DE102020002707A1 - Entkeimung von Luft mithilfe von UVC-Laserstrahlen - Google Patents

Abstract

In dieser vorliegenden Anmeldung wird die Verwendung von UV-Lasern zur Luftentkeimung beschrieben.Die zentrale Idee der Erfindung besteht darin, mittels von UV-Laserlicht und einer Multipassstrahlzelle Luft zu sterilisieren. Dabei wird eine UV-Laserstrahlquelle verwendet. Der von der Laserstrahlquelle emittierte UV-Strahl wird in eine optische Zelle eingekoppelt. Die optische Zelle besteht im Wesentlichen aus einer Spiegelanordnung. Durch die Spiegelanordnung wird der UV-Laserstrahl hin und her reflektiert und somit ein Multipassstrahlgang in der optischen Zelle generiert. Die zu entkeimende Luft strömt durch die optische Zelle, überquert den Multipassstrahlgang und wird somit mehrfach von dem UV-Laserstrahl bestrahlt. Damit können beispielsweise Krankheitsübertragung in Krankenhäusern, Flugzeugen oder anderen Orten mit vielen Menschen verringert oder auch Allergene entfernt werden. Mit dieser Erfindung sollen VOCs, Viren, Bakterien, Allergene und andere Schadstoffe und organische Materialien aus Luft entfernt werden. Auch im Privatgebrauch und Kleinbetrieben sollen Varianten dieser Erfindung Anwendung finden.

Description

• Motivation & Stand der Technik
• In der heutigen Zeit hat der Corona-Virus einen starken Einfluss auf das tägliche Leben. Verschiedene Methoden zur Abtötung von Mikroorganismen, Viren, VOCs und Allergenen in der Luft und auf Oberflächen wurden bisher erforscht, um Krankheitsverbreitung und die generelle Schädigung der Gesundheit zu verhindern. Zur Oberflächenreinigung werden Desinfektionsmittel, UV-Strahlen und hohe Temperaturen verwendet. Desinfektionsmittel und hohe Temperaturen sind nicht effizient auf die Sterilisation von Luft übertragbar. Nach dem Stand der Technik gibt es bisher keine effektive Methode zur vollständigen Luftentkeimung. Es gibt schon UV-Licht Anwendungen zur Luftentkeimung, bei denen UV-Strahlemittierende Lampen oder LED verwendet werden. Diese weisen jedoch keine ausreichende Leistungsdichte auf, um eine effektive Entkeimung hoch kontaminierter Luft vorzunehmen. Bei der Oberflächendesinfektion muss die Oberfläche beispielsweise mindestens 6 Minuten mit UVC (254nm, 4016 µW/cm²) bestrahlt werden, um mehr als 95 % des SARS-Virus abzutöten. UVC ist hierbei bereits die Wellenlänge mit der größten Auswirkung auf Erbgutveränderung, also der Wellenlängenbereich, bei dem mit der höchsten Wahrscheinlichkeit Viren und Mikroorganismen abgetötet werden.
• Beschreibung
• Um das Problem der niedrigen Leuchtstärke bei UV-Lampen umgehen zu können werden Laserstrahlquellen, die einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge im UV-Bereich, vorzugsweise im UVC-Bereich abgeben, verwendet. Beispiele von solchen Laserstrahlquellen sind auf Neodym oder Ytterbium basierende Festkörperlaser oder Diodenlaser. Zum Beispiel haben Festkörperlaser eine Wellenlänge von 1064nm, welche mittels Frequenzkonversion zu den Wellenlängen 355nm und 266nm (UVC) konvertiert werden kann. Laserstrahlen haben im Gegensatz zu Licht von UV-Lampen eine vielfach (mehr als 1000-fach) stärkere Leuchtkraft und Leistungsdichte. Ein UV-Laserstrahl kann im Gegensatz zu UV-Lampen Mikroorganismen und Viren in der Luft bei Berührung instantan abtöten. Laserstrahlen sind gut bündelbar, formbar und strahlen im Gegensatz zu Lampen sehr genau, haben geringe Divergenz und eine kleine Strahlabmessung.
• Die Kernidee der Erfindung ist ein Entkeimungsgerät bestehend aus UV-Laserstrahlquelle und Multipassstrahlzelle. Um die Effizienz der Nutzung vom Laserstrahl und somit die Effizienz der Entkeimung zu steigern wird eine Spiegelanordnung verwendet. Die Spiegelanordnung bildet eine optische Zelle. Durch Reflektionen innerhalb der optischen Zelle wird ein Multipassstrahlgang generiert. Zur Richtungsverdeutlichung wird ein Koordinatensystem mit x,y,z Koordinaten verwendet, wobei die yz-Ebene die Seitenansicht und die xz-Ebene die Draufsicht darstellt. Die kontaminierte Luft strömt in z-Richtung durch die optische Zelle, durchquert den Multipassstrahlgang und wird dabei mehrfach von dem UV-Laserstrahl bestrahlt. Dadurch werden die Keime, die in der Luft transportiert werden, effizient getötet. Somit wird die kontaminierte Luft sterilisiert.
• Eine einfache Ausführung der optischen Zelle besteht aus zwei planen Spiegeln, die parallel zueinander angeordnet werden. Zwischen den beiden Spiegeln wird der UV-Laserstrahl hin und her reflektiert. Dadurch wird ein zigzag-Multipassstrahlgang in der optischen Zelle erzeugt.
• Die Anzahl der Strahlpässe kann auf einfache Weise verdoppelt werden, indem ein weiterer Spiegel verwendet wird, der den UV-Strahl zurückreflektiert.
• Eine optische Multipasszelle kann auch unter Verwendung von gekrümmten Spiegeln gebildet werden. Unter den wichtigsten Multipasszellen sind die Herriott-Multipasszelle und die White-Multipasszelle zu nennen. Bei der Herriott-Multipasszelle werden zwei sphärischen Spiegel verwendet. Damit kann ein Multistrahlgang in zwei Ebene generiert werden. Demgegenüber besteht eine einfache White-Multipasszelle aus drei sphärischen Spiegeln. Damit wird ein Multistrahlgang in einer Ebene (vgl. yz-Ebene in ) generiert.
• Es ist vorteilhaft, wenn anstatt der sphärischen Spiegel 3 zylindrische Spiegel zur Bildung einer abgewandelten White-Multipasszelle verwendet werden. Die zylindrischen Spiegel werden so orientiert, dass deren Zylinderachsen parallel zur x-Achse stehen und deren Krümmungen in der yz-Ebene liegen. Dadurch entsteht ein Multipassstrahlgang in der yz-Ebene.
• Für die zigzag-Multipasszelle und die abgewandelte White-Multipasszelle ist es optimal, wenn der UV-Laserstrahl so geformt wird, dass er einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Der rechteckige Querschnitt hat eine lange Kante in der x-Richtung und eine kurze Kante, die ungefähr parallel zu der z-Richtung steht. Vorzugsweise wird die Größe der langen Kante so gewählt, dass sie der Tiefe der Multipasszelle annäherungsweise gleicht. Die kurze Kante wird so klein wie möglich dimensioniert, damit eine Multipasszelle mit einer kompakten Abmessung in der z-Richtung aufgebaut werden kann.
• Um die Leistungsdichte möglich hoch zu halten, ist es sinnvoll die Abmessung der Multipasszelle in der x-Richtung und somit die lange Kante des Strahlquerschnittes nach Möglichkeit, z. B. durch Verjüngung der Luftströmung, klein zu halten.
• Durch den konstanten Luftdurchfluss zwischen den Spiegeln ist eine Verschmutzung der Spiegel zu erwarten. Dadurch vermindert sich die Reflektivität der Spiegel und somit die Effektivität der Entkeimung. Um Kosten niedrig zu halten und Reinigung zu minimieren kann bei der Ausführung mit planen Spiegeln Spiegelfolie als Ersatz verwendet werden, welche billiger und einfacher zu ersetzen ist. Die Reflektion kann durch Beschichtungen erzielt werden. Ein System mit zwei Rollen wird verwendet, welche ohne großen Eingriff in das Gesamtsystem ausgewechselt werden können, um konstant saubere Reflexionsflächen zu gewährleisten. Auch eine Reinigung der Folie ist in Betracht zu ziehen.
• Die oben diskutierten Systeme aus UV-Laserstrahlquellen und Multipasszellen können zur Entkeimung in Luftkanäle von z. B. Lüftungssysteme, Klimatisierungssysteme, etc. integriert werden. Sie können auch in Stand-Alone Geräten mit eigenen Ventilatoren verwendet werden. Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungen gemäß dieser vorliegenden Erfindung anhand beigefügter Abbildungen erläutert.
• zeigt eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels. Das System besteht im Wesentlichen aus einem UV-Laser (100), der einen UV-Strahl (101) emittiert. Kontaminierte Luft (901) strömt in Richtung der UV-Strahlen. Der Laserstrahl hat hierbei die Breite des gegebenen Luftströmungsbereichs (X-Achse). Nach dem Durchlaufen des Strahls wird aufgereinigte Luft (909) erhalten. Laserstrahlen werden von den Keimen absorbiert, ungenutzte Reststrahlung (191) wird auf eine Strahlfalle (199) projiziert. Dieses Beispiel ist eine Basis, auf der weitere effiziente Systeme aufgebaut werden.
• zeigt eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels mit Ziel der Erhöhung der effektiven Strahlnutzung des Lasers. Dafür werden Spiegelflächen (111) und (112) verwendet, welche eine Strahlzelle zur Erzeugung von Multistrahlgängen für UV-Strahlen bilden. Der Laserstrahl wird hier die Breite des gegebenen Luftströmungsbereichs haben (x-Achse) und zugleich in anderer Richtung so schmal wie möglich definiert sein (z-Achse). Zwischen den beiden Spiegeln strömt kontaminierte Luft (901) hindurch. Nach dem Durchgang durch die Strahlzelle wird aufgereinigte Luft (909) erhalten. Durch die aus den Spiegeln entstandene Multipassstrahlzelle wird die kontaminierte Luft mehrfach bestrahlt, wodurch es zu einer Erhöhung der Effizienz der Abtötung der Zellen kommt.
• Nach den Reflektionen durch die Spiegel ist Reststrahlung vorhanden, die nicht verwertet wird ist und durch die Strahlfalle aufgefangen wird. zeigt eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels mit Ziel der weiteren Erhöhung der effektiven Strahlnutzung. Hierfür wird zusätzlich eine Spiegelfläche (113) verwendet, welcher den Strahl durch die Strahlzelle zurückreflektiert. Es entsteht ein weiterer Multistrahlgang. Durch das Hinzufügen der weiteren Spiegelfläche kann die Reststrahlung, die nach einem Durchgang durch die Spiegel noch vorhanden ist, wieder zurückgeworfen werden und weiter verwertet werden. Die nach dem weiteren Durchgang vorhandene, weit verringerte Reststrahlung wird dann wieder mit einer Strahlfalle aufgefallen.
• Um den Aufbau des Multipasszellensystems zu kompaktieren kann die sogenannte Herriott-Zelle verwendet werden. Wie in dargestellt, besteht eine beispielhafte Herriott-Zelle aus zwei sphärischen Spiegeln (163) und (166). Der Spiegel (16) weist eine kleine Öffnung (163) auf. Durch die Öffnung (163) wird der UV-Laserstrahl in die Multipass-Zelle eingekoppelt. Die durch die Öffnung austretende Rest-Strahlung (191) wird durch den Spiegel (125) zu der UV-Strahlfalle (199) umgelenkt und dort absorbiert. Mit dieser Zelle kann ein kompakter Aufbau erreicht werden, der in kleine Luftreinigungs- und Belüftungssysteme integriert werden kann, oder auch Up-Scaled werden kann.
• Eine weitere Möglichkeit des kompakten Multipasssystems ist die White Zelle, die in beispielhafter Ausführung in zu sehen ist. Sie besteht aus drei sphärischen Spiegeln (176), (177) und (178). Die Multipasses befinden sich in einer Ebene. Diese Multipass-Ebene steht vorzugsweise parallel zu der Richtung der Luftströmung. Es ist vorteilhaft, wenn zylindrische Spiegel anstelle sphärischen Spiegels verwendet werden. In diesem Fall kann die Abmessung des UV-Laserstrahls in der senkrecht zu der Multipass-Ebene stehenden Ebene so groß gewählt werden, dass sie annäherungsweise der Abmessung des Luftströmungsbereichs entspricht. Hiermit kann ein System mit dieser Strahlzelle in viele verschiedene Luftreinigungs- und Belüftungssysteme integriert werden.
• In der ist ein Querschnitt eines UV-Laserstrahls dargestellt. Die lange Kante des Strahls ist parallel zu der x-Richtung und die kurze Kante liegt in der yz-Ebene. Um die Multipasszelle kompakt zu gestalten, ist es vorteilhaft, den Laserstrahl so zu erzeugen, dass er eine hohe Strahlqualität in der yz-Ebene aufweist.
• zeigt eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels, in der die optische Anordnung in einem Strömungskanal, z.B. einem zentralen Luftversorgungssystem, Luftaufbereitungssystem, Flugzeugluftaufbereitungs- & Versorgungssystem, integriert wird. Hierfür wird das System in eine Luftflusskammer (305) des jeweiligen Systems integriert. Der Laserstrahl hat hierbei die Breite des Strömungskanals (X-Achse), wobei in X-Achsen Richtung eine niedrigere Strahlqualität möglich ist, während der Strahl in Y-Achsenrichtung so schmal wie möglich und eine gute Strahlqualität aufweisen muss. Zwischen den Spiegeln strömt kontaminierte Luft (901) hindurch, welche durch einen Lufteinlass (310) in die Strahlkammer eintritt. Nach dem Durchgang durch die Strahlzelle wird aufgereinigte Luft (909) erhalten, welche durch einen Luftauslass (311) in die Umgebung entlassen wird. Mit diesem Aufbau kann das System in Flugzeugbelüftungsanlagen, Krankenhäusern oder auch im Privatgebraucht in angemessener Größe integriert werden. Die Luftflussrate wird durch das vorhandene Belüftungs- bzw. Reinigungssystem vorgegeben und die Breite des Laserstrahls ist identisch mit der des Strömungskanals.
• Die Spiegel werden bei durchgehendem Gebrauch, wie zum Beispiel in Flugzeugen nach einiger Zeit Abnutzungserscheinungen aufweisen. Spiegel zu ersetzen ist auf Dauer teuer und bei Reinigung der Spiegel muss das Gehäuse geöffnet werden. zeigt eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels, in der die Kosten und der Austausch von Spiegeln im integrierten System durch Verwendung von Spiegelfolien optimiert wird. Hierfür werden an den Spiegelflächen (111), (112) und (113) Gelenke angebracht (350). Über die Gelenke wird eine Spiegelfolie (340) gespannt. Eine ungenutzte Rolle Spiegelfolie (330) und eine Rolle für verbrauchte Spiegelfolie (331) sind an den Enden der Folie montiert. Durch die Folie kann eine vollständige und nicht zerstreute Reflexion der Laserstrahlen über die Zeit gewährleistet werden, was die Divergenz der Strahlen vermindert und somit die Effektivität der Strahlen beibehält.
• Der Laserstrahl muss die Breite des Strömungskanals haben (X-Achse), zeigt eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels des integrierten Systems, in dem eine Verjüngung des Luftflussgangs durchgeführt wird, um die Intensität des UV-Strahls zu erhöhen und den Energieverbrauch zu erniedrigen. Hierfür wird eine Verjüngung der Strahlkammer (320) eingebaut. Zusätzlich wird ein Ventilator (322) am Lufteinlass montiert, um die Luft durch den engeren Spalt zu befördern. Durch den Ventilator ist es möglich, die Luft mit derselben Geschwindigkeit aus dem Luftauslass zu befördern wie sie in den Lufteinlass eingetreten ist. Dadurch wird eine Verminderung des Luftflusses vermindert und keine Verringerung auf die Luftreinigungsschnelligkeit wird durch den Einbau des Systems in ein bestehendes Luftreinigungssystem wird erreicht.
• Die Bauweise des integrierten Systems kann auf ein freistehendes System übertragen werden, welches ohne ein bestehendes Luftreinigungs- oder Aufbereitungssystem auskommt und somit vor allem im Privatgebrauch oder in kleinen Unternehmen Anwendung finden kann. zeigt eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines freistehenden Systems, welches die Luftreinigung ohne eine Integration in ein bestehendes Luftreinigungssystems ermöglicht. Dafür wird das System in minimaler Ausführung in ein Behältnis verbaut (360), um einen alleinigen Betrieb zu ermöglichen. Durch den Ventilator wird die Luft eigenständig durch den Lufteinlass hineingesaugt, zwischen den Spiegeln entkeimt und dann durch den Luftauslass wieder herausbefördert. Auch hier kann mittels Spiegelfolie oder von Spiegeln eine saubere Reflexion gewährleistet werden, ohne das Gerät zu öffnen
• Das gleiche Prinzip der Verjüngung wie im integrierten System kann auch im freistehenden System angewandt werden. zeigt eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels eines freistehenden Systems, in dem eine Verjüngung des Luftflussgangs durchgeführt wird, um die Intensität des UV-Strahls zu erhöhen und den Energieverbrauch zu erniedrigen. Hierbei wird mit einem starken Ventilator gearbeitet, um eine effiziente Luftreinigungsrate zu ermöglichen und einen konstanten Luftaustausch in größeren Räumen zu gewährleisten.

Claims (12)

1. Anordnung zur Entkeimung von Luft mit einem UV-Laserstrahl, der ein UV-Laserstrahl emittiert, dadurch gekennzeichnet, dass zur mehrfachen Nutzung des UV-Laserstrahls der UV-Laserstrahl in eine Multireflexionsstrahlzelle (Multipassstrahlzelle) eingekoppelt wird, wobei für die Multireflexionsstrahlzelle eine Spiegelanordnung verwendet wird, wobei die Spiegelanordnung so beschaffen wird, dass durch die Reflektion der Spiegel ein Multipassstrahlgang innerhalb der Multireflexionsstrahlzelle generiert wird, wobei die kontaminierte Luft entlang der z-Richtung durch die Multireflexionsstrahlzelle strömt und den Multipassstrahlgang überquert, wobei die kontaminierte Luft mehrfach von dem UV-Laserstrahl illuminiert wird.
2. Anordnung zur Entkeimung von Luft mit einem UV-Laserstrahl nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Multireflexionsstrahlzelle aus zwei Spiegelflächen (111) und (112), die annährend plan sind und parallel zueinander angeordnet sind, besteht.
3. Anordnung zur Entkeimung von Luft mit einem UV-Laserstrahl nach dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Spiegelfläche (113) verwendet wird, die angewinkelt zu der Spiegelfläche (111) angebracht wird, wobei die Spiegelfläche (113) dazu dient, den Strahl durch die Multireflexionsstrahlzelle zurück zu reflektieren, wodurch weitere Multistrahlgänge entstehen.
4. Anordnung zur Entkeimung von Luft mit einem UV-Laserstrahl nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Multireflexionsstrahlzelle unter Verwendung von gekrümmten Spiegeln (166) und (167) gebildet wird, wobei die Spiegel so ausgelegt und angeordnet werden, dass eine Herriott-Multipasszelle entsteht.
5. Anordnung zur Entkeimung von Luft mit einem UV-Laserstrahl nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Multireflexionsstrahlzelle unter Verwendung von sphärischen Spiegeln (176), (177) und (178) gebildet wird, wobei die Spiegel so ausgelegt und angeordnet werden, dass eine White-Multipasszelle entsteht.
6. Anordnung zur Entkeimung von Luft mit einem UV-Laserstrahl nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anstatt der sphärischen Spiegel 3 zylindrische Spiegel zur Bildung eine abgewandelte White-Multipasszelle verwendet werden, wobei die zylindrischen Spiegel so orientiert werden, dass deren Zylinderachsen parallel zur x-Achse stehen und deren Krümmungen in der yz-Ebene liegen, wobei der Multipassstrahlgang in der yz-Ebene liegt.
7. Anordnung zur Entkeimung von Luft mit einem UV-Laserstrahl nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der UV-Laserstrahl so geformt wird, dass er einen rechteckigen Querschnitt aufweist, wobei der rechteckige Querschnitt eine lange Kante in der x-Richtung und eine kurze Kante hat, die in der yz-Ebene liegt, wobei die Größe der langen Kante so gewählt wird, dass sie der Tiefe der Multipasszelle annäherungsweise gleicht, wobei die kurze Kante so klein wie möglich dimensioniert ist, so dass eine Multipasszelle mit einer kompakten Abmessung in der z-Richtung aufgebaut werden kann.
8. Anordnung zur Entkeimung von Luft mit einem UV-Laserstrahl nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessung der Multipasszelle in der x-Richtung und somit die lange Kante des Strahlquerschnittes durch Verjüngung der Luftströmung verkleinert wird, so dass die Leistungsdichte erhöht wird.
9. Anordnung zur Entkeimung von Luft mit einem UV-Laserstrahl nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Multireflexionsstrahlzelle und die UV-Laserstrahlquelle in eine Luftflusskammer mit Lufteinlass und Luftauslass integriert wird, wobei die Luftflusskammer (305) das System umschließt, wodurch die kontaminierte Luft durch den Lufteinlass (310) in das System eintritt und die gereinigte Luft das System durch den Luftauslass (311) verlässt.
10. Anordnung zur Entkeimung von Luft mit einem UV-Laserstrahl nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel durch reflektierende Spiegelfolien (340) gebildet werden.
11. Anordnung zur Entkeimung von Luft mit einem UV-Laserstrahl nach dem Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelfolien jeweils auf zwei Rollen aufgespannt und an Gelenken fixiert werden und an den Enden aufgerollt werden, wobei ein Ende jeweils frische Spiegelfolie enthält (330) und das andere Ende verbrauchte Spiegelfolie (331), wodurch auf der Spiegelfläche immer eine optimale Reflexion durch die Spiegelfolie (340) gewährleistet ist, wobei die Spiegelfolien durch die Gelenke (350) gestrafft wird.
12. Anordnung zur Entkeimung von Luft mit einem UV-Laserstrahl nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Multireflexionsstrahlzelle und die UV-Laserstrahlquelle in Stand-Alone-Geräte eingebaut werden, wobei das Luftreinigungsgeräte einen Lufteinlass, Luftauslass und einen Ventilator besitzt, welcher die Luft durch das Behältnis befördert, wobei der Laser hier in dem Behältnis integriert ist.

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