KR20050056910A - 자외선 소독 장치 - Google Patents
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Abstract
유입관(110) 내의 공기를 소독하기 위해 방사 자외선을 사용한다. 유입관(110)은 외부 표면의 일부에 내부전반사 영역(120)을 포함하며, 상기 방사 자외선은 내부전반사에 의해 유입관의 일부를 통해 진행한다.
Description
본 발명은 유독 화합물의 화학 결합을 파괴하고 병원체를 비활성화시키도록 강한 자외선 방사를 사용하는 공기 정화 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 자연 발생적인 독소 또는 전쟁에 사용된 생물학-화학 물질을 포함하는 물 또는 다른 액체의 정화를 비롯한 대량 수송에도 역시 적용될 수 있다.
종래기술의 자외선 소독 시스템은 통상 물 소독 시스템으로, 물을 방사 자외선에 노출시켜 방사 자외선이 물을 통해 진행하여 반사면을 비추고 반사되어 다시 물을 통해 진행하게 된다. 특히 연마된 스테인리스 스틸인 반사면은 상당량의 방사 자외선을 흡수한다. 할로란(Halloran)이 기술한 것(미국 특허 제3,744,216)과 같은 공기 소독 시스템은 기류 내에 확장 아크(extended arc) 저온 수은 살균 램프를 사용한다. 아메리칸 울트라바이올렛 앤드 스터릴 에어(American Ultraviolet and Steril-Aire)와 같은 회사들은 가열, 통풍 및 공조(HVAC) 시스템의 덕트 내부에 이들 램프를 사용하여 살균 작용을 하는 시스템들을 제작한다.
화이트헤드(Whitehead)의 미국특허 제4,260,220호는 내부전반사(TIR)의 원리에 따라 동작하는 정방형 단면의 중공형 도파관을 구성한다. 각각의 벽부는 90도 각도의 종방향 주름들이 있는 평탄한 내면과 외면을 갖는다. 이들 벽은 아크릴 또는 투광 유리와 같은 투명한 절연체로 구성된다. 화이트헤드의 장치는 가시광 수송에 사용된다.
프릿차드(Pritchard, 미국특허 제3,170,980호)에 따르면, 단거리에서 플럭스 균질성을 최대화하는 정방형 단면의 도광판이 당업계에 공지되어 있다. 이들 장치는 예컨대 마가릴(Magarill, 미국특허 제5,625,738호)에 의해 기재된 바와 같이, 통상 투영 시스템에서 광원과 영상장치(imaging device) 사이에 사용된다
종래기술의 자외선 소독 시스템에 있어서, 소독되는 공기에 방사 자외선이 통상 과도하게 투과되므로, 관련 장비의 치수, 중량 및 사용동력이 필히 증가된다. 이와 같은 시스템의 효율을 개선하면서 공기 소독을 위한 효율적인 이동식 자외선 소독 시스템을 제공할 필요성이 오랫동안 제기되었다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자외선(UV)으로 물을 소독하는 자외선 소독 장치를 보여준다.
도 2는 도 1의 자외선 소독 장치의 단면도이다.
도 3은 도 1의 자외선 소독 장치 내부의 광 파이프 방사 구역을 보여주며, 내부전반사(TIR)에 의해 방사 자외선이 수용되는 것을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 자외선으로 공기를 소독하는 자외선 소독 장치를 보여준다.
도 5는 도 4의 자외선 소독 장치의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 자외선 소독 장치를 통합한 공기 처리 시스템의 블록도를 보여준다.
도면의 주요 부분의 참조 번호 목록
아래는 번호순으로 기재한 도면의 주요 부분의 목록이다.
1: 입사각(유체 유입관 내부 표면에서의 굴절)
2: 내부전반사(유체 유입관 외부 표면에서의 반사)
5: 유체(소독대상)
10: 유체 유입관
11: 입구 단부(유체 유입관)
12: 출구 단부(유체 유입관)
13: 내부 표면(유체 유입관)
14: 외부 표면(유체 유입관)
15: 동심 간극(유입관과 광학 클래딩 튜브 사이의 간극)
20: 광학 클래딩 튜브
30: 유체 수용 용기
31: 자외선 거울(유체 수용 용기 내부 표면)
32: 공기 간극(유체 수용 용기)
33: (유체 수용 용기의) 내관
35: 자외선 유입구
36: 하부 자외선창 표면
37: 상부 자외선창 표면
40: 고도 자외선 램프
50: 유체 배출관
71: (하부 자외선창 표면에서 나오는) 제1 자외선 광선
72: (유체에서 나오는) 제2 자외선 광선
73: (유체 유입관 내부 표면에서 나오는) 제3 자외선 광선
74: (유체 유입관 내부 표면에서 나오는) 제4 자외선광선
75: (유체에 들어가는) 제5 자외선 광선
100: (유체, 유체 유입관 및 동심 간극으로 이루어진) 광도체
101: 공기 유입 팬
102: 에어 필터
103: 촉매 필터
104: 공기 배출 팬
105: (소독될) 공기
110: 공기 유입관
111: 입구 단부(공기 유입관)
112: 출구 단부(공기 유입관)
113: 내부 표면(유체 유입관)
114: 외부 표면(유체 유입관)
120: (공기 유입관의) 내부전반사 영역
121: (내부전반사 영역 전체의) 내부 표면
123: 디플렉터 거울
130: 공기 수용 용기
131: 자외선 거울(공기 수용 용기 내부 표면)
135: 자외선 유입구
137: 자외선창 표면
140: 고도 자외선 램프
141: 자외선 센서
150: 유체 배출관
200: (소독 시스템의) 제어기
본 발명은 공기를 중공형 내부 전반사 광 콘딧 또는 도광판의 일단을 통해 보내고 고도 램프의 자외선 에너지를 타단으로부터 콘딧 또는 도광판을 통해 결합시키는 공기 소독 장치 및 방법에 관한 것이다. 도광판 자체는 자외선 등급 용융 실리카 글라스 등의 자외선 비흡수성 소재로 구성된다. 장점으로서, 내부전반사에 기초한 광도체 기술을 사용하면, 입력 복사 자외선이 모두 공기 중에서 방산된다.
도 1을 참조하면, 중앙 광도체인 유체 유입관(10), 동심 간극(15)을 두고 상기 유체 유입관(10)의 하부 둘레에 있는 광 클래딩 튜브(20), 유체 수용 용기(30, containment vessel), 유체 배출관(50) 및 섬광등과 같은 고광도 또는 고도 자외선 램프(40)를 포함하는 본 발명에 따른 자외선(UV) 물 소독 장치의 기본 구성이 도시된다.
도 2를 참조하면, 유체 수용 용기(30)는 내부 표면이 자외선 거울(31)로 형성된다. 예컨대 유체 수용 용기는 알루미늄으로 구성되며, 내부 표면은 연마된 알루미늄일 수 있다. 물 등의 소독 대상 유체(5)가 입구 단부(11)를 통해 유체 유입관(10)에 유입된다. 유체 유입관(10)은 예컨대 자외선 등급 용융 실리카로 제조될 수 있다.
유체(5)는 유체 유입관(10)을 통해 고도 자외선 램프(40)를 향해 이동하여 출구 단부(12)를 통해 유체 유입관(10)으로부터 배출된다. 이어, 유체(5)는 유체 수용 용기930)의 하단의 일부를 형성하는 하부 자외선 투과창 표면(36)에 의해 방향 전환되어 흐른다. 그 다음, 유체(5)는 유체 수용 용기(30)의 상단에 배치된 유체 배출관(50)으로 방향 전환되어 흐른다.
유체(5)는 유체 수용 용기(30) 내부에 유지된다. 유체 수용 용기(30)는 내관(33)을 포함하며, 상기 내관(33)은 자외선 등급 용융 실리카로 구성되어 반사형 내부 표면이 자외선 거울(31)을 형성하는 외부 알루미늄 셸 내부에 수용될 수 있으며, 에어 갭 등의 간극(32)이 상기 내관(33)과 외부 셸 사이에 형성된다. 그러면, 외관(30)의 양단은 하부 자위선 투과창 표면(36)과 상부 자외선창 표면(37)으로 종결된다.
상기 자외선 물 소독 장치는 유체(5)가 대략 평류(plug flow)로 흐르도록 바람직하게 수직으로 배치되고, 유체 배출관(50)의 위치는 최고점 또는 그 부근이어서, 바람직하지 않은 기포가 신속하고 효율적으로 제거될 수 있다. 유체(5) 중에 존재하는 기포들은 방사 자외선의 산란 영역들을 형성하여 시스템 효율을 저하시킬 수 있다. 이들 산란 영역에 의해 방사 자외선은 최적 각도 미만의 방향을 가지므로, 알루미늄관인 경우 대략 86%의 반사율을 갖는 자외선 거울(31)인 유체 수용 용기 내부 표면으로부터 반사된다. 이들 자외선 산란 영역이 없다면, 광도체의 내부전반사(TIR) 작용에 의해 모든 반사가 무손실(loss-less)에 가깝기 때문에, 방사 자외선은 대부분 유체(5) 내부에서 방산된다.
도 3을 참조하면, 광도체(100) 부분은 물 등의 유체(5), 자외선 등급의 용융 실리카 튜브 등의 유체 유입관(10) 및 공기 간극 또는 진공 간극과 같은 동심 간극(15)으로 형성된다. 동심 간극(15)은 광도체(100)가 동작할 수 있도록 유체(5)로부터 수력학적으로 격리되어 있다. 광도체는 동심 간극의 굴절률이 유체(5)의 굴절률보다 작은 것에 기초하여 동작한다. 광 스펙트럼의 자외선 영역에서의 물과 용융 실리카의 굴절률은 아래의 표 1에 제시된다.
[표 1]용융 실리카와 물의 굴절률
용융 실리카 자외선 등급(SiO2) | 물 | ||
파장(nm) | 굴절률 | 파장(nm) | 굴절률 |
170 | 1.615 | 172 | 1.568 |
185 | 1.575 | 185 | 1.549 |
200 | 1.550 | 200 | 1.543 |
214 | 1.534 | 215 | 1.513 |
280 | 1.494 | 280 | 1.492 |
302 | 1.487 | 305 | 1.475 |
436 | 1.467 | 450 | 1.344 |
546 | 1.460 | 550 | 1.336 |
656 | 1.456 | 650 | 1.331 |
표 1에 제시된 바와 같이, 물은 광 스펙트럼의 자외선 영역에서 자외선 등급 용융 실리카 글라스와 대체로 동일한 굴절률을 갖는다.
방사 자외선은 도 2에 도시된 바와 같이 고도 자외선 램프(40)로부터 방사되어 자외선 유입구(35)를 통해 하부 자외선창 표면(36)으로 진입한다. 램프(40)와 유입구(35) 사이의 거리를 최소로 하여 유체 운반형 또는 표면 오염물에 의한 자외선 흡수를 배제할 수 있다. 특정 실시예에서, 유입구(35)는 (광학 결합 효율을 증대시키도록) 하나 이상의 렌즈 요소로 형성될 수 있다. 제1 자외선 광선(71)이 하부 자외선창 표면에서 사출되면서 굴절에 의해 휘어지고 유체(5)에 진입하여 제2 자외선 광선(72)을 형성한다. 제2 자외선 광선(72)은 유체(5)와 접촉된 유체 유입관(10)의 내부 표면(13)에 소정 입사각(1)으로 충돌하는데, 이 입사각(1)은 내부 표면(13)에 수직인 표면에 대해 측정된다. 제2 자외선 광선(72)은 유체 유입관(10)의 측벽으로 진입할 때 굴절에 의해 휘어져 새로운 내부 반사각(2)에 따라 방향 전환되어 제3 자외선 광선(73)을 형성한다.
스넬의 법칙에 정의된 바와 같이 반사각(2)의 값은 입사각(1)과 유체(5) 및 자외선 등급 실리카 등의 유체 유입관(10) 구성 소재의 굴절률의 함수이다. 제3 자외선 광선(73)은 유체 유입관(10) 소재를 통해 계속 진행하여 동심 간극(15)과 접촉된 유체 유입관의 외부 표면(14)과 충돌한다. 제3 자외선 광선(73)은 유체 유입관(10)의 측벽 안으로 다시 반사되어, 유체 유입관(10) 소재와 동심 간극(15)의 굴절률이 스넬의 법칙에서 정의된 내부전반사 조건을 만족시킬 때 제4 자외선 광선(74)을 형성한다. 동심 간극(15)의 굴절률은 그 내부에 수용된 소재의 굴절률이나 그 내부에 아무런 소재도 수용되지 않은 경우 진공의 굴절률에 의해 정의된다.
자외선 광원(40)에서 투사되는 최초 투사광에 의해 정의되는 광도체(100) 영역은 유체 유입관(10) 길이의 적어도 일부에 존재한다. 따라서, 입사각(2)은 유체(5), 유체 유입관(10)의 구성 소재 및 동심 간극(15)의 굴절률에 따라 미리 정해진 범위로 제한되어야 한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 유체 유입관(10)은 자외선 등급 실리카 글라스로 구성되고, 소독될 유체(5)는 물이며, 동심 간극(15)에는 건조 공기가 수용된다.
공기 소독에 적합한 본 발명의 다른 실시예가 도 4 내지 6에 도시되어 있다. 먼저 도 4를 참조하면, 공기 수용 용기(130)는 내부 표면이 자외선 거울(131)로 형성된다. 예컨대, 공기 수용 용기(130)는 알루미늄으로 구성되고, 내부 표면은 연마 알루미늄일 수 있다. 소독될 공기(105)가 입구 단부(111)를 통해 내부전반사 광 콘딧(110)에 진입한다. 광 콘딧(110)은 예컨대 자외선 등급 용융 실리카, 특히 헤리우스 수프라실(Hereaus Suprasil) 등의 200 내지 300nm의 살균 파장에 높은 투과성을 갖는 등급의 소재로 제조될 수 있다.
도 5를 참조하면, 공기 유입관(110)은 입구 단부(111) 쪽으로 약간의 거리를 두고 출구 단부(110)로부터 램프(140)에 가장 가깝게 연장된 내부전반사(TIR) 영역(120)을 포함한다. 이렇게 하면, 일부 자외선 광선이 공기 유입관(110)에서 누설되어 공기 수용 용기(130) 내에 분포할 수 있다. 일실시예에서, 내부전반사 영역(120)은 복수의 프리즘 도광판으로, 이는 공기 도파관을 위해 내부전반사를 유지할 수 있는 입체각에 대해 기재한 화이트헤드(미국특허 제4,260,220)에서 가시광용으로 교시한 것들과 유사하다. 예컨대, 보조 광학수단 없이 쇼트 아크 제논(short-arc xenon) 섬광등에서 나오는 비시준 자외선 에너지 전체는 내부전반사에 의해 대략 27도의 원뿔형 반각으로 유지될 수 있다. 이 각도를 넘어선 자외선 광선은 자외선 거울(131)과 같은 다른 표면과 충돌할 때까지 내부전반사 영역(120)을 통해 공기(105) 속으로 반드시 누설될 것이다. 장점으로, 공기 수용 용기(130)는 자외선을 수용하여 전체 시스템 효율을 최대화함으로써, 자외선이 기류와 상호 작용할 더 많은 기회를 허용한다. 또한, 공기 수용 용기(130)는 예컨대 최대의 자외선 빔 균질성을 위한 정방형 횡단면 또는 다른 필요한 형태를 가질 수 있다.
공기(105)는 공기 유입관(110)을 통해 고도 자외선 램프(140) 쪽으로 진행하며 출구 단부(112)를 통해 광 콘딧(110)에서 방출된다. 공기(105)의 흐름은 선택적인 디플렉터 거울(123)에 충돌하여 그 둘레로 전환되며, 또한 선택적으로 상기 디플렉터 거울(123)은 공기 수용 용기(130)를 빠져나가는 방사 자외선의 양을 최소화한다.
거울(123)을 포함하지 않는 실시예에서, 램프로부터 나오는 방사 자외선의 일부가 내부전반사 영역(120)이 있는 유입관(110)의 부분에서 방출되어 수용 용기(130)의 상부로 진입한다. 램프에서 방사된 자외선 중에서 시준도가 높은 것만이 유입구(111)에 도착할 것이다. 유입구(111)에 예컨대 직각 부착물을 도입하여 이들 자외선을 수용 용기(130) 안으로 다시 편향시킬 수 있다.
이어 기류 경로(105)를 참조하면, 공기는 공기 수용 용기(130)의 하단의 일부를 형성하는 자외선창(135)과 충돌한다. 전술한 바와 같이, 특정 실시예에서, 창은 하나 이상의 렌즈 요소를 구비한다. 본래 공기를 소독하도록 구성된 실시예들에서, 내부전반사 구조는 본래 물을 소독하도록 구성된 실시예들보다 더 제한된 수용 각도를 갖는다. 공기를 소독하도록 구성된 실시예에서, 너비의 원리(principle of etendue)가 관(110)의 내부전반사 영역(120)을 위한 더 큰 단면을 요구하지만, 일정한 광학 시준 정도가 유리하다.
마지막으로, 공기(105)는 공기 수용 용기(130)의 상단에 위치한 공기 출구(150)로 방향을 바꿔 흐른다. 장점으로, 공기는 내부전반사 영역의 외부로 이동하는 동안 자외선 거울(131)에 의해 포획된 추가의 방사 자외선을 수용함으로써 고효율 자외선 방사 시스템의 실질적인 실시예를 형성한다. 이와 달리, 램프를 빠져나가는 자외선은 대략 27도의 원뿔형 반각으로 시준되어 매우 긴 내부전반사 안내 구조체 안으로 주입됨으로써 극히 높은 효율( 즉 전력당 소독량)을 달성할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 피드백 요소로서 자외선 센서(141)를 사용하여 적절한 방사 레벨의 적용을 확보할 수 있다. 미네소타 둘루스(Duluth) 소재의 상호가 유브이 클린(UV Clean)인 어프라이즈 테크놀로지(Apprise Technology)는 연속적인 또는 펄스형 자외선 광원을 처리하는 적절한 자외선 센서를 제조한다. 자외선 센서(141)는 용기(130) 내부를 관찰하지만 자외선 램프(140)를 직접 접하지 않도록 위치된다. 장점으로, 이렇게 위치되면, 센서는 공동 방사를 통합하여 측정할 수 있으며, 램프의 출력 분포의 변화에 의존하지 않는다. 공기 흐름이 여과되므로, 센서의 입구의 소제가 최소화된다. 생명에 중대한(life-critical) 소독된 공기 등의 특정 실시예에서, 추가의 자외선 광원 및 센서가 채용된다.
이하 도 6을 참조하면, 본 발명의 자외선 소독 장치를 사용하는 자외선 공기 소독 시스템이 개략적으로 도시되어 있다. 소독될 공기는 예컨대 유입 팬(101)을 통해 유입되고 에어 필터(102)를 통과하여, 자외선을 흡수하여 시스템 효율을 저하시키는 오염물을 제거한다. 그런 다음 소독될 여과된 공기(105)는 고도 자외선 램프(140)에 의해 방사되는 공기 수용 용기(30) 안으로 흐른다. 방사된 다음, 공기는 공기 수용 용기(130)로부터 오존을 호흡 가능한 산소로 전환하는 선택적인 촉매 필터(103)를 통과하여, 최종적으로 공기 배출 팬(104)을 통해 배출된다. 센서로부터의 피드백이 입력되면 제어기(200)는 용기(130) 안으로 유도된 자외선의 양과, 유입 팬 및 배출 팬(104)에 의해 유량을 조절할 수 있다. 또한, 자외선 광원(40)과 같은 펄스형 램프를 사용하는 실시예에서, 제어기(200)는 펄스 반복율을 변화시킨다. 다른 실시예에서, 제어기는 예컨대 센서(141)가 비정상적으로 낮은 방사 자외선을 챔버(130) 내에서 검출하면 램프의 교체 필요성을 알리는 경보를 제공할 수도 있다.
명세서에 사용된 두문자어 목록
HEPA(High Efficiency Particulate Filter): 고효율 미립자 공기 (필터)
HVAC(Heating, Venting and Air Conditioning): 가열, 통풍 및 공조
TIR(Total Internal Reflection): 내부전반사
UV(Ultraviolet): 자외선
변형례
본 발명의 사상 또는 범위에서 벗어나지 않는 변형례들을 안출할 수 있다. 예컨대, 동일한 시스템을 개조하여 (공기 및 물 등의) 복수의 유체를 정화할 수 있도록 이중용도에 적용할 수 있다.
관련출원
본 출원은 2002년 10월 9일에 출원된 미국 특허출원 제10/268,567호의 일부 계속 출원이며, 2001년 11월 2일 출원된 미국 가특허출원 제60/336,381호의 개시 내용을 원용하며, 이들 문헌 내용은 본원에 포함된다.
Claims (6)
- 자외선 방사를 사용하여 사전 여과된 공기를 소독하는 시스템에 있어서,(a) 입구 단부(111), 말단에서 대향된 출구 단부(112), 상기 공기와 접촉하는 내부 표면(121) 및 외부 표면으로 된 공기 유입관(110);(b) 상기 공기 유입관의 외부 표면의 적어도 일부에 배치된 내부전반사 영역;(c) 상기 공기 유입관 둘레에 배치된 공기 수용 용기(130);(d) 상기 공기 수용 용기를 광학적으로 투과하는 자외선 유입구(135);(e) 상기 자외선 유입구를 통과하여 상기 공기 유입관의 내부 표면과 충돌하는 방사 자외선을 제공하는 고도 자외선 램프(40)를 포함하는 공기 소독 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 공기 유입관은 자외선 등급 실리카 글라스로 구성되는 것을 특징으로 하는 공기 소독 시스템.
- 제1항에 있어서, 광 콘딧이 복수의 프리즘 도광판을 구비하는 것을 특징으로 하는 공기 소독 시스템.
- 제1항에 있어서, 피드백 기구인 자외선 센서(141)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 소독 시스템.
- 제1항에 있어서, 오존 발생이 억제하도록 램프가 자외선 흡수 유리를 구비하는 것을 특징으로 하는 공기 소독 시스템.
- 제1항에 있어서, 오존을 산소로 전환하도록 촉매 필터(103)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 공기 소독 시스템.
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