JP6975148B2 - 流体殺菌システム及び方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
[0001] 本出願は参照のため本明細書に援用する２０１５年８月２８日出願の米国特許出願第６２／２１１，５７６号からの優先権を主張する。

[0002] 本発明は一般的には、流体浄化及び殺菌に関し、具体的には、流体を温度、圧力及び持続時間（例えば、滞留時間）の間閾値を超えて加熱することにより浄化及び殺菌することに関する。

[0003] 流体殺菌は、個人的、工業的、製造及び医療アプリケーションを含む広範囲のアプリケーション全体にわたって重要な役割を果たす。一般的に言えば、殺菌は、対象物をいかなる生きた伝染性病原体（菌類、細菌、ウィルス、胞子形態、微生物、プリオンなど）も含まないものにする処理として識別される。殺菌対象物は、表面、一定容積の流体、又は人間又は動物内で使用中の又は使用される他の材料を含むいくつかのタイプの任意のものであり得る。殺菌の有効性は一般的には無菌保証レベル（ＳＡＬ：sterility assurance level）で参照される。

[0004] さらに、液体殺菌の課題は、先進世界と発展途上世界との両方にとって同様に重要性を増している課題の１つである。細菌性汚染水との接触から生じる複雑性は発展途上世界における病気の主要原因のいくつかである。さらに、これは、発展途上世界における子供達の間の死亡の主要原因の１つである。

[0005] 水の現在の殺菌事業において具現化される現在の挑戦は改善に対し多くの余地を残している。今日のほとんどの清浄水システムは、逆浸透、膜（フィルタ）技術又はＵＶ光技術などの殺菌処理を使用する。これらのシステムは、定期保守、大量のエネルギー、及び膜、フィルタ又はＵＶ電球などの主要部品の定期的交換を必要とする。従って、これらのシステムは、特に大容量アプリケーションでは運営及び維持するのが高価である。別の解決策は、殺菌手段として水を高温まで加熱することを含み、通常、加熱後の水を含むとともに冷却するために大きな放熱装置を必要とする。

[0006] 両手法は、放熱装置が構造的に大きくかつほぼ不動であることを必要とする。別の挑戦は、流体の非連続的流れを使用する解決策、副産物が多くの保守を必要とする処理により生成されること、及び水だけを処理するための制限を含む。

[0007] 加えて、侵襲的医療処置がより一般的かつルーチン的となるにつれ、人体の比較的無防備な内部と外来器具との接触の増大が、適切な器具殺菌の必要性を著しく増加させる。現在の解決策は通常、消毒液（例えば、アルコール又は漂白剤）中への浸漬、浄化するための超音波法（高周波音波を介しキャビテーションを生成する）、又は高圧蒸気の形式で高温に晒されることを介した殺菌を含む。これらの解決策は以下のような限界挑戦を有する：消毒液方法は再使用が限られ有害廃棄物を生成する；超音波処理は時間集中的でありかつエネルギーと保守の両方を要求する；高圧蒸気解決策は敏感かつ脆弱な器具と高圧シールを有する特殊装置などとを場合によっては損傷し得る。ほとんどの現在の解決策はそれぞれの追加が追加の保守の課題と潜在的汚染のリスクとを生じる多くの可動部品を含む。

[0008] さらに、「プリオン」などの汚染物は、殺すのが非常に困難であり、ほぼすべての現在の殺菌法に対して耐性がある。プリオンは、構造的に特徴的なやり方で折り畳まれるタンパク質であり、他のタンパク質に伝染可能であり得、これらの他のタンパク質分子にこのような特徴的折り畳みを採らせる。人間及び他の哺乳動物内のこのような異常折り畳みタンパク質複製は、特に脳及び神経組織に対して有害になり得る。この形式の複製はウィルス感染に似た病気に至る。

[0009] 感染体としてのタンパク質は、そのすべてが核酸（ＤＮＡ、ＲＮＡ又はその両方）を含まなければならないウィルス、細菌、菌類又は寄生虫など他のすべての既知の感染体と対照をなす。多くの場合、哺乳動物内のプリオンは、感染組織を患者から完全除去すること以外に現在は治療不能な脳及び神経組織に対する損傷など有害な結果を招き得る。このような治療に使用される装置及び器具はその後汚染されるものと考えなければならない。

[0010] 医療装置を汚染除去するための現在の手順は、プリオンを確実に除去すること又はプリオンを医学的許容レベルまで不活性化することにおいては無効である。従って、現在のプロトコルは一般的に、プリオンに晒された医療装置の廃棄及び破壊を要請するが、これは高価な提案である。

[0011] 従って、汚染器具及び装置を現在の手法では可能でない程度まで殺菌するためなど様々な使用のために無菌流体を生成し得る装置及び方法の需要が依然として存在するということを理解すべきである。

[0012] 簡潔に言えば、そして一般論として、本発明は流体殺菌システム及び方法を提供する。流体殺菌システム及び方法は、所望レベルの殺菌を実現するために加圧流体を温度、圧力及び持続時間（例えば、滞留時間）の所定閾値を超えるまで加熱する加熱部を取り込み、（ａ）加熱部へ入る前に流体を予熱することと（ｂ）加熱装置の流出物を冷却することとの両方を行う熱交換器を含む。ここでは、流体は、所定圧力及び温度プロファイルを維持する一方でシステムを通る流れを容易にする制御シーケンスで弁を加熱部の前後に操作することにより加熱装置を通る。本システムは、加熱部を含むシステムのいかなる部分内の固定温度又は固定圧力を維持する必要無しに所望レベルの殺菌を実現するために所定範囲の圧力及び温度で動作する。

[0013] 具体的には、例示的実施形態では、本システムは、熱交換器の入口及び出口点と加熱装置の入口及び出口点とに配置された弁を含む、コンピュータなどのコントローラへ結合された複数の弁を取り込む。弁は、システムの効果的運転が殺菌を実現するために流体を所望持続時間の間加熱アセンブリ内に維持することを含めるようにする制御シーケンスで操作される。その後、入口及び出口は、熱交換器から受け取った流体の加熱装置内への引き込みを生じさせる一方で流体が加熱アセンブリを出られるようにする順序だったやり方で開かれる。本システムは、弁の制御シーケンスを含むシステム動作を制御するためのプロプライアタリソフトウェアを実施するコントローラを利用し得る。

[0014] 例示的実施形態の詳細な態様では、本システムは、コントローラを介した弁の制御シーケンス動作に少なくとも部分的により所望圧力レベルを達成する一方で、ポンプ無しで運転され得る。入口水圧は最小レベルであることが好ましい。

[0015] 例示的実施形態の別の詳細な態様では、本装置は、システム経路を殺菌するために流体をさらに再循環させ得る、及び／又は装置を殺菌するためにオートクレーブ室を含み得る。

[0016] 例示的実施形態の別の詳細な態様では、本装置はさらに、熱交換器及び加熱部内を平行に走るパイプを含み得る。

[0017] 本発明と従来技術を越えて実現される利点とを要約する目的のため、本発明のいくつかの利点についてここに説明した。当然、必ずしもすべてのこのような利点が本発明の任意の特定実施形態に従って実現され得るわけではないということを理解すべきである。従って、例えば、当業者は、本発明は本明細書で教示又は暗示され得るような他の利点を必ずしも実現すること無く、本明細書で教示された１つの利点又は一群の利点を実現又は最適化するやり方で具現化又は実行され得るということを認識することになる。

[0018] これらの実施形態のすべては本明細書で開示される本発明の範囲に入るように意図されている。本発明のこれら及び他のいくつかの実施形態は添付図面を参照する好ましい実施形態の以下の詳細説明から当業者にとって容易に明らかなる。本発明は開示されるいかなる特定の好適な実施形態にも限定されない。

次に、本発明の実施形態について以下の添付図面を参照して単に一例として説明する。

本発明による流体殺菌アセンブリの第１の実施形態の簡略ブロック図である。 加熱装置として電気浸漬ヒータ（electric immersion heater）を取り込んだ本発明による流体殺菌アセンブリの第２の実施形態の簡略ブロック図である。 熱交換器及び加熱部内を平行に走るパイプを含む本発明による流体殺菌アセンブリの第３の実施形態の簡略ブロック図である。 流体を使用するオートクレーブ室を取り込む本発明による流体殺菌アセンブリの第４の実施形態の簡略ブロック図である。 弁の配置を示す本発明による流体殺菌アセンブリの第５の実施形態の斜視図である。 冷却部と加熱素子として誘導性熱交換器とを取り込む本発明による流体殺菌アセンブリの第６の実施形態の簡略ブロック図である。 冷却部と弁及びセンサの別の可能な配置とを取り込む本発明による流体殺菌アセンブリの第７の実施形態の簡略ブロック図である。 冷却部だけでなく予熱部も取り込む本発明による流体殺菌アセンブリの第８の実施形態の簡略ブロック図である。 加熱素子として表面熱交換器を取り込む本発明による流体殺菌アセンブリの第９の実施形態の簡略ブロック図である。 加熱装置として浸漬熱交換器を取り込む本発明による流体殺菌アセンブリの第１０の実施形態の簡略ブロック図である。 プロパンベースヒータ及び熱電発電機を取り込む本発明による流体殺菌アセンブリの第１１の実施形態の簡略ブロック図である。 電気浸漬ヒータを有するオートクレーブ室を取り込む本発明による流体殺菌アセンブリの第１２の実施形態の簡略ブロック図である。 センサを読み取り、弁を作動するコントローラを取り込む本発明による流体殺菌アセンブリの第１３の実施形態の簡略ブロック図である。 図１３に描写される流体殺菌アセンブリの正面図である。 図１３に描写される流体殺菌アセンブリの上面図である。 図１３に描写される流体殺菌アセンブリの背面図である。 図１３に描写される流体殺菌アセンブリの底面図である。 図１３に描写される流体殺菌アセンブリの異なる斜視図である。 図１１に描写される実施形態において利用されるプロパンベースヒータの一構成の上面図である。 二股浸漬ヒータシステムを使用する図２に描写される実施形態に関する変形形態である。 例えば図９のアセンブリを参照した本発明によるシステム動作の簡略ブロック図である。 ガスヒータを取り込む本発明による流体殺菌アセンブリの別の実施形態の斜視図である。 本発明によるシステム動作のマシンステートの簡略ブロック図である。 本発明による流体殺菌アセンブリのヒータアセンブリ内で使用され得るプロパンベースヒータの側面図である。 本発明による流体殺菌アセンブリのヒータアセンブリ内で使用され得る別のプロパンベースヒータの側面図である。 図２２の流体殺菌アセンブリの状態監視画面の例示的スクリーンショットである。 図２２の流体殺菌アセンブリのシステム状態動作の簡略フローチャートである。

[0047] 本明細書で使用される用語「流体」は、水、又はジュース又はミルクなどの水溶液、煙道ガス又は原油又は廃水（例えば、下水、家庭用排水）などの溶存又は懸濁物を有する液体又はガスを含むシステム中を流れることができる任意のガス又は液体を含むように定義される。

[0048] 次に添付図面、特に図１及び図２を参照して、殺菌水に使用可能な流体殺菌アセンブリが示される。流体源１０がアセンブリの入口に接続される。本システムは、流体を所望レベルまで殺菌するために高温度を使用する。この殺菌された流体は種々の用途を有し、その１つは、生物学的汚染又は源のレベルのいかんにかかわらない汚染除去された飲料水の生産である。殺菌は、いかなる生きている伝染性病原体も殺菌するような程度まで流体を加熱するために流体を加熱素子に通すことにより実現される。本システムは、加熱部を含むシステムのいかなる部分内の固定温度又は固定圧力を維持する必要無しに所望レベルの殺菌を実現するために圧力及び温度の所定範囲内で動作する。さらに、流体の入口圧力がシステム内の流れを可能にする。

[0049] アセンブリの動作は起動段階、連続流れ段階及び動作段階を含み得る。起動段階では、流体は、当初システム内に導入され、殺菌され、短時間存在し、システムに連続流れ動作の準備をさせる。動作段階では、殺菌された流体が使用に向けられる（例えば、アセンブリの様々な動作状態に関しては図２３を参照）。

[0050] 図１及び図２のアセンブリは弁アセンブリ１１を含む流体用入口を含む。流体は、流路に沿って加熱部１４まで移動する前に熱交換器１２の第１の（冷たい）経路部分（流体が予熱される）まで流路に沿って進み続ける。加熱部１４では、流体は、所望レベルを超えるまで流体を殺菌するために所定持続時間（例えば、滞留時間）の所定温度及び圧力まで加熱される。その後、流体は、熱交換器１２の第２の（熱い）経路部分内の流路に沿って戻り、システムを出る前に冷える。起動段階中、流体は規格外排出１９として弁アセンブリ１８を通ってシステムを出る。動作段階中、流体は無菌流体排出２０として弁アセンブリ１７を通ってシステムを出る。システムからの流体の排出は、より多くの流体のシステム内への引き込みを生じ得、汚染流体のシステム内への流れと殺菌された流体の排出とに寄与する。さらに、流体の入口圧力はシステムを通る流れを可能にする。

[0051] 例示的実施形態は、流速又は圧力などのプロセス変量の所望動作範囲を維持するためにいくつかの配置における異なるタイプのいくつかの弁を利用する。本明細書の実施形態における弁の特定の数、使用及び配置は、例示目的のためだけに説明されるのであって、本発明をこれらの弁の特定の数、使用、又は配置に制限するものとして理解されてはならない。例示的実施形態に記載された逆止弁、比例流量弁、電磁弁、及び安全弁を含む様々な種類の弁は、同様な機能を有するシステム内に様々な配置で追加又は除去され得る。例えば、サーボ弁が、例示的実施形態に記載されたラッチ弁の代わりに又はそれに加えて使用されてもよいし、システムの流路に沿ったどこかに配置されてもよいし、システムから纏めて削除されてもよい。別の例として、ステッピングモータ比例流量弁が、パイロット操作比例流量弁（pilot-operated proportional flow valve）の代わりに又はそれに加えて使用され得、圧力変換器又は流量計と共に又はそれ無しに使用される。さらに、システム内の弁は、手動で、ばねにより、ソレノイドにより、又は任意の他の弁作動手段により作動され得る。同様に、熱電対、圧力変換器及びプロセスセンサ、又は弁以外の他の制御に関連した装置の数及び配置は本発明の範囲から逸脱することなく本明細書での記載内容から変更され得る。さらに、発熱部品は放射熱損失を禁じるために絶縁され得る。追加の恩恵を提供し得る様々な形式の絶縁が使用され得、例えばセラミックス層が使用され得る。例えば、浸漬ヒータには、浸漬ヒータ上のスケーリング（付着）を長期使用にわたってさらに禁じ得るセラミック被覆が設けられ得る。

[0052] システムの内部に配置された又は外部からシステムへ接続されたコントローラ又はコントローラ群１８０がシステム内の弁、変換器、熱電対又はセンサとインターフェースする。例示的実施形態におけるコントローラ１８０は、システムの動作を連携させるためにコンピュータ可読指示を実行するマイクロプロセッサからなるデジタルコンピュータであるが、限定しないが機械式又は空気式コントローラ又はアナログ電子システムを含むプロセス制御能力のある任意の装置が使用され得る。コントローラの使用は、オペレータが殺菌処理を観測及び管理（例えば、ユーザインターフェース又はディスプレイからセンサデータを読み取り、それに応じて弁を開閉）できるようにする可能性がある、又はシステムが所定運転ガイドライン下で自律的に動作できるようにする可能性がある。コントローラは、限られた範囲内で使用されてもよいし、仕様に従って殺菌流体を生成するためにシステムに電源が入れられるだけでよいであろう程度に使用されてもよい。システムの実施形態はコントローラ無しに使用され得るが、オペレータは弁を手動で作動しセンサ情報（すなわち、ゲージ又は視覚的読み取り情報又はグラフィックス）を読み取る可能性がある。

[0053] 具体的には、そして図２を引き続き参照すると、流体は入口３０から手動バルブ（ＨＶ１）３１を通ってシステムに入る。例示的実施形態では、流体は、５０ｐｓｉｇ〜５００ｐｓｉｇの圧力を有し、逆止弁（ＣＶ１）３５、圧力変換器（Ｐ１）３６、熱電対（ＴＣ１）３７及び流量計（ＦＭ１）３８中を走行する。追加的に又はその代わりに、ポンプ３４は流体を貯蔵槽又は未加圧流体の他の源から入口３２内へ引き出すために使用され得る。逆止弁はシステム内の一方向流れを確実にするために使用され、圧力変換器、熱電対及び他のセンサはシステム内の流体の動的性質を監視するために使用される。流量計は、比例流量弁を使用することにより変更され得るシステムを通る流体の速度を判断するために使用される。入口流体圧力は、適用可能殺菌温度に基づき殺菌温度における流速と滞留時間とを規定する。下表１は例示的実施形態における所与の入口圧力に対する殺菌温度を列挙する。

[0054] システムに入ると、流体は、熱交換器１２内に進み続ける前に固体汚染物除去用のフィルタ（Ｆ１）１３０（図６）を通過し得る。熱交換器１２は、熱交換器１２と加熱部１４との間の熱移動を可能にすることにより、（ａ）加熱部１４へ入る前に流体を予熱することと（ｂ）加熱部１４の流出物を冷却することとの両方を行う。例示的実施形態では、流体は、入口３０と熱交換器１２との間の流路に沿って配置されたＴＣ１ ３７により測定される典型的には１５℃〜２０℃の環境でシステムに入る。次に、流体は熱交換器１２内を流れ、約７０℃〜９５℃の温度、より好適には８８℃〜９２℃の温度、又は約９０℃まで予熱される。環境入口温度が１５〜２０Ｃ未満である場合は、予熱部が取り込まれ得る。

[0055] 本システムは、入口１０から出口１７、１８まで連続的及び／又はバッチ的やり方で動作可能な流路を提供する。流路は、流体を所定圧力及び温度に維持するように構成された部品及びパイプを含む。例示的実施形態では、食品用ステンレス鋼配管が、加熱部を含む（入口から出口まで）システム内で使用される。システム全体にわたって材料中に使用される金属の選択は、特定用途に最も適する必要要件に基づくことになるが、通常は高温合金になる。これは、システム内の化学的又は電気化学的反応に恐らく起因する金属の腐食を生じる可能性がある金属不整合を生じることなく典型的装置による設置を容易にする。

[0056] 別の実施形態では、可変速度ポンプが、システム内で所望圧力を実現するために使用され得る。例えば、可変速度ポンプは、所望入口圧力を実現するためにシステム３０の入口に近接して使用され得る。加えて、可変速度ポンプは、システムの出口に近接して配置され得、所望出口圧力を実現するが内圧擾乱を生じないように入口圧力に関連して作動され得る。

[0057] 別の実施形態では、図５に最良に見られるように、加熱素子１１２が、熱交換器１２を出た後に流体をさらに高い温度まで予熱するために使用される。予熱部１１１内のこの第１の加熱素子１１２（例えば、テープヒータ）を通った後、流体は、加熱部１４に流入し、その中の加熱装置１１３を通り、殺菌のためにその所望温度まで引き上げられる。図８に示すように、ヒータテープ（他の加熱装置が使用され得るが）が、この実施形態では以下に論述されるような一次加熱部１４と同様な予熱素子１１２として使用される。この予熱部１１１は、流体を約９０℃〜１２０℃の温度（熱交換器１２と加熱部１４との間の流路に沿って配置された第２の熱電対（ＴＣ２）４２により測定される）まで加熱する。しかしながら、流体が、（予熱部１１１を除く）熱交換器１２から加熱部１４へ直接通る、又は流体が入口３０から加熱部１４へ直接通る他の実施形態が想定される。

[0058] 安全弁（ＲＶ１）４１は、流路内の圧力が設定クラッキング圧（例えば、５００ｐｓｉ）を超えれば流体を流路から放出するように熱交換器１２と加熱部１４との間の流路に沿って配置される。安全弁の作動は、超過圧力からの損傷又は故障からシステムを保護するために、流路内の圧力が上昇又は下降を停止するように流体を流路から外へ導く。作動されれば、安全弁は、余分な流体を、補助流路を通ってシステムまで戻してもよいし、余分な流体をシステムから外へ導いてもよい。

[0059] 加熱素子は、流体を迅速かつ正確に所望温度まで持ってくるように構成される。図２に示す例示的実施形態では、加熱部１４は一次加熱素子として浸漬液ヒータ４７、４９、及び５１（例えば、１０００ワット）を利用する。本明細書で説明する他の実施形態は誘導性熱交換器１３２（図６）、表面熱交換器１４５（図８）又はプロパンヒータ１６０（図１１、１９、２４、及び２５）を使用し得る。しかしながら、他の加熱装置は、本発明の範囲から逸脱すること無く、テープヒータ、加熱ロッド、直火（例えば、天然ガス、プロパン、薪又は他の燃料を使用する）、浸漬ヒータ、グラフェン（例えば、導体としてのグラフェン、又は直熱を処理するグラフェン、又はその両方）、マイクロ波、太陽熱ヒータ（例えば、熱エネルギーを集中させるレンズ又はミラー）、又は熱生成器と発電機との組合せからの熱などを単独で又は組み合せて、使用され得る。

[0060] 加えて、本発明によるシステムは、加熱部の熱源を提供するためにシステム内で利用可能な熱源を利用することにより他の機械的構造内に一体化され得る。例えば、加熱部は、所望熱が実現され得る限り表面ヒータとして電動車両又は発電機（例えば、エンジンブロック又は排気管）の加熱部品を利用し得る。例示的実施形態では、加熱部は、発電機又は車両（例えば、エンジンブロック又は排気管）などのモータ部品の加熱部品と一体化されたマニホールド内に取り込まれた流路を含み得る。ここでは、コントローラは、流体を殺菌するために所定持続時間（例えば、滞留時間）の間流体を所定温度、圧力に維持するために加熱部を通る流量を管理し得る。特に、この実施形態では、加熱部内の温度及び圧力は、電動部品の動作に依存する熱供給器の温度を取り込む一方で、運転中監視され、殺菌は流体圧力及び流量により制御され得る。

[0061] 図５を引き続き参照すると、熱交換器１２から出ると、予熱された流体は第２の逆止弁（ＣＶ２）４３を経由して加熱部１４内に放出される。流体は、加熱部１４に配置された熱電対４８、５０、５２（ＴＣ３、ＴＣ４など）により測定される約２４０℃〜１３５℃まで加熱される。２４０℃における流体の滞留時間は約１秒以下であるが、滞留時間は異なるプロセス変量下では流体を殺菌するために必要に応じ変更され得る。

[0062] 例示的実施形態では、流体は液体状態から変化することが許されない。高圧封じ込めにより、流体は液体状態に依然として維持される一方で高温に達することが許される。しかしながら、流体は、特に高圧流路により設計されないいくつかの実施形態では、液体状態に維持される必要はない。本システムは、効果的殺菌を実現するために対応圧力レベルで流体を加熱するように構成される。具体的には、本システムは、他の感染体及び有機汚染物のうち細菌、ウィルス及びプリオンを殺菌するために所望レベルに達し得る。さらに、所定温度を超えると、本システムは有機分子を分解し得る。

[0063] 蒸留部品が加熱部１４に加えて又はその代わりに流路に沿って配置される別の実施形態が想定される。このような蒸留部品の一例は、流体が中に入る前に真空にされるであろう真空室である可能性がある。ここでは、流体は室内の低圧ゾーンに入ると蒸発する。この蒸発流体は、システム内に進み続ける前に凝縮器において蒸留物として収集されるだろう。加えて、この蒸留部品は、蒸留部品と殺菌部品の両方として機能するために加熱部１４内と同様に十分に高い温度まで加熱され得る。

[0064] 図２の実施形態で描写される浸漬ウォーターヒータ（immersion water heater）４７、４９、及び５１は、浸漬ヒータの過熱を防ぐ一方で流体が十分に加熱されるということを保証するために流体が、浸漬ヒータ４７、４９、及び５１の表面との所望接触を維持するための適切な表面積を提供するために、加熱部（浸漬ヒータ４７、４９、及び５１）を通る流路を規定するパイプの内壁の極近傍の流路の容積を十分に満たすように設計される。例えば、例示的実施形態では、浸漬ヒータの表面の上の流れは浸漬ヒータへの流れに一致し得る、又は浸漬ヒータは、制御値が水の出口温度に設定されるが流れが小さく浸漬ヒータから適切な熱を除去しなければ過熱することになる。これを制御する１つの方法は「浸漬ヒータは水流が低下する又は低減されても過熱しない」ということを保証するために浸漬ヒータ上に熱電対を設けることである。

[0065] 具体的には、浸漬ヒータは、細長くかつ円筒状の形を有し得、ここでは、浸漬ヒータは、加熱部を通る流路を規定する円筒状パイプと軸方向にアライメントされて配向される。このようにして、本システムは、浸漬ヒータと流体との間のエネルギー伝達を最適化する。加熱部１４内の流路は、特定実施形態により必要とされ得るように加熱素子１２の効率を増加する様々な手段を取り込み得る。例えば、バッフル又は攪拌機などの乱流発生器が、流体のそうでなければ層流の境界層を壊すために又は加熱素子１２と直接接触する流体の表面積を増加するために加熱部１４流路内に配置され得る。別の例として、加熱部１４流路の長さ方向に沿って走る内部攪拌機自身が浸漬ヒータ又は誘導性熱交換器として加熱され得る。さらに、任意の特定実施形態における加熱部１４の寸法は所望出力量に適するように変更され得る。例えば、加熱部１４の長さはより小型又は携帯可能なシステムの実施形態に関しては縮小され得る、又は加熱部１４内の流路の直径はより大きくかつより高容量なシステムの実施形態に関しては増加され得る。いかなる寸法も、所望動作変数を実現するためにスケーリングされ得る。

[0066] 今や無菌の加熱流体は加熱部１４を出て熱交換器１２へ戻る。例示的実施形態では、熱交換器１２は多重配管され、入口３０から入る流体と加熱部１４から入る加熱された流体との区分けされた流れを可能にする。入口３０から熱交換器１２に入る未加熱の流体の近接性が加熱部１４から入る加熱された流体を冷却するプロセスを支援するが、上記区分けはいかなる潜在的再汚染も防止する。他の実施形態では、熱移動及び熱交換器設計の他の手段が本発明から逸脱することなく使用され得る。例えば、板ベース熱交換器又は相変化熱交換器が、管状熱交換器の代わりに又はそれに加えて単独で又は組み合わせて使用され得る。

[0067] この例示的実施形態では、無菌流体の温度は熱交換器１２を通過した後に約７０℃まで下げられる。図６及び図７に見られる別の実施形態は、システムを出る前に無菌流体の温度をさらに下げるために流体冷却装置１３８を含む冷却部１３５を取り込む。流体は、システムを出るために規格外排出１９用のラッチ弁（ＬＶ２）５８又は無菌流体排出２０用のラッチ弁（ＬＶ１）６０のいずれかに導かれる前に別の安全弁（ＲＶ２）５４（図２）及びステッピングモータ比例流量弁（ＳＭＰＦＶ１）５７に通される。その代りに又は追加的に、１つの三方弁１１８（図６）が、流体を規格外排出１９又は殺菌流体排出２０流路のいずれかに向けるために使用される可能性がある。規格外排出１９は、システムを出るように導かれてもよいし、再殺菌のためにシステムへ戻されてもよい。

[0068] 例示的実施形態は、入口３０における適切な圧力を保証するためにポンプ３４を利用するものとして説明したが、本システムは、図９及び図１０に見られるようにポンプ無しで使用され得る。ここでは、流体はいくつかの圧力システムのうちの任意のもの（すなわち、格納塔又は高架貯蔵槽からの重力送り）を介して導入される。流体がＴＣ３ ４８及びＴＣ４ ５０により読み取られる所定殺菌温度（例えば、２５０℃）に達すると、規格外排出１９用の電磁弁（ＳＶ１）１５０が開かれ、入口３０は第１の比例流量弁（ＰＦＶ１）１１０において開かれる。圧力は、第１の比例流量弁ＰＦＶ１ １１０及び第２の比例流量弁（ＰＦＶ２）１１６に対する調整により制御される。これにより、入口３０から規格外排出１９までの流体の定常流を生成する。流体の定常流が、ＴＣ３及びＴＣ４により監視される著しい温度ロス無しに（例えば、少なくとも２４０℃が維持されて）完全殺菌（例えば、５秒）を保証するために加熱部（例えば、滞留時間）において所定期間の間確立されると、規格外排出１９用のＳＶ１ １５０は閉じられ、無菌流体排出２０用の第２の電磁弁（ＳＶ２）１５１が開かれる。次に、無菌流体が生成され、入口３０において取り込まれ、ＨＶ１ ３１、ＣＶ１ ３５、ＰＦＶ１ １１０を通り、ＳＶ２ １５１を通って出る。本明細書における実施形態は連続運転又は流体の定常流を参照して詳細に説明されるが、本発明による他の実施形態はパルス又はバッチモードで操作され得る。例えば、コントローラ１８０は、殺菌された流体を所与の容積（例えば、１００ガロン）又は所与の持続時間（例えば、１時間）の間生成し次にシステムを止めるようにプログラムされる可能性がある。別の例として、手動オペレータは、加熱部１４内への一定容積の流体を許容するために必要弁を開き、次に、加熱部１４において一定容積の流体を殺菌するために必要弁を所望滞留時間の間閉じ、この一定容積の流体を無菌流体排出２０へ向けるために最終的に必要弁を開く可能性がある。

[0069] 次に図２１を参照して、本発明によるシステム（例えば、システム（図９））の例示的作業順序について論述する。最初に、例示的実施形態では、オペレータは、以下で詳細に論じられるようにシステムが運転可能でありすべての弁が閉じられているということを検証する。次に、システムへ水を配送するために水源が取り付けられているということを検証した。工程３、次に末端弁（例えば、ＨＶ１、ＨＶ２、ＨＶ３）が開かれ得る。工程４、次に制御弁（例えば、ＰＦＶ１、ＰＦＶ２、ＳＶ１）は、アセンブリを通る全流量が流路からすべての空気を流し出すことができるように開かれる。工程５、制御弁（例えば、ＰＦＶ１、ＰＦＶ２、ＳＶ１）を閉じる。次に、流体は、空気が閉じ込められることなくシステムの流路内に閉じ込められることになる。コントローラ（１８０）は、初期最小圧力（例えば、少なくとも５０ｐｓｉ）が利用可能であるということを保証するために、（例えば、Ｐ１を介して）システム内の圧力を読み取ることになる。

[0070] 測定された初期最小圧力が満足なものであれば、工程６において、コントローラは水加熱部を活性化し、例示的実施形態では、一次加熱部が所定殺菌温度に設定される。工程７、一次加熱部が所定殺菌温度（例えば、ＴＣ３、ＴＣ４により測定された）になると、制御弁（例えば、ＰＦＶ１、ＰＦＶ２、ＳＶ１）はシステムを通る流れを開始するために開かれる。次に、工程８では、安定流量の流体が、十分な殺菌温度を維持する一方で十分な期間（例えば、少なくとも５秒）の間システム全体にわたって確立されると、規格外排出用の弁（ＳＶ１）が閉じられ、殺菌流体用の弁（ＳＶ２）が開かれ得る。

[0071] 運転中、コントローラ１８０は、運転安全性が維持されるということを保証するとともに所定殺菌温度及び圧力が所定公差内に維持されるということを保証するためにシステムを監視する。これらの測定結果は例えばシステム全体にわたって運転中連続的に監視され、主加熱部内の温度は好適には２４０℃〜２７５℃（ＴＣ３及びＴＣ４で測定される）である。流出物温度（ＴＣ５で測定される）も同様である。Ｐ１及びＰ２で測定されるシステム内の圧力は５００ｐｓｉ未満でなければならない。例示的実施形態では、チェックブラウザ（check browser）が、各部における逆圧増大を防止するために利用される。固体汚染物がシステムに入るのを除去するためにフィルタ（Ｆ１）が使用される。コントローラはＴＣ１において入力水温度（好適には１５℃〜２０℃）を監視する。

[0072] 図２６は、システムの状態モニタを描写するコントローラ１８０からのスクリーンショット４００を描写する。コントローラは、センサを監視し、システムの弁、加熱素子及び他の機能を制御する。使用中、コントローラは、「システムが、加熱部を含むシステムのいかなる部分内の固定温度又は固定圧力も維持する必要無しに所望レベルの殺菌を実現するために圧力及び温度の所定範囲内で動作する」ということを保証する。これはさらに、システムの安全運転を保証する。例示的実施形態では、スクリーンショット４００内に描写された測定結果４１０はセンサ（図２２のＴＣ１、ＴＣ２、ＴＣ３、ＴＣ４、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）から受信される。コントローラはさらに、オペレータが殺菌設定点と水流設定点（４２０）とを示すことができるようにする。コントローラは例えば図２７に示すようにその測定結果及び制御を連続的に更新する。

[0073] 図１３〜図１８はコントローラ１８０を利用する実施形態のいくつかの図を描写する。図１３は前方右上角の視野からのシステムを示す。図１４は前方からのシステムを示し、図１５は上部からのシステムを示す。同様に、図１６は後方からのシステムを示し、図１７は下部からのシステムを示す。最後に、図１８は後方右下角からのシステムを示す。この実施形態では、システムは、熱交換器１２の入口及び出口点と加熱部１４の入口及び出口点とに配置された弁を含むコントローラ１８０へ結合された複数の弁を取り込む。弁は、殺菌を実現するためにシステムの効果的運転が所望持続時間の間加熱部１４内の流体を維持することを含めるようにする制御シーケンスで操作される。その後、入口及び出口ポートは、熱交換器１２から受け取った流体の加熱部分１４内への引き込みを生じさせる一方で流体が加熱部１４を出られるようにするシーケンス的やり方で開かれる。このようにして、システムは、コントローラ１８０を介した弁の制御シーケンス動作に少なくとも部分的により所望圧力レベルを達成する一方で、ポンプ無しで運転され得る。

[0074] ここで図３を参照すると、熱交換器１２及び加熱部１４内を平行に走る複数の流路８１、８２、８３、８４、８６、８７、８８、及び８９をさらに含む水を殺菌するために使用可能な二股流体殺菌アセンブリが、前述の実施形態と同様に示される。流路のそれぞれに沿って、複数の弁が配置され、各流路は独立したやり方で操作され得るようになっている。しかしながら、各流路の操作は、連続的同時操作がアセンブリにより実現され得、これにより全体システムの流量スループットを増幅するように順序付けられ得る。さらに、平行流路の制御可能な操作が、リアルタイムでユーザの要求レベルを満足するようにシステムの出力をユーザが調整できるようにする。他の実施形態は、異なる出力を実現するために必要に応じ二股又は非二股流路を利用し得る。例えば、図２０は、加熱部１４内の二股流路に沿って配置された浸漬ヒータ４７、４９、５１、及び２００を使用する図２の実施形態に関する変形形態を描写する。

[0075] ここで図４を参照すると、アセンブリはさらに、装置又は供給品（例えば、ドリル、メスなどの医療、外科用）を殺菌するためにオートクレーブ室１００を含み得る。具体的には、オートクレーブ室１００は、流体を液体状態に維持する一方で所望レベルの殺菌を実現するために装置を所定持続時間（例えば、滞留時間）の間温度及び圧力の閾値より高く維持された加圧流体に露出するように構成される。オートクレーブ室１００は、装置を収容するための筐体を提供する、筐体は殺菌のために、加熱部１４から受け取った加圧流体で一杯にされ得る。オートクレーブ室１００は、加圧流体流出物を受け取るためにアセンブリの加熱部１４に結合される。追加の加熱装置１７０、１７１、及び１７２（図１２）が、流体の一貫した温度を保証するために、又は殺菌された装置の乾燥により支援するためにオートクレーブユニット１００に含まれ得る。

[0076] 使用中、装置はオートクレーブ室１００内に置かれる。次に、オートクレーブ室１００は加圧され、加熱部１４からの加圧流体で満たされる。流体は液体状態を維持するために最低温度（例えば、１４１℃）と最小圧力を超えることが好ましい。装置は殺菌を保証するために所定持続時間（例えば、滞留時間）の間露出される。その後、流体はオートクレーブ室１００から排出され、熱交換器１２から冷却された無菌流体は装置を冷却するためにオートクレーブ室１００内に向けられ得る。次に、オートクレーブ室１００は流体を排出し、殺菌装置は取り除かれ得る。

[0077] オートクレーブ室１００からの流出物はシステムを通り再循環され得る。例示的実施形態では、流出物は、熱交換器１２及び加熱部１４へ再循環され得るように熱交換器１２へ戻される。代替的に、流出物は、規格外排出１９内に向けられ得る、又はオートクレーブ室内の装置を殺菌するために使用される流体が無菌であるので無菌流体排出２０内に向けられ得る。ここで図５を参照すると、本発明による殺菌アセンブリの斜視図が示される。本システムは流体源及び電力源に結合され得、その後、運転を迅速に開始し得る。特に、このアセンブリは、ほぼ任意の場所まで容易に輸送され得るように小型かつ軽量である。このようにして、殺菌された流体は広範に利用可能にされ得る。図５に描写される実施形態は、さらに小さいアセンブリが可能であるが、高さが１フィート未満、長さが６フィート未満、幅が約１フィートである。代替的に、増加された殺菌能力を提供するさらに大きなアセンブリが可能である。

[0078] 殺菌アセンブリ実施形態は様々な電源を利用し得る。一構成は、殺菌アセンブリを作動する又は少なくともその中の任意の電子装置を作動するためのリチウムイオン電池又は他の形式のエネルギー貯蔵器を含み得る。太陽電池パネルが、前記電池を充電するために、又はコントローラ１８０又は他の電子装置を作動するために取り込まれ得る。図１１に見られる別の構成は、プロパン加熱素子１６０及び１６１により生成される余分な熱の一部を回収しそれをアセンブリの電子装置を作動するために電気に変換するために熱電発電機（ＴＥＧ１、ＴＥＧ２、ＴＥＧ３、及びＴＥＧ４）１６２、１６３、１６４、及び１６５を加熱部１４内に取り込む。アセンブリは複数の電池を含み得る。使用中、複数の電池の一部は充電し得、一方、他の電池はアセンブリを給電し得、その後、電池が充電されると両者は交代する。コントローラは電池をこのようなやり方で管理するように構成され得る。

[0079] 図１８は、図１１に表されたガスヒータアセンブリ１６１のより詳細な図を描写する。流体は、プロパン又は他の燃料１９５用の整合流路の上に位置するコイル状ループ流路１９６（図１９）に入り、コイル１９０に流入する。後者の経路は、規則的に離間された穿孔１９４を有し、ここから燃料は、上側流路１９６内の流体を加熱するために導かれ点火される。ガス加熱源を取り込むアセンブリの別の例の図２２も参照されたい。図２３及び図２４は、プロパン又は他の燃料用の整合流路の上に位置する円錐台状構成で構成されたコイル状ループ流路を取り込むガスヒータアセンブリを描写する。後者の経路は、規則的に離間された穿孔を有し、ここから燃料は、上側流路内の流体を加熱するために導かれ点火される。

[0080] システムコントローラ１８０を取り込む殺菌システムが、同システムに関する情報を送受信する手段を含む別の実施形態が想定される。例えば、システム内のコントローラ１８０は、センサデータを遠隔オペレータへ送信し命令を遠隔オペレータから受信するためにネットワークへ接続される可能性がある。別の例として、システム内のコントローラ１８０は、システムを遠隔的に監視するために運転状態、出力レート、又は保守必要性（例えば、準備性、システムの健康状態）を送信するために電磁気信号（例えば、電波）を同報通信するように装備され得る。

[0081] 本発明は、所望レベルの殺菌を実現するために加圧流体を温度、圧力及び持続時間（例えば、滞留時間）の所定閾値を超えるまで加熱する加熱装置を取り込むとともに、（ａ）加熱装置へ入る前に流体を予熱することと（ｂ）加熱装置の流出物を冷却することとの両方を行う熱交換器を含む流体殺菌のシステム及び方法とを提供するということをこれまでの説明から理解すべきである。ここで流体は、所定圧力及び温度プロファイルを維持する一方でシステムを通る流れを容易にする制御シーケンスで弁を加熱部の前後に操作することにより装置を通過する。本システムは、加熱部を含むシステムのいかなる部分内の固定温度又は固定圧力を維持する必要無しに所望レベルの殺菌を実現するために圧力及び温度の所定範囲内で動作する。さらに、本発明による実施形態は、所望により住宅、ビジネス、又は工業用に調整され得る。

[0082] 本発明は、本発明についての理解が伝えられ得るように現時点で好ましい実施形態の点から上に説明された。しかしながら、本発明が適用可能である具体的に本明細書で説明されなかった他の実施形態が存在する。従って、本発明は示された形態に限定されるものと見られるべきではなく、限定的であるというよりむしろ例示的であると考えるべきである。

Claims (8)

1. 流体殺菌システムであって、
   前記システムによる殺菌のために流路に沿って流体を供給するように流体源に作動接続する入口と、
   前記流路に沿って前記入口と流体連通した加熱部であって、所望レベルの殺菌を実現するためにその中の加圧流体を温度、圧力及び滞留時間の所定閾値を超えるまで加熱する加熱部と、
   前記加熱部に入る前に流体を予熱するために前記流路に沿って前記入口と前記加熱部との間に流体連通されて配置された第１経路と、前記流路に沿ったシステム出口を出る前に前記加熱部の流出物を冷却するために前記加熱部と前記システム出口との間に配置された第２経路と、を有する熱交換器であって、前記熱交換器の前記第１経路及び前記第２経路は熱エネルギーをその間に通すように構成される、熱交換器と、
   前記流路に沿って配置された複数の弁であって、前記入口の下流であって前記熱交換器の前記第１経路の上流に位置する第１弁と、前記熱交換器の前記第１経路の下流であって前記加熱部の上流に位置する第２弁と、その中を通る流体流量の比例制御のために構成された前記流路に沿って配置された第３弁と、を含む複数の弁と、
   前記流路に沿って配置された複数のセンサであって、（ａ）前記加熱部の下流であって前記熱交換器の前記第２経路の上流の前記流路上に配置された温度センサと、（ｂ）圧力センサと、を含む複数のセンサと、
   測定結果を前記複数のセンサから受信するために前記複数のセンサと作動可能に連通するディジタル制御装置であって、前記加熱部を含む前記システムのいかなる部分内の固定温度又は固定圧力を維持する必要無しに前記所望レベルの殺菌を実現するために圧力及び温度の所定範囲にわたって所定圧力及び温度プロファイルを確実にするために前記システムを通る流れを制御するために少なくとも前記第３弁を作動制御するディジタル制御装置と、を含む流体殺菌システム。
2. 前記第１弁は、一方向流れのために構成された逆止弁である、請求項１に記載の流体殺菌システム。
3. 前記第２弁は、一方向流れのために構成された逆止弁である、請求項１に記載の流体殺菌システム。
4. 前記第３弁は比例制御弁である、請求項１に記載の流体殺菌システム。
5. 前記圧力センサは前記加熱部の上流に配置される、請求項１に記載の流体殺菌システム。
6. 前記圧力センサは前記加熱部の下流に位置する、請求項１に記載の流体殺菌システム。
7. 前記第３弁の上流の前記流路上に配置された流量計をさらに含む、請求項１に記載の流体殺菌システム。
8. 前記第３弁は前記熱交換器の前記第２経路の下流に位置する、請求項１に記載の流体殺菌システム。

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