TW201604140A - 用於流體處理之方法、系統及裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明係有關於一種用於流體處理之方法、系統及裝置。用於處理流體之一裝置包含一流體腔室及配置在該流體腔室之一周邊的至少一紫外線單元。該至少一紫外線單元包含至少一紫外線發光二極體及一紫外線導引元件。該紫外線導引元件係組配成在使用時準直由該至少一紫外線發光二極體發射之光的至少一部份,使得由各紫外線單元發射之紫外線在一第一平面中平行。在此亦說明用以冷卻在一流體處理系統中之發光二極體的方法。
Description
本發明係有關於使用紫外線(UV)處理透明或半透明液態、蒸氣態或氣態流體以使有毒化學品及/或生物病原體暴露於人、動物及天然環境之風險減少且較佳地最小化。本發明特別適合,但不限於,飲用水處理,廢水處理及工業處理水,例如,適合在半導體晶片製造中使用之水的處理。
目前習知紫外線流體處理使用安裝在一腔室中之水銀氣體填充管燈,且該流體通過該腔室。每腔室之燈數範圍可由1至200以上。對單燈腔室而言,該管通常定向成與該流體流平行。對多燈應用而言,該等燈及/或腔室通常定向成與流體流垂直。多數腔室可並聯地安裝以處理高流體流量。使用水銀氣體填充管燈所需之能量高且成本高。此外,該等燈不耐用且必須經常更換。
習知流體處理系統需要通過該燈之一電流,而該燈使水銀蒸氣在峰值為254奈米之紫外線範圍中發光。大約百分之十五之電能轉變成光子。超過百分之85之電能在該等燈內轉變成熱。熱透過該管表面被傳送至該流體
中。如果該流體是一液體,例如水,則該熱會產生一礦物結垢問題。當溫度增加時,例如硫酸鈉及氫氧化鈣之數種常見礦物鹽在水中之溶解度變小,使該問題惡化。因為各燈必須經常清潔以維持發射之紫外線的強度,故該系統不理想。
紫外線由該等燈射入通過之流體中。一百分比之由靠近該腔室壁之燈發射的光子被在該壁表面之材料吸收。小於百分之100透明之流體吸收一百分比之由該等燈發射之光子。透射率一直低於100%且甚至自來水具有低達90%之透射率。通過具有85%透射率之一30cm寬水柱將,如比爾定律(Beer's Law)決定地,損失其強度之95%。處理流體在距離該燈1公分之一距離吸收發射能量之百分之25不是不尋常的。在半透明流體中,一光子撞擊它被一有機體DNA核苷酸吸收之位置的機率隨著該光子在該處理腔室中移動之距離(該光子路徑長度)而改變。此外,由一光源發散之光的強度依據平方反比定律衰減。
到達在經處理流體中之目標有機體的一小部份(數量級為10-6)光子對該有機體DNA造成破壞。該破壞降低該有機體之生存率或繁殖功能。隨著濁度由於懸浮固體及溶解化合物所造成之吸收、散射及屏蔽而增加,紫外線殺菌有效性減少。表列在2006美國環保署紫外線殺菌指南手冊中之紫外線殺菌劑量係40mJ/cm2。因此,用於處理例如廢水之流體的一有效系統應在全部處理區域提供這紫外線劑量。應了解的是用於某些有機體之有效殺菌劑量
(或用於特定化學處理之所需劑量)會與該40mJ/cm2劑量明顯地不同。
在該技術中需要有效率地及有效地消毒紫外線半透明流體,耐用、可靠、節能,且需要比現有系統少之維護的一公眾或私人用流體處理系統。類似地,在該技術中需要一節能光化學處理。
本發明提供一種用於流體處理之裝置,其包含一流體腔室及配置在該流體腔室之一周邊的至少一紫外線單元,其中該至少一紫外線單元包含至少一紫外線發光二極體及一紫外線導引元件,其中該紫外線導引元件係組配來在使用時準直由該至少一紫外線發光二極體發射之光的至少一部份,使得由各紫外線單元發射之紫外線在一第一方向上平行且在一第二方向上不平行,且其中該第二方向與該第一方向垂直。
藉由以一方向準直光,該光之光子路徑長度減少,藉此減少關於該平方反比定律及比爾定律之能量損失。
較佳地,該紫外線導引元件係組配成在該第二方向上收束該準直紫外線。更佳地,該紫外線導引元件係組配成收束該準直紫外線以便在或靠近該流體腔室之一中心軸聚焦。
或者,該紫外線導引元件係組配成使該準直光在該第二方向上散射。
較佳地,該裝置包含多數紫外線單元。較佳地,該等多數紫外線單元係徑向地配置成環繞該流體腔室之圓周或周邊。較佳地,該等多數紫外線單元係配置成多圈地環繞該流體腔室之周邊。較佳地,相鄰圈之紫外線單元互相偏移確保在使用時所有欲處理流體均勻暴露於紫外線所需之一數量。
較佳地,該流體腔室是透明的。
較佳地,該至少一紫外線單元係配置在該流體腔室外部。
該等紫外線發光二極體配置在該流體腔室外部可改善進入之容易性以便清潔、維護及更換。
較佳地,該裝置包含配置在該流體腔室外部之一蓋,其中該至少一紫外線單元係安裝在該蓋上。較佳地,該蓋係由阻擋紫外線之一材料形成且包含至少一孔,該至少一孔係配置成在使用時容許由該紫外線發光二極體發射之紫外線進入該流體腔室。
較佳地,該光導引元件是一反射器。更佳地,該等至少一發光二極體之各發光二極體係設置在該反射器之一焦點。較佳地,該流體腔室之一中心軸係設置在或靠近該反射器之一焦點。
在另一實施例中,本發明提供一種用於流體處理之裝置,其包含一流體腔室及配置在該流體腔室之一周邊的至少一紫外線單元;其中該至少一紫外線單元包含至少一紫外線發光二極體及一紫外線導引元件;且其中該紫
外線導引元件係組配成在使用時準直由該至少一紫外線發光二極體發射之光之至少一部份,使得由各紫外線單元發射之紫外線只在一單一方向上平行。
較佳地,該裝置包含用以在該欲處理流體中產生旋轉或渦旋移動之一或多數元件。
較佳地,該裝置包含用以控制該紫外線發光二極體之溫度的一冷卻裝置。較佳地,該冷卻裝置係組配成在使用時可控制地將熱從該紫外線發光二極體轉移至經處理流體。
較佳地,該冷卻裝置包含一冷媒迴路;其中該冷媒迴路之一第一部份係配置成與該紫外線發光二極體接觸以便在使用時在該冷媒迴路與該紫外線發光二極體之間轉移熱;且其中該冷媒迴路之一第二部份包含用以在使用時在該冷媒迴路與該經處理流體之間轉移熱之一熱交換器。較佳地,該裝置更包含一控制元件,且該控制元件係組配成在使用時響應於該冷媒之溫度變化而改變該裝置之一光輸出。較佳地,該裝置更包含一控制元件,且該控制元件係組配成在使用時響應於該欲處理流體之透射率變化而改變該裝置之一光輸出。較佳地,該裝置更包含多數紫外線單元,其中該控制元件係組配成響應於該冷媒溫度之增加而增加發光之紫外線單元的數目。
在另一實施例中,本發明提供一種用於流體處理之裝置,其包含:一紫外線發光二極體陣列,係徑向地定向成環繞一透明管之外側表面,且該欲處理流體收容在
該透明管內;其中各紫外線發光二極體係安裝在一反射器之一焦點;且其中在使用時該反射器在該管之一縱軸方向上準直反射光且使反射光集中通過該管之一橫截面。
在另一實施例中,本發明提供一種用於流體處理之裝置,其包含:一紫外線發光二極體陣列,係徑向地定向成環繞一透明管之外側表面,且該欲處理流體收容在該透明管內;其中各紫外線發光二極體係安裝在一反射器之一焦點;且其中在使用時該反射器在該管之一縱軸方向上準直反射光且使反射光散射通過該管之一橫截面。
在另一實施例中,本發明提供一種用於流體處理之裝置,其包含:一紫外線發光二極體陣列,係徑向地定向成環繞一透明管之外側表面,且該欲處理流體收容在該透明管內;其中來自各發光二極體之紫外線通過一透鏡;且其中在使用時該透鏡在該縱軸方向上準直光,且將光集中在該管之一橫截面。
在另一實施例中,本發明提供一種用於流體處理之裝置,其包含:一紫外線發光二極體陣列,係徑向地定向成環繞一透明管之外側表面,且該欲處理流體收容在該透明管內;及用以冷卻該紫外線發光二極體陣列之一冷卻系統;其中該冷卻系統係組配成使一冷卻液體循環使得熱i)在該紫外線發光二極體與該冷卻液體之間及ii)在該冷卻液體與該欲處理流體之間交換。
較佳地,該冷卻液體係一乙二醇混合物。
在另一實施例中,本發明提供一種用於流體處
理之裝置,其包含:一紫外線發光二極體陣列,係徑向地定向成環繞一透明管之外側表面,且該欲處理流體收容在該透明管內;及用以冷卻該紫外線發光二極體陣列之一冷卻系統;其中該冷卻系統包含用以監測該冷卻液體之溫度的一或多數溫度感測器;且其中該冷卻系統係組配成響應於該冷卻液體之溫度增加而使紫外線發光二極體導通且響應於該冷卻液體之溫度減少而使紫外線發光二極體斷路。
在另一實施例中,本發明提供一種用於流體處理之裝置,其包含:一紫外線發光二極體陣列,係徑向地定向成環繞一透明管之外側表面,且該欲處理流體收容在該透明管內;一或多數紫外線透射率感測器;及處理監測軟體,係組配成響應於該欲處理流體之透射率增加而使紫外線發光二極體斷路且響應於該欲處理流體之透射率減少而使紫外線發光二極體斷路。
在另一實施例中,本發明提供一種使用如任一前述請求項所述之裝置處理一流體的用途。
在另一實施例中,本發明提供一種用於流體處理之系統,其包含多數上述裝置。
在另一實施例中,本發明提供一種用於流體處理之方法,其包含以下步驟:將該流體導入一流體腔室;將由一紫外線發光二極體發射之光導引至該流體中;其中由該至少一紫外線發光二極體發射之紫外線之至
少一部份被準直使得由各紫外線單元發射之紫外線只在一單一方向上平行。
在另一實施例中,本發明提供一種用於冷卻在一流體處理系統中之一發光二極體的裝置,該裝置係組配成在使用時可控制地將熱從該發光二極體轉移至經處理流體。較佳地,該裝置包含一冷媒迴路;且其中該冷媒迴路之一第一部份係配置成與該發光二極體接觸,以便在使用時在該冷媒迴路與該發光二極體之間轉移熱;且其中該冷媒迴路之一第二部份包含一熱交換器,用以在使用時在該冷媒迴路與該經處理流體之間轉移熱。較佳地,該裝置包含一控制元件,且該控制元件係組配成在使用時響應於該冷媒之溫度或該欲處理流體之透射率的變化而改變該發光二極體之一光輸出。
在另一實施例中,本發明提供一種用於冷卻在一流體處理系統中之一發光二極體的方法,其包含以下步驟:在使用時間接地將熱從該發光二極體轉移至在該系統中之經處理流體。
較佳地,該間接熱轉移步驟係藉由一冷媒迴路實施。
較佳地,更包含一步驟,該步驟係在使用時響應於該冷媒之溫度或該欲處理流體之透射率的變化而控制該發光二極體之一光輸出。
藉由提供依據本發明之一紫外線單元陣列且準
直該光,使得該等光線在一第一方向上平行且垂直於第一方向散射該光,該裝置得益於在該第一方向上之一減少光子路徑長度,同時該散射容許該光以比如果在兩方向上準直之情形大之角度發射,藉此容許設置較少發光單元環繞該流體腔室之圓周,同時提供通過該處理區域之一最佳劑量。
藉由準直該光使得該等光線在垂直於該流體腔室之一中心軸之一第一方向上平行且在垂直於該等光線平行之方向的一第二方向上收束該光,該光之強度隨著相對該光源之距離增加。這改善效率且確保紫外線之殺菌劑量傳送通過該流體腔室之橫截面之一足夠部份。
本發明之裝置之一內表面包含一透明管,該透明管在操作時不會變熱,因此有比水銀燈明顯少之礦物結垢。在習知系統中與經處理的水接觸之一許多浸沒圓柱形水銀燈的總石英表面積明顯地大於在本發明之一相同水處理裝置中之一管的表面積。由於在本發明中與經處理流體接觸之石英的總表面積明顯較小,故該內表面容易清潔。
此外,由於該系統之所有操作組件係在該管之外部,可在不必使該處理系統停機及排空該處理流單元之情形下實施維護。
一發光二極體之光輸出係與其操作溫度成反比。因此,熱發光二極體發出比冷發光二極體少之光。因此需要在操作時冷卻發光二極體以維持光輸出。
10‧‧‧處理流單元(裝置)/流單元
12‧‧‧(發光二極體)反射器次總成/發光二極體次總成
13‧‧‧發光二極體(光);發光二極體封裝件
14‧‧‧結構套
16‧‧‧(透明)管
17a,17b‧‧‧內反射器表面
18‧‧‧(內部)流體/流體入口/處理流體
19‧‧‧中心軸/縱向x軸/縱軸
20‧‧‧凸緣迷你筒管件
22‧‧‧(流體旋轉)葉片
24‧‧‧(半導體晶粒)晶片/發光二極體(晶片)
26‧‧‧(發光二極體)反射器
28‧‧‧直接發射紫外線/直接發射光線
30‧‧‧準直紫外線/準直光線
32‧‧‧(液體)冷媒
34‧‧‧冷媒泵
36‧‧‧冷媒管
38‧‧‧熱交換段
40‧‧‧溫度感測器
100‧‧‧未處理流體入口管
110‧‧‧已處理流體出口管
以下參照附圖只作為一例說明本發明之較佳實施例,其中:圖1係依據本發明之用於使用由一發光二極體光陣列產生之紫外線消毒流體的一系列並聯處理單元之示意圖;圖2a係依據本發明之一單一處理單元總成之一部份的示意立體圖;圖2b係圖2a之處理單元之一單一反射器次總成的示意立體圖;圖3係一單流處理單元總成之一部份的示意立體圖,該單流處理單元總成在該處理流單元上游具有流體旋轉葉片;圖4係在一平面(xy或xz)中觀看時一反射器次總成之示意放大側截面圖,且該反射器次總成與該流體腔室之中心軸x對齊;圖5係在與圖4之平面垂直之一平面(yz)中觀看時如圖4所示之反射器次總成的示意放大截面圖;圖6係在與圖4之平面垂直之一平面(yz)中觀看時如圖4所示之另一反射器次總成的另一示意放大截面圖;圖7係為包括來自圖4之一發光二極體反射器次總成的準直紫外線圖案的管側截面圖;圖8係該處理單元之示意截面圖,包括來自依據圖5所示之一反射器次總成之散射紫外線圖案(在yz平面中);圖9係該處理單元之示意截面圖,顯示來自依據圖6所
示之一反射器次總成之收束光線圖案(在yz平面中);圖10係該處理單元之示意側視圖,顯示該準直紫外線圖案,該準直紫外線圖案係朝該x軸由配置在該處理單元之直徑相對側之圖4與7的兩反射器次總成延伸;圖11係該處理單元之示意截面圖,顯示來自依據圖5所示之八反射器次總成之散射紫外線圖案(在yz平面中);圖12係該處理單元之示意截面圖,顯示來自依據圖6所示之八反射器次總成之收束紫外線圖案(在yz平面中);及圖13係一處理流單元之一部份的示意立體圖,該處理流單元具有一間接液體發光二極體冷卻及熱交換次系統。
本發明提供使用一或多數紫外線發光二極體(LED)處理流體之方法、系統及裝置。本發明之系統包含用於處理流體之一或多數裝置,且該一或多數裝置在以下特定說明中,完全只作為一例且不作為限制,說明為處理流單元10(在此使用之用語「單元」具有相同意義且可與該用語「腔室」互換)。
本發明之裝置包含一流體腔室,且該流體腔室在以下特定說明中,完全只作為一例且不作為限制,說明及顯示為呈一管16形態之一導管。應了解的是該本發明之流體腔室可採用其他形態。該流體腔室可為用以傳導一欲處理流體流之一導管,例如在該結構之各端具有一開口的一管或導管。或者,該流體腔室可為用以至少暫時地保持
用於處理之流體之一本體的一容器。該流體腔室,不論它採用這些形態中之哪一種,可為圓柱形或具有其他形狀:錐形、矩形、八邊形、多邊形或其他形狀。在一較佳實施例中,該流體腔室採用之形狀及發光二極體與反射器次總成之配置可使得該流體在它流過或離開該流體腔室時被賦予對紫外線之足夠暴露,因此接受一殺菌劑量。
在一較佳實施例中,本發明之裝置包含一紫外線發光二極體陣列,且該紫外線發光二極體係配置成環繞該流體腔室之周緣。較佳地,該等紫外線發光二極體係徑向地配置成環繞該流體腔室之圓周(如圖1與2a所示)。較佳地,該等紫外線發光二極體係分配成均勻地環繞該腔室。較佳地,該流體腔室係一透明管且該等紫外線發光二極體係徑向地配置成環繞該透明管之外圓周。
圖1顯示包含一連串並聯處理流單元10之一系統。在另一實施例中,該等處理流單元10可非並聯。本發明之系統可包含一或多數處理流單元10。
如圖1所示,該系統包含四裝置,且該等四裝置係呈具有一致直徑且並聯之處理流單元10形態。各處理流單元10之直徑小於未處理流體入口管100之直徑及已處理流體出口管110之直徑。
在另一實施例中,可具有不是完全圓柱形或完全不是圓柱形之一或多數處理流單元10,例如,它們可為矩形或任一其他形狀或形態。在又一實施例中,該等處理流單元10之內徑可比該等處理流單元10之外徑小或大。在一
較佳實施例中,該等處理流單元10之任何形狀都可使得通過之流體全部接收紫外線之所需劑量。較佳的是使該流體以充分處理及較佳地消毒該流體所需的一速度通過該等處理流單元10,藉此減少在該處理流體中之生物病原體的存活或生存率。
在另一實施例中,該一或多數未處理流體入口管100及該等已處理流體出口管110可在上游或下游具有較大或較小直徑以配合不同應用,例如公眾或私人流體處理系統而訂製,且輕易地應用於在獨特空間中之現有處理系統或新安裝系統的不同組態及設計。
本發明之系統包含用於流體處理之一或多數裝置,各裝置包含一流體腔室及配置在該流體腔室之一周邊的至少一紫外線單元。該至少一紫外線單元包含至少一紫外線發光二極體及一紫外線導引元件。在所示實施例中,各紫外線單元呈一發光二極體及反射器次總成12之形態。
圖2a顯示使用由一發光二極體反射器次總成12來消毒流體之一處理流單元裝置10,且該發光二極體反射器次總成12具有多數發光二極體(LED)13,而該等發光二極體13徑向地安裝成多圈地環繞該圓周。
該裝置可包含配合環繞且至少部份覆蓋該流體腔室之一蓋。在所示實施例中,該蓋係一結構套14。該等發光二極體係安裝在該結構套14、連接該結構套14或藉由該結構套14承載,且該結構套14配合環繞一透明管16之外側。相鄰圈之發光二極體反射器次總成12可配置成使該等
反射器次總成互相交錯/錯開一量(一所謂「旋進」配置),且該量係確保通過該流體腔室之所有流體18均勻暴露於紫外線所需。
該蓋可由不鏽鋼或阻擋紫外線之任何其他材料構成,可對來自內部流體18之耐受壓力提供結構支持,且可為各反射器次總成12提供一框架。次總成12可成形在該蓋中且沒有會由於暴露於來自該等發光二極體光13之紫外線而溶化及/或轉變成粉末的任何膠、塑膠或其他黏著材料。此外,該反射器次總成可摩擦套合,干涉套合、模鑄、以金屬夾附接或以其他方式配置或安裝。
該流體腔室(在所示實施例中之透明管16)包含熔融石英或可耐受內流體18壓力之其他透明材料,且可在該流體18通過該系統時藉由該蓋(在所示實施例中之結構套14)支撐。
該裝置可包含用於在該欲處理流體中產生旋轉或渦旋流體移動之一或多數元件。該等元件可,例如,呈葉片22之形態(圖3)。該等葉片可配置在該流體腔室中或該流體腔室之上游。
圖3顯示使用由一紫外線單元陣列(在此亦稱為發光二極體反射器次總成12或次總成12)所產生之紫外線來消毒流體18的一處理流單元裝置10,且該處理流單元裝置10具有一具凸緣迷你筒管件20,而該具凸緣迷你筒管件20在該處理流單元之上游具有一組流體旋轉葉片22。該等旋轉葉片產生通過該流單元10之一旋轉或渦旋流體18移
動。應了解的是在另一實施例中,可使用產生通過該流單元10之一旋轉或渦旋流體18移動的任何組態。例如,一固定圓柱形或其他成形本體,或振盪或自旋成形本體可放在該流體入口18之入口或其他適當區域使得該流體流過這些本體中之一或多數本體且產生一移動,使得所有流體被適當地處理以達成生物病原體之消毒及滅能或其他所欲處理。
在一較佳實施例中,各反射器次總成12包含與該流體腔室之一中心軸19大致垂直地對齊的內反射器表面17a,及與該中心軸19大致平行地對齊的內反射器表面17b,如圖2a所示。與該中心軸19大致垂直地對齊的內反射器表面17a係藉由共用一共同焦點之一組拋物線界定/形成。與該中心軸19大致平行地對齊的內反射器表面17b係藉由共用與該等拋物線表面相同之共同焦點的一組橢圓界定/形成。該紫外線發光二極體發射表面係定位在該共用焦點。
藉由與該流體腔室之一中心軸19大致垂直地對齊的內反射器表面17a及對角地等分該反射器基底的任一假想垂直平面之相交所形成且包括該反射器之共用焦點(例如,沿如圖2b所示之線a-a)之任一曲線將是一拋物線。藉由與該等內反射器表面17b及對角地等分該反射器基底之任一假想垂直平面的相交所形成且包括該反射器之共用焦點之任一曲線將是一橢圓。因此,該光被準直使得該等光線在與該中心軸19垂直之一第一方向上平行且在與
該第一方向垂直之一第二方向上收束(即,收束在與圖2a中之平面y-z平行之一平面中)以聚焦在該中心軸或其他所欲點或軸。
在另一實施例中,與該中心軸19大致垂直地對齊之該等內反射器表面17a係藉由共用一共同焦點之一組拋物線。與該管之縱軸大致平行地對齊之該等內反射器表面17b係平坦的。因此,該光被準直使得該等光線在該第一方向(與該中心軸19垂直)上平行且在與該第一方向垂直之第二方向上散射,使得該等光線在與圖2a之平面yz平行的一平面中散射,以便在或靠近該中心軸或另一所欲點或軸聚焦。
在所述實施例中,反射器26之形狀係使得該光在該管之縱向x軸19上準直,使得該等光線在與該縱向x軸19垂直之一第一方向上平行通過流體流之直徑或橫截面。在一實施例中,該反射器26之內表面在圖4所示之圖的方向上具有拋物形。
或者,該反射器之形狀可組配成如上所述地在該第一方向上準直該光且亦在該第二方向上散射該光,該第二方向係與該第一方向垂直,以形成在與圖2a之平面yz平行之一平面上輻射遠離該反射器的一扇形,如圖8所示。該反射器可準直該反射光使得該等光線在與該管之縱軸垂直之一方向上平行,且散射反射光線通過該管16之橫截面,藉此形成一扇形。
或者,該反射器如上所述地在該管之縱軸19之
方向上準直該反射光,使得該等光線在垂直於該縱軸19之一第一方向上平行且,在與圖2a之平面y-z平行之一平面中,集中反射光線通過該管16之橫截面,如圖9所示,藉此形成一楔形。圖4顯示具有一半導體晶粒晶片24之一發光二極體封裝件13的管側視圖,且該半導體晶粒晶片24安裝在一反射器26上使得該發光二極體晶片24係設置在該反射器之焦點上。該發光二極體反射器26可由具有內表面塗層之塑膠構成,且該內表面塗層具有面向該結構套14內側之一鋁塗層。各反射器次總成12係安裝在一結構套14中且與一透明管16之外表面齊平。該所示實施例顯示一反射器26,該反射器26具有該管16直徑之大約0.05倍的一寬度。
在另一實施例中,該蓋(在所示實施例中之結構套14)係鄰近,且部份碰觸或完全未接觸一透明管16之外表面。每發光二極體封裝件13之發光二極體24數目可超過1。
圖5與6顯示一不同發光二極體13與反射器26次總成12之截面圖。這些次總成中之各次總成具有與圖5與6所示者垂直且如圖4所示之一橫截面。
圖5顯示該發光二極體13與反射器26次總成12之截面圖。該所示實施例顯示具有一基底長度之一反射器26,且該基底長度係該管16直徑之大約0.2倍。該反射器26長度對管16直徑之比率隨著每圈之發光二極體次總成12所需數目變化。需要每圈一較大數目次總成12的一實施例會具有一較小反射器26寬度對管16直徑比率。在具有這比
率及在所示圖中該反射器26之內表面的一實施例中,該光產生一散射紫外線圖案。所示之反射器次總成12具有安裝在一反射器26上之一發光二極體封裝件13,使得該晶片24係設置在該反射器之焦點上。每發光二極體封裝件13之發光二極體24數目可超過1。各反射器次總成12係安裝在一結構套14中,且該結構套14包圍一透明管16之外表面。
圖6顯示另一反射器次總成12之截面圖。在所示圖中反射器26之內表面呈橢圓形且聚焦光在遠離該反射器之一位置上。所示之反射器次總成12具有安裝在一反射器26上之一發光二極體封裝件13,使得該晶片24係設置在該反射器之焦點上。各反射器次總成12係安裝在一結構套14中,且該結構套14包圍一透明管16之外表面。每發光二極體封裝件13之發光二極體24數目可超過1。
圖7顯示來自該發光二極體反射器次總成12之直接發射紫外線28及準直紫外線30。該反射器26之形狀係設計成準直來自該發光二極體之反射光使得該等光線在與流體流18垂直之一方向上平行。在一實施例中,準直光線30對直接發射光線28之比率超過10:1。較佳地,準直光線通過該流體且與該流體流之方向垂直。在此顯示的是該結構套14及該透明管16之側橫截面。
圖8顯示一單一發光二極體反射器次總成12之截面圖且,類似於圖5中之發光二極體反射器次總成12,直接發射紫外線28及準直紫外線30散射通過該管16之橫截面區域。圖8係圖7所示之次總成12的截面圖。來自該發
光二極體反射器次總成12之光在該橫截面中的強度係設計成可實質均勻地分配。應了解的是該結構套14可具有一或多數發光二極體反射器次總成12;為了便於顯示,在此只顯示1個。
圖9顯示一單一發光二極體反射器次總成12之截面圖且,類似於圖6中之發光二極體反射器次總成12,直接發射紫外線28及反射紫外線30集中通過該管16之橫截面區域。圖9係圖7所示之次總成12的截面圖。在這圖中該反射器26之內表面形狀係設計成將由該發光二極體反射離開該反射器26之內表面之光聚焦在遠離該反射器之一位置上。在一實施例中,該反射器26之焦點大致是該管16之中心。應了解的是該結構套14可具有一或多數發光二極體反射器次總成12;為了便於顯示,在此只顯示1個。
圖10顯示直接發射紫外線28及反射紫外線30分散通過該透明管16且與該流體流18垂直。所示之發光二極體反射器次總成12顯示類似圖4與圖7之次總成12的一拋物線形狀。在所示實施例中,在該結構套14中有一圈發光二極體反射器次總成12。可包括在該處理流單元10中之圈數沒有上限。在另一實施例中,如圖3所示,該流體18以一旋轉及渦旋方式流動。
較佳地,該裝置包含分散環繞該流體腔室之周邊的多數紫外線單元。最佳地,該紫外線單元可配置成多圈地環繞該流體腔室之一圓周。(該用語「圈」及「圓周」應解讀為包括其用於具有非圓形橫截面之流體腔室的等
效物,該「圓周」係該流體腔室之一周邊或周圍)。該等紫外線單元可均勻地分散環繞該圓周。該裝置可包含多數圈紫外線單元。
圖11顯示直接發射紫外線28及散射反射紫外線30分散通過該管16之橫截面。在該結構套14中環繞該管16之發光二極體反射器次總成12的陣列係設計成均勻地分配通過該管16之橫截面的紫外線強度。該等發光二極體反射器次總成12採用類似於圖5所示之次總成12的尺寸及形狀。在所示實施例中,有八發光二極體反射器次總成12。每圈之發光二極體反射器次總成數目可由1至與可配合環繞該管16之圓周一樣多的數目。
在該光收束之實施例中,各紫外線單元之焦點可重合,如圖12所示。
圖12顯示直接發射紫外線28及集中反射紫外線30分散通過該管16之橫截面。該陣列之發光二極體反射器次總成12呈橢圓球面形且在環繞該管16之結構套14的縱軸中多排地交錯,且其全部設計成均勻地分配通過該管16之橫截面的紫外線強度。在所示實施例中,有八個發光二極體反射器次總成12。每圈之發光二極體反射器次總成12數目可由1至與可配合環繞該管16之圓周一樣多的數目。
可在多數圈內或作成多排具有不同反射器形態之多數圈使用不同之反射器幾何形狀或未顯示之可光學地使用之幾何形狀的組合。
在另一實施例中,該等發光二極體可藉由使用一
循環間接液體冷卻系統來冷卻,且該循環間接液體冷卻系統使用經處理流體作為由該等發光二極體所產生之能量的一散熱器。在一較佳實施例中,對發光二極體陣列之冷卻可透過任何間接冷卻系統達成,例如接觸各發光二極體之外殼之乙二醇混合物填充銅管及保持該液體移動之一泵。在水處理之情形中,該水通過一熱交換段且冷卻該乙二醇混合物,且該冷卻之乙二醇混合物冷卻該等發光二極體,產生與欲處理水之一熱交換。圖13顯示該間接液體發光二極體冷卻系統的位置及組態。一液體冷媒32係藉由該冷媒泵34泵送通過冷媒管36。應了解的是該冷媒流方向可在操作時經常反轉。該冷媒管36與在該處理流單元10中之各發光二極體封裝件13的散熱器殼體接觸。在該冷媒管36與該發光二極體封裝件13間之接觸點,使用具有一高熱傳係數之一材料。當該液體冷媒32循環通過該冷媒管36時,由各發光二極體封裝件13產生之熱轉移至該液體冷媒32。在一實施例中,各圈發光二極體與單一圈冷媒管接觸。可有冷媒管36接觸在各圈中之某些或全部發光二極體13的其他實施例。
在與一或多數發光二極體13接觸後,冷媒32被傳送至一熱交換段38。該熱交換段38與足夠經處理流體18間接熱接觸以從該等發光二極體13轉移至該經處理流體18。該熱交換段38可配置在該等發光二極體之上游以減少結垢。
因為該發光二極體紫外線輸出係該發光二極體
操作溫度之一線性函數,故監測及控制該發光二極體冷卻液體之溫度可達成。例如,冷卻液體會產生較亮之光且較暖之冷卻液體會產生較暗之光。安裝在該循環冷卻液體中之一或多數溫度感測器及在該系統中實施之一軟體程式可在該冷卻液體較熱時使其他發光二極體或多圈發光二極體導通。
在一較佳實施例中,該一或多數溫度感測器40測量流過該熱交換段38之該冷媒32溫度。當經處理流體18具有一比較高溫度時,其冷卻效率將減少。這將藉由該冷媒液體32溫度感測器40間接地測量。處理系統監測軟體可包括當處理流體18溫度比較高時使其他發光二極體13或多圈發光二極體導通,及當處理流體18溫度比較低時使其他發光二極體13或多圈發光二極體斷路的多數指令。
此外,該系統係設計成有效地操作且調整至流過該處理單元之流體的透射率。例如,可在該系統中添加由發光二極體通過該流單元之紫外線透射感測器以中繼資訊至一軟體系統而使在高透射率流體中之發光二極體或多圈發光二極體斷路且如果該透射率減少則使它們再導通。
對以固定、不可變紫外線輸出操作之一系統而言,必須一直提供可以最高可能溫度及最低可能透射率有效地處理該流體的一紫外線輸出,以確保即使在這最差情形中亦可有效率地處理所有流體。但是,因為本發明之系統之能量使用會因依據該溫度或透射率改變該紫外線輸
出而受限,故當該溫度比最大值低及/或透射率比最小值高時可以較低輸出操作該系統,藉此增加操作效率。
應了解的是本發明可與注入該流體之氧化化學品一起使用以實施化學及/或生物處理,該氧化化學品可為例如氯、臭氧或過氧化氫。
雖然本發明之實施例已如上所述且在圖中顯示過了,這些只是作為例子且不是限制。所屬技術領域中具有通常知識者可了解的是在本發明之範圍及範疇內可有許多替代例。例如,該光導引元件可為達成與上述反射器相同功能之一透鏡或其他光學裝置。
在另一實施例中,該流體腔室可由一不透明材料形成。在這實施例中,該等發光二極體可配置成環繞該流體腔室內側之周邊。
在又一實施例中,該等光導引元件可組配成使得光之散射或收束方向不與該流體腔室之軸垂直。
本發明之系統可包含多數裝置,該等裝置係串聯地或並聯地配置且組配成使得流動可轉向而遠離任一裝置且通過一或多數裝置以便清潔該第一裝置之內部且不必使該系統停機。
該裝置可包含多數發光二極體陣列,各發光二極體陣列可與其他發光二極體陣列隔離使得任一發光二極體陣列之維護可在不使在該裝置中之所有發光二極體停止作用之情形下實施。依此方式,該裝置可在維護時繼續工作。
本發明之系統、裝置及方法特別適合飲用水處
理、廢水處理、工業處理水之處理及需要高流體流速之欲處理流體的其他應用。在一較佳實施例中,各裝置可組配成每小時處理15至750立方公尺之水。較佳地,各裝置可組配成每小時處理30至500立方公尺之水。更佳地,各裝置可組配成每小時處理大約250立方公尺之水。
較佳地,通過該裝置之流體流速度可為大約1m/s。
由前述可知該裝置不限於上述處理流單元10。例如,該流體腔室可為用以至少暫時保持一流體之本體以便處理的一容器,而不是一導管(例如透明管16)。在這實施例中,該流體不必直接流過該裝置。該流體可另外被保持在該容器中一段時間以便處理。該裝置可具有用以循環或攪拌在該流體腔室內之流體使得該流體移動通過該紫外線以便處理的設備,例如,一泵。
除非另外聲明,如在附加申請專利範圍中所述,在這說明書(包括附加申請專利範圍及圖式)中揭露之各特徵可以達成相同、等效或類似目的之其他特徵取代。因此,除非另外聲明,如在附加申請專利範圍中所述,揭露之各特徵只是多數等效或類似上位特徵之一例。此外,如在附加申請專利範圍中所述,在這說明書(包括附加申請專利範圍及圖式)中揭露之所有特徵,及/或如此揭露之任一方法或製程之所有步驟,除了該等特徵及/或步驟之至少某些特徵及/或步驟互不相容以外,可以任一組合方式組合。因此,雖然本發明之許多不同實施例已如上地說明過
了,但是,如在附加申請專利範圍中所述,可在任一實施例中獨立地或以各種組合使用所述、所示及/或在附加申請專利範圍中請求之特徵中的任一或一以上或所有特徵。因此,任一或多數特徵可去除、取代及/或添加至所述、所示及/或所請求之任一上述特徵組合。為免生疑義,如在附加申請專利範圍中所述,任一實施例之任一或多數特徵可與來自該等實施例中任一實施例之任一其他特徵或多數特徵在一不同實施例中組合及/或分別地使用。
10‧‧‧處理流單元
100‧‧‧未處理流體入口管
110‧‧‧已處理流體出口管
Claims (53)
- 一種用於流體處理之裝置,包含:一流體腔室,包含一中心軸;及至少一紫外線單元;其中該至少一紫外線單元包含至少一紫外線發光二極體及至少一紫外線導引元件;其中該至少一紫外線導引元件係組配來在使用時準直由該至少一紫外線發光二極體發射之光線的至少一部份,使得準直光線在一第一平面中平行,且該第一平面與該中心軸重合或平行。
- 如請求項1之裝置,其中該至少一紫外線導引元件係組配來在使用時收束或散射由該至少一紫外線單元發射之該等光線之至少一部份,使得散射或收束光線在與該第一平面垂直之一第二平面中不平行。
- 如請求項2之裝置,其中該紫外線導引元件係組配來在該第二平面中收束該等光線。
- 如請求項3之裝置,其中該紫外線導引元件係組配來收束該等光線以在該中心軸或靠近該中心軸聚焦。
- 如請求項2之裝置,其中該紫外線導引元件係組配來在該第二平面中散射該等光線。
- 如請求項1至5中任一項之裝置,包含多數紫外線單元。
- 如請求項6之裝置,其中該等多數紫外線單元係配置在該流體腔室之一圓周或周邊。
- 如請求項7之裝置,其中該等多數紫外線單元係徑向地配置成環繞該流體腔室之該圓周或周邊。
- 如請求項6之裝置,其中該等多數紫外線單元係從該流體腔室之該圓周或周邊分開。
- 如請求項8或9之裝置,其中該等多數紫外線單元係以一或多數圈或圈部配置成環繞該流體腔室之該圓周或周邊。
- 如請求項10之裝置,其中紫外線單元之相鄰圈係互相可旋轉地偏移一數量,且該數量係確保該流體之對紫外線之一所欲暴露圖案在使用時會被處理所需。
- 如請求項1至11中任一項之裝置,其中該流體腔室為透明的。
- 如請求項12之裝置,其中該至少一紫外線單元係配置在該流體腔室之外部上或外側。
- 如請求項13之裝置,更包含配置在該流體腔室之外部之一蓋,其中該至少一紫外線單元係安裝在該蓋中、與該蓋交互作用、或被該蓋所支撐。
- 如請求項14之裝置,其中該蓋係由阻擋紫外線之一材料形成且包含至少一孔,該至少一孔係配置成在使用時容許由該紫外線單元發射之紫外線進入該流體腔室。
- 如請求項1至15中任一項之裝置,其中該光導引元件係一反射器。
- 如請求項16之裝置,其中該等至少一發光二極體之各發光二極體係設置在該反射器之一焦點。
- 如請求項16或17之裝置,其中該流體腔室之一中心軸係設置在該反射器之一焦點或靠近該反射器之一焦點。
- 如請求項1至18中任一項之裝置,其中該中心軸包含該流體腔室之一縱軸。
- 如請求項1至19中任一項之裝置,其中該中心軸係由該流體腔室之一縱軸偏移最多到45度之一角度。
- 如請求項1至20中任一項之裝置,其中該流體腔室係一管。
- 一種用於流體處理之裝置,包含:一流體腔室;及至少一紫外線單元;其中該至少一紫外線單元包含至少一紫外線發光二極體及至少一紫外線導引元件;且其中該至少一紫外線導引元件係組配來在使用時準直由該至少一紫外線發光二極體發射之光線的至少一部份,使得由各紫外線單元發射之紫外線只在一第一方向上平行。
- 如請求項1至22中任一項之裝置,更包含用以在使用時使該欲處理之流體產生旋轉或渦旋移動之一或多數元件。
- 如請求項1至23中任一項之裝置,更包含用以控制該紫外線發光二極體之溫度的一冷卻裝置。
- 如請求項24之裝置,其中該冷卻裝置係組配來在使用時可控制地將熱從該至少一紫外線發光二極體轉移至經 處理之流體。
- 如請求項24或25之裝置,其中該冷卻裝置包含有一冷媒之一冷媒迴路,且其中:該冷媒迴路之一第一部份係配置成與該至少一紫外線發光二極體接觸,以便在使用時使熱於該紫外線發光二極體與該冷媒之間轉移;以及該冷媒迴路之一第二部份包含用以在使用時於該冷媒與該經處理流體之間轉移熱之一熱交換器。
- 如請求項26之裝置,更包含一控制元件,該控制元件係組配來在使用時響應於該冷媒之溫度變化而改變該裝置之一光輸出。
- 如請求項26或27之裝置,更包含一控制元件,且該控制元件係組配來在使用時響應於欲處理之流體之透射率變化而改變該裝置之一光輸出。
- 如請求項26或27之裝置,包含多數紫外線單元,其中該控制元件係組配來響應於該冷媒之溫度的增加及/或減少而增加及/或減少發光之紫外線單元的數目。
- 一種用於流體處理之裝置,包含:一紫外線發光二極體陣列,其係徑向地定向成環繞一透明管之外側表面,且欲處理之流體係收容在該透明管內;其中各紫外線發光二極體係安裝在一反射器之一焦點;以及其中在使用時該反射器在該管之一縱軸方向上準 直反射光,且使反射光集中通過該管之一橫截面。
- 一種用於流體處理之裝置,包含:一紫外線發光二極體陣列,其係徑向地定向成環繞一透明管之外側表面,且欲處理之流體係收容在該透明管內;其中各紫外線發光二極體係安裝在一反射器之一焦點;以及其中在使用時該反射器在該管之一縱軸方向上準直反射光,且使反射光散射通過該管之一橫截面。
- 一種用於流體處理之裝置,包含:一紫外線發光二極體陣列,其係徑向地定向成環繞一透明管之外側表面,且欲處理之流體係收容在該透明管內;其中來自各發光二極體之紫外線通過一透鏡;以及其中在使用時該透鏡在該縱軸方向上準直光,且將光集中在該管之一橫截面。
- 一種用於流體處理之裝置,包含:一紫外線發光二極體陣列,其係徑向地定向成環繞一透明管之外側表面,且欲處理之流體係收容在該透明管內;及一冷卻系統,其係用以冷卻該紫外線發光二極體陣列;其中該冷卻系統係組配成使一冷卻液體循環,使 得熱在i)該等紫外線發光二極體與該冷卻液體之間及ii)該冷卻液體與該欲處理之流體之間交換。
- 如請求項33之裝置,其中該冷卻液體係一乙二醇混合物。
- 一種用於流體處理之裝置,包含:一紫外線發光二極體陣列,其係徑向地定向成環繞一透明管之外側表面,且欲處理之流體係收容在該透明管內;及一冷卻系統,其係用以冷卻該紫外線發光二極體陣列;其中該冷卻系統包含用以監測該冷卻液體之溫度的一或多數溫度感測器;以及其中該冷卻系統係組配來響應於該冷卻液體之溫度增加而使紫外線發光二極體導通,且響應於該冷卻液體之溫度減少而使紫外線發光二極體斷路。
- 一種用於流體處理之裝置,包含:一紫外線發光二極體陣列,其係徑向地定向成環繞一透明管之外側表面,且欲處理之流體係收容在該透明管內;一或多數紫外線透射率感測器;及處理監測軟體,其係組配來響應於該欲處理之流體在透射率上的增加而使紫外線發光二極體斷路,且響應於該欲處理之流體在透射率上的減少而使紫外線發光二極體導通。
- 一種用於流體處理之裝置,包含:一紫外線發光二極體陣列,其係徑向地或周邊地設置成環繞一透明管,且欲處理之流體係在該透明管內傳送或收容在該透明管內;其中各紫外線發光二極體係設置在一反射器之一焦點;以及其中在使用時該反射器在該管之一縱軸方向上準直反射光線之至少一部份,且使該反射光線之至少一部份集中通過該管之一橫截面。
- 一種用於流體處理之裝置,包含:一紫外線發光二極體陣列,其係徑向地或周邊地設置成環繞一透明管,且欲處理之流體係在該透明管內傳送或收容在該透明管內;其中各紫外線發光二極體係設置在一反射器之一焦點;以及其中在使用時該反射器在該管之一縱軸方向上準直反射光線之至少一部份,且使該反射光線之至少一部份散射通過該管之一橫截面。
- 一種用於流體處理之裝置,包含:一紫外線發光二極體陣列,其係徑向地或周邊地設置成環繞一透明管,且欲處理之流體係在該透明管內傳送或收容在該透明管內;其中來自各紫外線發光二極體之紫外線通過一透鏡;以及 其中在使用時該透鏡在該管之一縱軸方向上準直光,且使光集中在該管之一橫截面。
- 一種用於流體處理之裝置,包含:一紫外線發光二極體陣列,其係徑向地或周邊地設置成環繞一透明管,且欲處理之流體係在該透明管內傳送或收容在該透明管內;及一冷卻系統,其係用以冷卻至少一紫外線發光二極體陣列,其中:該冷卻系統係組配來使一冷卻液體循環,使得熱在i)該至少一紫外線發光二極體與冷媒之間及ii)該冷媒與該欲處理之流體之間交換。
- 如請求項40之裝置,其中該冷媒係一乙二醇混合物。
- 一種用於流體處理之裝置,包含:一紫外線發光二極體陣列,其係徑向地或周邊地設置成環繞一透明管,且欲處理之流體係在該透明管內傳送或收容在該透明管內;及一冷卻系統,其係用以冷卻至少一紫外線發光二極體陣列,其中:該冷卻系統包含用以監測冷媒之溫度的一或多數溫度感測器;以及其中該冷卻系統係組配來響應於該冷媒在溫度上的增加而使紫外線發光二極體導通,且響應於該冷媒在溫度上的減少而使紫外線發光二極體斷路。
- 一種用於流體處理之裝置,包含: 一紫外線發光二極體陣列,其係徑向地或周邊地設置成環繞一透明管,且欲處理之流體係在該透明管內傳送或收容在該透明管內;一或多數紫外線透射率感測器;及一處理監測裝置及/或軟體,其係組配來響應於該欲處理之流體在透射率上的增加而使紫外線發光二極體斷路,且響應於該欲處理之流體在透射率上的減少而使紫外線發光二極體導通。
- 一種用於流體處理之裝置之用途,該裝置係為如請求項1至43中任一項之用於流體處理之裝置,該用途則係用於處理流體。
- 一種用於流體處理之系統,包含多數如請求項1至43中任一項之裝置。
- 一種用於流體處理之方法,包含以下步驟:將該流體導入一流體腔室,該流體腔室包含一中心軸;將由至少一紫外線發光二極體發射之光導引至該流體中;其中由該至少一紫外線發光二極體發射之紫外線之至少一部份被準直,使得由各紫外線單元發射之紫外線在與該中心軸重合或平行之一第一平面中平行。
- 如請求項46之方法,其中在使用時該至少一紫外線導引元件收束或散射由該至少一紫外線單元發射之該等光線之至少一部份,使得經散射或收束光線在與該第一平 面垂直之一第二平面中不平行。
- 一種用以冷卻在流體處理系統中之至少一發光二極體之裝置,該流體處理系統係如請求項1至47中任一項之流體處理系統,該裝置係組配來在使用時可控制地將熱從該發光二極體轉移至經處理之流體。
- 如請求項48之裝置,其中該裝置包含一冷媒迴路;及其中該冷媒迴路之一第一部份係配置成與該至少一發光二極體接觸,以便在使用時使熱於該冷媒迴路之一冷媒與該至少一發光二極體之間轉移;及其中該冷媒迴路之一第二部份包含一熱交換器,用以在使用時使熱於該冷媒迴路之該冷媒與該經處理之流體之間轉移。
- 如請求項49之裝置,更包含一控制元件,且該控制元件係組配來在使用時響應於該冷媒之溫度或欲處理之流體之透射率的變化而改變該至少一發光二極體之一光輸出。
- 一種用以冷卻在流體處理系統中之至少一發光二極體的方法,包含以下步驟:在使用時間接地將熱從該至少一發光二極體轉移至該系統中之經處理的流體。
- 如請求項51之方法,其中間接熱轉移步驟係藉由一冷媒迴路實施。
- 如請求項38之方法,更包含一步驟,該步驟係在使用時響應於該冷媒之溫度或欲處理之流體之透射率的變化 而控制該至少一發光二極體之一光輸出。
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