JP4339118B2

JP4339118B2 - 空気紫外線消毒装置および方法

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Publication number: JP4339118B2
Application number: JP2003539729A
Authority: JP
Inventors: イサックビー．，ザサードホートン，
Original assignee: リモートライトインコーポレイテッド
Priority date: 2001-11-02
Filing date: 2002-11-01
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2022-11-01
Also published as: JP2005526533A; US6730265B2; CN1612754A; EP1450865A1; WO2003037389A1; US20030086831A1; MXPA04004226A; EP1450865A4; US20040175288A1

Description

本発明は、一般的に紫外線消毒のためのシステムおよび方法に関し、さらに詳しくは、空気および他の気体の紫外線消毒のためのシステムおよび方法に関する。

空気の消毒処理に紫外線（ＵＶ）を使用することは当業界で周知である。２５３．７ナノメートルの消毒波長の紫外線は、細胞内の遺伝（ＤＮＡ）物質を変化させるので、バクテリア、ウィルス、カビ、藻類、および他の微生物は複製することができなくなる。微生物は死んだとみなされ、それらからの疾病のリスクが排除される。空気がＵＶ消毒システムのＵＶランプを通って流れるときに、微生物は致死線量のＵＶエネルギに曝露される。ＵＶ線量は、ＵＶ線強度×ＵＶランプアレイ内の曝露時間の積として測定される。微生物学者は、排水中に見つかる指標細菌のみならず病原体をも破壊するのに必要なＵＶエネルギの有効線量をおおよそ約３４，０００マイクロワット−秒／ｃｍ^２であると決定した。典型的な先行技術の消毒システムおよび方法は約２５４ｎｍのＵＶ光を放出し、それは微生物の細胞外膜を透過し、細胞体を通過し、ＤＮＡに到達し、微生物の遺伝物質を変化させ、それを複製できなくすることによって、化学物質無しにそれを破壊する。

紫外線は三つの波長範囲、すなわち約２００ナノメートル（ｎｍ）から約２８０ｎｍまでのＵＶ−Ｃ、約２８０ｎｍから約３１５ｎｍまでのＵＶ−Ｂ、および約３１５ｎｍから約４００ｎｍまでのＵＶ−Ａに分類される。一般的に、ＵＶ光、特にＵＶ−Ｃ光は「殺菌性」である。すなわち、それはバクテリア、ウィルス、および他の病原体のＤＮＡを失活させ、したがって増殖し病気を引き起こすそれらの能力を破壊し、結果的に微生物の殺菌を効果的にもたらす。特にＵＶ「Ｃ」光は、ＤＮＡの特定の隣接する塩基間に共有結合を形成することにより、微生物の核酸を損傷させる。これらの結合の形成は、ＤＮＡが正しく読み取られて複製するのを妨げる。実際、有機体がこれらの必須分子を生産することができず、あるいは有機体が生命のプロセスに不可欠の分子を生産することができず、かつそれを複製することもできない場合、それは死ぬ。約２５０ないし約２６０ｎｍのおおよその間の波長を持つＵＶ光は最高の殺菌効果を提供する。ＵＶ光に対する感受性は様々であるが、約２０ないし３４ミリワット−秒／ｃｍ^２のＵＶエネルギへの曝露は、病原体の約９９パーセントを失活するのに適切である。

加えて、ＵＶ光は多種多様の他の化学反応を触媒することができ、多数の利用可能な化学触媒のいずれか一つまたは組合せと共にＵＶ光を使用することにより、有機粒状物質を分解するために使用できる多くの可能な触媒の組合せが生成される。ＵＶ活性化誘電性半導体と呼ばれるこれらの光触媒の一種に、酸化チタン：ＴｉＯ_２（光活性化波長：３８８ｎｍ以下）、酸化タングステン：ＷＯ_２（光活性化波長：３８８ｎｍ以下）、酸化亜鉛：ＺｎＯ（光活性化波長：３８８ｎｍ以下）、硫化亜鉛：ＺｎＳ（光活性化波長：３４４ｎｍ以下）、および酸化スズ：ＳｎＯ_２（光活性化波長：３２６ｎｍ以下）がある。これらの触媒に加えて、ＰｔＴｉＯ_２のような他の触媒が公知である。

先行技術の空気清浄化システムでは、例えばハウスダストおよび大気塵、綿ぼこリ、動物の鱗屑、食品微粒屑、タバコの煙、エアロゾル、花粉、植物の胞子、および類似物をはじめとする微粒子は、濾過、捕獲、電気集塵、および他の捕集手段によって空気流から除去される。化学物質は活性炭濾過によって除去される。加えて、微粒子および化学物質はＵＶＶ照射によって、またはＴｉＯ_２のような光触媒による酸化によって分解することができる。

そのような従来の空気清浄機は塵埃および他の微粒子を捕集するのに極めて効果的であるが、フィルタまたはプレートを定期的に掃除して、堆積した微粒子を除去しなければ、フィルタまたはコレクタプレートで粒子上に微生物が増殖する潜在的可能性がある。微生物の増殖が存在し、それを定期的な徹底した掃除により除去しなければ、菌類胞子、バクテリア、および他のアレルゲンのようなバイオエアロゾルが空気流内に再飛散し、居住密閉空間に還流する。

幾つかの先行技術の発明は、粒子捕集装置または気流自体のＵＶ照射を使用して常在性微生物を殺菌する。これらの発明は、米国特許第５９９７６１９号（１９９９年１２月７日、クヌスら）、第５９２５３２０号（１９９９年７月２０日、ジョーンズ）、第５８３３７４０号（１９９８年１１月１０日、ブレイズ）、第６０５３９６８号（２０００年４月２５日、ミラー）に記載されている。これらの先行技術は、粒子状物質および化学物質を捕集し、微生物を不活化するのに適していたかもしれないが、それらを分解することはできず、したがって頻繁な定期保守により捕集装置を掃除または交換する必要があった。

今、ＴｉＯ_２または他の光触媒を捕集装置に組み込み、ＴｉＯ_２にＵＶ光を照射することによって、粒子状物質および他の化合物を分解することが可能であることが明らかになっている。ＴｉＯ_２は、捕集された微粒子の化学分子および捕集装置の近傍の化学分子の両方の分解を触媒する。例えば、米国特許第５９３３７０２号、第５９１９４２２号、および第５８３５８４０号は、ＴｉＯ_２を充填または含浸したフィルタまたは支持体を使用し、これらのフィルタを通気システムに取り付けることによって、それら自体がＵＶの自然源に曝露されないときに、それらは紫外線源によって照射される。加えて、ＴｉＯ_２から成るフィルタをウンデシレン誘導体で処理して、化合物の分解を助けることもできる。例えばコーピンら（米国特許第６０７１４７２号）は、ＴｉＯ_２およびウンデシレン誘導体を含むフィルタの機能が空気質の観点から驚くほど効果的であることを立証し、かつ並行して、フィルタの寿命の極めて大きい延長が観察され、その漸次汚損が本質的に無生物微粒子の保持のみによるものと思われることを教示している。しかし、これおよび他の先行技術は装置専用のＵＶ光源を必要としており、ＵＶ光が光ファイバ伝送線によって、または光入力を合焦あるいは制御する光学部品を使用して同様に供給することができることは全く教示していない。

米国特許第６０５１１９４号は一般的に、光触媒コーティングへの遠隔光伝送の手段および光触媒コーティングの支持体として光ファイバを使用する固定床光触媒反応装置システムに関する。該反応装置は、例えば炭化水素または重金属で汚染された気相または液相廃棄流出物の破壊のためのバッチ処理または連続流の適用を可能にする。該反応装置は、補強されあるいは張力を掛けた一本またはそれ以上の光ファイバまたはロッドを利用して非可撓性ロッド状構成部品を形成し、それらを反応容器に対して位置的に固定し、かつ相互に極小距離に、優先的には１．５ｍｍ離して配置する。間隔配置構成を確立して維持するためには、補強し、張力を掛け、またはロッド状の、可撓性の無いファイバを持つことが不可欠である。ファイバは非触媒部分および触媒部分を有し、触媒部分は、露出したファイバ上にＴｉＯ_２光触媒コーティングを含む。光触媒反応は、ファイバの非触媒部分を使用して光、例えばＵＶを光源から触媒部分に伝送することによって実行される。コーティングの触媒部分への光の授受におけるファイバの効率のため、光源はファイバの触媒部分からかなり長い距離に配置することができる。

このようなフィルタは単一または数本のファイバから織成する必要があるので、そのような反応装置はガス流の精密濾過に特に適するものではない。多数の伝送線を使用した場合、これらを光源に接続しなければならない。そのような構成は技術的には可能であるが、結果的に得られるフィルタは比較的高価であり、また設置および取外しが面倒でもある。加えて、ペイルらによって記載された反応装置は、ファイバ間接触がＴｉＯ_２コーティングの剥離を促進するおそれがあるので、この接触を最小化するために、個々のファイバ間に空間を必要とする。したがって、ファイバを間隔配置構成に維持するするためにスペーサが使用される。この間隔配置構成は、ガス流の適切な物理的濾過を妨げる。加えて、ペイルらは、光入力を合焦しかつ制御する光学部品の使用を教示していない。したがって、この先行技術の反応装置の教示は、本発明に係る構成とは別のものである。

したがって、ガス流を清浄化し、装置の近傍の微生物を失活し、自浄式であり、取扱いが容易であり、遠隔ＵＶ光源を利用する、空気および他のガスの低保守で安価なＵＶ清浄化システムが依然として要望されている。

本発明は、ガス流を処理するためのＵＶ清浄化システムおよび方法に向けられる。

本発明の一目的は、少なくとも一つのＵＶ光源またはランプにより効果的に機能するように構成および配設された、ガス流を処理するためのＵＶ消毒システムを提供することである。

本発明の別の目的は、一時的ではあるが、清浄機によって捕集された微生物の殺菌のために、ＵＶ光源入力を受け入れるように設計されたＵＶに適した（ＵＶ−ｒｅａｄｙ）ガス流清浄機を提供することである。

本発明の別の目的は、光ファイバＵＶ伝送線を介してガス清浄機と遠隔的に着脱可能であるＵＶ光源の提示を含む。

本発明の別の目的は、清浄機に組み込まれた光触媒のＵＶ活性化を通して捕集された微粒子および化合物の分解を行なう目的で、ＵＶ光源入力を受け入れるように設計されたＵＶに適したガス流清浄機を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、入口のコネクタを介して少なくとも一つのＵＶ光に適したガス流清浄機に着脱自在に接続された少なくとも一つの光源から、ＵＶ光を受け取るために微粒子捕集器に少なくとも一つの入口を有する少なくとも一つのＵＶ光に適したガス流清浄機を選択的に起動および停止することを含む、ガス流内で紫外線消毒（ＵＶ）を達成するための方法を提供し、かつ、ガス流清浄機の内部で微生物の効果的な殺菌および消毒を達成するための少なくとも一つのＵＶ線照射空間を有する、合焦された制御可能なＵＶ光出力を提供することである。

したがって、本発明の一態様は、少なくとも一つのＵＶ光源またはランプにより効果的に機能するように構成および配設されたガス流を処理するためのＵＶ消毒システムを提供することである。

本発明の別の態様は、一時的ではあるが、微粒子捕集器によって捕集された微生物の殺菌のために、ＵＶ光源入力を受け入れるように設計されたＵＶに適したガス流清浄機を提供することである。

本発明の別の態様は、光ファイバＵＶ伝送線を介してガス流清浄機と遠隔的に着脱可能であり、かつ光学部品の使用を含む、ＵＶ光源の提示を提供することである。

本発明のさらに別の態様は、ガス流清浄機に組み込まれた光触媒のＵＶ活性化を通して捕集された微粒子および化合物の分解を行なう目的で、ＵＶ光源入力を受け入れるように設計されたＵＶに適したガス流清浄機を提供することである。

本発明のこれらおよび他の態様は、本発明に係る好適な実施形態の以下の説明を、図面に照らして考察しながら読んだ後、当業者には明らかになるであろう。
図面の簡単な記述
図１は完全なＵＶ空気消毒システムの略図である。
図２は本発明のブラインドダクト構成の略図である。

以下の説明で、幾つかの図を通して同様または一致する部品は、同様の参照文字で指し示す。また、以下の説明において、「前方」、「後方」、「前」、「後」、「右」、「左」、「上方」、「下方」などのような用語は、便宜上の語であって、限定的用語と解釈すべきではない。

今、図面について一般的に言及すると、図１は参考実施態様を説明するためのものであり、図２は本発明の好適な実施形態を説明するためのものであって、本発明をそれらに限定する意図は無い。図１は、一般的に１０で表わされたＵＶ空気消毒システムの略図を示す。このシステムでは、電源１２がＵＶ光源１４に電力を供給する。ＵＶ光源はＵＶランプ１５、光源用光学部品１６、およびハウジング１７から成る。ハウジング１７内に収容されたＵＶランプ１５によって発生するＵＶ光は、光源用光学部品１６によって、入口２２でガス流清浄機２０に接続された少なくとも一つのＵＶ伝送線１８に合焦され制御され、こうしてＵＶ光がガスに伝達される。二つ以上の光入力を希望する場合、前記入口２２は、代替的に、少なくとも一つの入口とすることができる。ガス流清浄機の入口は、ガス流（図示せず）の消毒のためにＵＶ光の追加的合焦および／または制御を達成するために、ガス流清浄機２０でＵＶ光をさらに制御する光学部品または入口光学素子３２を備える。ガス流清浄機はＵＶ線照射空間３４およびハウジング３６から成る。ＵＶ線照射空間は線量送達装置を含むことができる。ＵＶ線照射空間およびハウジングはＵＶ反射光学部品または内部光学素子２６を含むことができ、ＵＶ反射内部表面および／またはコーティング２８から構成することもできる。寿命およびＵＶ反射性のために、内部表面は、ＵＶ反射金属および合金、例えばステンレス鋼、アルミニウムおよび類似物から成るグループから選択されたＵＶ反射材から作ることができる。代替的に、または追加的に、他の非金属ＵＶ反射材を使用することができる。加えて、二次元および三次元設計を増強するＵＶ反射材および反射をガス清浄機に組み込むことによって、システムの有効性に対する内部表面の反射率の貢献を活用することができる。さらに、反射率を増強する追加的表面を清浄機ゾーンに加えることができる。加えて、ガス流清浄機を構成する微粒子捕集装置、光ファイバ伝送線、および反射表面を含むが、それらに限定されない構成部品は、それらがガス清浄機ゾーン（ＧＰＺ）の表面に接触する化合物を分解する光触媒を含むように製造することができる。したがって、このシステムでは、微粒子捕集器はＧＰＺ内に線量送達装置として含まれる。さらに詳しくは、微粒子捕集器および他の構成部品は、ＵＶ反射材、ＵＶ反射設計、光触媒、および追加的光触媒、ならびにシステムの有効性を有利に増強する反射面を組み込んだ、一体化二次元および三次元設計を形成する。

本発明の好適な実施形態はガス流の向流照射を利用する。この実施形態の保護向流システムでは、ＵＶ照射はガス流に対して並行に向けられる。このガス流は、ＵＶ放出装置に接触する前にそれから遠ざかるように方向付けられる。例えば、図２に示し、一般的に２０で表わすようなブラインドダクト構成では、ガスは、光学装置の周囲のガス循環を低減するように設計されたブラインドダクト５１に埋め込まれたＵＶ放出光学装置５０から９０度にダクトで導かれる。代替的に、または追加的に、光学装置は自浄式ＵＶ透過材５２によって保護することができる。そのような構成はＵＶ線照射空間の増加をもたらし、またＵＶ放出光学装置の汚損を低減する。このシステムは、微粒子捕集器の汚損が大きい問題になるほどガスの濁度が大きく、微粒子が分解しない微生物の殺菌がガスの充分な清浄化とみなされる場合に、使用することができる。代替的に、ダクトおよび／または他の構成部品の自浄のため、または捕集された微粒子の実際の分解のために、ＵＶ光が最終的に光触媒表面に衝突するようにシステムを構成することができる。そのような実施形態は拡大縮小が容易である。例えば、本実施形態のサイズは、単一ＵＶ照射点を持つ小型の携帯用から、複数のＵＶ照射点を持つ大型のガスダクトシステム全体用に及ぶことができる。

本発明に係るＵＶ光源および構成に一般的に関連して、好適な実施形態は、少なくとも一つの光ファイバ伝送線を介してガス流清浄機に遠隔的に接続可能なＵＶ光源を含む。加えて、本発明の好適な実施形態は、ＵＶ光源とＵＶ光源システム出力点との間に配置された少なくとも一つの光学部品を含む。光学部品の使用により、システムが所定のＵＶ光源またはランプの出力におけるＵＶ光線の強度を最大にし、合焦し、かつ制御することができることが有利である。また、本発明の譲受人と同一人が所有し、参照によって丸ごと本書に組み込む、米国特許第６０２７２３７号、第５９１７９８６号、第５９１１０２０号、第５８９２８６７号、第５８６２２７７号、第５８５７０４１号、第５８３２１５１号、第５７９０７２５号、第５７９０７２３号、第５７５１８７０号、第５７０８７３７号、第５７０６３７６号、第５６８２４４８号、第５６６１８２８号、第５５５９９１１号、第Ｄ４１７９２０号に記載されているように、反射器、シャッタ、レンズ、スプリッタ、ミラー、剛性および可撓性ライトガイド、ホモジナイザまたは混合ロッド、マニホルドおよび他のカプラ、フィルタ、カラーホイール、および類似物を含むが、それらに限定されない光学部品を組み合わせて利用して、希望する制御および出力を達成することができる。加えて、グレーティング、ダイクロイックフィルタ、フォーカライザ、勾配レンズ、勾配反射器、軸外レンズ、および軸外反射器のような光学部品を使用することができる。本発明に含まれる全てのＵＶ透過性光学部品はＵＶ透過材から作られ、本発明に含まれる全てのＵＶ反射性光学部品はＵＶ反射材から作られる。光ファイバ伝送線は石英ファイバ、側面発光ファイバ、ガラスファイバ、アクリルファイバ、液体コアファイバ、中空コアファイバ、コアシースファイバ、誘電性同軸ファイバ、またはファイバの組合せを含むことができる。

レンズに関して、本発明の範囲内で幾つかの実施形態が考えられる。放物線型レンズのような結像レンズ、および勾配レンズのような非結像レンズを使用して、光出力を合焦および制御することができる。さらに詳しくは、勾配レンズは集光用開口を通して光を捕集し、それを集光用開口の面積より小さい面積に集中させる。この集光は、光が屈折によって「じょうごを通して」焦点領域に集まるように、光透過軸に沿って連続的にまたは準連続的にレンズの屈折率を変化させることによって達成される。勾配レンズ技術の一例としてソラリア・コーポレーション（ＳｏｌａｒｉａＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）によって製造されたＧｒａｄｉｕｍ（登録商標）レンズがある。代替的に、米国特許第５８３６６６７号に記載されたトロイダル反射器を使用する。この実施形態では、アークランプのようなＵＶ放射源を、凹形トロイダル反射面の光軸から変位した点位置に配置する。凹形一次反射器は、光源からの放射を、光軸から変位した軸外像点に合焦させる。トロイダル反射面の使用は、球形反射面に比べて、軸外幾何学によって生じる収差を実質的に低減することにより、光ファイバのような小さい標的への集光効率を高める。第二凹形反射器を第一反射器に対向して配置して、小さい標的によって集光される全光束をさらに高める。

加えて、二つ以上の反射器をランプと共に使用することができる。例えば、米国特許第５７０６３７６号および第５８６２２７７号に教示されているように、二つの反射器または三つもしくはそれ以上の反射器を、好適な実施形態に組み込むことができる。

とりわけ、本発明に係るシステム構成には、ガスまたは流入液の特性およびシステム内の流量に応じて、様々な材料、例えば最も一般的には水銀（Ｈｇ）から作られた低圧、中圧、高圧、および超高圧ランプを含め、任意の数のランプを使用することができることが。さらに、高圧および超高圧ランプは、主にそれらに関連する低エネルギ効率、および先行技術の設計および構成方式の高圧ＵＶランプを含める容量の欠如のため、今日まで先行技術のシステムでは商業的に使用されていないが、本発明は、全て金属、ハロゲン、およびメタルハライド組合せとすることができる中圧ないし高圧ないし超高圧ランプを受け入れるのに適している。加えて、スペクトル校正ランプ、無電極ランプ、および類似物を使用することができる。

特に、限定ではなく、例として、本発明に係る一つの好適な実施形態は、鉛筆型スペクトル校正ランプを収容する光ポンプを使用する。光ポンプにより、所定の数のガス流清浄機を処理するために必要なランプの数を低減することができる。また、ランプは、清浄化するガス流に曝露されないので汚損しにくい。さらに、清浄機の保守および点検が大幅に簡素化される。鉛筆型スペクトル校正ランプは小型であり、細く強い放射、一定した再現可能な平均強度、および他の高ワットランプに比較して長い寿命をもたらす。この型のＨｇ（Ａｒ）ランプは一般的に温度に影響されず、水銀蒸気の放電が支配的になるまでわずか２分間のウォームアップ、および次いで完全に安定化するのに３０分が必要なだけである。本発明に係る好適な実施形態では、現在市販され、ＯＲＩＥＬインスツルメントによって供給されているＨｇ（Ａｒ）ＵＶランプを使用する。ＯＲＩＥＬの型式６０３５のＨｇ（Ａｒ）ランプは、２５４ｎｍでＵＶ放射線を放出する。ＤＣ電源を使用して１５ｍＡで動作するときに、このランプは光源から２５ｃｍの位置で７４マイクロワット／ｃｍ^２の２５４ｎｍの放射線を放出する。

本発明に係る別の好適な実施形態は、中ないし高圧ＵＶランプ、より好ましくは高圧ＵＶランプを使用する。これらのランプは、水銀ランプおよび／またはＨｇ（Ａｒ）、Ｈｇ（Ｘｅ）、およびＨｇ（Ｎｅ）のような水銀ハライドランプを含むことができる。

これらの光源によって発生した光は、ＵＶ透過光カプラによって結合される光学素子およびファイバを介して合焦される。限定ではなく、例として、これらのカプラは石英カプラ、液体充填カプラ、中空カプラ、または誘電性同軸カプラとすることができる。

特に、ＵＶランプはガス清浄機から分離され、光学部品を組み込んだ光送達システムを含むので、本発明は上記の特徴の全てを含むことが有利である。ガス清浄機に入るＵＶ線量は微生物を殺菌するのに充分なほど大きくないので、ＵＶ光源と共に光学部品を使用せずに、光の強度を効果的に合焦し、方向付け、かつ制御して有効な消毒を達成することはできない。ガス清浄機自体に組み込まれた光学部品を使用することにより、ガス清浄機はＵＶ光の供給用の一本の光ファイバ伝送線にのみ結合する必要がある。代替的に、伝送線または他の光学素子から出る光によってガス清浄機の照射ができるように、光ファイバ伝送線およびガス清浄機を並置するだけでよい。

光ランプ構成はランプ寿命を有利に延長し、それによって長い交換期間またはランプ寿命サイクルを達成する。ランプの電源を入切を繰り返すとランプ寿命は低下するので、システムは、照射すべき装置または領域にＵＶ光を単に送るだけで、他の器具および領域がガス流清浄機で断続的に殺菌されるようにシステムを構築および構成することができる。したがって、ランプの電源を頻繁に入切する必要が無い。しかし、システムを起動するためのタイマまたは他の手段をガス清浄機に組み込んで、照射量を制御することができる。

ガス清浄化ゾーンは、その中に確立された幾つかのＵＶ線量領域（図示せず）を持つことが有利であり、これらのＵＶ線量領域は可変である。すなわち、出力領域における光源導入部からの距離が大きければ大きいほど、特定の領域、面積、または体積におけるＵＶ光の強度は低くなる。第一領域は近接光源システム出口ＵＶ線量領域であり、それは光源システムとガスの界面で発生する。次の領域はガス内部ＵＶ線量領域であり、それはガス清浄機の内部で発生する。この領域はガス領域または蒸気領域とすることができる。すなわち湿気が導入された場合には、蒸気領域が存在するかもしれない。最後の領域はＵＶ表面線量領域であり、それはガス清浄機の内部表面に発生する。

ガス清浄機の内部表面は、内部表面の近傍で特定の反応が触媒されるように、光触媒特性を持つことができる。これらの光触媒は、酸化チタン：ＴｉＯ_２（光活性化波長：３８８ｎｍ以下）、酸化タングステン：ＷＯ_２（光活性化波長：３８８ｎｍ以下）、酸化亜鉛：ＺｎＯ（光活性化波長：３８８ｎｍ以下）、硫化亜鉛：ＺｎＳ（光活性化波長：３４４ｎｍ以下）、および酸化スズ：ＳｎＯ_２（光活性化波長：３２６ｎｍ以下）がある。これらの触媒に加えて、ＰｔＴｉＯ_２のような他の触媒が公知であり、本発明に使用するのに適した代替触媒として含まれる。

例えば、ＴｉＯ_２は、ガラス、アクリル、紙、または他の適切な材料から作られた表面に組み込むことができる。そのような表面に活性光を照射すると、表面に接触するか近接する脂肪酸および他の有機化学物質が化学的に分解され、結果的に二酸化炭素および水のような小さい揮発性生成物に分解される。加えて、一酸化炭素および他の有害なガスがそのようなシステムで酸化される。したがって、ＴｉＯ_２または他の光触媒物質を内部表面に組み込み、その後に活性化波長を照射することにより、幾つかのヒト毒素――有機化学物質、一酸化炭素、および他の喫煙または燃焼副生物の水準が低減される。消毒されたガス清浄機は、ガス清浄機の表面の化学残留物を増大する化学物質または他の添加物を加える必要なく、微生物が完全に無くなる。

また、微生物、粒子状物質、および揮発性化学物質の最大破壊は幾つかの変数に依存する。例えば、ＵＶ−ＴｉＯ_２システムは、約４０％未満の湿度水準では適切な微生物破壊をもたらさない。他方、処理される空気が７０％を越す湿度水準を持つ場合、有機体の失活は不完全である。約４０％から約７０％の間の湿度、好ましくは約５０〜６０％、さらに好ましくは約５０％の湿度が、本発明に係るシステム内での有機体の失活に効果的である。また、清浄機ゾーンにおける汚染空気の適切な滞留時間無しに、完全な失活は得られない。したがって、単一または多機能ガス流サンプラおよび他の装置４２をガス流清浄機の前および／または後でガス流に組み込み、湿度、温度、ガス分圧等のようなパラメータを決定および制御することができることが有利である。決定できるガスとして、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、二酸化硫黄、硫化水素、窒素酸化物、メルカプタン、炭化水素、メタン、および他の揮発性有機化合物が含まれるが、これらに限定されない。

微生物のＵＶ死滅はＵＶ線量に依存し、それは光の強度および曝露の持続時間の関数である。したがって、ＵＶ光の強度を増加するか、または曝露時間を増加することによって、ＵＶ線量を増加することができる。曝露時間は、ＵＶ線照射空間におけるガス流の速度を低減するか、照射されるガスの体積を増加するか、またはＵＶ線照射空間で微粒子を捕集することによって、増加することができる。ＵＶ線照射空間におけるガス流の速度を低減することによって曝露時間を増加する実施形態の一例として、ＵＶ線照射空間のガスダクトの断面積を増加する場合がある。ダクトの体積の増加のため、ガスの速度は遅くなり、したがって曝露時間が増加する。照射されるガスの体積を増加することによって曝露時間を増加する実施形態の一例として、ガスダクトに沿ってファイバの配列を利用し、ガスダクト内部の小区間の照射ではなく、ガスダクト内部の長さの照射を行なう場合がある。そのような実施形態は、ガス流と並列に配置された側面発光ファイバ、ダクトに沿って間隔配置された規則的側面発光ファイバ、またはＵＶ照射をガスダクト内部の長さに拡張する光学素子を持つファイバを使用することによって、達成することができる。そのような実施形態では、単一のランプおよび多数の光ファイバ伝送線を使用する光ポンプ装置が、拡張曝露領域を達成するために複数のランプを使用するシステムに比較して、システムの設置および保守コストを顕著に低減する。最後に、微粒子捕集器をＵＶ線照射空間に挿入してＵＶ曝露時間を増大させることができる。これらの微粒子捕集器としてファイバフィルタ、高効率微粒子捕集（ＨＥＰＡ）フィルタ、電気集塵器、サイクロン集塵器、および類似物が含まれるが、それらに限定されない。これらの微粒子捕集器は、ガス流清浄機の他の構成部品についてその結果得られる利点と共に前述したような、光学部品ならびにＵＶ反射性および光触媒特性を含むことができる。これらの微粒子捕集器はまた、既存のガス／ＨＶＡＣシステム内に嵌め込むのに適切なサイズにすることもできる。

限定ではなく、例として、ＴｉＯ_２およびウンデシレン酸またはその誘導体を被覆したガラスファイバから成るフィルタをガス流に介在させて、ガス流に含まれる微粒子および揮発性物質を捕集および分解する。光ファイバ伝送線によって伝送されるＵＶ光をフィルタに照射して、微粒子および揮発性物質の分解を行ない、微生物を殺菌する。

光ファイバ伝送線は微粒子捕集器から分離することができ、あるいは織成、編成、または不織方法によって微粒子捕集器内に組み込むことができる。微粒子捕集器はまた多層構造として製造して、表面線量領域内の微粒子の滞留時間を増加し、こうしてＵＶ照射および微粒子捕集器に組み込まれた光触媒への曝露を増加することもできる。加えて、ＰＡファイバは滞留時間を増加するメッシュサイズとすることができる。代替的にＰＡファイバは、滞留時間を低減するがガス圧の降下を少なくするメッシュサイズとすることができる。そのようなメッシュサイズは、循環型ガス清浄化システムに望ましいかもしれない。そのようなシステムでは、ガスはＧＰＺを複数回通過する。したがって、ＧＰＺの第一回通過時に捕獲されない微粒子は後の通過時に最終的に捕獲されるので、効率の低いＰＡが適切であるかもしれない。高いガス品質が望まれる場合、単一の密なメッシュのＰＡではなく、直列の複数のＰＡを使用することができる。そのようなシステムは、単一の高効率ＰＡを組み込んだシステムより故障しにくく、かつサービスが安価である。加えて、そのようなシステムは、単一のＵＶ光源から複数のフィルタにＵＶ光を送ることができる光ファイバをベースとするシステムにより、容易に照射することができる。

フィルタは、アクリル、ガラス、石英、紙、セルロース、綿、および／または他の半透明および不透明の天然および合成素材を含むが、それらに限定されない様々なファイバから製造することができる。これらのファイバは、前述した通り、光触媒を被覆してもしなくてもよい。

微粒子捕集器は自浄式に設計されるが、分解しない無機物質はフィルタに蓄積し、最終的にそれを汚損する。したがって、フィルタは掃除するかまたは廃棄しなければならない。好適な実施形態では、フィルタは、廃棄するかリサイクルすることができる、安価な設計および構成である。

このシステムの幾つかの利点として、遠隔ランプが汚損を除去するために、ガス清浄機の内部にあるランプほど高価な清掃保守を必要としないという事実がある。加えて、このシステムは、清浄機の自浄の側面のため、清浄機の保守を低減することができる。また、清浄機を一本だけの光ファイバ伝送線に結合するかまたは光ファイバ伝送線に並置する必要が無いという事実のため、清浄機に含まれる微粒子捕集装置のような構成部品の交換が簡単にできる。最後に、光ポンプ構成は、ランプの寿命を著しく延長する。

したがって、本発明に係るこの好適な実施形態の利点から分かるように、本発明に係るこの好適な実施形態に必要な保守は著しく低減される。

好適な実施形態では、少なくとも一つの入口光学素子がガス清浄機の入口開口に、入口開口とガス流清浄機または微粒子捕集器との間に配置される。少なくとも一つの入口光学素子の機能は、システムのＵＶ消毒および分解能力を増強するために、ガス流清浄機のＵＶ光の配分を制御することである。入口光学素子は、光源用光学素子について記述したものと同様とすることができ、本発明の譲受人と同一人が所有し、参照によって丸ごと本書に組み込む、米国特許第６０２７２３７号、第５９１７９８６号、第５９１１０２０号、第５８９２８６７号、第５８６２２７７号、第５８５７０４１号、第５８３２１５１号、第５７９０７２５号、第５７９０７２３号、第５７５１８７０号、第５７０８７３７号、第５７０６３７６号、第５６８２４４８号、第５６６１８２８号、第５５５９９１１号、第Ｄ４１７９２０号、および同時係属出願第０９／５２３６０９号および第０９／５８７６７８号に記載されているように、所望の制御および出力を達成するために、反射器、シャッタ、レンズ、スプリッタ、ミラー、剛性および可撓性ライトガイド、ホモジナイザまたは混合ロッド、マニホルドおよび他のカプラ、フィルタ、カラーホイール、および類似物を含むが、それらに限定されない光学部品を組み合わせて利用することができる。加えて、グレーティング、ダイクロイックフィルタ、フォーカライザ、勾配レンズ、および軸外反射器のような光学部品を使用することができる。最終的に、側面発光光ファイバ伝送線を使用して、ＵＶ光をフィルタ全体に分配することができる。

入口光学素子用の全てのＵＶ透過光学部品はＵＶ透過材から作られ、入口光学素子用の全てのＵＶ反射光学部品はＵＶ反射材から作られる。これらの光学素子はガス流微粒子捕集器内に伸長する。例えば、光ファイバ伝送線はガス流微粒子捕集器内に組み込み、ＵＶ光をガス流微粒子捕集器の様々な領域に送るために使用することができる。光ファイバ線は、石英ファイバ、側面発光ファイバ、ガラスファイバ、アクリルファイバ、液体コアファイバ、中空コアファイバ、コアシースファイバ、誘電性同軸ファイバ、またはファイバの組合せを含むことができる。加えて、ガス流内に伸長するこれらのファイバの一部分は、自浄するように光触媒を被覆することができる。光学素子はまた、ガス清浄機の構造内に組み込むこともできる。例えば、微粒子捕集器の前および／または後のガス清浄機の内部は、これらの表面に衝突したＵＶ放射が反射してガス流に戻るように、ＵＶ反射材のものとすることができる。

ＵＶ消毒のそのようなシステムは、ガス流清浄機機能サイクルで予め定められた時間にＵＶ光源を起動するかまたはガス清浄機内部の照射を可能にすることによって、ガス清浄機機能サイクル内に容易に統合することができる。代替的に、ＵＶ消毒システムは、希望するときに手動で起動することができ、あるいは例えば自然換気システムでガス流量がしきい値に達したときに起動するようにプログラムすることができる。

ガス流の殺菌のための方法は、合焦した制御可能な光出力をガス清浄機に提供するように配置された少なくとも一つの光学接続部によって接続された少なくとも一つの光源と、制御機構とから成るガス清浄機を提供し、それによってガス中の微生物を効果的に殺菌するための少なくとも一つのＵＶ線照射空間を生成し、ＵＶ光源を起動し、ガス清浄機にガスを通過させ、それによって殺菌されたガス流を提供することから構成される。

当業者は、以上の記述を読んで特定の変形および改善を思いつくであろう。例として、所定のシステムに対する特定のＵＶ光源またはランプの選択に応じて、様々な光学部品が使用される。さらに、本発明の範囲内で、空調、暖房、製造、動物の飼育、および類似物に関係するガス清浄機に対するＵＶガス清浄化システムおよび方法の適用を含め、多種多様な適用例が考えられる。例として、ガス流清浄機の消毒は、換気システム、排気システム、製造用吸気システム、および類似物を含むが、それらに限定されない。これらのガス流清浄機は商業用または家庭用とすることができる。

これらの多数の適用点をライトガイドによって光ランプなどの単一光源に接続することもできる。そのような構成は、各適用点におけるランプまたは光源の必要性を排除する。各適用点を連続的に照射する必要が無いかもしれないので、そのような構成は、単一用途の場合に必要とされるのと同じサイズのランプで、複数の用途に断続的に、かつ／または必要に応じてサービスを提供することができ、したがってランプをより効率的に利用することができる。加えて、ランプを適用位置の外に配置することにより、ランプまたはランプハウジングが破損した場合に、ガラスおよび／または水銀でガス流が汚染する危険性が低減される。

簡潔さおよび読み易さのために、全ての変形および改善はここでは削除したが、請求の範囲内であることは当然である。

完全なＵＶ空気消毒システムの略図。本発明のブラインドダクト構成の略図。

Claims

微生物の効果的な殺菌のためのガス清浄化システムであって、ガス清浄機に少なくとも一つの光学接続部によって接続されたハウジング内に配置された少なくとも一つのＵＶ光源であって、ガス清浄機から分離されておりかつ合焦された制御可能な光出力をガス清浄機に提供するように配置されている少なくとも一つのＵＶ光源と、少なくとも一つのＵＶ光源を制御するための制御機構とを含み、それによってガス清浄機を通過するガス流中の微生物の効果的な殺菌のための少なくとも一つのＵＶ光源から離れかつガス清浄機内の少なくとも一つのＵＶ線照射空間を生成して成るガス清浄化システムにおいて、前記ガス清浄機が前記ＵＶ線照射空間およびガス清浄機ハウジングを含み、前記ＵＶ線照射空間が、ガス流を流すためのダクトおよびＵＶ線伝送および照射装置を含み、前記ダクトが９０度の折れ曲がり部分を有し、その折れ曲がり部分の外側に前記ＵＶ線伝送および照射装置が、折れ曲がり部分より上流のガス流に対向するＵＶ照射を提供するように設けられていること、および前記ＵＶ光源からのＵＶ線が、前記ＵＶ線伝送および照射装置によって前記ＵＶ照射空間に照射されることを特徴とするガス清浄化システム。
前記光源が、少なくとも一つのランプと、少なくとも一つの光学素子と、ハウジングと、電源装置とを含む光ポンプである、請求項１に記載のガス清浄化システム。
前記光源が少なくとも一つのランプである、請求項１に記載のガス清浄化システム。
前記ランプがＵＶランプである、請求項３に記載のガス清浄化システム。
前記ＵＶランプが高圧ランプである、請求項４に記載のガス清浄化システム。
前記ＵＶランプがスペクトル校正ランプである、請求項４に記載のガス清浄化システム。
前記ＵＶランプが無電極ランプである、請求項４に記載のガス清浄化システム。
前記ＵＶランプが水銀ハライドランプである、請求項４に記載のガス清浄化システム。
前記ＵＶランプがＵＶＶおよびＵＶＣ波長の光を放出する、請求項４に記載のガス清浄化システム。
前記光源が、合焦した制御可能な光出力をガス清浄機に提供するように配置された少なくとも一つの光源用光学部品を含む、請求項４に記載のガス清浄化システム。
前記光源用光学部品がＵＶ透過性である、請求項１０に記載のガス清浄化システム。
前記光源用光学部品がＵＶ反射性である、請求項１０に記載のガス清浄化システム。
前記少なくとも一つの光源用光学部品が、反射器及び／又はレンズである、請求項１０に記載のガス清浄化システム。
前記少なくとも一つの光学接続部が光ファイバ伝送線である、請求項１に記載のガス清浄化システム。
前記光ファイバ伝送線が前記光源および前記ガス清浄機に着脱自在に接続可能である、請求項１４に記載のガス清浄化システム。
前記光ファイバ伝送線が、アクリル線、ガラス線、液体コア線、石英線、中空コア線、コアシース線、誘電性同軸線、およびそれらの組合せを含む光ファイバ伝送線のグループから選択される、請求項１４に記載のガス清浄化システム。
前記ガス清浄機ハウジングがＵＶ反射性である、請求項１に記載のガス清浄化システム。
前記ＵＶ線照射空間が、光ファイバ伝送線に着脱自在に接続するための入口を含む、請求項１に記載のガス清浄化システム。
入口開口とガス清浄機の内部との間に配置された少なくとも一つの入口光学部品をさらに含む、請求項１８に記載のガス清浄化システム。
前記少なくとも一つの入口光学部品がＵＶ透過性である、請求項１９に記載のガス清浄化システム。
前記少なくとも一つの入口光学部品がＵＶ反射性である、請求項１９に記載のガス清浄化システム。
前記少なくとも一つの入口光学部品が、反射器及び／又はレンズである、請求項１９に記載のガス清浄化システム。
前記ＵＶ線照射空間がＵＶ反射材を含む、請求項１に記載のガス清浄化システム。
前記ＵＶ線伝送および照射装置が、側面発光ファイバ伝送線、端面発光ファイバ伝送線、およびそれらの組合せから成るグループから選択された少なくとも一つの発光器を含む、請求項１に記載のガス清浄化システム。
前記ＵＶ線伝送および照射装置が直列の少なくとも二つの微粒子捕集器をさらに含む、請求項１に記載のガス清浄化システム。
前記ＵＶ線伝送および照射装置が触媒表面を含む、請求項１に記載のガス清浄化システム。
前記触媒表面が自浄式である、請求項２６に記載のガス清浄化システム。
前記触媒表面が少なくとも一つの光触媒を含む光触媒表面である、請求項２６に記載のガス清浄化システム。
前記少なくとも一つの光触媒が光活性誘電性半導体である、請求項２８に記載のガス清浄化システム。
前記少なくとも一つの光触媒がＴｉＯ_２、ＷＯ_２、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＳｎＯ_２、ＰｔＴｉＯ_２、およびこれらの組合せから成るグループから選択される、請求項２８に記載のガス清浄化システム。
前記ガス清浄機の少なくとも一つの内部表面がＵＶ反射性表面である、請求項１に記載のガス清浄化システム。
前記少なくとも一つのＵＶ反射性表面がステンレス鋼、アルミニウム、およびそれらの組合せから成るグループから選択される、請求項３１に記載のガス清浄化システム。
前記ガス清浄機の内部が、内部表面に取り付けられた少なくとも一つの内部光学部品を含む、請求項１に記載のガス清浄化システム。
前記少なくとも一つの内部光学部品がＵＶ透過性である、請求項３３に記載のガス清浄化システム。
前記少なくとも一つの内部光学部品がＵＶ反射性である、請求項３３に記載のガス清浄化システム。
前記少なくとも一つの内部光学部品が、反射器及び／又はレンズである、請求項３３に記載のガス清浄化システム。
前記ＵＶ線伝送および照射装置がガス流から保護される、請求項１に記載のガス清浄化システム。
前記保護がシールドである、請求項３７に記載のガス清浄化システム。
ガス中の微生物を効果的に殺菌するためのガス清浄機であって、前記ガス清浄機がＵＶ線照射空間およびガス清浄機ハウジングを含み、前記ＵＶ線照射空間が、ガス流を流すためのダクトおよびＵＶ線伝送および照射装置を含み、前記ダクトが９０度の折れ曲がり部分を有し、その折れ曲がり部分の外側に前記ＵＶ線伝送および照射装置が、折れ曲がり部分より上流のガス流に対向するＵＶ照射を提供するように設けられていること、およびＵＶ光源からのＵＶ線が、前記ＵＶ線伝送および照射装置によって前記ＵＶ照射空間に照射されることを特徴とするガス清浄機。
前記ハウジングがＵＶ反射性である、請求項３９に記載のガス清浄機。
前記ハウジングが、光ファイバ伝送線に着脱自在に接続するために前記ＵＶ線照射空間に近接する入口を含む、請求項３９に記載のガス清浄機。
前記入口と前記ガス清浄機の内部との間に配置された少なくとも一つの入口光学部品をさらに含む、請求項４１に記載のガス清浄機。
前記少なくとも一つの入口光学部品がＵＶ透過性である、請求項４２に記載のガス清浄機。
前記少なくとも一つの入口光学部品がＵＶ反射性である、請求項４２に記載のガス清浄機。
前記少なくとも一つの入口光学部品が、反射器及び／又はレンズである、請求項４２に記載のガス清浄機。
前記ＵＶ線照射空間がＵＶ反射材を含む、請求項３９に記載のガス清浄機。
前記ＵＶ線伝送および照射装置が、側面発光ファイバ伝送線、端面発光ファイバ伝送線、およびそれらの組合せから成るグループから選択された少なくとも一つの発光器を含む、請求項３９に記載のガス清浄機。
前記ＵＶ線伝送および照射装置が触媒表面を含む、請求項３９に記載のガス清浄機。
前記触媒表面が自浄式である、請求項４８に記載のガス清浄機。
前記触媒表面が少なくとも一つの光触媒を含む光触媒表面である、請求項４８に記載のガス清浄機。
前記少なくとも一つの光触媒が光活性誘電性半導体である、請求項５０に記載のガス清浄機。
前記少なくとも一つの光触媒がＴｉＯ_２、ＷＯ_２、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＳｎＯ_２、ＰｔＴｉＯ_２、およびこれらの組合せから成るグループから選択される、請求項５０に記載のガス清浄機。
前記ガス清浄機の少なくとも一つの内部表面がＵＶ反射性表面である、請求項３９に記載のガス清浄機。
前記少なくとも一つのＵＶ反射性表面がステンレス鋼、アルミニウム、およびそれらの組合せから成るグループから選択される、請求項５３に記載のガス清浄機。
前記ガス清浄機の内部が、内部表面に取り付けられた少なくとも一つの内部光学部品を含む、請求項３９に記載のガス清浄機。
前記少なくとも一つの内部光学部品がＵＶ透過性である、請求項５５に記載のガス清浄機。
前記少なくとも一つの内部光学部品がＵＶ反射性である、請求項５５に記載のガス清浄機。
前記少なくとも一つの内部光学部品が、反射器及び／又はレンズである、請求項５５に記載のガス清浄機。
請求項１に記載のガス清浄化システムを提供するステップと、前記ＵＶ光源を起動するステップと、前記ガス清浄機に前記ダクトを通してガスを通過させ、前記ダクトの折れ曲がり部分より上流のガス流に対向してＵＶ照射を行い、それによって殺菌されたガス流を提供するステップとを含む、ガスを清浄化するための方法。
清浄化されるガスが喫煙または燃焼副生物である請求項１に記載のガス清浄化システム。
清浄化されるガスが喫煙または燃焼副生物である請求項３９に記載のガス清浄機。
清浄化されるガスが喫煙または燃焼副生物である請求項５９に記載のガスを清浄化するための方法。