KR102114400B1

KR102114400B1 - 유체 살균 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR102114400B1
Application number: KR1020187008116A
Authority: KR
Inventors: 마이클 파파도풀로스; 크리스찬 파파도풀로스; 마크 파파도풀로스; 제임스 레이 루이스
Original assignee: 마이클 파파도풀로스
Priority date: 2015-08-28
Filing date: 2016-08-26
Publication date: 2020-05-22
Also published as: MY190524A; ZA201801998B; BR112018003875B1; JP2018526170A; IL257738B2; CN108348623A; US20170143858A1; US10213517B2; IL257738A; NZ740103A; IL257738B; JP6975148B2; CA2996624C; HK1253893A1; EA034907B1; AU2016316834A1; CA2996624A1; SA518391031B1; EP3341031A4; US20180200394A1

Abstract

소망 수준의 살균을 달성하기 위해 온도, 압력 및 지속기간(예를 들면, 체류 시간)에 대한 사전 지정된 임계값 초과로 가압 유체를 가열하기 위한 가열 섹션과, (a) 가열 섹션에 진입하기 전에 유체를 예열하는 것, 및 (b) 가열 장치의 유출물을 냉각하는 것 둘 모두를 위한 열교환기를 포함하는 유체 살균 시스템 및 방법이 제공되며, 여기서 가열 섹션의 전방 및 후방의 밸브를 제어된 시퀀스로 작동시킴으로써 유체가 가열 장치를 통해 이동하여, 사전 지정된 압력 및 온도 프로파일을 유지하면서 시스템을 통한 유동을 용이하게 한다. 시스템은 사전 지정된 범위의 압력 및 온도 내에서 작동하여, 가열 섹션을 포함하는 시스템의 임의의 부분 내에서 일정한 온도 또는 일정한 압력을 유지할 필요 없이 소망 수준의 살균을 달성한다.

Description

유체 살균 시스템 및 방법

관련 출원에 대한 교차 참조

본 출원은 2015년 8월 28일자로 출원된 미국 출원 제62/211,576호의 이익을 주장하고, 이 특허문헌은 참조로 포함된다.

발명의 분야

본 발명은 일반적으로 유체 정화 및 살균에 관한 것이고, 보다 특별하게는, 온도, 압력 및 지속기간(duration)(예를 들면, 체류 시간(dwell time))에 대한 임계값 초과로 유체를 가열하는 것에 의한 정화 및 살균에 관한 것이다.

유체 살균은 개인, 산업, 제조 및 의료 응용을 포함하는 광범위한 응용에 걸쳐 중요한 역할을 한다. 일반적으로 말하면, 살균은 대상물(object)을 임의의 살아있는 전염성 병원체(예를 들면, 균류(fungi), 박테리아, 바이러스, 아포형(spore form), 미생물, 프리온(prion) 등)가 없게 하는 프로세스로서 식별된다. 살균될 대상물은 인간 또는 동물 활동에 사용중이거나 사용될 표면, 다량의 유체, 또는 다른 재료를 포함하여, 몇몇의 유형 중 어느 하나일 수 있다. 살균의 유효성은 일반적으로 살균 보증 수준(sterility assurance level; SAL)을 통해 참조된다.

게다가, 수성 유체 살균의 문제는 선진국 및 개발 도상국 모두에서 똑같이 중요성이 증가하는 것 중 하나이다. 박테리아로 오염된 물과의 접촉으로부터 야기되는 합병증은 개발 도상국에서 질병의 주된 원인의 일부이다. 또한, 이것은 개발 도상국에 있어서 어린이들 사이에서 사망의 주된 원인 중 하나이다.

현재의 물 살균 작동에서 구체화된 현재 도전은 많은 개선의 여지를 남기고 있다. 오늘날 대부분의 정수 시스템은 역삼투법(reverse osmosis), 멤브레인 (필터) 기술, 또는 UV 광 기술과 같은 살균 프로세스를 사용한다. 이들 시스템은 정기적인 유지보수, 대량의 에너지, 및 멤브레인, 필터 또는 UV 전구와 같은 주요 구성요소의 정기 교체를 필요로 한다. 이와 같이, 이들 시스템은, 특히 대용량 응용에 대해, 작동 및 유지보수하는 데 비용이 많이 든다. 다른 해결책은 살균 수단으로서 물을 고온으로 가열하는 것을 포함하며, 이것은 전형적으로 가열 후에 물을 수용 및 냉각하기 위해 대형의 히트-싱크(heat-sink) 장치를 필요로 한다.

접근법 둘 모두는 구조적으로 대형이고 일반적으로 고정되어 있는 장치를 필요로 한다. 다른 도전들은 유체의 불연속적인 유동을 이용하는 해결책, 보다 많은 유지보수를 필요로 하는 프로세스에 의해 생성되는 부산물, 및 물만을 처리하는 한계를 수반한다.

추가적으로, 침습적 의료 시술이 보다 평범하고 일상적인 것이 되고 있기 때문에, 신체의 비교적 무방비 상태인 내부와 외부 기구의 증가하는 접촉은 적절한 기구 살균의 필요성을 크게 증대시킨다. 현재의 해결책은 전형적으로 소독 용액(예를 들면, 알코올 또는 표백제(bleach))에의 침지, 세정을 위한 초음파 방법(고주파수 음파를 통한 캐비테이션(cavitation) 생성), 또는 고압 증기 형태인 고온에의 노출을 통한 살균을 포함한다. 이들 해결책은 제한적인 도전을 갖는다: 소독 용액 방법은 재사용이 제한적인 유해한 폐기물을 생성하고; 초음파 프로세스는 시간이 많이 걸리고 에너지 및 유지보수 둘 모두를 많이 요구하고: 고압 증기 해결책은 민감하고 취약한 장비 및 고압 시일을 갖는 특수 장비 등을 잠재적으로 손상시킬 수 있다. 대부분의 현재 해결책은 다수의 가동 부품, 유지보수의 부가된 문제를 각각 일으키는 부가물, 및 가능한 오염의 위험성을 포함한다.

또한, "프리온(prion)"과 같은 오염물질은 사멸하기 매우 어렵고, 사실상 모든 현재의 살균 방법에 대해 저항성을 갖는다. 프리온은 구조적으로 독특한 방식으로 폴딩(folding)된 단백질이며, 이와 같은 방식은 다른 단백질에 전염성을 가져서 이와 같은 다른 단백질 분자가 이와 같은 독특한 폴딩을 취하게 할 수 있다. 인간 및 다른 포유류 내에서의 이와 같은 잘못 폴딩된(misfolded) 단백질 복제는 특히 뇌 및 신경 조직에 유해할 수 있다. 이와 같은 복제 형태는 바이러스성 감염과 유사한 질환을 초래한다.

감염 병원체로서의 단백질은 바이러스, 박테리아, 균류, 또는 기생균(parasite) - 이들 모두는 핵산(DNA, RNA, 또는 둘 모두)을 포함하여야 함 - 과 같은 모든 다른 알려진 감염 병원체와 대조를 이룬다. 많은 경우에, 포유류 내의 프리온은, 환자로부터 감염된 조직의 완전한 제거 외에는, 현재 치료할 수 없는 뇌 및 신경 조직에 대한 손상과 같은 유해한 결과를 가져올 수 있다. 그 후에, 이와 같은 치료에 사용된 장비 및 기구는 오염된 것으로 간주되어야 한다.

의료 장비의 오염 제거를 위한 현재의 절차는 의료적인 허용 수준까지 프리온을 신뢰성 있게 제거 또는 비활성화하는 데 효과적이지 않다. 이와 같이, 현재의 프로토콜은 통상적으로 프리온에 노출된 의료 장비의 폐기 및 파기를 요구하고, 이것은 비용이 많이 드는 제안이다.

그러므로, 다양한 사용을 위한, 예를 들어 현재의 접근법으로 가능하지 않은 정도까지 오염된 기구 및 장비를 살균하기 위한 살균 유체를 생성할 수 있는 장치 및 방법에 대한 필요성이 여전히 있다는 것이 이해되어야 한다.

간단히 말해서, 그리고 일반적인 용어로, 본 발명은 소망 수준의 살균을 달성하기 위해 온도, 압력 및 지속기간(예를 들면, 체류 시간)에 대한 사전 지정된 임계값 초과로 가압 유체를 가열하기 위한 가열 섹션과, (a) 가열 섹션에 진입하기 전에 유체를 예열하는 것, 및 (b) 가열 장치의 유출물을 냉각하는 것 둘 모두를 위한 열교환기를 포함하는 유체 살균 시스템 및 방법을 제공하며, 여기서 가열 섹션의 전방 및 후방의 밸브를 제어된 시퀀스로 작동시킴으로써 유체가 가열 장치를 통해 이동하여, 사전 지정된 압력 및 온도 프로파일을 유지하면서 시스템을 통한 유동을 용이하게 한다. 시스템은 사전 지정된 범위의 압력 및 온도 내에서 작동하여, 가열 섹션을 포함하는 시스템의 임의의 부분 내에서 일정한 온도 또는 일정한 압력을 유지할 필요 없이 소망 수준의 살균을 달성한다.

보다 구체적으로, 예시적인 구현예에 있어서, 시스템은 열교환기의 입구 및 출구 지점과, 가열 장치의 입구 및 출구 지점에 배치된 밸브를 포함하는, 컴퓨터와 같은 컨트롤러에 결합된 복수의 밸브를 포함한다. 밸브는 살균을 달성하기 위해 소망의 지속기간 동안 가열 조립체 내에 유체를 유지하는 것을 포함하는 시스템의 효과적인 작동을 가능하게 하도록 제어된 시퀀스로 작동된다. 그 후에, 입구 및 출구 포트는 순차 방식으로 개방되어 열교환기로부터 가열 장치 내로의 수용된 유체의 흡인을 일으키면서 유체가 가열 조립체를 빠져나갈 수 있게 한다. 시스템은 밸브의 제어된 시퀀스를 포함하는 시스템 작동을 제어하기 위한 독점적 소프트웨어(proprietary software)를 구현하는 컨트롤러를 이용할 수 있다.

예시적인 구현예의 상세한 양태에 있어서, 시스템은, 적어도 부분적으로 컨트롤러를 통한 밸브의 제어된 시퀀스 작동으로 인해 소망의 압력 수준을 달성하면서, 펌프 없이 작동될 수 있다. 입구 수압은 바람직하게는 최소 수준에 있다.

예시적인 구현예의 다른 상세한 양태에 있어서, 장치는 또한 시스템 경로를 살균하도록 유체를 재순환시킬 수 있고/있거나, 장비를 살균하기 위한 오토클레이브 챔버(autoclave chamber)를 포함할 수 있다.

예시적인 구현예의 다른 상세한 양태에 있어서, 장치는 열교환기 및 가열 섹션을 통해 병렬로 연장되는 파이프를 추가로 포함할 수 있다.

종래 기술에 비추어 달성된 본 발명 및 이점을 요약하기 위해, 본 발명의 소정 이점이 본원에 개시되어 있다. 물론, 이와 같은 모든 이점이 본 발명의 임의의 특정 구현예에 따라 반드시 달성될 수 있는 것은 아니라는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 예를 들면, 당업자는 본 발명이 본원에 교시되거나 제안될 수 있는 다른 이점을 반드시 달성하지 않고서도 본원에 교시된 하나의 이점 또는 이점의 그룹을 달성하거나 최적화하는 방식으로 구현되거나 실행될 수 있다는 것을 인식할 것이다.

이들 구현예 모두는 본원에 개시된 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 본 발명의 이들 구현예 및 다른 구현예는 첨부된 도면을 참조하는 바람직한 구현예의 하기의 상세한 설명으로부터 당업자에게 쉽게 자명해질 것이며, 본 발명은 개시된 임의의 특정 바람직한 구현예에 한정되지 않는다.

이제, 본 발명의 구현예는, 단지 예시로서, 하기의 도면을 참조하여 설명될 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 유체 살균 조립체의 제1 구현예의 단순화된 블록도이다.
도 2는 가열 장치로서 전기 침지 히터를 포함하는, 본 발명에 따른 유체 살균 조립체의 제2 구현예의 단순화된 블록도이다.
도 3은 열교환기 및 가열 섹션을 통해 병렬로 연장되는 파이프를 포함하는, 본 발명에 따른 유체 살균 조립체의 제3 구현예의 단순화된 블록도이다.
도 4는 유체를 사용하는 오토클레이브 챔버를 포함하는, 본 발명에 따른 유체 살균 조립체의 제4 구현예의 단순화된 블록도이다.
도 5는 밸브의 배열을 도시하는, 본 발명에 따른 유체 살균 조립체의 제5 구현예의 사시도이다.
도 6은 가열 요소로서 유도 열교환기 및 냉각 섹션을 포함하는, 본 발명에 따른 유체 살균 조립체의 제6 구현예의 단순화된 블록도이다.
도 7은 냉각 섹션, 및 밸브 및 센서의 대안적인 가능한 배열을 포함하는, 본 발명에 따른 유체 살균 조립체의 제7 구현예의 단순화된 블록도이다.
도 8은 예열 섹션뿐만 아니라, 냉각 섹션을 포함하는, 본 발명에 따른 유체 살균 조립체의 제8 구현예의 단순화된 블록도이다.
도 9는 가열 요소로서 표면 열교환기를 포함하는, 본 발명에 따른 유체 살균 조립체의 제9 구현예의 단순화된 블록도이다.
도 10은 가열 장치로서 침지 열교환기를 포함하는, 본 발명에 따른 유체 살균 조립체의 제10 구현예의 단순화된 블록도이다.
도 11은 프로판-기반 히터 및 열전 발전기를 포함하는, 본 발명에 따른 유체 살균 조립체의 제11 구현예의 단순화된 블록도이다.
도 12는 전기 침지 히터를 갖는 오토클레이브 챔버를 포함하는, 본 발명에 따른 유체 살균 조립체의 제12 구현예의 단순화된 블록도이다.
도 13은 센서를 판독하고 밸브를 작동하기 위한 컨트롤러를 포함하는, 본 발명에 따른 유체 살균 조립체의 제13 구현예의 사시도이다.
도 14는 도 13에 도시된 유체 살균 조립체의 정면도이다.
도 15는 도 13에 도시된 유체 살균 조립체의 평면도이다.
도 16은 도 13에 도시된 유체 살균 조립체의 배면도이다.
도 17은 도 13에 도시된 유체 살균 조립체의 저면도이다.
도 18은 도 13에 도시된 유체 살균 조립체의 상이한 사시도이다.
도 19는 도 11에 도시된 구현예에 이용되는 프로판-기반 히터의 하나의 구성의 평면도이다.
도 20은 분기형 침지 히터 시스템을 사용하는, 도 2에 도시된 구현예에 대한 변형예이다.
도 21은, 예를 들어 도 9의 조립체를 참조하는, 본 발명에 따른 시스템 작동의 단순화된 블록도이다.
도 22는 가스 히터를 포함하는, 본 발명에 따른 유체 살균 조립체의 다른 구현예의 사시도이다.
도 23은 본 발명에 따른 시스템 작동에 대한 기계 상태의 단순화된 블록도이다.
도 24는 본 발명에 따른 유체 살균 조립체의 히터 조립체에 사용될 수 있는 프로판-기반 히터의 측면도이다.
도 25는 본 발명에 따른 유체 살균 조립체의 히터 조립체에 사용될 수 있는 다른 프로판-기반 히터의 측면도이다.
도 26은 도 22의 유체 살균 조립체의 상태 모니터링 스크린의 예시적인 스크린샷이다.
도 27은 도 22의 유체 살균 조립체의 시스템 상태 작동의 단순화된 흐름도이다.

본원에 사용된 바와 같은 용어 "유체"는 물 또는 수용액, 예를 들어 주스 또는 우유, 및 용해 또는 현탁된 고체를 갖는 액체 또는 가스, 예를 들어 연도 가스 또는 원유 또는 폐수, 예컨대 블랙 워터(black water) 또는 그레이 워터(grey water)를 포함하는, 시스템을 통해 유동할 수 있는 임의의 가스 또는 액체를 포함하는 것으로 정의된다.

이제 도면, 특히 도 1 및 도 2를 참조하면, 물을 살균하는 데 사용 가능한 유체 살균 조립체가 도시되어 있다. 유체 소스(10)는 조립체의 입구에 연결된다. 시스템은 고온을 사용하여 유체를 소정 수준까지 살균한다. 그 후에, 이와 같은 살균된 유체는 다양한 용도를 가지며, 그 중 하나가 생물학적 오염 또는 소스의 수준에 문제가 없는 오염 제거된 음료수의 제조이다. 살균은 임의의 살아있는 전염성 병원체를 살균하는 정도로 유체를 과열(superheat)하도록 가열 요소를 통해 유체를 통과시킴으로써 달성된다. 시스템은 압력 및 온도에 대한 사전 지정된 범위 내에서 작동하여, 가열 섹션을 포함하는 시스템의 임의의 부분 내에서 일정한 온도 또는 일정한 압력을 유지할 필요 없이 소망 수준의 살균을 달성한다. 게다가, 유체의 입구 압력은 시스템을 통한 유동을 가능하게 한다.

조립체의 작동은 시동 단계, 연속 유동 단계 및 작동 단계를 포함할 수 있다. 시동 단계에서, 유체는 처음으로 시스템 내로 도입되고, 살균되고, 단시간 동안 체류하고, 연속 유동 작동 동안에 시스템을 준비시킨다. 작동 단계에서, 살균된 유체는 조립체에 대한 다양한 작동 상태에 사용하도록(예를 들면, 도 23 참조) 지향된다.

도 1 및 도 2의 조립체는 밸브 조립체(11)를 포함하는 유체용 입구를 포함한다. 유체는 유동 경로를 따라 가열 섹션(14)으로 이동하기 전에 유체가 예열되는 열교환기(12)의 제1(저온) 경로 부분으로 유동 경로를 따라 계속 진행하고, 가열 섹션(14)에서 유체를 소망 수준 초과로 살균하기 위해 유체는 사전 지정된 지속기간(예를 들면, 체류 시간) 동안 사전 지정된 온도 및 압력으로 가열된다. 그리고 그 후에, 유체는 유동 경로를 따라 열교환기(12)의 제2(고온) 경로 부분을 통해 다시 이동하여 시스템을 빠져나가기 전에 냉각된다. 시동 단계 동안에, 유체는 오프-스펙(off-spec) 배출부(19)로서의 밸브 조립체(18)를 통해 시스템을 빠져나간다. 작동 단계 동안에, 유체는 살균 유체 배출부(20)로서의 밸브 조립체(17)를 통해 시스템을 빠져나간다. 시스템으로부터 유체의 배출은 시스템 내로의 보다 많은 유체의 흡인을 일으켜서, 시스템 내로의 오염된 유체의 유입 및 살균된 유체의 배출에 기여할 수 있다. 게다가, 유체의 입구 압력은 시스템을 통한 유동을 가능하게 한다.

예시적인 구현예는 몇몇의 배치에서 상이한 유형의 몇몇의 밸브를 이용하여 유량 또는 압력과 같은 프로세스 변수의 소망의 작동 범위를 유지한다. 본원의 구현예에서의 밸브의 특정 개수, 사용 및 배치는 단지 예시의 목적으로만 설명되고, 이와 같은 밸브의 특정 개수, 사용 및 배치에 본 발명을 한정하는 것으로 이해되지 않아야 한다. 예시적인 구현예에서 설명되는 체크 밸브, 비례 유량 밸브, 솔레노이드 밸브 및 릴리프 밸브를 포함하는 다양한 유형의 밸브는 유사한 기능을 갖는 시스템 내의 다양한 배치에 추가되거나 제거될 수 있다. 예를 들면, 서보 밸브(servo valve)는 예시적인 구현예에서 설명되는 래치 밸브(latch valve) 대신에 또는 그에 부가하여 사용될 수 있고, 시스템의 유동 경로를 따라 어느 곳에도 배치될 수 있거나, 시스템으로부터 완전히 제거될 수도 있다. 다른 예로서, 스테퍼 모터(stepper motor) 비례 유량 밸브는 압력 변환기 또는 유량계와 함께 사용되거나 이것 없이 사용되는 파일럿-작동식(pilot-operated) 비례 유량 밸브 대신에 또는 이에 부가하여 사용될 수 있다. 또한, 시스템 내의 밸브는 수동으로, 스프링에 의해, 솔레노이드에 의해, 또는 임의의 다른 밸브 작동 수단에 의해 작동될 수 있다. 유사하게, 열전쌍(thermocouple), 압력 변환기, 및 프로세스 센서 또는 밸브 이외의 다른 제어-관련 장치의 개수 및 배치는 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 본원의 개시로부터 변경될 수 있다. 게다가, 가열 구성요소는 방사열 손실을 방지하도록 단열될 수 있다. 추가의 이익을 제공할 수 있는 다양한 형태의 단열이 사용될 수 있으며, 예를 들어 세라믹 층이 사용될 수 있다. 예를 들면, 침지 히터에는, 연장된 사용에 걸쳐 히터 상에의 스케일링(scaling)(축적물)을 추가로 방지할 수 있는 세라믹 코팅이 제공될 수 있다.

시스템 내부에 배치되거나 시스템 외부에 연결된 컨트롤러 또는 컨트롤러들(180)은 시스템 내의 밸브, 변환기, 열전쌍 또는 센서와 접속된다. 예시적인 구현예에서의 컨트롤러(180)는 시스템의 작동을 조정하도록 컴퓨터 판독 가능 명령을 실행하는 마이크로프로세서로 구성된 디지털 컴퓨터이지만; 기계적 또는 공압적 컨트롤러 또는 아날로그 전자 시스템을 포함하는 프로세스 제어 가능한 임의의 디바이스가 사용될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 컨트롤러의 사용은 작업자가 살균 프로세스를 관찰 및 관리 가능하게(예를 들면, 사용자 인터페이스 또는 디스플레이로부터 센서 데이터를 판독하고, 그에 따라서 밸브를 개방 또는 폐쇄함) 할 수 있거나, 사전 지정된 작동 지침 하에서 시스템이 자율적으로 작동 가능하게 할 수 있다. 컨트롤러는 제한된 정도로 사용될 수 있거나, 규격에 따른 살균된 유체를 생성하도록 시스템이 단지 통전될 필요가 있는 정도로 사용될 수 있다. 그러나, 시스템의 구현예는 작업자가 밸브를 수동으로 작동하고 센서 정보, 즉 게이지 또는 시각적 판독정보 또는 그래픽을 판독할 수 있도록 제어기 없이 사용될 수 있다.

보다 특별하게는, 그리고 도 2를 계속 참조하면, 유체는 입구(30)로부터 핸드 밸브(HV1)(31)를 통해 시스템에 진입한다. 예시적인 구현예에 있어서, 유체는 50 psig 내지 500 psig의 압력을 갖고, 체크 밸브(CV1)(35), 압력 변환기(P1)(36), 열전쌍(TC1)(37) 및 유량계(FM1)(38)를 통해 이동한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 펌프(34)는 비가압 유체의 저장소 또는 다른 소스로부터 입구(32)를 통해 유체를 흡인하는 데 사용될 수 있다. 체크 밸브는 시스템에서의 일방향 유동을 보장하는 데 사용되고, 압력 변환기 및 열전쌍뿐만 아니라, 다른 센서가 시스템에서의 유체의 동적 특성을 모니터링하는 데 사용된다. 유량계는 시스템을 통과하는 유체의 속도를 결정하는 데 사용되고, 유체의 속도는 비례 유량 밸브를 사용하여 변경될 수 있다. 입구 유체 압력은 적용 가능한 살균 온도에 따른 살균 온도에서 유량 및 체류 시간을 규정한다. 하기의 표 1은 예시적인 구현예에서의 주어진 입구 압력에 대한 살균 온도를 열거한다.

입구 압력(psig)	비등점(℃)	살균 온도(℃)
10	115	108
50	147	140
100	170	163
200	198	191
300	216	209
400	231	224
500	254	243

유체가 시스템에 진입함에 따라, 유체는 열교환기(12) 내로 계속 진행하기 전에 고체 오염물질 제거를 위한 필터(F1)(130)(도 6)를 통과할 수 있다. 열교환기(12)는 (a) 가열 섹션(14)에 진입하기 전에 유체를 예열하는 것, 및 (b) 가열 섹션(14)의 유출물을 냉각하는 것 둘 모두를, 그 사이에서 열 전달을 가능하게 함으로써, 실행한다. 예시적인 구현예에 있어서, 유체는 주변 환경에서, 입구(30)와 열교환기(12) 사이에 유동 경로를 따라 배치된 TC1(37)에 의해 측정된 전형적으로 15℃ 내지 20℃로 시스템에 진입한다. 그 후에, 유체는 열교환기(12)를 통해 유동하고, 여기서 유체는 약 70℃ 내지 95℃, 보다 바람직하게는 88℃ 내지 92℃, 또는 약 90℃의 온도로 예열된다. 입구 주변 온도가 15℃ 내지 20℃보다 낮은 경우에는, 예열 섹션이 포함될 수 있다.

시스템은 입구(10)로부터 출구(17, 18)까지 연속 및/또는 배치(batch) 방식으로 작동 가능한 유동 경로를 제공한다. 유동 경로는 유체를 사전 지정된 압력 및 온도로 유지하도록 구성된 구성요소 및 파이프를 포함한다. 예시적인 구현예에 있어서, 식품 등급용(food-grade) 스테인리스강 배관이, 가열 섹션을 포함하여, 입구로부터 출구까지 시스템에서 사용된다. 시스템 전체에 걸친 재료에 사용되는 금속의 선택은 특정 응용에 가장 적합한 요건에 기초하지만, 전형적으로 고온 합금일 것이다. 이것은, 아마도 시스템 내에서의 화학 또는 전기화학 반응으로 인해, 금속의 부식을 생성할 수 있는 금속 부조화(metal mismatch)를 일으키지 않고서 전형적인 장치와의 설치의 용이성을 허용한다.

다른 구현예에 있어서, 변속 펌프가 시스템 내의 소망 압력을 달성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들면, 변속 펌프는 소망의 입구 압력을 달성하도록 시스템의 입구(30)에 근접하게 사용될 수 있다. 또한, 변속 펌프는, 소망의 출구 압력을 달성하지만 내부 압력 업셋(upset)을 일으키지 않도록, 시스템의 출구에 근접하게 배치되고, 입구 압력과 연관되어 작동될 수 있다.

도 5에 가장 잘 도시된 다른 구현예에 있어서, 가열 요소(112)는 유체가 열교환기(12)를 떠난 후에 유체를 훨씬 더 높은 온도로 예열하는 데 사용된다. 예열 섹션(111) 내의 이와 같은 제1 가열 요소(112)(예를 들면, 테이프 히터)를 통과한 후에, 다음에 유체는 가열 섹션(14) 내로, 그리고 이 가열 섹션 내의 가열 장치(113)를 통해 유동하여, 살균을 위한 소망 온도까지 된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 테이프 히터가 본 구현예에서의 예열 요소(112)로서 사용되지만, 하기에서 논의되는 바와 같은 1차 가열 섹션(14)과 유사하게, 다른 가열 장치가 사용될 수 있다. 이와 같은 예열 섹션(111)은 열교환기(12)와 가열 섹션(14) 사이에 유동 경로를 따라 배치된 제2 열전쌍(TC2)(42)에 의해 측정된 약 90℃ 내지 120℃의 온도까지 유체를 가열한다. 그러나, 유체가 열교환기(12)로부터 가열 섹션(14)으로 직접 통과하거나, 심지어 입구(30)로부터 가열 섹션(14)으로 직접 통과하여 예열 섹션(111)을 배제하는 다른 구현예가 고려된다.

릴리프 밸브(RV1)(41)는 열교환기(12)와 가열 섹션(14) 사이에 유동 경로를 따라 배치되어, 유동 경로 내의 압력이 설정된 균열 압력(예를 들면, 500 psig)을 초과하면 유동 경로부터 유체를 방출한다. 릴리프 밸브의 작동은 유체를 유동 경로 밖으로 전환시켜서 유동 경로 내의 압력이 상승을 멈추거나 하강하게 하여, 초과 압력으로 인한 손상 또는 파손으로부터 시스템을 보호한다. 릴리프 밸브는, 작동되면, 과잉의 유체를 보조 유동 경로를 통해 시스템으로 다시 전환시킬 수 있거나, 과잉 유체를 시스템 밖으로 전환시킬 수 있다.

가열 요소는 유체를 신속하고 정확하게 소망 온도까지 되게 하도록 구성된다. 도 2에 도시된 예시적인 구현예에 있어서, 가열 섹션(14)은 1차 가열 요소로서, 예를 들어 1000 와트의 침지 유체 히터(47, 49 및 51)를 이용한다. 본원에서 설명된 다른 구현예는 유도 열교환기(132)(도 6), 표면 열교환기(145)(도 8), 또는 프로판 히터(160)(도 11, 도 19, 도 24 및 도 25)를 사용할 수 있다. 그러나, 테이프 히터, 가열 로드, 직접 화염(예를 들면, 천연 가스, 프로판, 연료재(firewood) 또는 다른 연료를 사용함), 침지 히터, (예를 들면, 도체로서 또는 직접 열을 관리하는 것으로서, 또는 둘 모두로서의) 그래핀(graphene), 마이크로파, 태양열 히터(예를 들면, 열 에너지를 집중시키기 위한 렌즈 또는 미러), 또는 조합된 열 및 전력 발생기로부터의 열과 같은 다른 가열 장치가, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이, 단독으로 또는 조합하여 사용될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 시스템은 다른 기계적 구조체와 통합되어 그 내에서 이용 가능한 열원을 이용하여 가열 섹션을 위한 열원을 제공할 수 있다. 예를 들면, 가열 섹션은, 소망의 열이 달성될 수 있는 한, 표면 히터로서 전동 차량 또는 발전기의 가열된 구성요소(예를 들면, 엔진 블록 또는 미관(tailpipe))를 이용할 수 있다. 예시적인 구현예에 있어서, 가열 섹션은 발전기 또는 차량과 같은 전동 구성요소의 가열된 구성요소(예를 들면, 엔진 블록 또는 미관)와 통합된 매니폴드 내에 포함된 유동 경로를 포함할 수 있으며, 여기서 컨트롤러는 가열 섹션을 통한 유량을 관리해서 사전 지정된 지속기간(예를 들면, 체류 시간) 동안에 사전 지정된 온도 및 압력으로 유체를 유지하여 유체를 살균할 수 있다. 특히, 본 구현예에서, 작동 전체에 걸쳐서, 가열 섹션 내의 온도 및 압력이 모니터링되고, 살균이 유체 압력 및 유동에 의해 제어되면서, 전동 구성요소의 작동에 따라 달라지는 열 공급부의 온도를 적산할 수 있다.

도 5를 계속 참조하면, 열교환기(12)로부터 빠져나갈 때, 예열된 유체는 제2 체크 밸브(CV2)(43)를 거쳐서 가열 섹션(14) 내로 방출된다. 유체는 가열 섹션(14) 내에 배치된 열전쌍(TC3, TC4 등)(48, 50, 52)에 의해 측정된 약 135℃ 내지 240℃로 가열된다. 240℃에서의 유체의 체류 시간은 약 1초 이하이지만, 체류 시간은 상이한 프로세스 변수 하에서 유체를 살균하도록 필요에 따라 변경될 수 있다.

예시적인 구현예에 있어서, 유체는 액체 상태에서 변화되지 않도록 한다. 고압 격납에 의해서, 유체는 여전히 액체 상태로 유지되면서 고온에 도달하도록 허용된다. 그러나, 특히 고압 유동 경로로 설계되지 않은 구현예에서, 유체는 액체 상태로 유지될 필요가 없다. 시스템은 효과적인 살균을 달성하기 위해 대응하는 압력 수준에서 유체를 가열하도록 구성된다. 보다 특별하게는, 시스템은 다른 감염성 병원체 및 유기 오염물 중에서, 박테리아, 바이러스 및 프리온을 살균하는 소망 수준에 도달할 수 있다. 또한, 사전 지정된 온도 초과에서, 시스템은 유기 분자를 파괴할 수 있다.

증류 구성요소가 유동 경로를 따라 추가적으로 또는 대안적으로 가열 섹션(14)에 배치되는 다른 구현예가 고려된다. 이와 같은 증류 구성요소의 일 예는 진공 챔버일 수 있으며, 이 진공 챔버는 유체가 챔버에 진입하기 전에 배기되고, 유체는 챔버 내의 저압 구역에 진입할 때 기화한다. 이와 같은 기화된 유체는 시스템 내에서 계속 진행하기 전에 응축기에서 증류액(distillate)으로서 수집된다. 추가적으로, 이와 같은 증류 구성요소는, 증류 구성요소 및 살균 구성요소 둘 모두로서 기능하도록, 가열 섹션(14)에서와 같이 충분히 높은 온도로 가열될 수 있다.

도 2의 구현예에 도시된 침지 워터 히터(47, 49 및 51)는 가열 섹션(히터(47, 49 및 51))을 통한 유동 경로를 규정하는 파이프(들)의 내측벽과 매우 근접하게 유동 경로의 용적을 충분하게 충전하도록 설계되어, 유체가 히터(47, 49 및 51)의 표면과 소망의 접촉을 유지하기에 적절한 표면적을 제공하여, 히터가 과열되지 않도록 보호하면서 유체가 충분히 가열되는 것을 보장한다. 예를 들면, 예시적인 구현예에서, 침지 히터의 표면 위의 유동은 히터에 대한 전류와 매칭될 수 있거나, 히터는, 제어값이 물의 출구 온도로 설정되지만, 유동이 적고 히터로부터 적절한 열을 제거하지 못하면 과열될 것이다. 이것을 제어하는 하나의 방법은 침지 히터 상에 열전쌍을 제공하여 수류가 줄거나 감소되는 경우에 히터가 과열되지 않도록 보장하는 것이다.

보다 특별하게는, 침지 히터는 기다란 원통 형상을 가질 수 있고, 히터는 가열 섹션을 통한 유동 경로를 규정하는 원통형 파이프와 축방향 정렬 상태로 배향된다. 이와 같은 방식으로, 시스템은 히터(들)와 유체 사이의 열 전달을 최적화한다. 가열 섹션(14) 내의 유동 경로는 특정 구현예에 의해 요구될 수 있는 바와 같은 가열 요소(12)의 효율을 증대시키는 다양한 수단을 포함할 수 있다. 예를 들면, 배플(baffle) 또는 터뷸레이터(turbulator)와 같은 난류 발생기가 가열 섹션(14)의 유동 경로 내에 배치되어, 유체의 다른 층류(laminar flow)의 경계 층을 파괴하거나, 가열 요소(12)와 직접 접촉하는 유체의 표면적을 증대시킬 수 있다. 다른 예로서, 가열 섹션(14)의 유동 경로의 길이로 연장되는 내부 터뷸레이터 자체는 침지 히터로서 또는 유도 열교환기로서 가열될 수 있다. 또한, 임의의 특정 구현예에서의 가열 섹션(14)의 치수는 소망의 출력량에 적합하도록 변경될 수 있다. 예를 들면, 보다 콤팩트하거나 휴대 가능한 시스템 구현예에 대해서는 가열 섹션(14)의 길이가 감소될 수 있거나, 보다 대형이고 대용량인 시스템 구현예에 대해서는 가열 섹션(14) 내의 유동 경로의 직경이 증가될 수 있다. 소망의 작동 변수를 성취하도록 임의의 치수가 확대 또는 축소될 수 있다.

가열된 유체, 이제는 살균 유체는 가열 섹션(14)을 빠져나가고 열교환기(12)로 다시 이동한다. 예시적인 구현예에 있어서, 열교환기(12)는 다수의 파이프를 가져서, 입구(30)로부터 진입하는 유체 및 가열 섹션(14)으로부터 진입하는 가열된 유체의 구획된 유동을 허용한다. 입구(30)로부터 열교환기(12)에 진입하는 비가열된 유체의 근접부는 가열 섹션(14)으로부터 진입하는 가열된 유체를 냉각하는 프로세스를 돕지만, 구획화는 어떠한 가능한 재오염도 방지한다. 다른 구현예에서, 다른 열 전달 수단 및 열교환기 디자인이 본 발명으로부터 벗어남이 없이 사용될 수 있다. 예를 들면, 플레이트-기반 열교환기 또는 상변화 열교환기가, 관형 열교환기 대신에 또는 그에 부가하여, 단독으로 또는 조합하여 사용될 수 있다.

이와 같은 예시적인 구현예에 있어서, 살균 유체의 온도는 열교환기(12)를 통과한 후에 약 70℃로 하강된다. 도 6 및 도 7에 도시된 다른 구현예는 유체 냉각 장치(138)를 포함하는 냉각 섹션(135)을 포함하여, 시스템을 빠져나가기 전의 살균 유체의 온도를 더욱 하강시킨다. 유체는, 시스템을 빠져나가도록 오프-스펙 배출부(19)를 위한 래치 밸브(LV2)(58) 또는 살균 유체 배출부(20)를 위한 래치 밸브(LV1)(60)를 통해 지향되기 전에, 다른 릴리프 밸브(RV2)(54)(도 2) 및 스테퍼 모터 비례 유량 밸브(SMPFV1)(57)를 통과한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 하나의 삼방향 밸브(118)(도 6)가 오프-스펙 배출부(19) 또는 살균 유체 배출부(20) 유동 경로로 유체를 지향시키는 데 사용될 수 있다. 오프-스펙 배출부(19)는 시스템을 빠져나가도록 지향될 수 있거나, 재살균을 위해 시스템 내로 다시 지향될 수 있다.

예시적인 구현예가 입구(30)에서 적절한 압력을 보장하기 위해 펌프(34)를 이용하는 것으로 설명되었지만, 시스템은 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이 펌프 없이 사용될 수 있으며, 여기서 유체는 몇몇의 압력 시스템 중 어느 하나, 예를 들어 고가 저장소(elevated reservoir) 또는 저장 탱크로부터의 중력 공급부를 통해 도입된다. 유체가 TC3(48) 및 TC4(50)에 의해 판독된 사전 지정된 살균 온도(예를 들면, 250℃)에 도달할 때, 오프-스펙 배출부(19)를 위한 솔레노이드 밸브(SV1)(150)가 개방되고, 입구(30)가 제1 비례 유량 밸브(PFV1)(110)에서 개방된다. 압력은 PFV1(110) 및 제2 비례 유량 밸브(PFV2)(116)에 대한 조정에 의해 제어된다. 이것은 입구(30)로부터 배출부(19)까지의 유체의 정상 유동을 야기한다. TC3 및 TC4에 의해 모니터링된 온도에 상당한 손실 없이(예를 들면, 적어도 240℃가 유지됨) 완전한 살균(예를 들면, 5초)을 보장하기 위해, 유체의 정상 유동이 가열 섹션에서의 사전 지정된 기간(예를 들면, 체류 시간) 동안에 확립되면, 오프-스펙 배출부(19)를 위한 SV1(150)이 폐쇄되고, 살균 유체 배출부(20)를 위한 제2 솔레노이드 밸브(SV2)(151)가 개방된다. 그러면, 살균 유체가 생성되어, 입구(30)에서 HV1(31), CV1(135) 및 PFV1(110)을 통해 받아들여져서, SV2(151)를 통해 빠져나간다. 본원의 구현예가 연속 작동 또는 유체의 정상 유동을 참조하여 상세하게 설명되지만, 본 발명에 따른 다른 구현예는 펄스 또는 배치 모드로 작동될 수 있다. 예를 들면, 컨트롤러(180)는 주어진 양(예를 들면, 100 갤런) 또는 주어진 지속기간(예를 들면, 1 시간) 동안 살균된 유체를 생성한 후에, 시스템을 정지하도록 프로그래밍될 수도 있다. 다른 예로서, 수동 작업자는 소정량의 유체를 가열 섹션(14) 내로 허용하는 데 필요한 밸브를 개방하고, 그 후에 가열 섹션(14)에서 소정량의 유체를 살균하는 데 필요한 밸브를 소망의 체류 시간 동안 폐쇄하고, 마지막으로 그와 같은 소정량의 유체를 살균 유체 배출부(20)로 지향시키는 데 필요한 밸브를 개방할 수 있다.

이제 도 21을 참조하여, 본 발명에 따른 시스템(예를 들면, 시스템(도 9))의 예시적인 작동 시퀀스가 논의된다. 우선, 예시적인 구현예에 있어서, 하기에서 상세하게 논의되는 바와 같이, 작업자는 시스템이 작동 가능하고 모든 밸브가 폐쇄된 것을 확인한다. 다음에, 확인된 급수원이 시스템에 물을 전달하도록 부착된다. 단계 3에서, 이제 말단 밸브(예를 들면, HV1, HV2, HV3)가 개방될 수 있다. 단계 4에서, 이제 제어 밸브(예를 들면, PFV1, PFV2, SV1)가 개방되어, 조립체를 통한 충분한 유동이 유동 경로로부터 모든 공기를 배출할 수 있게 한다. 단계 5에서, 제어 밸브(예를 들면, PFV1, PFV2, SV1)를 폐쇄한다. 이제, 유체는 시스템의 유동 경로 내에 포획 공기 없이 갇히게 된다. 컨트롤러(180)는 예를 들어 P1을 통해 시스템 내의 압력을 판독하여 초기 최소 압력(예를 들면, 적어도 50 psi)이 이용 가능한 것을 보장한다.

측정된 초기 최소 압력이 만족스럽다면, 단계 6에서, 컨트롤러는 물 가열 섹션을 활성화하고, 예시적인 구현예에서, 1차 가열 섹션이 사전 지정된 살균 온도로 설정된다. 단계 7에서, 가열 섹션이 사전 지정된 살균 온도(예를 들면, TC3, TC4로 측정됨)로 될 때, 제어 밸브(예를 들면, PFV1, PFV2, SV1)는 시스템을 통한 유동을 개시하도록 개방된다. 다음에, 단계 8에서, 충분한 살균 온도를 유지하면서, 안정적인 유동 유체가 충분한 기간, 예를 들어 적어도 5초 동안 시스템을 통해 확립되면, 오프-스펙 배출부를 위한 밸브(SV1)는 폐쇄될 수 있고, 살균된 유체를 위한 밸브(SV2)는 개방될 수 있다.

작동 동안에, 컨트롤러(180)는, 작동 안전성이 유지되는 것을 보장하고, 사전 지정된 살균 온도 및 압력이 사전 지정된 허용차 이내로 유지되는 것을 보장하기 위해, 시스템을 모니터링한다. 이들 측정값은 시스템의 작동 전체에 걸쳐서 지속적으로 모니터링되고, 예를 들어 1차 가열 섹션 내의 온도는 240℃ 내지 275℃(TC3 및 TC4에서 측정됨)인 것이 바람직하다. 또한, 유출물 온도(TC5에서 측정됨)도 마찬가지이다. P1 및 P2에서 측정된 시스템 내의 압력은 500 psig 미만이어야 한다. 예시적인 구현예에 있어서, 체크 브라우저(check browser)가 각 섹션에서의 배압 상승을 방지하는 데 이용된다. 필터(F1)는 시스템에 진입하는 것으로부터 고체 오염물질을 필터링하는 데 사용된다. 컨트롤러는 TC1에서 진입수(entry water) 온도를 모니터링하고, 이 온도는 15℃ 내지 20℃인 것이 바람직하다.

도 26은 시스템을 위한 상태 모니터를 나타내는 컨트롤러(180)로부터의 스크린샷(400)을 도시하고 있다. 컨트롤러는 센서를 모니터링하고, 밸브, 가열 요소 및 시스템의 다른 특징부를 제어한다. 사용 동안에, 컨트롤러는, 시스템이 압력 및 온도에 대한 사전 지정된 범위 내에서 작동하여, 가열 섹션을 포함하는 시스템의 임의의 부분 내에서 일정한 온도 또는 일정한 압력을 유지할 필요 없이 소망 수준의 살균을 달성하는 것을 보장한다. 이것은 또한 시스템의 안전한 작동을 보장한다. 예시적인 구현예에 있어서, 스크린샷(400)에 나타난 측정값(410)은 센서(도 22의 TC1, TC2, TC3, TC4, P1, P2, P3)로부터 수신된다. 컨트롤러는 또한 작업자가 살균 설정점 및 수류 설정점(420)을 지정할 수 있게 한다. 컨트롤러는, 예를 들어 도 27에 도시된 바와 같이, 그와 같은 측정값 및 제어값을 지속적으로 갱신한다.

도 13 내지 도 18은 컨트롤러(180)를 이용하는 일 구현예의 몇몇의 도면을 도시하고 있다. 도 13은 전방 우상측 코너의 시각으로부터 시스템을 나타내고 있다. 도 14는 정면으로부터 시스템을 나타내는 한편, 도 15는 상면으로부터 시스템을 나타내고 있다. 유사하게, 도 16은 배면으로부터 시스템을 나타내는 한편, 도 17은 저면으로부터 시스템을 나타내고 있다. 마지막으로, 도 18은 후방 우하측 코너로부터 시스템을 나타내고 있다. 이와 같은 구현예에 있어서, 시스템은 열교환기(12)의 입구 및 출구 지점과, 가열 섹션(14)의 입구 및 출구 지점에 배치된 밸브를 포함하는, 컨트롤러(180)에 결합된 복수의 밸브를 포함한다. 밸브는 살균을 달성하기 위해 소망의 지속기간 동안 가열 섹션(14) 내에 유체를 유지하는 것을 포함하는 시스템의 효과적인 작동을 가능하게 하도록 제어된 시퀀스로 작동된다. 그 후에, 입구 및 출구 포트는 순차 방식으로 개방되어 열교환기(12)로부터 가열 섹션(14) 내로의 수용된 유체의 흡인을 일으키면서 유체가 가열 섹션(14)을 빠져나갈 수 있게 한다. 이와 같은 방식으로, 시스템은, 적어도 부분적으로 컨트롤러(180)를 통해 밸브의 시퀀스 작동을 제어하는 것으로 인해, 소망의 압력 수준을 달성하면서, 펌프 없이 작동될 수 있다.

이제 도 3을 참조하면, 물을 살균하는 데 사용 가능한 분기형(bifurcated) 유체 살균 조립체가 전술한 구현예와 유사하게 도시되어 있으며, 이 분기형 유체 살균 조립체는 열교환기(12)와 가열 섹션(14)을 통해 병렬로 연장되는 다수의 유동 경로(81, 82, 83, 84, 86, 87, 88 및 89)를 추가로 포함한다. 각각의 유동 경로를 따라서 복수의 밸브가 배치되어, 각각의 유동 경로가 독립적인 방식으로 작동될 수 있다. 그러나, 각각의 유동 경로의 작동은 연속적인 동시 작동이 조립체에 의해 달성될 수 있도록 순차적일 수 있고, 이에 의해 시스템 전체의 유동 스루풋(throughput)을 증대시킬 수 있다. 게다가, 병렬 유동 경로의 제어 가능한 작동은 실시간으로 사용자 요구 수준을 만족시키도록 사용자가 시스템의 출력을 조정할 수 있게 한다. 다른 구현예는 상이한 출력을 달성하기 위해 필요에 따라 분기형 또는 비분기형 유동 경로를 이용할 수 있다. 예를 들면, 도 20은 가열 섹션(14) 내의 분기형 유동 경로를 따라 배치된 침지 히터(47, 49, 51 및 200)를 사용하는 도 2의 구현예에 대한 변형예를 도시하고 있다.

이제 도 4를 참조하면, 조립체는 장비 또는 소모품(예를 들면, 의료용, 수술용, 예컨대 드릴, 메스(scalpel))을 살균하기 위한 오토클레이브 챔버(100)를 추가로 포함할 수 있다. 보다 특별하게는, 오토클레이브 챔버(100)는, 유체를 액체 상태로 유지하면서, 소망 수준의 살균을 달성하기 위해 사전 지정된 지속기간(예를 들면, 체류 시간) 동안 온도 및 압력에 대한 임계값 초과로 유지된 가압 유체에 장비를 노출시키도록 구성된다. 오토클레이브 챔버(100)는 장비를 수용하기 위한 밀폐체(enclosure)를 제공하고, 이 밀폐체는 살균을 위해 가열 섹션(14)으로부터 수용된 가압 유체로 가득 채워질 수 있다. 오토클레이브 챔버(100)는 조립체의 가열 섹션(14)에 결합되어, 그로부터 가압 유체 유출물을 수용한다. 유체의 일정한 온도를 보장하거나 살균된 장비의 건조를 돕기 위해, 오토클레이브 유닛(100)에 추가적인 가열 장치(170, 171 및 172)(도 12)가 포함될 수 있다.

사용 시에, 오토클레이브 챔버(100) 내에 장비가 배치된다. 그 후에, 챔버(100)는 가열 섹션(14)으로부터의 가압 유체로 가압, 충전된다. 바람직하게는, 유체는 액체 상태를 유지하기 위해 최소 온도(예를 들면, 141℃)보다 높고, 최소 압력보다 높다. 장비는 살균을 보장하기 위해 사전 지정된 지속기간(예를 들면, 체류 시간) 동안 노출된다. 그 후에, 유체는 오토클레이브 챔버(100)로부터 배출되고, 열교환기(12)로부터 냉각된 살균 유체는 장비를 냉각하도록 챔버(100) 내로 지향될 수 있다. 그 후에, 챔버(100)에서 유체가 배출되고, 살균된 장비가 제거될 수 있다.

오토클레이브 챔버(100)로부터의 유출물은 시스템을 통해 재순환될 수 있다. 예시적인 구현예에 있어서, 유출물은 열교환기(12) 및 가열 섹션(14)으로 재순환될 수 있도록 열교환기(12)로 다시 지향된다. 대안적으로, 유출물은 오프-스펙 배출부(19)를 통해 지향되거나, 오토클레이브 챔버 내의 장비를 살균하는 데 사용된 유체가 살균된 후부터는 살균 유체 배출부(20)를 통해 지향될 수 있다. 이제 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 살균 조립체의 사시도가 도시되어 있다. 시스템은 유체 소스 및 전원에 결합될 수 있고, 그 후에 신속하게 작동을 개시할 수 있다. 특히, 이와 같은 조립체는 콤팩트하고 경량이어서, 사실상 임의의 위치로 용이하게 반송될 수 있다. 이와 같은 방식으로, 살균된 유체는 폭넓게 이용 가능해질 수 있다. 도 5에 도시된 구현예는 높이가 1 피트 미만이고, 길이가 6 피트 미만이며, 폭이 약 1 피트이지만, 훨씬 더 작은 조립체도 가능하다. 대안적으로, 증대된 살균 능력을 제공하기 위해 훨씬 더 큰 조립체도 가능하다.

살균 조립체 구현예는 다양한 전원을 이용할 수 있다. 하나의 구성은 살균 조립체를 작동시키거나 적어도 그 내의 임의의 전자 장비를 작동시키기 위한 리튬 이온 전지 또는 다른 형태의 에너지 저장장치를 포함할 수 있다. 상기 전지를 충전하거나, 컨트롤러(180) 또는 다른 전자 장비를 작동시키기 위해, 태양 전지판(solar panel)이 포함될 수 있다. 도 11에 도시된 다른 구성은 가열 섹션(14) 내의 열전 발전기(TEG1, TEG2, TEG3 및 TEG4)(162, 163, 164 및 165)를 포함하여, 가열 섹션(14) 내의 프로판 가열 요소(160 및 161)에 의해 발생된 과잉 열의 일부를 회수하고, 그것을 전기로 변환하여 조립체의 전자 장비를 작동시킨다. 조립체는 복수의 전지를 포함할 수 있다. 사용 시에, 복수의 전지의 서브세트(subset)는 충전 중일 수 있고 다른 전지는 통전 중일 수 있으며, 그 후에 전지가 충전되면 교대시킬 수 있다. 컨트롤러는 이와 같은 방식으로 전지를 관리하도록 구성될 수 있다.

도 18은 도 11에 나타낸 가스 히터 조립체(161)의 보다 상세한 도면을 도시하고 있으며, 그에 따라 유체는 190에서 코일 내로 유입되는 프로판 또는 다른 연료를 위한 매칭하는 유동 경로(195) 위에 위치되는 코일형 루프 유동 경로(196)(도 19)에 진입하고, 프로판 또는 다른 연료를 위한 유동 경로는 규칙적으로 이격된 천공부(194)를 구비하고, 이 천공부(194)의 외부로 연료가 지향되고 점화되어 상측 유동 경로(196) 내의 유체를 가열한다. 또한, 가스 가열원을 포함하는 조립체의 다른 예에 대해 도 22를 참조. 도 23 및 도 24는 프로판 또는 다른 연료를 위한 매칭하는 유동 경로 위에 위치되는, 절두-원추형 형태로 구성된 코일형 루프 유동 경로를 포함하는 가스 히터 조립체를 도시하고, 프로판 또는 다른 연료를 위한 유동 경로는 규칙적으로 이격된 천공부를 구비하고, 이 천공부의 외부로 연료가 지향되고 점화되어 상측 유동 경로 내의 유체를 가열한다.

시스템 컨트롤러(180)를 포함하는 살균 시스템이 시스템에 관한 정보를 전송 또는 수신하기 위한 수단을 포함하는 다른 구현예가 고려된다. 예를 들면, 시스템 내의 컨트롤러(180)는 원격 작업자에게 센서 데이터를 전송하고 그로부터 명령을 수신하도록 네트워크에 연결될 수 있다. 다른 예로서, 시스템 내의 컨트롤러(180)는 시스템을 원격으로 모니터링하도록 작동 상태, 출력 속도, 또는 유지보수 필요성(예를 들면, 준비성(readiness), 시스템 건전 상태)을 전송하기 위해 전자기 신호(예를 들면, 라디오파)를 전파하도록 장비될 수 있다.

상기로부터, 본 발명은 소망 수준의 살균을 달성하기 위해 온도, 압력 및 지속기간(예를 들면, 체류 시간)에 대한 사전 지정된 임계값 초과로 가압 유체를 가열하기 위한 가열 장치와, (a) 가열 장치에 진입하기 전에 유체를 예열하는 것, 및 (b) 가열 장치의 유출물을 냉각하는 것 둘 모두를 위한 열교환기를 포함하는 유체 살균 시스템 및 방법을 제공하며, 여기서 가열 섹션의 전방 및 후방의 밸브를 제어된 시퀀스로 작동시킴으로써 유체가 가열 장치를 통해 이동하여, 사전 지정된 압력 및 온도 프로파일을 유지하면서 시스템을 통한 유동을 용이하게 한다는 것이 이해되어야 한다. 시스템은 압력 및 온도에 대한 사전 지정된 범위 내에서 작동하여, 가열 섹션을 포함하는 시스템의 임의의 부분 내에서 일정한 온도 또는 일정한 압력을 유지할 필요 없이 소망 수준의 살균을 달성한다. 게다가, 본 발명에 따른 구현예들은, 소망에 따라, 가정용, 사업용 또는 산업용 용도에 맞춰질 수 있다.

본 발명은 상기에서, 본 발명의 이해가 전달될 수 있도록 현재의 바람직한 실시예의 면에서 설명되었다. 그러나, 본 발명이 적용될 수 있는 다른 구현예가 본원에 구체적으로 설명되어 있지 않다. 그러므로, 본 발명은 제한적인 것보다는 예시적인 것으로 간주되어야 하는 도시된 형태에 한정되는 것으로 이해되지 않아야 한다.

Claims

유체 살균 시스템으로서,
상기 시스템에 의한 살균을 위한 유동 경로를 따라 유체를 제공하기 위해 유체 소스(10)에 작동적으로 연결하기 위한 입구(30);
상기 유동 경로를 따라 상기 입구(30)와 유체 연통하는 가열 섹션(14)으로서, 상기 가열 섹션은 소망 수준의 살균을 달성하기 위해 온도, 압력 및 체류 시간에 대한 사전 지정된 임계값 초과로 상기 가열 섹션 내의 가압 유체를 가열하는, 가열 섹션(14);
상기 가열 섹션(14)에 진입하기 전에 유체를 예열하기 위해 상기 유동 경로를 따라 상기 입구(30)와 상기 가열 섹션(14) 사이에 유체 연통하여 배치된 제1 경로, 및 시스템 출구(119, 120)를 빠져나가기 전에 상기 가열 섹션(14)의 유출물을 냉각하기 위해 상기 유동 경로를 따라 상기 가열 섹션(14)과 상기 시스템 출구(119, 120) 사이에 위치된 제2 경로를 구비하는 열교환기(12)로서, 상기 열교환기(12)의 제1 경로 및 제2 경로는 그 사이에서 열 에너지가 흐르도록 구성되는, 열교환기(12);
상기 유동 경로를 따라 배치된 복수의 밸브로서, 상기 열교환기(12)의 입구 지점과 출구 지점 및 상기 가열 섹션(14)의 입구 지점과 출구 지점에 배치된 밸브를 포함하는 복수의 밸브;
상기 유동 경로를 따라 배치된 복수의 센서로서, 내부의 유체 온도를 측정하도록 상기 가열 섹션에 배치된 온도 센서(53) 및 상기 열교환기(12)의 상기 제 2 경로와 출구 사이에 배치된 온도 센서를 포함하는 복수의 온도 센서; 및
압력 및 온도에 대한 사전 지정된 범위에 걸친 사전 지정된 압력 및 온도 프로파일로 제어하면서 상기 시스템을 통한 유동을 일으키도록 제어된 순서로 상기 밸브를 작동하기 위하여 복수의 상기 밸브를 작동적으로 제어하고 복수의 센서로부터 측정치를 수신하도록 복수의 센서와 작동적으로 통신하는 디지털 컨트롤러;를 포함하는, 유체 살균 시스템에 있어서,
상기 열교환기(12)의 상기 제 1 경로 및 상기 입구(30) 사이에 배치되는 제 1 압력 센서(36);
상기 열교환기(12)의 상기 제 2 경로와 상기 출구 사이에 배치되는 제 2 압력 센서(56);
상기 열교환기(12)의 상기 제 1 경로 및 상기 입구(30) 사이의 제 1 밸브(11, 35), 상기 열교환기(12)의 제 1 경로의 하류와 상기 가열 섹션(14)의 상류에 있는 제 2 밸브(13, 43), 및 상기 가열 섹션(14)의 하류와 상기 열교환기(12)의 제 2 경로의 상류에 있는 제 3 밸브(16, 57);를 포함하되,
상기 디지털 컨트롤러는 가열 섹션(14)을 포함하는 시스템의 내에서 고정 온도 또는 고정 압력을 유지할 필요 없이 원하는 살균 수준을 달성하도록 압력 및 온도에 대한 사전 지정된 범위 내에서 상기 시스템이 작동되도록 프로그램된 것을 특징으로 하는 유체 살균 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제1 밸브(35)는 일방향으로 유동시키도록 구성된 체크 밸브인 것을 특징으로 하는 유체 살균 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제2 밸브(43)는 일방향으로 유동시키도록 구성된 체크 밸브인 것을 특징으로 하는 유체 살균 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제3 밸브(57)는 비례 제어 밸브인 것을 특징으로 하는 유체 살균 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제 1 압력 센서(36)는 상기 가열 섹션(14)의 상류측에 배치되는 것을 특징으로 하는 유체 살균 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제 2 압력 센서(56)는 상기 가열 섹션(14)의 하류측에 위치되는 것을 특징으로 하는 유체 살균 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제 3 밸브(57)의 상류측의 유동 경로 상에 배치된 유량계(38)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 살균 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제3 밸브(57)는 상기 열교환기(12)의 제2 경로의 하류측에 위치되는 것을 특징으로 하는 유체 살균 시스템.
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