(57)【要約】  流体を処理するための紫外線反応器。反応器には、流体を受け入れるための入口と、流体を排出するための出口を備えた容器が含まれている。反応器には、さらに、紫外線源とバッフルプレートが含まれている。バッフルプレートには、紫外線源に近い反応器内の領域にプラグ流れを生じさせるため、所定のパターンをなすように配置された孔が含まれている。【選択図】図２
2013500854.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を処理するための反応器であって、
流体を受け入れるための入口と、流体を排出するための出口を備えた容器と、
前記容器内に配置された紫外線源と、
前記容器内に配置されて、それぞれ、第１、第２、及び、第３のチャンバを形成する第１、第２、及び、第３のバッフルプレートと、が含まれており、
前記第１、第２、及び、第３のバッフルプレートに、前記容器内における流体流を制御して、プラグ流れを生じさせるためのパターンをなすように配置された孔が含まれることを特徴とする反応器。
【請求項２】
前記容器に、流入流体の運動エネルギを分散させるドーム状部分が含まれることを特徴とする請求項１に記載の反応器。
【請求項３】
前記第１のバッフルプレートの前記孔のサイズが、前記第２及び第３のバッフルプレートの孔より小さいことを特徴とする請求項１に記載の反応器。
【請求項４】
前記第２のバッフルプレートの前記孔は、サイズが前記第１及び第３のバッフルプレートの孔より比較的大きく、均等な間隔で分布していることを特徴とする請求項１に記載の反応器。
【請求項５】
前記第３のバッフルプレートの前記孔が、減速孔パターンをなすように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の反応器。
【請求項６】
流体を処理するための反応器であって、
流体を受け入れるための入口と、流体を排出するための出口を備えた容器と、
前記容器内に配置された紫外線源と、
前記容器内に配置されて、それぞれ、第１及び第２のチャンバを形成しており、流体流を制御するためのパターンをなすように配置された孔を含んでいる第１及び第２のバッフルプレートと、
前記第１のバッフルプレートに配置され、流入流体を方向転換させて、前記流入流体の運動エネルギを分散させるため、前記第１のバッフルプレートに対して角度を付けられたダイバータプレートと、が含まれている反応器。
【請求項７】
前記ダイバータプレートが、前記第１のバッフルプレートに対して約１２０度の角度をなすように配向を施されていることを特徴とする請求項６に記載の反応器。
【請求項８】
前記ダイバータプレートが、前記第１のバッフルプレートに対して約８７度の角度をなすように配向を施されていることを特徴とする請求項６に記載の反応器。
【請求項９】
前記ダイバータプレートの配向が、調整可能であることを特徴とする請求項６に記載の反応器。
【請求項１０】
前記容器に、前記ダイバータプレートによって方向転換させられた流入流体の運動エネルギを分散させるためのドーム状部分が含まれることを特徴とする請求項６に記載の反応器。
【請求項１１】
さらに、前記第１のバッフルプレートと前記容器の内壁とのギャップを閉じるためのサイドバッフルプレートが含まれることを特徴とする請求項６に記載の反応器。
【請求項１２】
前記反応器に、３つのサイドバッフルプレートが含まれることを特徴とする請求項１２に記載の反応器。
【請求項１３】
紫外線反応器内で流体を導くための方法であって、
反応器の容器のドーム状部分に流入流体を向けるステップと、
プラグ流れを生じるように配置された複数のバッフルプレートに形成されている孔に前記ドーム状部分からの前記流体を通すステップと、
前記反応器の出口から前記流体を排出するステップと、
が含まれている方法。
【請求項１４】
前記流入流体が、ダイバータプレートによって方向づけられることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
ダイバータプレートが、第１のバッフルプレートに配置されていることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
ダイバータプレートが、前記第１のバッフルプレートに対して約１２０度の角度をなすように配向を施されている特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記ダイバータプレートが、前記第１のバッフルプレートに対して約８７度の角度をなすように配向を施されている特徴とする請求項１５に記載の反応器。
【請求項１８】
前記ダイバータプレートの配向が、調整可能であることを特徴とする請求項１５に記載の反応器。
【請求項１９】
前記反応器に、前記ダイバータプレートによって方向転換させられた流入流体の運動エネルギを分散させるためのドーム状部分が含まれることを特徴とする請求項１５に記載の反応器。
【請求項２０】
さらに、前記第１のバッフルプレートと前記容器の内壁とのギャップを閉じるためのサイドバッフルプレートが含まれることを特徴とする請求項１５に記載の反応器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１１９（ｅ）条に基づいて、それぞれ、その全体がここに援用される、本出願が優先権の利益を主張する２００９年７月３０日に提出されたＵＬＴＲＡＶＩＯＬＥＴ  ＴＡＮＫ  ＢＡＦＦＬＥ  ＤＥＳＩＧＮ  ＦＯＲ  ＡＤＶＡＮＣＥＤ  ＯＸＣＩＤＡＴＩＯＮ  ＰＲＯＣＥＳＳと題する米国仮特許出願第６１／２３０，０４０号、及び、２００９年７月３０日に提出されたＵＬＴＲＡＶＩＯＬＥＴ  ＴＡＮＫ  ＢＵＦＦＥＲ  ＤＥＳＩＧＮ  ＵＳＩＮＧ  ＤＩＶＥＲＴＥＲ  ＰＬＡＴＥと題する米国仮特許出願第６１／２３０，０４５号の利益を主張するものである。
【０００２】
本発明は、紫外線反応器に関するものであり、とりわけ、プラグ流れを生じる所定の孔パターンを備えたバッフルプレートに関するものである。
【背景技術】
【０００３】
紫外線（ＵＶ）反応器を用いて、細菌を無害にするか、オキシダントを活性化して、全有機炭素量（ＴＯＣ）を減少させることにより、水を消毒することが可能である。いくつかの応用例では、ＵＶ反応器に、ＵＶ照射に対する水の曝露時間を最大限に延長するため、流入水に対するプラグ流れを生じさせるバッフルプレートが含まれている。プラグ流れは、狭い速度範囲内に含まれる容器の断面全体を横切る流れ、と定義することが可能である。しかしながら、バッフルプレートの設計によっては、利用可能な多くの反応器では望ましいプラグ流れが叶えられない。
【０００４】
図１には、従来の反応器に関する流れベクトルを明らかにする計算流体力学（ＣＦＤ）解析結果が示されている。図１の説明は、従来の反応器から選択した要素に関連して行うことにする。水１０が入口管１２に流入し、目標プラグ流れ速度よりかなり高い速度でＵＶチャンバ１４を通過する。反応器の構成により、水はタンク１６の側面の周りを流れて、その後、出口管１８から流出する。タンク１６の側面に沿った流れには、図１の矢印２０で示されるように短絡経路を形成しようとする強い傾向があるため望ましくない。短絡経路は、所望のプラグ流れよりかなり高い速度でＵＶチャンバ１４を通過する経路と定義することが可能である。従って、ＵＶチャンバ１４内における水のかなりの部分は十分なＵＶエネルギを受けないことになる。
【０００５】
図１において、領域Ａ、Ｂ、Ｃ、及び、Ｄは、従来の反応器に生じる、それぞれ約１４．２５、０．７５、０．７５、及び、３．７５ ｉｎ／ｓを超える速度を表わしており、従って望ましいプラグ流れの存在しないことを示している。さらに、従来の反応器は、ＵＶ反応器にとって望ましくない高流速であることが分かっている７ ｉｎ／ｓを超える速度分布を有する可能性があることが確認された。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
流体を処理するための紫外線反応器が開示される。反応器には、流体を受け入れるための入口と、流体を排出するための出口を有する容器が含まれている。反応器には、さらに、紫外線源とバッフルプレートが含まれている。バッフルプレートには、紫外線源に近い反応器内の領域にプラグ流れを生じさせるため、所定のパターンをなすように配置された孔が含まれている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】従来の反応器の流れベクトルを明らかにする計算流体力学（ＣＦＤ）解析結果を示す図である。
【図２】本発明の実施形態の１つによるバッフルプレートを含むＵＶ反応器の実施形態の１つを示す図である。
【図３】図２に示す実施形態のＣＦＤ解析結果を例示した図である。
【図４】ＣＦＤモデルであり、図２に示す反応器の３次元流れ分布を示す図である。
【図５】ダイバータプレートを含むＵＶ反応器の代替実施形態の１つを示す図である。
【図６】図５に示す実施形態の代替図である。
【図７】図５に関連して説明される構成のＣＦＤ解析による流れベクトルを示す図である。
【図８】図５に関連して説明される構成の流速分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の実施形態について詳述する前に、本発明が、その適用に関して、下記説明に記載される、あるいは、後掲の図面において例示される構成要素の構成及び配置の細部に限定されるものでないという点を理解しておくべきである。本発明は、他の実施形態も可能であり、さまざまなやり方で実効または実施することが可能である。さらに、本書で用いられる表現及び用語は説明を目的としたものであって、限定するものとみなすべきではないという点を理解しておくべきである。本書における「含む」、「具備する」、または、「有する」及びそれらの変形の使用は、その後に列挙される項目及びその同等物、並びに、追加項目を包含するように意図されている。特に別段の指定または限定のない限り、「取り付けられた」、「接続された」、「支持された」、及び、「結合された」、及び、その変形は、広義に用いられ、直接的または間接的取り付け、接続、支持、及び、結合を包含する。さらに、「接続された」及び「結合された」は物理的または機械的接続または結合に制限されるものではない。下記説明において、同様の参照番号及び表示は、図１−８のいくつかの図における同じか、同様か、または、対応する部分を表わすために用いられる。
【０００９】
実施形態の１つにおいて、本発明は、ＵＶ反応器におけるプラグ流れ要件を満たす流れを生じる新規のバッフルプレート構成を対象としている。図２を参照すると、この実施形態によるＵＶ反応器２２が示されている。反応器２２には、容器２４（部分断面図として示された）と、互いに間隔をあけて配置された第１のバッフルプレート２６、第２のバッフルプレート２８、及び、第３のバッフルプレート３０が含まれている。第１のバッフルプレート２６と第３のバッフルプレート３０は、それぞれ、反応器２２の入口端３２及び出口端３４に隣接して配置されている。入口端３２及び出口端３４は、反応器２２の両端に配置され、それぞれ、ドーム状部分３６及びエンドプレート３５を含んでいる。第１のバッフルプレート２６、第２のバッフルプレート２８、及び、第３のバッフルプレート３０には、後述するように、所定のパターンをなすように配置され、流体流を制御するサイズが付与された複数の孔３８が含まれている。第１のバッフルプレート２６とドーム状部分３６は第１のチャンバ４０を形成している。第１のバッフルプレート２６と第２のバッフルプレート２８は、第２のチャンバ４２を形成している。第２のバッフルプレート２８と第３のバッフルプレート３０はＵＶチャンバ４４を形成している。第３のバッフルプレート３０とエンドプレート３５は、出口チャンバ４６を形成している。
【００１０】
反応器２２には、さらに、水を受け入れるための第２のチャンバ４２及び出口チャンバ４６から水を排出するための出口管５８が含まれている。入口管４８の第１の入口部分５０は、反応器２２の縦軸５２に対してほぼ垂直な配向が施されている。入口管４８の第２の入口部分５５は、縦軸５２と同一線上に位置するように配向が施されている。代替案として、第２の入口部分５５の配向は、縦軸５２に対して角度をなすようにすることも可能である。第２の入口部分５５の角度は、要望に応じて調整することが可能である。ＵＶチャンバ４４には、ＵＶ光を生じるＵＶランプ５４が含まれている。
【００１１】
図３を参照すると、計算流体力学（ＣＦＤ）解析による流れベクトル（等長）が図２に関して記載している構成について示されている。図３の流れベクトルは図２の選択要素との関連について示されている。動作時、流入水流は、例えば６０インチ／秒（ｉｎ／ｓ）といった選択速度で第１の入口部分５０に流入する。流入水流は、次に、第１の入口部分５０から第２の入口部分５５を経由して第１のチャンバ４０へと方向転換し、ドーム状部分３６に向かう。これは、流入水の運動エネルギの一部を分散させるのに役立つ。流入水の運動エネルギをさらに分散させるため、流入水の経路に沿って追加バッフルプレート５６が配置されている。追加バッフルプレート５６は、第１のバッフルプレート２６、第２のバッフルプレート２８、及び、第３のバッフルプレート３０よりも小さいサイズにすることが可能である。次に、水は、ドーム状部分３６によって方向転換し、第１のバッフルプレート２６の孔３８を通って第２のチャンバ４２に流入する。
【００１２】
第２のチャンバ４２内で、水流速度は減速し、水流は、第１のバッフルプレート２６及び第２のバッフルプレート２８の孔３８のサイズ及び配置によって第１のバッフルプレート２６と第２のバッフルプレート２８の間で円滑になる。とりわけ、第１のバッフルプレート２６には、孔３８が集中して緊密なほぼ円形パターンをなすように構成された孔列が含まれているが、第２のバッフルプレート２８の孔３８は図２に示すようにほぼ均等に分布している。第１のバッフルプレート２６の孔３８は、サイズがより小さいので、第１のバッフルプレート２６の入口面積は第２のバッフルプレート２８の入口面積より小さくなる。図３を参照すると、これら２つの特徴によって、水の渦５８が形成され、第２のチャンバ４２に沿って徐々に広がる断面領域が生じる。この徐々に広がる断面領域によって水流速度が減速し、図３に示すように水流が円滑になる。
【００１３】
次に、水は、ＵＶランプ５４が配置されているＵＶチャンバ４４に流入する。第２のバッフルプレート２８には、均等な間隔で分布する比較的大きい孔３８が開いている。この第２のバッフルプレート２８の孔３８の構成によって、水のかなりの部分が第２のバッフルプレート２８のほぼ全域にわたって同様の低速で流入することになる。この結果、ＵＶチャンバ４４内の水がＵＶチャンバ４４の全長の大部分にわたってプラグ流れ６０を生じることになる。
【００１４】
次に、水は出口チャンバ４６に流入し、出口管５８を通って流出する。第３のバッフルプレート３０には、出口チャンバ４６に流入する水流が、図３に示すように第３のバッフルプレート３０の全ての孔３８にわたって必ずほぼ同様の速度で流入するようにさせるのに役立つ減速孔パターンが含まれている。この同様の流入速度にする能力によって、第３のバッフルプレートに近づく水流はプラグ流れのままであるという保証が得られる。図４は、ＣＦＤモデルであって、反応器２２の３次元流れ分布を描いており、主として入口端３２及び出口端３４（領域Ｆ）において０．６ｉｎ／ｓを超える流速が生じるが、反応器２２の大部分における流速は０．６ｉｎ／ｓ以下であることを明らかにしている。
【００１５】
もう１つの実施形態において、本発明はダイバータプレートを含むバッフルプレート構成を備えたＵＶ反応器を対象とする。図５及び６を参照すると、ＵＶ反応器６２には、容器６４（部分断面図で示された）と、それぞれ、反応器６２の入口端７０及び出口端７２に隣接して間隔をあけて配置された入口バッフルプレート６６及び出口バッフルプレート６８が含まれている。入口端６２及び出口端７２は、反応器６２の両端に配置されており、それぞれ、ドーム状部分６７及びエンドプレート７３を含んでいる。入口バッフルプレート６６及び出口バッフルプレート６８の両方とも、後述するように、所定のパターンをなすように配列され、流体流を制御するサイズが付与された複数の孔７４が開いている。入口バッフルプレート６６及びドーム状部分６７は入口チャンバ７６を形成している。出口バッフルプレート６８及びエンドプレート７３は出口チャンバ７８を形成している。入口バッフルプレート６６及び出口バッフルプレート６８も、ＵＶ光を生じるためのＵＶランプ８２を含むＵＶチャンバ８０を形成している。
【００１６】
入口バッフルプレート６６にはダイバータプレート８４が配置されている（図６）。ダイバータプレート８４には、バッフルプレート６６に対して深さ調整を行うためねじ付きロッドを含むことが可能である。ダイバータプレート８４は、入口管４８のサイズの約１．５倍とすることが可能であるが、もちろん、他の寸法を利用することも可能である。ダイバータプレート８４は、入口バッフルプレート６６に対して角度が付けられている。実施形態の１つでは、ダイバータプレート８４は、入口バッフルプレート６６に対して約１２０度の角度をなしている。もう１つの実施形態では、ダイバータプレート８４は約８７度の角度をなしている。言うまでもなく、要望に応じて他の角度を利用することも可能である。さらに、ダイバータプレート８４は、容器６４のほぼ中心で曲げることも可能である。もう１つの実施形態では、ダイバータプレート８４は、入口管４８からある短い距離だけ離れるように曲がっている。代替案として、ダイバータプレート８４の角度は、ダイバータプレート８４の端部と最も近いＵＶランプとの間に十分な隙間が生じるように調整することも可能である。入口管４８は、水が反応器６２の入口バッフルプレート６６とドーム状部分６７の間から容器６４に流入するように配置されている。
【００１７】
動作時、流入水１０は、入口管４８からＵＶ反応器６２の縦軸５２に対してほぼ垂直な方向に入口チャンバ７６へと流入する。次に、入口流は、ダイバータプレート８４によって入口チャンバ７６内で方向転換され、ドーム状部分６７へと向かう。これは、流入水の運動エネルギの大部分を分散させ、水を入口バッフルプレート６６へと方向転換させるのに役立つ。
【００１８】
サイドバッフルプレート８６が、入口バッフルプレート６６と内壁８８の間のギャップを閉じることによってＵＶ反応器６２の内壁８８に沿った水流を阻止するため、入口バッフルプレート６６の外縁に配置されている。こうした水流には、前述のように短絡経路を形成しようとする強い傾向があるため、サイドバッフルプレート８６は、内壁８８に沿った望ましくない水流を阻止するのに役立つ。実施形態の１つでは、３つのサイドバッフルプレート８６が用いられているが、もちろん、３つより多いかまたは少ない、さまざまなサイズのサイドバッフルプレートを利用することも可能である。クリート９０を用いて、サイドバッフルプレート８６を入口バッフルプレート６６に取り付けることも可能である。
【００１９】
図７を参照すると、ＣＦＤ解析による流れベクトル（同じ長さ設定値に設定された全ての速度ベクトル）が図５及び６に関連して既述の構成に関して示されている。図７の流れベクトルは、図５及び６の選択された要素に関連して示されており、本実施形態の働きを明らかにしている。入口バッフルプレート６６の孔７４は、ＵＶ反応器６２に流入する水がほぼ同様の速度範囲内で流入するような配置及びサイズになっている。ドーム状部分６７の形状及び孔７４の配置及びサイズによって、水は、図７に示す入口バッフルプレート６６の、主として入口管４８に対して近い端部９２及び遠い端部９４を通ってＵＶチャンバ８０に流入することになる。これによって２つの流れ（図７の流れ１及び２）が形成され、これらは入口バッフルプレート６６の近くで合流して、２つの流れの間に水の渦を生じることになる。２つの流れの拡大と流れ１と２の間の水の渦は、水の速度を低下させる働きをする。速度が低下すると、ＵＶ反応器６２内の水はＵＶ反応器６２の全長の大部分にわたって所望のプラグ流れを実現することが可能になる（約０．６ｉｎ／ｓ）（図７）。図８を参照すると、ＵＶ反応器６２内における水流の３次元図を描いたＣＦＤ解析結果が示されている。図８には、主として入口チャンバ７６と出口チャンバ７８の近くにおいて（それぞれ領域Ａ及びＢ）、１．５ｉｎ／ｓを超える流速が生じるが、ＵＶチャンバ８０の大部分では、流速が１．５ｉｎ／ｓ未満であることが示されている。
【００２０】
次に、水は、出口チャンバ７８に流入し、出口管５８を通って流出する。出口バッフルプレート６８の孔パターンは、出口チャンバ７８に流入する水流が出口バッフルプレート６８の孔７４のほぼ全てにわたって同様の速度で流入することを保証するのに役立つ。これにより、出口バッフルプレート６８に近づく水流がプラグ流れのままであることが保証される（図７）。
【００２１】
本発明の説明は特定の実施形態に関して行ってきたが、上記説明を勘案すれば、当該技術者にはさまざまな代替、修正、置換、及び、変形案が明らかになるのは歴然としている。従って、本発明はこうした代替、修正、及び、変形案を全て網羅するように意図されている。
【符号の説明】
【００２２】
２２  反応器
２４  容器
２６  第１のバッフルプレート
２８  第２のバッフルプレート
３０  第３のバッフルプレート
３２  反応器の入口端
３４  反応器の出口端
３５  エンドプレート
３６  ドーム状部分
３８  第１のバッフルプレートの孔
４０  第１のチャンバ
４２  第２のチャンバ
４４  ＵＶチャンバ
４６  出口チャンバ
４８  入口管
５０  入口管の第１の入口部分
５２  反応器の縦軸
５４  ＵＶランプ
５５  入口管の第２の入口部分
５６  追加バッフルプレート
５８  出口管
６０  プラグ流れ
６２  反応器
６６  入口バッフルプレート
６７  ドーム状部分
６８  出口バッフルプレート
７０  反応器の入口端
７２  反応器の出口端
７３  エンドプレート
７４  バッフルプレートの孔
７６  入口チャンバ
７８  出口チャンバ
８０  ＵＶチャンバ
８２  ＵＶランプ
８４  ダイバータプレート
８６  サイドバッフルプレート
８８  内壁
９０  クリート
【図１】
2013500854.tif 000003
【図２】
2013500854.tif 000004
【図３】
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【図５】
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【図６】
2013500854.tif 000007
【図４】
2013500854.tif 000008
【図７】
2013500854.tif 000009
【図８】
2013500854.tif 000010
【国際調査報告】
2013500854.tif 000011
2013500854.tif 000012
2013500854.tif 000013
2013500854.tif 000014
2013500854.tif 000015