JP4371813B2 - 紫外放射線を使用して水を滅菌する装置 - Google Patents

Description

本発明は、有毒な化合物内の化学的結合を分解し且つ、病原体を不活性にするため強力な紫外放射線を使用する水清浄化システムに関する。該方法は、また、空気の清浄化を含む、任意の大量輸送にも適用可能である。これらのシステムは、自然に生ずる有毒物を含む流体、又はウェハにて使用される生物学的及び化学的物質に起因する有毒物を含む流体を清浄化するために使用することができる。

水を滅菌するため紫外線（ＵＶ）の低圧力水銀蒸気放電灯は、１９０１年、フランス、マルセイユで最初に使用された。しかし、１９５５年迄、紫外線滅菌法は、ヨーロッパで飲料水用に広く使用されなかった。その年に、スイス、オーストリア及びノルウェーにて紫外線滅菌装置が設置された。塩素処理する間にハロゲン化した炭化水素が形成されることが判明した後、それ以降、紫外線滅菌処理は、殆どのヨーロッパの国で普及した。

１９１６年８月２９日付けで発行された米国特許第１，１９６，４８１号には、水を清浄化するのに十分な紫外線光（大部分、２５４ｎｍの波長）を発生させるため水銀蒸気灯を使用することが記載されている。長いアーク連続作動の水銀系灯の紫外線効果に基づいた、この基本的アプローチ法は、永年に亙って改良されており、例えば、次ぎの特許に記載されている。すなわち、１９６５年５月４日付けで発行されたエルナー（Ｅｌｌｎｅｒ）の米国特許第３，１８２，１９３号、１９８４年１１月１３日付けで発行されたマーシェーカーウィード（Ｍａａｒｓｃｈａｌｋｅｒｗｅｅｒｄ）の米国特許第４，４８２，８０９号、１９９１年１２月３日付けで発行されたモイハー（Ｍｏｙｈｅｒ）の米国特許第５，０６９，７８２号、１９９５年２月２８日付けで発行されたティーデ（Ｔｉｅｄｅ）の米国特許第５，３９３，４１９号及び２０００年８月８日付けで発行されたアンダーソン（Ａｎｄｅｒｓｏｎ）の米国特許第６，０９９，７９９号である。これら技術の大部分は、バッフル、紫外線透過コイル、及び制御された渦流を使用することを通じて紫外線の照射量の均一さを向上させること、所定の容積中の灯の数を増すことにより高流量に対する紫外線の強さを増大させること、及びテフロン（登録商標）被覆、ワイパー機構を使用し且つ、渦流を追加することによってメンテナンス性を改良するといったような、商業的有用性に関連した特徴を改良するものであった。

従来技術の紫外線水滅菌システムは、水を紫外放射線に露呈させ、放射線が水を透過し、反射面を打撃し、次に、反射した後、水を通って進むようにする。反射面は、かなり多量の放射線を吸収する。かかるシステムの効率を改良することが永年の課題であった。

本発明は、水を管の一端を通じて流し且つ、高強度の灯からの紫外線（ＵＶ）エネルギを他端から管を通って結合するようにした、水又はその他の流体を滅菌する装置及び方法に関するものである。水又はその他の流体は、流体光パイプのコアのように機能し、管を取り巻く空隙が低屈折率のクラッドとして機能する。管自体は、紫外線等級の溶融石英ガラスのような紫外線非吸収性材料で出来ている。好都合であることに、全内反射（ＴＩＲ）に基づく光パイプ技術を使用することが全ての入力紫外放射線を水中で放散させることを保証する。好ましいことに、当該技術にて、光パイプ内の光束の均一さを最大にすることが知られているように、管は、多角形の断面のものであるようにする。

多数の領域を有する本発明の実施の形態は、全て最高の実施効率にて、広範囲の水吸収効率を取り扱う。本発明の１つの特徴によれば、３つの領域の１つは、管の一部分の周りのみを同心状に取り巻く同心状の紫外線等級の管材によって画成され、水はこの管の一部分を通って流れ、これらの領域の他のものは、これらの管と包み込む外管との間に画成される。

最初に、図１を参照すると、中央の光パイプとして機能する流体入口管１０と、流体入口管１０の下側部分の周りにあり且つ、該下側部分と共に、同心状の空隙１５を画成する光クラッド管２０と、流体封じ込め容器３０と、流体出口管５０と、フラッシュ灯のような高強度の紫外線灯４０とを含む、本発明による紫外線（ＵＶ）水滅菌装置の基本的構造が図示されている。

次に、図２を参照すると、流体封じ込め容器３０は、紫外線鏡３１のような形態とされた内面を有している。例えば、流体封じ込め容器は、アルミニウムにて製造し、また、内面は、磨いたアルミニウム面とすることができる。水のような、滅菌すべき流体５は、入口端部１１から流体入口管１０に入る。流体入口管１０は、例えば、紫外線等級の溶融石英で製造することができる。

流体５は、流体入口管１０を通って高強度紫外線灯４０に向けて流れ且つ、出口端１２にて流体入口管１０から出る。次に、流体５の流れは、流体封じ込め容器３０の下端の一部分を形成する紫外線（ＵＶ）窓の下面３６を打撃する。次に、流体５の流れは、流体封じ込め容器３０の上端内に配置された流体出口管５０に方向変更される。

流体５は、流体封じ込め容器３０内に封じ込まれている。流体封じ込め容器３０は、紫外線鏡３１を画成する反射性内面を有するアルミニウム外殻内に封じ込まれた、紫外線等級の溶融石英にて製造することのできる内管３３を有しており、外殻と内管３３との間に空隙３２がある。次に、外管３０の端部は、紫外線窓下面３６及び紫外線窓上面３７にて閉じられる。

紫外線（ＵＶ）水滅菌装置の好ましい方位は垂直であり、このため、流体５の流れはプラグ流に近似したものとなり、流体出口管５０の位置は、最高点付近にあり、望ましくない気泡を迅速に且つ効率的に除去することを許容する。流体５内に存在する気泡は、紫外放射線の散乱箇所となり、これによりシステムの効率を劣化させる可能性がある。これらの紫外散乱箇所の結果、紫外放射線は、最適な角度でない角度にて導かれ、これにより、流体封じ込め管の内面、すなわち、アルミニウム管で出来ているとき、約８６％の反射率である紫外線鏡３１から反射される。これらの紫外散乱箇所がないならば、全ての反射は光パイプの全内反射（ＴＩＲ）作用のため、ほぼ損失無しであるから、紫外放射線は、大部分、流体５内で放散される。

次に、図３を参照すると、光パイプ１００の領域は、水のような流体５と、紫外線等級の溶融石英管のような流体入口管１０と、空隙又は真空空隙のような、同心状空隙１５とから形成される。同心状空隙１５は、光パイプ１００が作用することを許容し得るように、流体５から液圧的に隔離されている。光パイプの作用は、同心状空隙の屈折率が流体５の屈折率よりも小さいことに基づく。光スペクトルの紫外線領域における溶融石英及び水の屈折率は、以下の表１に掲げてある。

表１に示すように、水は、光スペクトルの紫外線（ＵＶ）部分内で紫外線等級溶融石英とほぼ同一の屈折率を有する。
紫外（ＵＶ）放射線は高強度紫外線灯４０から送られ、紫外線入口開口３５を通り且つ、図２に示すように、紫外線窓下面３６に入る。第一の紫外光線７１が紫外線窓下面から出て、屈折によって曲げられ且つ、流体５に入って第二の紫外光線７２を画成する。第二の紫外光線７２は、流体５と接触した流体入口管１０の内面１３に、内面１３の直角の面に対して測定したときの入射角度１にて衝突する。第二の紫外光線７２が流体入口管１０の側壁に入ると、該光線は屈折によって曲げられ且つ、新たな内反射角度２にて方向変更され、第三の紫外光線７３を画成する。

角度２の値は、入射角度１と、流体５の屈折率と、流体入口管１０を製造する紫外線等級石英のような材料の屈折率との関数である。第三の紫外光線７３は、流体入口管１０の材料を連続的に通り且つ、同心状空隙１５と接触した流体入口管の外面１４に衝突する。第三の紫外光線７３は、流体入口管１０の側壁内に反射して戻り、流体入口管１０の材料の屈折率及び同心状空隙１５の屈折率がスネルの法則によって規定された特定の条件に適合するとき、第四の紫外光線７４を画成する。同心状空隙１５の屈折率は、同心状空隙内に封じ込まれた材料の屈折率によって、又は同心状空隙１５内に封じ込まれた材料がないならば、真空の屈折率によって規定される。

流体入口管１０の長さの少なくとも一部分に対する光パイプ１００の領域が存在することが本発明の１つの特徴である。従って、流体５、流体入口管１０を製造する材料及び同心状空隙１５における屈折率に従って入射角度２を所定の範囲に制限する必要がある。本発明の１つの好ましい実施の形態において、流体入口管１０は紫外線等級石英ガラスにて製造し、滅菌すべき流体５は水であり、同心状空隙１５は真空圧を保持するようにする。

本発明の精神又は範囲から逸脱せずに、代替的な実施の形態が案出可能である。例えば、本明細書に記載した方法は、水の流れにのみならず、呼気可能な空気のような清浄化を必要とするその他の流体にも適用可能である。

本発明の一例としての１つの実施の形態による紫外放射線（ＵＶ）を使用して水を滅菌する装置の図である。 図１の紫外線滅菌装置の断面図である。 全内反射（ＴＩＲ）を使用して紫外放射線を封じ込める方法を示す、図１の紫外線滅菌装置内の光パイプ照射領域の図である。

符号の説明

１ 入射角度（流体入口管内面にて屈折）
２ 内反射角度（流体入口管外面にて反射）
５ 流体（滅菌すべき）
１０ 流体入口管
１１ 入口端部（流体入口管）
１２ 出口端部（流体入口管）
１３ 内面（流体入口管）
１４ 外面（流体入口管）
１５ 同心状空隙（入口管と光学クラッド管との間）
２０ 光クラッド管
３０ 流体封じ込め管
３１ 紫外線鏡（流体封じ込め管の内面）
３２ 空隙（流体封じ込め容器）
３３ 内管（流体封じ込め容器における）
３５ 紫外線入口開口
３６ 紫外線窓下面
３７ 紫外線窓上面
４０ 高強度紫外線灯
５０ 流体出口管
７１ 第一の紫外光線（紫外線窓下面から出る）
７２ 第二の紫外光線（流体から出る）
７３ 第三の紫外光線（流体入口管の内面に入る）
７４ 第四の紫外光線（流体入口管の内面から出る）
７５ 第五の紫外光線（流体に入る）
１００ 光パイプ（流体、流体入口管、及び同心状空隙から形成される）

Claims (15)

1. 紫外放射線（ＵＶ）を使用して流体を滅菌するシステムにおいて、
   （ａ）第一の屈折率を有する滅菌すべき流体（５）を運ぶ流体入口管（１０）であって、第二の屈折率を有する材料で製造され、且つ、入口端部（１１）と、該入口端部とは反対側の末端に位置する出口端部（１２）と、前記流体と接触する内面（１３）と、外面（１４）と、を有する前記流体入口管（１０）と、
   （ｂ）前記流体入口管（１０）の長さの少なくとも一部の前記外面の周りに配置された光学クラッド管（２０）であって、前記流体入口管と該光クラッド管との間に第三の屈折率を有する同心状空隙（１５）を画成する前記光クラッド管（２０）と、
   （ｃ）前記流体入口管（１０）及び前記光クラッド管（２０）の周りの流体封じ込め容器（３０）であって、前記流体入口管（１０）の一部分が該流体封じ込め容器（３０）から延びており、前記同心状空隙（１５）が前記流体封じ込め容器（３０）から液圧に関して隔離されるようになされている前記流体封じ込め容器（３０）と、
   （ｄ）前記流体封じ込め容器（３０）に配置され且つ該流体封じ込め容器の一部分を形成する紫外線入口開口（３５）と、
   （ｅ）前記紫外線入口開口（３５）を通り且つ所定の範囲の入射角度にて前記流体入口管（１０）の前記内面に衝突する紫外放射線を提供する高強度紫外線灯（４０）とを備え、
   （ｆ）前記所定の範囲の入射角度が、前記第一、第二及び第三の屈折率に従って制限され、前記光クラッド管（２０）が配置された位置で前記流体入口管（１０）が光パイプとして機能し、前記光クラッド管（２０）が配置された位置で前記流体入口管（１０）の前記内面に衝突する前記紫外放射線の実質的に全てが全内反射をしながら前記流体入口管（１０）内を通って伝播するようになされており、
   （ｇ）前記流体封じ込め容器（３０）から延びる流体出口管（５０）をさらに備える、紫外放射線（ＵＶ）を使用して流体を滅菌するシステム。
2. 前記同心状空隙が真空を保持している、請求項１のシステム。
3. 前記同心状空隙が、乾燥空気、窒素及びアルゴンから成る群から選ばれた気体を保持している、請求項１のシステム。
4. 前記同心状空隙が、ガラス、プレキシガラス及びアクリル樹脂から成る群から選ばれた透明な固体を保持している、請求項１のシステム。
5. 滅菌処理すべき前記流体が飲料水である、請求項１のシステム。
6. 滅菌処理すべき前記流体が呼気可能な流体である、請求項１のシステム。
7. 前記流体入口管及び前記光学クラッド管の各々が多角形の断面を有している、請求項１のシステム。
8. 前記流体封じ込め容器内に配置された前記流体入口管の一部分が、前記光クラッド管の一端を経て延びるようになされている、請求項１のシステム。
9. 流体を滅菌する装置であって、
   紫外線反射鏡（３１）を有する外殻と、出口端部（１２）が前記外殻内に挿入され前記外殻内に流体を導入する流体入口管（１０）と、前記外殻から流体を排出する出口（５０）と、前記外殻の一部を形成する紫外線窓（３６）と、前記流体入口管（１０）の少なくとも一部を囲み且つ前記流体より小さい屈折率を有する空隙（１５）とを有する容器（３０）と、
   前記紫外線窓（３６）を通り且つ所定の範囲の入射角度にて前記流体入口管（１０）の内面に衝突する紫外放射線を提供する紫外線灯（４０）と、
   を備え、
   前記紫外放射線が前記紫外線窓（３６）を介して前記外殻内及び前記流体入口管（１０）内に伝達され、前記流体入口管（１０）内に伝達された紫外線は、前記空隙（１５）によって実質的に全内反射をしながら前記流体入口管（１０）内を伝播し、前記外殻内で前記流体入口管（１０）の外側に伝達される紫外線は、前記紫外線反射鏡（３１）によって反射されるように構成されている、
   流体を滅菌する装置。
10. 紫外線（ＵＶ）エネルギを用いて流体を清浄化する装置であって、
    浄化された流体を封じ込める容器（３０）と、
    清浄化されるべき流体が流れるところの管（１０）にして、紫外線非吸収性材料で出来ており、出口端部（１２）が前記容器（３０）内に挿入され前記容器（３０）への入口を形成する管（１０）と、
    前記管（１０）の少なくとも一部を囲み且つ前記流体より小さい屈折率を有する空隙（１５）と、
    前記容器（３０）の少なくとも一部を構成する窓の面（３６）と、
    前記紫外線窓（３６）を通り且つ所定の範囲の入射角度にて前記流体入口管（１０）の内面に衝突する紫外放射線を提供する紫外線灯（４０）と、を備え、
    前記窓の面（３６）は、前記紫外線灯（４０）からの前記紫外線エネルギが通って前記管（１０）内の前記流体と結合するようになされており、
    前記紫外線エネルギが全内反射によって前記管（１０）の長さの一部の範囲内に封じ込められるようになされている、流体を清浄化する装置。
11. 前記空隙が前記管の下部を囲んでいる、請求項１０に記載の装置。
12. 前記空隙が乾燥空気または真空を保持している、請求項１０に記載の装置。
13. 前記管がアルミニウムで製造されている、請求項１０に記載の装置。
14. 前記管が紫外線等級の溶融石英ガラスで出来ている、請求項１０に記載の装置。
15. 前記管が多角形の断面を有している、請求項１０に記載の装置。

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