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JP4283677B2 - 紫外線殺菌装置 - Google Patents

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Description

関連出願
この出願は2002年10月9日に出願された米国特許出願第10/268567号の一部継続出願であり、2001年11月2日に出願された米国仮特許出願番号第60/336381号の開示に依存する。
本発明は有毒化合物における化学結合を破壊し、病原体を不活動にするために、強い紫外線(ultraviolet irradiation)を使用する空気純化装置に関する。その方法は、自然に生じる毒素又は戦争で使用された生物学的及び化学的薬品から由来するものを含む任意の物質輸送に適用することができる。
従来の紫外線殺菌装置は典型的には、紫外線が水を通過し、反射表面を打撃し、反射後に水を再度通過するように、水が紫外線に曝されるような水殺菌装置である。典型的には研磨したステンレス鋼である反射表面は、かなりの量の放射線を吸収する。米国特許第3,744,216号明細書に記載されたような空気殺菌装置は空気流内で延びたアーク低圧水銀殺菌ランプを使用する。アメリカン・ウルトラバイオレット・アンド・ステリル−エア社(American Ultraviolet and Steril-Aire) のような会社は殺菌作用を提供する加熱、換気及び空気コンディショニング(HVAC)装置のダクト内でこのようなランプを使用する装置を製造している。
米国特許第3,744,216号明細書 米国特許第4,260,220号明細書においては、正方形横断面の中空チューブ導波管が構成され、全内部反射(TIR)の原理の下に作動する。各壁区分は平坦な内側表面と、90°の角度の長手方向波形を備えた外側表面とを有する。壁はアクリルガラス又は光学的に透明なガラスの如き透明な誘電材料で構成される。この米国特許の装置は可視光を運ぶために使用される。 米国特許第4,260,220号明細書 正方形横断面の光導波管は米国特許第3,170,980号明細書に従った小距離での流動の同質性を最大化するものとして当業界で知られている。これらの装置は典型的には光源と例えば米国特許第5,625,738号明細書に記載されたような作像装置との間で投影装置に使用される。 米国特許第3,170,980号明細書 米国特許第5,625,738号明細書 従来の紫外線殺菌装置に共通なものは、殺菌している空気に対する紫外線の過剰放射線量であり、これは、結果としての設備の寸法、重量及びパワーを必然的に増大させる。このような装置の効率を改善し、また、空気のための携帯用の有効な紫外線殺菌装置を提供する、長年思われている要求が存在する。
本発明は中空の全内部反射式光導管即ち導波管の一端を通して空気を運び、他端から導管即ち導波管を通して高強度ランプからの紫外線(UV)エネルギを組み合わせる、空気を殺菌するための装置及び方法である。導波管自体は紫外線等級の融解シリカガラスの如き紫外線非吸収材料で構成される。有利には、全内部反射に基づく光パイプ技術の使用は、すべての入力紫外線が空気内で発散されることを保証する。
まず図1を参照すると、中央の光パイプとして作用する流体入口チューブ10と、流体入口チューブ10の下方部分のまわりに位置し、これと一緒に同心ギャップ15を画定する光学クラッディング(cladding;被覆金属板)チューブ20と、流体収容容器30と、流体出口チューブ50と、フラッシュランプの如き高強度紫外線ランプ40とを含む、本発明に係る紫外線(UV)水殺菌装置の基本構造が示されている。
次に図2を参照すると、流体収容容器30は、紫外線ミラー31として形状づけられた内部表面を含む。例えば、流体収容容器は、アルミニウムから構成することができ、内部表面は研磨したアルミニウムとすることができる。水の如き殺菌すべき流体5は入口端部11を通して流体入口チューブ10へ入る。流体入口チューブ10は、例えば紫外線等級溶融シリカから製造することができる。
流体5は、流体入口チューブ10を通って高強度紫外線ランプ40の方へ進行し、出口端部12において流体入口チューブ10から出る。次いで、流体5は流体収容容器30の下端の一部を形成する紫外線(UV)伝達性窓下方表面36により向きを変えられる。次に、流体5の流れは流体収容容器30の上方端部に位置する流体出口チューブ50へ仕向けられる。
流体5は、流体収容容器30内に収容される。流体収容容器30は紫外線等級溶融シリカから構成することのできる内側チューブ33を含み、この内側チューブは外側シェルと内側チューブ33との間に空気ギャップの如きギャップ32を備えた紫外線ミラー31を画定する反射性の内部表面を具備する外側のアルミニウムシェル内に収容される。次いで、外側チューブ30の端部は下方の紫外線窓表面36及び紫外線窓上方表面37により閉じられる。
紫外線(UV)水殺菌装置の好ましい方位(orientation)は垂直であり、そのため、流体5の流れはほぼプラグ流れ(plug-flow)となり、流体出口チューブ50の位置は最高点又はその近傍にあり、望ましくない空気気泡の迅速で有効な除去を可能にする。流体5内に存在する空気気泡は、装置の効率を低下させる、紫外線のための発散箇所を形成することがある。このような紫外線発散箇所は、紫外線を最適の角度よりも小さな角度に仕向け、紫外線ミラー31である流体収容容器内部表面からの反射を、アルミニウムチューブから構成される場合のほぼ86%の反射にしてしまう。このような紫外線発散箇所が無ければ、紫外線は大半流体5内に放散される。その理由は、光パイプの全内部反射(TIR)作用のためすべての反射がほぼ損失を伴わないからである。
次に図3を参照すると、光パイプ100の区域は、水の如き流体5と、紫外線等級溶融シリカチューブの如き流体入口チューブ10と、空気ギャップ又は真空ギャップの如き同心ギャップ15とから形成される。同心ギャップ15は、光パイプ100が作動するのを許容するために、流体5から液圧的に隔離される。光パイプの作動は流体5の屈折率よりも小さい同心ギャップの屈折率に基づく。光スペクトルの紫外線区域における溶融シリカ及び水の屈折率は以下の表1に示す。
Figure 0004283677
表1に示すように、水は光スペクトルの紫外線(UV)部分において紫外線等級溶融シリカとほぼ同じ屈折率を有する。
紫外線は、高強度紫外線ランプ40から伝達され、紫外線入口開口35を通って進み、図2に示すように下方の紫外線窓表面36へ入る。流体搬送又は表面の汚染物による紫外線の吸収を排除するためにランプ40と開口50との間の距離を最小にするのが望ましい。ある実施の形態においては、開口50は(光学結合効率を向上させるために)1又はそれ以上のレンズ素子を具備する。第1の紫外線71は下方の紫外線窓表面を出て、屈折により曲げられ、流体5へ入って第2の紫外線72を画定する。第2の紫外光線72は内部表面13に垂直な表面を基準にして測定した入射角1で流体5に接触する流体入口チューブ10の内部表面13上に衝突する。第2の紫外光線72が流体入口チューブ10の側壁へ入ると、光線は屈折により曲げられ、新たな内部反射角度2で再指向され、第3の紫外光線73を画定する。
スネルの法則により定義されるような角度2の値は入射角1、並びに、流体5及び流体入口チューブ10を構成するUV等級シリカの如き材料の屈折率の関数である。第3のUV光線73は流体入口チューブ10の材料を通り続け、同心ギャップ15に接触する流体入口チューブの外部表面14上に衝突する。第3の紫外線73は流体入口チューブ10内へ戻り反射され、流体入口チューブ10の材料及び同心ギャップ15の屈折率がスネルの法則により定義されたような全内部反射条件を満たした場合に、第4の紫外線光線74を画定する。同心ギャップ15の屈折率は同心ギャップ内に収容される材料により、又は、同心ギャップ15内に材料が収容されていない場合は、真空の屈折率により画定される。
本発明の特徴は、紫外線光源40からの初期の光学軌跡により画定されるような光パイプ100の区域(region)が流体入口チューブ10の長さの少なくとも一部にわたって存在することである。それ故、流体5、流体入口チューブ10を構成する材料及び同心ギャップ15の屈折率に従って、入射角2を所定の範囲に制限する必要がある。本発明の好ましい実施の形態においては、流体入口チューブ10は紫外線等級シリカガラスから構成され、殺菌すべき流体5は水であり、同心ギャップ15は乾燥空気を収容する。
空気を殺菌するのに適した本発明の別の実施の形態を図4−6に示す。まず図4を参照すると、空気収容容器130は紫外線ミラー131として形状づけられた内部表面を有し;例えば、空気収容容器はアルミニウムから構成することができ、内部表面は研磨したアルミニウムとすることができる。殺菌すべき空気105は入口端部111を通してTIR光導管110へ入る。光導管110は、例えば紫外線等級溶融シリカ、特にヘリオス・サプラシル(Hereaus Suprasil)の如き200nm−300nmの殺菌波長において高い伝達性を有する等級から製造することができる。
ここで、図5を参照すると、入口チューブ110は、全内部反射(TIR)構造(features)120を有する区分へ遷移する。この区分は、ランプ140に最も近い出口端部112から入口端部111の方へある距離だけ延びる。このことは、ある紫外線が空気入口チューブ110から漏れ出すこと及び空気収容容器130全体にわたって分布することを許容する。1つの実施の形態においては、TIR構造120は、米国特許第4,260,220号明細書における可視光のために教示されたものと同様の複数のプリズム光ガイドである。米国特許第4,260,220号明細書は、立体角(solid angle)であって、それを通して空気導波管のためにTIRを維持できる立体角を記載している。
例えば、補助の光学系を伴わない短アークキセノンフラッシュランプからのコリメートされていない紫外線エネルギは、約27度の円錐半角の外へTIRを介して全体的に含ませることができる。この角度を越える紫外線は、紫外線ミラー131の如き他の表面を打撃するまで、TIR構造120を通って空気105内へ必然的に漏れる。有利には、空気収容容器130は紫外線を収容することにより装置の全体効率を最大化し、空気流との相互作用の一層の機会を可能にする。空気収容容器130はまた最大紫外線ビーム均質性のための如き正方形横断面、又は、必要なら他の形状を有することができる。
空気105は空気入口チューブ110を通って高強度紫外線ランプ140の方へ進み、出口端部112で光導管110から出る。空気105の流れは光学偏向ミラー123を打撃して、そのまわりで発散され、これはまた、空気収容容器130から逃げる紫外線の量を最小化するように光学的に機能する。
ミラー123を含まない実施の形態に対しては、ランプからの紫外線の一部はTIR構造120を有する入口チューブ110の区分を出て、収容容器130の上方部分へ入る。高度にコリメートされたランプからの紫外線の部分のみが入口開口111に到達する。これらの線はさらに、例えば、入口開口111で直角取付け部を導入することにより、容容器130内へ戻り偏向させることができる。
空気流経路105を参照し続けると、次いで、空気は空気収容容器130の下方端部の一部を形成する紫外線(UV)窓135を打撃する。先に述べたように、ある実施の形態においては、窓135は1又はそれ以上のレンズ素子を含む。空気を殺菌するように主として設計された実施の形態に対しては、TIR構造は水を殺菌するように主として設計された実施の形態よりも一層制限された収容角度を有する。空気を殺菌するように設計された実施の形態に対しては、ある程度の光学コリメートが有利であるが、チューブ110のTIR区域120に対して、エテンデュー(etendue) の原理は一層大きな横断面を必要とする。
最後に、空気105の流れは空気収容容器130の上方端部内に位置する空気出口150へ向きを変えられる。有利には、空気105がTIR区分の外部へ進行している間、空気は紫外線ミラー131により捕捉されてしまった付加的な紫外線を受け取り、従って高効率の紫外線照射装置の実践的な実施の形態を形成する。代わりに、ランプを出る紫外線は約27度の円錐半角でコリメートすることができ、極めて長いTIR案内構造体内へ射出され、極めて高い効率(即ち、電力ワット当りの殺菌量)を達成する。
好ましい実施の形態においては、適正な照射レベルが適用されるのを保証するために、紫外線センサ141がフィードバック素子として使用される。アプライズ・テクノロジー社(Apprise Technology)(ミネソタ州、ダルス(Duluth) )は、紫外線クリーン(紫外線 Clean) の商品名の下で、連続的及び脈動する紫外線源を取り扱うことのできる適当な紫外線センサを製造している。紫外線センサ141は見える状態で容器130内に位置するが、紫外線ランプ140から直接見えない。有利には、この位置は、センサが統合された空洞照射を測定するのを可能にし、ランプの出力分布における変化を生じさせる傾向を有しない。空気流が濾過されるので、センサの入力開口のクリーニングは最小となる。殺菌空気寿命臨界を設けた場合のようなある実施の形態においては、余分の紫外線源及びセンサが使用される。
ここで、図6を参照すると本発明の紫外線殺菌装置を使用する紫外線空気殺菌装置が概略的に示される。殺菌すべき空気は、例えば、入口ファン101を通って進入し、紫外線を吸収することにより装置の効率を低下させることのある汚染物を除去するために空気フィルタ102を通過する。次に、濾過された殺菌すべき空気105は空気収容容器30内へ流入し、そこで、空気は高強度紫外線(UV)ランプ140により照射される。照射の後、空気は、空気収容容器130から、オゾンを呼吸可能な酸素に変換する光学触媒フィルタ103を通って流れ、最終的に、空気出口ファン104を通って流出する。センサからのフィードバックはコントローラ200内へ送られ、次いで、コントローラは容器130内へ導入される紫外線の量、並びに、入口ファン101及び出口ファン104を通る流量を規制する。その上、脈動ランプを紫外線源として使用する実施の形態に対しては、コントローラ200はパルス反復率を変化させる。別の実施の形態においては、コントローラ200はまた、例えば、センサ141が室130内で異常に低い紫外線照射を検出したときに、警報を提供することができ、できたらランプを交換する必要があることを合図する。
明細書で使用された頭字語のリスト
次のものは、アルファベット順での明細書で使用された頭字語のリストである。
HEPA 高効率微粒子空気(フィルタ)
NVAC 加熱、換気及び空気コンディショニング
TIR 全内部反射
UV 紫外線
別の実施の形態
本発明の精神又は範囲を逸脱することなく、別の実施の形態を工夫することができる。例えば、この同じ装置は、複数の流体(例えば、空気及び水)を純化できるように、二重使用の応用に適用できる。
本発明の1つの図示の実施の形態に係る、紫外線放射線(UV)を使用して水を殺菌する装置を示す図である。 図1の紫外線殺菌装置の断面図である。 全内部反射(TIR)を使用していかに紫外線放射線を閉じ込めるかを示す、図1のUV殺菌装置内の光パイプ照射区域を示す図である。 本発明の1つの図示の実施の形態に係る、紫外線放射線(UV)を使用して空気を殺菌する装置を示す図である。 図4のUV殺菌装置の断面図である。 本発明のUV殺菌装置を組み込んだ空気処理装置のブロック線図である。
符号の説明
1 入射角(流体入口チューブ内部表面での屈折)
2 内部反射角(流体入口チューブ外部表面での反射)
5 (殺菌すべき)流体
10 流体入口チューブ
11 (流体入口チューブの)入口端部
12 (流体入口チューブの)出口端部
13 (流体入口チューブの)内部表面
14 (流体入口チューブの)外部表面
15 (入口チューブと光学クラッディングチューブとの間の)同心ギャップ
20 光学クラッディングチューブ
30 流体収容容器
31 紫外線ミラー(流体収容容器内部表面)
32 (流体収容容器での)空気ギャップ
33 (流体収容容器の)内側チューブ
35 紫外線入口開口
36 下方紫外線窓表面
37 上方紫外線窓表面
40 高強度紫外線ランプ
50 流体出口チューブ
71 (下方紫外線窓表面を出る)第1のUV光線
72 (流体を出る)第2のUV光線
73 (流体入口チューブ内部表面へ入る)第3のUV光線
74 (流体入口チューブ内部表面を出る)第4のUV光線
75 (流体へ入る)第5のUV光線
100 (流体、流体入口チューブ及び同心ギャップで構成された)光パイプ
101 空気入口ファン
102 空気フィルタ
103 触媒フィルタ
104 空気出口ファン
105 (殺菌すべき)空気
110 空気入口チューブ
111 (空気入口チューブの)入口端部
112 (空気入口チューブの)出口端部
113 (流体入口チューブの)内部表面
114 (流体入口チューブの)外部表面
120 (空気入口チューブの)全内部反射構造
121 (全内部反射構造の)内部表面
123 偏向ミラー
130 空気収容容器
131 紫外線ミラー(空気収容容器内部表面)
135 紫外線入口開口
137 紫外線窓表面
140 高強度紫外線ランプ
141 紫外線センサ
150 流体出口チューブ
101 空気入口ファン
102 空気フィルタ
103 触媒フィルタ
104 空気出口ファン
200 (殺菌装置のための)コントローラ

Claims (7)

  1. 紫外線を使用して空気を殺菌する装置であって、
    入口端部(111)、末端方向で対向する出口端部(112)、空気に接触する内部表面、及び外部表面を有する空気入口チューブ(110);
    空気入口チューブの表面の少なくとも一部上に位置する全内部反射構造(120);
    空気入口チューブのまわりに位置する空気収容容器(130);
    前記空気収容容器の下方の一部を形成する紫外線窓(135);
    前記紫外線窓を通過し、空気入口チューブの内部表面に衝突する紫外線を提供する高強度紫外線ランプ(140);及び
    空気収容容器から延びる空気出口(150);を有することを特徴とする装置。
  2. 前記空気入口チューブは紫外線等級シリカガラスから構成されることを特徴とする請求項1の装置。
  3. 前記全内部反射構造は空気入口チューブの外部表面に沿って延びる複数のプリズム光ガイドを有することを特徴とする請求項1の装置。
  4. フィードバック機構としての空気収容容器内へのびる紫外線センサを含む警報手段を更に有することを特徴とする請求項1の装置。
  5. 前記空気出口からの空気通路内にオゾンを酸素に変換するための触媒フィルタを更に有することを特徴とする請求項1の装置。
  6. 殺菌されるべき空気が前記空気入口チューブ入口端部へ入る前に汚染物を除去するための空気フィルタを更に有することを特徴とする請求項5の装置。
  7. 前記空気入口チューブの空気通路中に配置される偏向ミラーを更に有することを特徴とする請求項1の装置。
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