度成分へ移行する間に、また境界層相互作用の間に、サイクロン式分離器の内壁との衝突による摩擦のエネルギーを失う。減速された粒子及びダストは、流体の流れから分離され、ベースから出て粒子収集チャンバに入る。流体は、下流のファン又はポンプに接続された中央出口に垂直に移行する。

従来技術の流体の消毒は、化学、熱及び殺菌性紫外光処理に加えて、機械的及び静電濾過処理によって達成されている。流体の消毒は、最も一般的に水と空気で行われる。機械的フィルタ消毒は、ウイルス、細菌、真菌、カビなどの病原体を濾材に捕集して、流体流から病原体を物理的に除去することによって行われる。静電フィルタ消毒は、主に空気などの気体に用いられ、病原体を捕集することにより、上述した機械的濾過方法と同様に機能する。化学、熱、殺菌性紫外線消毒方法は、液体と気体（主に水と空気）の両方に対する消毒のために行われる。化学消毒方法は、最も一般的には水である液体に消毒性を有する化学品を添加する。熱消毒は、流体を加熱されたボリュームに圧送し、流体温度を上昇させ、病原体を不活化（消毒）することにより行われる。

殺菌性紫外線消毒は、水などの液体に対しては一般的であり、空気などの気体に対してはあまり一般的ではない。最も一般的には水である液体に対する紫外線消毒は、殺菌性紫外光を保持タンク又は容器に照射することによって達成され、適切な線量を受け取った場合、流体内の病原体が消毒される。また、インライン殺菌性紫外線システムは、殺菌性紫外光照射装置と典型的な紫外線反射ライナ（ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｌｉｎｉｎｇ）を有するインラインアセンブリを通過して液体を圧送することにより、液体を消毒するために用いられる。液体がインライン消毒アセンブリを通過するときに、病原体は、受け取った線量に基づいて、一定の割合で不活化する。したがって、インラインシステムは、典型的には、循環システムに実装される。殺菌性紫外線空気消毒システムは、最も典型的には換気システムにインラインで接続されるか、又は独立した空気処理システム若しくは空調（ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ）ユニットなどの換気設備に組み込まれる。紫外線消毒システムは、典型的には、紫外光照射装置を含み、消毒ボリュームに対する反射ハウジングで覆われている場合がある。反射材料は、典型的には、研磨アルミニウムであるか、又は一般的には焼結ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエスレン）若しくは硫酸バリウム（ＢａＳＯ_４）ベースのコーティングなどの先進の紫外線反射材料である。消毒されない空気は消毒ボリュームを通過して引き込まれるか又は圧送され、空気は微量の紫外光を受ける。現在、殺菌性紫外線消毒の効果的な使用は、真菌、カビ、時には細菌、ウイルスなどの病原体を生成するか又は宿すことができる換気システム内の固定面の消毒である。紫外光照射装置は、消毒を必要とする表面に向けられる。照射装置は、換気システム内の当該表面上の病原体を不活化するか又はその増殖を防止するのに十分な線量の紫外光を提供する。

従来技術の欠点は、主に流体消毒の分野にある。機械的及び静電的消毒システムの欠点は、病原体のサイズに依存するプロセス有効性である。システムは、システム内の特定の病原体を捕集するために、特定の構成、濾材、及び動作パラメータを必要とする。システムでは、システムの有効性を確保するために定期的なメンテナンス（濾材の清掃及び交換）及び監視が必要となる。

機械的濾過の欠点は、空気中の病原体を有意に除去するために、複雑な換気システムと組み合わせた大きいＨＥＰＡ（「高効率微粒子空気」）又はＵＬＰＡ（「超低微粒子空気」）フィルタアセンブリを必要とすることである。液体の場合、システムは、典型的には、強力なポンプに加えて、大きい濾過バンク及び／又は逆浸透濾過システムを必要とする。

化学消毒の欠点は、化学品によってもたらされる危険であり、プロセスにおいて熟練及び／又は訓練した操作者が、化学消毒処理後に流体が危険ではないことを確保する必要がある。

熱消毒の欠点は、エネルギー集中性と、消毒後流体の冷却の必要性とを含む。いずれもコストを大きく増加させる。また、熱消毒は、血液又は血液製剤を含むがこれらに限定されない生物流体などの、熱に敏感な流体に使用できない。

殺菌性紫外線消毒システムの現状での欠点は、タンク又は容器消毒システムには、液体をバッチ処理する必要があり、典型的には、低容量消毒率を有することである。インライン殺菌性紫外線消毒システムは、ボリューム流速が増大しているが、病原体が紫外光に露出された時間が短いため、十分な線量を提供する能力が限られているという大きな欠点がある。

典型的には、空気換気システムでは、消毒プロセスを換気システムとインラインで行う必要があり、そうしないと、消毒システムが独立した空気処理システムに構成される。空気用途における殺菌性紫外線消毒の現在の方法の欠点は、インライン及び独立した空気消毒システムの両方が、病原体を効果的に不活化するのに不十分な線量の紫外光を提供することである。不十分な線量の原因は、空気が消毒ボリューム内にある場合、滞留時間が極めて短いことである。十分な線量の紫外光に達するためには、消毒ボリュームの長さを法外に長くする必要がある。適切な線量に達するために必要な追加のシステムの長さに加えて、システムの長さを照らすために、紫外線照射装置（ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｅｍｉｔｔｅｒ）の大きいネットワークが必要になる。説明されているシステムは、技術的には可能であるが、換気システム又は独立した空気処理システムとの双方に対して、システムの極めて大きいサイズ及びコストが非常に実際的ではない。

当該発明は、従来技術の欠点を解決した改良された流体消毒システムを提供しようとする。

第１実施形態は、照射チャンバであって、接線方向の流体入口及び中央流体出口を有する円筒状でサイクロン式の上部チャンバ、及び前記上部チャンバに連結された円錐状でサイクロン式の下部チャンバ、を含む照射チャンバと、前記照射チャンバに位置し、紫外光を流体材料に照射するように構成される少なくとも１つの紫外光照射装置と、を備え、前記流体材料は、前記流体入口に入り、螺旋経路に沿って移動して前記照射チャンバを通過する、流体へのサイクロン式紫外光照射システムを提供する。いくつかの実施形態では、前記上部チャンバ及び前記下部チャンバの内面に反射材料がコーティングされ、前記反射材料は、焼結ＰＴＦＥポリマー及び硫酸バリウムのうちの１つ以上を含んでもよい。チャンバは、前記流体材料が螺旋経路に沿って下方に向かって移動して前記上部チャンバを通過した後、下方に向かって前記下部チャンバに入るように構成され、前記流体材料は、そこから上方に向かって移動して前記中央流体出口から出てもよい。１つ以上の追加の照射チャンバを更に含み、照射チャンバは、それぞれ少なくとも１つの紫外光照射装置を含んでもよい。前記照射チャンバは、前記システムに供給される流体の量が前記照射チャンバの間で分断されるように並列に接続されてもよい。前記照射チャンバは、前記システムに供給される流体の量が前記照射チャンバをそれぞれ順に通過するように直列に接続されてもよい。

第２実施形態は、照射チャンバであって、第１端と、第２端と、接線方向の流体入口と、円筒状の中央流体出口とを有する円筒状でサイクロン式の上部チャンバであって、前記中央流体出口は、円筒状のチャンバの前記第１端に位置する上部チャンバ、及び第１端と狭い第２端とを有する円錐状でサイクロン式の下部チャンバであって、前記下部チャンバの前記第１端は、前記上部チャンバの前記第２端に連結される下部チャンバを含む照射チャンバ（１）と、前記照射チャンバに位置し、電磁放射線を流体材料に照射するように構成される少なくとも１つの電磁放射線の照射装置（２）と、を備え、チャンバは、前記流体材料が螺旋経路に沿って前記第１端から下方に向かって移動して前記上部チャンバを通過した後、下方に向かって前記第２端を通過して前記下部チャンバに入るように構成され、前記流体材料は、そこから上方に向かって移動して前記中央流体出口から出る、流体へのサイクロン式電磁気照射システムを提供する。前記電磁放射線は、紫外光又はガンマ線のうちの１つ以上であってもよい。前記上部チャンバは、１３０～１５０ｍｍの直径を有してもよい。前記上部チャンバ及び前記下部チャンバは、合わせて２９０～３１０ｍｍの長さを有してもよい。前記円筒状の中央流体出口は、９０～１００ｍｍの長さ及び３８～４２ｍｍの直径を有してもよい。

第３実施形態は、上部と、前記上部に連結された下部とを有する照射チャンバであって、前記上部は、円筒状の内面を有し、前記下部は、円錐状の内面を有し、前記上部は、空気入口と空気出口とを画定し、前記照射チャンバは、中心軸を画定し、中心軸は、前記上部の中心によって画定された上部内部空間及び前記下部の中心によって画定された下部内部空間を通って延在するとともに、前記空気出口と交差し、前記空気入口は、前記中心軸より前記円筒状の内面に近接して配置され、空気を前記上部に導入することで、前記空気は、前記上部の円筒状の内面に沿って前記中心軸周りに下向きの角度で前記下部に移動し、かつ前記空気が前記下部に到達した後、前記中心軸に沿って前記上部を通過して前記空気出口に移動し前記照射チャンバから出るように構成され、これにより、前記空気が前記下部の中及び前記空気出口周りに費やす持続時間を増加させる照射チャンバ（１）と、前記流体出口の周囲に沿って前記上部に配置された紫外光照射装置アレイ（２）と、前記中心軸に沿って前記下部に配置されることにより、前記空気が紫外光に曝される時間を増加させる紫外光照射装置（３）と、を含む、空気を消毒するためのサイクロン式のシステムを提供する。前記上部は、前記上部の頂端から前記中心軸に沿って下方に向かって延在し、前記空気入口より低い前記空気出口を画定する円筒部を含み、これにより、前記空気のサイクロン流を増加させ、前記空気が紫外光に曝される時間を増加させてもよい。前記下部は、前記下部の底部から前記中心軸に沿って突出し、前記下部に配置された前記紫外光照射装置を支持する延在部を含み、これにより、前記空気のサイクロン流を増加させ、前記空気が紫外光に曝される時間を増加さてもよい。前記円筒状の内面及び前記円錐状の内面は、反射材料によって画定されることにより、前記上部チャンバ及び前記下部チャンバ内の紫外光の振幅を増加させてもよい。前記照射チャンバを取り囲むハウジングを更に含み、前記ハウジングは、底部開口、及び前記ハウジングと前記照射チャンバとの間に配置された内側空間を画定し、前記底部開口は、前記ハウジングに入った空気を機械的に濾過するように構成されたフィルタを含み、前記内側空間は、前記フィルタと前記空気入口とを流体的に連結してもよい。前記ハウジングの表面を裏打ちする消音材料を更に含んでもよい。

以下、本発明の実施形態を添付の図面を参照して説明する。

一実施形態に係る流体へのサイクロン式紫外光照射システムのサイクロン式照射チャンバの主要部品を示す。 一実施形態に係る流体へのサイクロン式紫外光照射システムの主要動作と基本構成をまとめた断面図である。 単一の独立した家庭用空気消毒構成に適用された流体へのサイクロン式紫外光照射システムの詳細な構成と機能を示す。 単一の流体へのサイクロン式紫外光照射システムが液体への照射又は消毒に用いられる場合の構成の違いを示す。 直列（右上）と並列（左下）の構成で組み立てられた、空気又は気体への照射又は消毒のために構成された流体へのサイクロン式紫外光照射システムを示す。 直列（頂端）及び並列（下部）の構成で組み立てられた、水又は液体への照射又は消毒のために構成された流体へのサイクロン式紫外光照射システムを示す。 流体へのサイクロン式紫外光照射システムによって生成された螺旋状の流体流路を示す。 紫外線反射内側ライナの適用による紫外線によるサイクロン式照射システム内の紫外光散乱挙動を示す。 例示的な実施形態に係る流体へのサイクロン式紫外光照射システムを示す図である。

本発明の実施形態では、サイクロン式照射チャンバを通過して引き込まれた流体に１回分の線量の紫外光を提供する。本発明の典型的な用途は、流体、例えば水又は空気中の病原体を消毒することであるが、本発明は、任意の流体（液体、気体、流体に混入した固体）に１回分の線量の紫外光を提供するためにも用いることができる。例示的な実施形態は、紫外光源を照射する内部ボリュームを有するサイクロン式分離器を適用することにより形成される。サイクロン式フローチャンバ（ｃｙｃｌｏｎｉｃ ｆｌｏｗ ｃｈａｍｂｅｒ）の内面を紫外光に対して高度に反射する材料で裏打ちすること（ｌｉｎｉｎｇ）により、サイクロン式フローチャンバ内の紫外光の強度が更に増加する。

本発明は、比較的小さいサイクロン式フローチャンバ内の流体のために生成された長い螺旋状の流路を利用することにより、従来技術における流体の消毒及び照射有効性の欠点を解決する。流体流路の長さが増加するため、流体の滞留時間は、比例的に長くなる。この特徴を利用することで、従来技術と比較して、消毒ボリューム内の流体滞留時間を１桁以上改善することができる。紫外線反射内側ライナを追加する場合、同様の照射ボリューム及び長さ（ｄｏｓｉｎｇ ｖｏｌｕｍｅ ａｎｄ ｌｅｎｇｔｈ）を有する従来技術のシステムに対して、２つのシステムの流速が等しいと仮定すると、流体は、高い線量の紫外光で処理される。

本発明の実施形態では、流体を、サイクロン式フローチャンバを通過して吸い込むことによって動作することにより、サイクロン式チャンバの内部の幾何学的形状によって、流体を該チャンバ内の螺旋状の流路に強制的に移動させる。流体流路は、システムが構成される流体のサイクロン式チャンバ内での流体滞留時間が最大となるようにカスタマイズされる。滞留時間の最適化は、該チャンバの直径、円筒状のチャンバセクションの長さ、下部円錐状のチャンバセクションの長さ及び角度、入口の数、該入口の形状、面積及び幾何学的形状、ならびに中央出口管の直径及び長さを調整することによって達成される。流体への照射は、紫外光源によって照射され、該チャンバの内面の紫外線反射ライナによって反射された該チャンバの内部ボリュームで実行される。該チャンバの内部ボリュームを紫外線反射材料で裏打ちすると、紫外線の光吸収が完了する前に照射された光が該チャンバ内でより長い時間反射し、該チャンバ内の照射を直接的に増加させる。最も一般的には空気である気体中の病原体を消毒するために構成される実施形態では、実施形態は、サイクロン式チャンバ、紫外光源、ファン、サイクロン式チャンバ内の紫外線反射ライナ、プレフィルタ、及びダストトラップを含む外側ハウジング及び支持構造によって構成される。

典型的な実施形態では、外側ハウジング及び支持構造は、本明細書に記載の１つ又は複数のユニットを収容するために使用される。ハウジング及び支持構造は、空気などの気体に使用される場合、紫外線照射を行うために必要な全ての部品を支持する外装構造である。いくつかのケースでは、液体に使用される場合に、ハウジングは、流体を装置入口から導入し、流体を装置出口から導出するために使用される。サイクロン式チャンバの内部に位置する紫外光源は、ランプ、バルブ、発光ダイオード、レーザ素子からの紫外光又はサイクロン式チャンバの外部で発生して該チャンバ内に導入される高強度紫外ビームを照射することができる。紫外光源は、ダストトラップ又は堆積物トラップの中心からの突起に、ダストトラップ又は堆積物トラップの入口の周囲に、流体出口の周囲に、流体出口の中心からの突起に、又はチャンバ内に照射するサイクロン式チャンバ壁に位置することができる。サイクロン式チャンバ内の紫外線反射ライナは、実用上、内面を最大限覆う。ライナ（ｌｉｎｉｎｇ）は、焼結ＰＴＦＥポリマー、硫酸バリウム、又は焼結ＰＴＦＥと硫酸バリウムとを含有する化合物などの高ＵＶ反射材料からなることができる。

プレフィルタは、屑及び粒子がサイクロン式照射チャンバに入る前に除去されるように、入口付近に位置する。プレフィルタは、濾材、繊維材料、膜材料、織布、フォーム及び／又はメッシュから構成することができる。プレフィルタは、自己支持型であってもよいし、二次容器に含まれるカートリッジ形であってもよい。

ファン又はポンプは、サイクロン式照射チャンバの下流に位置して、流体を、該チャンバを通過して引き込む。使用されるファンは、軸方向、遠心又は混合流型であってもよい。これらは、液体に使用される場合におけるポンプの選択基準と同じである比較的高い流速と静圧を有するように選択される。

水又はその他の液体の流れのために構成されている場合、ファンの代わりに流体ポンプを用い、ダストトラップの代わりに堆積物トラップを用いる以外、装置部品は、同じである。実施形態は、単一のサイクロン式チャンバアセンブリとして使用することができるか、又は特定の使用場合の要件を満たすようにカスタマイズされた、直列若しくは並列に構成された複数のサイクロン式チャンバアセンブリを使用することができる。直列構成は、流体への線量を増やし、並列構成は、流速を増やす。

全ての構成（単一、直列又は並列）において、装置は、同じ方式で使用される。ファン又はポンプは、出口に接続される。ファン又はポンプは、サイクロン式チャンバ内に低い局所圧力を発生させ、流体は、サイクロン式チャンバを螺旋状の流路に沿って流れる。完全な流路は、装置入口付近のプレフィルタで開始する。流体流（ｆｌｕｉｄ ｓｔｒｅａｍ）から屑及び微粒子を濾過してサイクロン式照射チャンバ及び紫外光源の清浄度を保護する。プレフィルタから出た流体の流れ（ｆｌｕｉｄ ｆｌｏｗ）は、装置の外側ハウジングに入る。流体の流れは、チャンバ内に接線方向の流れを導入するように設計された吸込開口を通ってサイクロン式チャンバに引き込まれる。該接線方向の流れの導入により、サイクロン式チャンバ内に螺旋状の流路が形成される。流体及び任意の病原体は、一旦該チャンバに入ると、照射された１回分の線量の紫外光をすぐに受け取る。受け取った線量は、紫外線反射コーティングからのリサイクル照射により増加する。流体と病原体は、１回分の線量の紫外光を受け取り続けるとともに、流体は、螺旋状の流路に沿って移動し、最終的に流れ方向を反転させて、出口を通ってファン又はポンプから出る。プレフィルタによって収集されなかった微粒子又は屑は、サイクロン式チャンバの内部を腐食から保護するとともに、紫外光照射装置及び紫外線反射ライナの清浄度を維持するサイクロン式分離器内に存在するダストトラップ又は堆積物トラップに収集される。実施形態は、紫外光強度センサを利用して照射装置の性能を監視し、装置のユーザにシステム性能を中継することができる。該センサの最も基本的な用途は、装置が該用途のために指定された紫外線量を供給していることを確認することである。更に、センサは、システムのメンテナンス又は部品交換の要否をユーザに示すことができる。

本発明の実施形態は、家庭用の空気消毒に使用される場合、ハウジング内及びサイクロン式照射チャンバの外部に吸音材料及び遮断材料を含むことにより、動作時にユニットから発せられる音を制御してもよい。具体的には、音響制御材料は、流体吸込経路の周り及び内部、サイクロン式チャンバの外部、流体出口の内部及び周り、並びにファンの上流及び下流に添加されてもよい。

本発明の主な目的用途は、空気と水を消毒することであるが、本発明は、任意の流体を消毒することでも実施できる。消毒以外の他の用途は、流体を照射して変化した物理的状態又は特性を実現することである。一例として、紫外光を用いて流体又は流体に混入した固体を硬化させる。更に、本発明は、流体が照射された紫外光への暴露により化学的に変化するように化学処理を実行するために使用されてもよい。

図１は、流体へのサイクロン式紫外光照射システムの主要部品を示し、サイクロン式照射チャンバ１の特徴の概要である。サイクロン式照射チャンバ１は、接線方向の流体入口２、中央流体出口３、円筒状でサイクロン式の上部チャンバ本体６、円錐状でサイクロン式の下部チャンバ本体５及び下部ダストトラップ又は堆積物トラップ７を含む。サイクロン式照射チャンバ１は、図７に示す螺旋状の流体流路３６を形成する。螺旋状の流体流路３６は、図１、図２、図３、図５、図６の各構造の構成によって形成される。各構造は、特定の所望の流体特性又は流速に合わせるように構成される。接線方向の流体入口２は、接線方向の速度ベクトルで流体をサイクロン式照射チャンバ１に導入する。接線方向の速度ベクトルは、流体入口２の幾何形状に起因する。入口２の流れの中心軸は、円筒状本体６の円周に接する。したがって、流体が該チャンバに吸い込まれるとき、流体のベクトルは、少なくとも最初に本体６の壁の曲線に接する。最初の接線方向の速度成分は、照射システムの性能の基礎である。いくつかの実施形態では、入口ノズル又は入口案内羽根は、更に接線方向の流速成分を導入する。

一旦流体がサイクロン式照射チャンバ１に入ると、螺旋状の流路３６が形成される。中央流体出口３は、螺旋状の流路３６に導入することに更に寄与する。サイクロン式照射チャンバに入る中央流体出口３の貫入深さ（図２に示す）は、流路を変更し、所定の流体のための最適な流路を生成するように調整可能である。最適な流路は、安定した流れを維持しつつ、該チャンバ内での流体の滞留時間が最大となる流路である。好ましい流路は、高さ２９０～３１０ｍｍの寸法を有するチャンバ（円錐部と円筒部の組み合わせ）、直径１３０～１５０ｍｍの円筒部、長さ９０～１００ｍｍ及びスロート直径３８～４２ｍｍの寸法を有する中央出口を使用することにより取得されることが観察されている。例示的な実施形態は、高さ３００ｍｍ及び直径１４０ｍｍを有するチャンバと、長さ９２ｍｍ及びスロート直径４０ｍｍを有する中央出口とを有する。いくつかの実施形態では、中央出口の好ましい長さは、該チャンバの長さの６０～７０％の範囲内であってもよい。円筒状でサイクロン式の上部チャンバ本体６及び円錐状でサイクロン式の下部チャンバ本体５は、流体の接線方向及び半径方向の速度成分を変化させることにより螺旋状の流路３６を形成する。このような挙動は、サイクロン式分離器の動作の基礎である。流体へのサイクロン式紫外光照射システムは、ダストトラップ又は堆積物トラップ７を有するサイクロン式分離器挙動を利用する。ダストトラップ又は堆積物トラップ７は、流体流から一旦分離すると、予備濾過で捕集しきれなかった粒子及び屑をトラップ内に沈降させる。この特徴は、最終的に、動作中にシステムによって収集されたダスト及び屑の腐食及び堆積を防止することによって、流体へのサイクロン式紫外光照射システムの有効性を維持する。サイクロン式照射チャンバの構造のための最も実用的な材料は、この用途又は流体に最適な金属、プラスチック、強化プラスチック、ポリマー、複合ポリマー、セラミック、ガラス、又はこれらの材料の組み合わせであるが、これらに限定されない。

図２は、流体へのサイクロン式紫外光照射システムの詳細な内部構造により流体へのサイクロン式紫外光照射システムの主要動作を示す。サイクロン式照射チャンバ１内に、システムは、紫外光照射装置８及び９、中央照射装置台座１０、貫通した中央流体出口３及び紫外線反射内側ライナ１１を収容し、これにより、照射チャンバ内で照射した紫外光の反射１２を発生させる（詳細Ａ）。典型的な実施形態では、照射装置は、下方又は上方を向く円形アレイに構成され、該チャンバの中心軸に平行である。更に、図２は、それぞれ気体と液体の動作のためのダストトラップ７ａ及び堆積物トラップ７ｂの１つの構成を示す。図２に示すように、流体（液体、気体又は混入した流体）は、接線方向の流体入口２を通ってサイクロン式照射チャンバ１に入り、螺旋状の流体流路３６に移行し、同時に照射装置８及び／又は９から照射された１回分の線量の紫外光を受ける。流体流路３６は、円錐状でサイクロン式の下部本体部５の下部を横断している。流体は、該円錐状部５の基部付近に停止した後、中央流体出口３に向かって螺旋状で垂直に移動し、最終的にサイクロン式照射チャンバから出る。一旦流体が中央流体出口３から出ると、流体は、１回分の線量の紫外光を受け取らず、消毒又は照射プロセスが完了したとみなされる。下流ファン又はポンプは、最終的に流体を受け取り、所望の最終環境に流体を吐出する。

サイクロン式照射チャンバ１内の紫外光強度は、紫外線反射ライナ１１によって更に増加する。反射内側ライナ１１は、サイクロン式照射チャンバ１の内面の最大範囲を最適に覆う。該チャンバ１の内面の最大範囲を覆うことは、必須ではなく、照射装置のコスト／パワー出力を最小化することが好ましい。反射器効率を（範囲又は反射器材料によって）低下させると、それに応じて照射装置出力を増加させて効果的な線量のレベルを実現する必要がある。紫外線反射ライナ１１は、例えば、焼結ＰＴＦＥポリマー、硫酸バリウム、又は結合剤を有するか又は有してよい両者の組み合わせなどの高ＵＶ反射材料からなる。図８は、照射チャンバ１内で照射された紫外光と内側紫外線反射コーティングとの間の模擬挙動の広範な例を示す。照射装置は、青線の原点（収束点）に示される。散乱された内部紫外光（ｉｎｔｅｒｎａｌ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｒａｙｓ）は、サイクロン式照射チャンバ１を表す黒色構造線を除き、色を変えた全ての線によって示される。該装置の重要な特徴は、紫外光をサイクロン式照射チャンバ１の内側ボリュームに照射することと、サイクロン流路生成チャンバを使用してボリューム内の流体滞留時間を増加させることと、サイクロン式照射チャンバ１内の紫外線反射ライナにより強度を増加させることとの組み合わせを含む。紫外線照射装置８及び９は、流体への照射要件を満たすように、サイクロン式照射チャンバ１内に位置し配置される。照射要件は、プロセスに依存するため、処理及び／又は流体の必要に応じて変化する。例示的な空気清浄用途について、直径４０ｍｍ及び長さ９２ｍｍの中央出口を有する直径１４０ｍｍ及び３００ｍｍのチャンバと、６～１２個の照射装置とが決定された。その他の寸法は、他の用途又は実施形態に用いることができる。紫外光は、図２においてサイクロン式照射チャンバ１内のアーク円によって示される。紫外光照射装置は、ランプ、電球又は発光ダイオードが最も一般的であるが、いくつかの実施形態では、高強度結合紫外線レーザ又はビームを達成してより高い相対線量を実現する。図２は、ダストトラップ７ａ及び堆積物トラップ７ｂの異なる構成の概要である。ダストトラップ７ａは、典型的には、気体又は空気っシステムに使用され、大きな堆積物トラップ７ｂは、典型的には、液体システムに使用される。サイクロン式照射チャンバに流体流から分離された堆積物は、堆積物トラップ１４に堆積する。両方の構成には、堆積された材料の掃除又はサービス入口１３が設計される。

図３は、独立した家庭用空気消毒システムとして構成された流体へのサイクロン式紫外光照射システムの実施を示す。図３の構成は、全てのシステム部品を収容して支持するシステムハウジング１５と、プレフィルタ１７と、システム内部全体の吸音及び遮断材料１６と、該システムを通過して引き込まれた空気に消毒用線量を提供する図２の部品の完全な複合体と、システムを通過して消毒された空気を指向性出口１９から引き込むファン又は送風機２０と、サービス又は除塵ハッチ（ｄｕｓｔ ｒｅｍｏｖａｌ ｈａｔｃｈ）２１とを示す。好ましい実施形態では、音響フォーム及びゴムを遮断材料１６として使用して、それぞれ吸音と消音を提供する。

図示の独立した家庭用空気消毒システムの動作は、ハウジング吸込ゲート１８から開始する。ファン又は送風機２０が作動すると、サイクロン式照射チャンバの内部ボリュームは、システムハウジング１５の下部とともに、周辺に対する静圧が減少する。未消毒の空気の流れは、空気から混入したダスト又は微粒子を除去するシステムフィルタ１７を通過するように引き込まれる。プレフィルタ１７の目的は、吸込空気を機械的に濾過して、内側反射ライナ１１及び紫外光照射装置８、９などの、サイクロン式照射チャンバ１の内部を保護することである。その結果、フィルタは、ＵＶ光の発光又は反射を防止する材料の清浄度を維持することにより、システムの耐用年数を延長し、線量有効性を向上させる。空気がハウジングの下部に入ると、装置の一般的な騒音出力を低減するために、内面に消音材料１６を被覆する。空気は、ハウジング１５の内部に引き上げられて接線方向の流体入口２に入り、サイクロン式照射チャンバ１内に処理される。空気は、該チャンバ内で消毒され、ファン又は送風機２０によってシステムから指向性排気ノズル出口１９外へ引き込まれる。システムのサービスを行うことができ（ｃａｎ ｂｅ ｓｅｒｖｉｃｅｄ）、サービス又は掃除ハッチ（ｃｌｅａｎｏｕｔ ｈａｔｃｈ）２１に入ることによって堆積した屑を掃除することができる。この独立した空気消毒器は、図２の説明で概説したサイクロン式照射チャンバ１の独特の使用により、従来技術に対して病原体への効果的な照射又は不活化を可能にする。

図４は、液体への紫外線照射又は消毒のために構成された流体へのサイクロン式紫外光照射システムを示す。本発明の液体を照射するか又は消毒するための構成は、液密式サイクロン式照射チャンバ１、追加の大きな堆積物トラップ２３及び液体輸送付属品（管路移行付属品２２）の備品により達成される。図４に記載の構成は、図２に記載のサイクロン式照射チャンバを適用することにより、流体をシステムに引き込むことで液体に照射することができる。ポンプは、システムの下流に位置し、最終的に中央出口３に接続される。液体は、システム入口２２、２に入った後、サイクロン式照射チャンバ１に入り、液体は、指定された紫外線量を受け取り、出口３を通って下流ポンプから出る。

図５は、空気又は気体を照射するか又は消毒するために直列及び並列に構成された複数の流体へのサイクロン式紫外光照射システムの構成を示す。左下図は、未処理の気体が、サービスハッチ２７に収納された入口フィルタ２８を通過して並列構成ハウジング２４内に入る並列構成を示す。気体は、サイクロン式照射チャンバ１に入り、ダクト移行アダプタ２５に出て、そこで消毒されたか又は紫外線を照射された空気又は気体は、システムダクト２６に出て、最終的にファン又は送風機を通過して出る。ダクト移行アダプタ２５は、中央流体出口３を通過するアダプタ２５への流れを除き、並列構成ハウジング２５から気密に隔離される。右上図は、未処理の気体が、サービスハッチ３１に収納された入口フィルタ３２を通過して直列構成ハウジング２９内に入る直列構成を示す。気体は、サイクロン式照射チャンバ１に入り、装置出口３０を通過して出る。直列構成ハウジング２９の上部と下部とは、ハウジング２９の上部に受け取られるサイクロン式の下部ハウジングの中央流体出口３からの流れを除き、互いに気密に隔離される。そこで消毒されたか又は紫外線を照射された空気又は気体は、システムダクトに移行し、最終的にファン又は送風機を通過する。

図６は、液体処理のために設計されたシステムを達成することを除いて、図５に示す概念と同様の図である。下部の図は、未処理の液体が入口２に入り、サイクロン式照射チャンバ１に入り、出口３４に通じる並列システムマニホールド３５に出て、最終的に下流ポンプを通過する並列構成を示す。上部の図は、未処理の液体が第１段階の入口２に入り、サイクロン式照射チャンバ１を通過して進み、最終段階の出口３を通過して出て、最終的に下流ポンプを通過する直列構成を示す。図５及び図６の図示に関して、直列構成は、流体への相対的な線量が高いという利点を達成し、並列構成は、相対的な流速が増加するという利点を達成する。

図９Ａ～図９Ｆは、例示的な実施形態に係る流体へのサイクロン式紫外光照射システム１００を示す図である。図９Ａ及び図９Ｂは、照射システム１００の前方等角図と後方等角図をそれぞれ示す。図示のシステムは、ハウジング１５と、ユーザインタフェース及びディスプレイ４０と、指向性出口４１と、吸気口４２と、外部電源４３と、台座４４とを含む。

図９Ｃは、照射システム１００の断面図を示す。該図は、照射チャンバ１、システムハウジング１５、吸音及び遮断材料（音響フォーム）１６、プレフィルタ膜１７、指向性出口１９、送風機２０を示す。

図９Ｄは、照射チャンバ１及びその関連部品に着目した照射システムの下部の断面図を示す。より具体的には、該図は、接線方向の吸込ノズル２、出口３、照射装置アレイ９、反射ライナ１１、ハウジング１５の下部、吸込口１８を示す。

図９Ｅは、照射チャンバ１の上方の送風機アセンブリの断面図を示す。該チャンバ１、接線方向の吸込ノズル２、出口３及びプレフィルタ１７は、該図では見えている。

図９Ｆは、ハウジングが取り外された状態での送風機アセンブリと照射チャンバの等角図を示す。該チャンバ１、接線方向の吸気ノズル２及び送風機２０は、この図では見えている。

本明細書で使用される場合、紫外（ＵＶ：ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光は、一般的に、１０～４００ｎｍの範囲の波長を有する電磁放射線として理解される。典型的な実施形態では、２００～２８０ｎｍの範囲内のＵＶ－Ｃ放射線を用いるが、本発明は、該特定の範囲内のＵＶ放射線に限定されない。いくつかの実施形態では、複数の異なる波長のＵＶ光は、例えば、広帯域光源を使用することによって、又はそれぞれ異なる特定のピーク波長を有する複数の光源を使用することによって用いられる。また、いくつかの実施形態は、ガンマ線などの、ＵＶ範囲以外の波長を有する放射線を代替的に又は追加的に用いる。

２０２１年１月１２日に提出された名称が「ＵＬＴＲＡＶＩＯＬＥＴ ＣＹＣＬＯＮＩＣ ＦＬＵＩＤ ＤＯＳＩＮＧ ＳＹＳＴＥＭ」である米国仮特許出願６３／１３６６３７を含むが、これらに限定されない、本明細書に引用され、及び／又は出願データシートに示された以上の全ての米国特許、米国特許出願公開、米国特許出願、外国特許、外国特許出願及び非特許公開は、それらの内容全体が参照により本明細書に組み込まれるものとする。

以上から理解されるように、説明のために特定の実施形態について説明したが、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、様々な修正を行うことができる。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって決定され、上記特定の実施形態の開示によって限定されない。

Claims (20)

1. 照射チャンバであって、
   接線方向の流体入口及び中央流体出口を有する円筒状でサイクロン式の上部チャンバ、及び
   前記上部チャンバに連結された円錐状でサイクロン式の下部チャンバ、を含む照射チャンバと、
   前記照射チャンバに位置し、紫外光を流体材料に照射するように構成される少なくとも１つの紫外光照射装置と、を備え、
   前記流体材料は、前記流体入口に入り、螺旋経路に沿って移動して前記照射チャンバを通過する、流体へのサイクロン式紫外光照射システム。
2. 前記上部チャンバ及び前記下部チャンバの内面に反射材料がコーティングされる、請求項１に記載のシステム。
3. 前記反射材料は、焼結ＰＴＦＥポリマー及び硫酸バリウムのうちの１つ以上を含む、請求項２に記載のシステム。
4. 前記流体材料は、空気である、請求項１に記載のシステム。
5. 前記流体材料は、水である、請求項１に記載のシステム。
6. チャンバは、前記流体材料が螺旋経路に沿って下方に向かって移動して前記上部チャンバを通過した後、下方に向かって前記下部チャンバに入るように構成され、前記流体材料は、そこから上方に向かって移動して前記中央流体出口から出る、請求項１に記載のシステム。
7. １つ以上の追加の照射チャンバを更に含み、照射チャンバは、それぞれ少なくとも１つの紫外光照射装置を含む、請求項３に記載のシステム。
8. 前記照射チャンバは、前記システムに供給される流体の量が前記照射チャンバの間で分断されるように並列に接続される、請求項７に記載のシステム。
9. 前記照射チャンバは、前記システムに供給される流体の量が前記照射チャンバをそれぞれ順に通過するように直列に接続される、請求項７に記載のシステム。
10. 照射チャンバであって、
    第１端と、第２端と、接線方向の流体入口と、円筒状の中央流体出口とを有する円筒状でサイクロン式の上部チャンバであって、前記中央流体出口は、円筒状のチャンバの前記第１端に位置する上部チャンバ、及び
    第１端と狭い第２端とを有する円錐状でサイクロン式の下部チャンバであって、前記下部チャンバの前記第１端は、前記上部チャンバの前記第２端に連結される下部チャンバを含む照射チャンバと、
    前記照射チャンバに位置し、電磁放射線を流体材料に照射するように構成される少なくとも１つの電磁放射線の照射装置と、を備え、
    チャンバは、前記流体材料が螺旋経路に沿って前記第１端から下方に向かって移動して前記上部チャンバを通過した後、下方に向かって前記第２端を通過して前記下部チャンバに入るように構成され、前記流体材料は、そこから上方に向かって移動して前記中央流体出口から出る、流体へのサイクロン式電磁気照射システム。
11. 前記電磁放射線は、紫外光又はガンマ線のうちの１つ以上である、請求項１０に記載の照射システム。
12. 前記上部チャンバは、１３０～１５０ｍｍの直径を有する、請求項１０に記載の照射システム。
13. 前記上部チャンバ及び前記下部チャンバは、合わせて２９０～３１０ｍｍの長さを有する、請求項１０に記載の照射システム。
14. 前記円筒状の中央流体出口は、９０～１００ｍｍの長さ及び３８～４２ｍｍの直径を有する、請求項１０に記載の照射システム。
15. 上部と、前記上部に連結された下部とを有する照射チャンバであって、
    前記上部は、円筒状の内面を有し、
    前記下部は、円錐状の内面を有し、
    前記上部は、空気入口と空気出口とを画定し、
    前記照射チャンバは、中心軸を画定し、中心軸は、前記上部の中心によって画定された上部内部空間及び前記下部の中心によって画定された下部内部空間を通って延在するとともに、前記空気出口と交差し、
    前記空気入口は、前記中心軸より前記円筒状の内面に近接して配置され、空気を前記上部に導入することで、
    前記空気は、前記上部の円筒状の内面に沿って前記中心軸周りに下向きの角度で前記下部に移動し、かつ前記空気が前記下部に到達した後、前記中心軸に沿って前記上部を通過して前記空気出口に移動し前記照射チャンバから出るように構成され、
    これにより、前記空気が前記下部の中及び前記空気出口周りに費やす持続時間を増加させる照射チャンバと、
    前記流体出口の周囲に沿って前記上部に配置された紫外光照射装置アレイと、
    前記中心軸に沿って前記下部に配置されることにより、前記空気が紫外光に曝される時間を増加させる紫外光照射装置と、を含む、空気を消毒するためのサイクロン式のシステム。
16. 前記上部は、前記上部の頂端から前記中心軸に沿って下方に向かって延在し、前記空気入口より低い前記空気出口を画定する円筒部を含み、これにより、前記空気のサイクロン流を増加させ、前記空気が紫外光に曝される時間を増加させる、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記下部は、前記下部の底部から前記中心軸に沿って突出し、前記下部に配置された前記紫外光照射装置を支持する延在部を含み、これにより、前記空気のサイクロン流を増加させ、前記空気が紫外光に曝される時間を増加させる、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記円筒状の内面及び前記円錐状の内面は、反射材料によって画定されることにより、前記上部チャンバ及び前記下部チャンバ内の紫外光の振幅を増加させる、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記照射チャンバを取り囲むハウジングを更に含み、前記ハウジングは、底部開口、及び前記ハウジングと前記照射チャンバとの間に配置された内側空間を画定し、前記底部開口は、前記ハウジングに入った空気を機械的に濾過するように構成されたフィルタを含み、前記内側空間は、前記フィルタと前記空気入口とを流体的に連結する、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記ハウジングの表面を裏打ちする消音材料を更に含む、請求項１９に記載のシステム。

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