(57)【要約】  本発明は、媒体用の流路と、流路に対して同軸に配置され、ＵＶ放射を放出するランププラズマ用プラズマチャンバーを囲むランプ容器を有するガス放電ランプと、ランププラズマの放射の無電極誘導励起のための励起コイルとを備える、ＵＶ放射を流動する媒体に照射する装置に関する。本発明の第１の態様によれば、流路体が流路内に配置され、流路体は、均一な放射吸収のために媒体の流れに、その形状および／その位置によって、影響を及ぼすように設計されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に水殺菌のために、ＵＶ放射を流動する媒体に照射する装置であって、好ましくは被覆管（１４）によって横方向に境界が定められた、前記媒体用の流路（１２）と、前記流路（１２）に対して同軸に配置され、前記ＵＶ放射を放出するランププラズマ用のプラズマチャンバー（３０）を囲む、好ましくは環状のランプ容器（２８）を有するガス放電ランプ（２０）と、前記ランププラズマの放射の無電極誘導励起のための励起コイル（２２）とを備え、前記流路（１２）内に流路体（２４）が配置され、前記流路体（２４）が、均一な放射吸収のために前記媒体の流れに、その形状および／またはその位置によって影響を及ぼすように設計された、装置。
【請求項２】
前記流路体（２４）は、前記流路（１２）の環状のチャンバー内に軸方向に配置され、前記チャンバーが前記ガス放電ランプ（２０）によって照射される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記流路体（２４）は、前記ＵＶ放射を反射するミラー層（４８）を備える、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記流路体（２４）が、特に、その上を前記媒体が前面に流れる球状のヘッドピース（５０）と、特に、前記ヘッドピース（５０）に隣接する円柱状の保持部（４４）とを有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記ガス放電ランプ（２０）によって放出された前記放射の照射強度を検出するＵＶセンサー（２６）が、前記ＵＶ放射に対する透過性を有する、前記流路体（２４）の領域内に配置された、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記流路体（２４）が、前記流路（１２）の接続フランジ（１６、１８）の領域においてガイドされる端部（４６）を有し、前記ＵＶセンサー（２６）が、前記端部（４６）を介して挿入および取り外し可能である、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
特に水殺菌のために、ＵＶ放射を流動する媒体に照射する装置であって、好ましくは被覆管（１４）によって横方向に境界が定められた、前記媒体用の流路（１２）と、前記流路（１２）に対して同軸に配置され、前記ＵＶ放射を放出するランププラズマ用のプラズマチャンバー（３０）を囲む、好ましくは環状のランプ容器（２８）を有するガス放電ランプ（２０）と、前記ランププラズマの放射の無電極誘導励起のための励起コイル（２２）とを備え、前記ランプ容器（２８）が、前記ランププラズマの成分の蒸気圧を調節するために、前記プラズマチャンバー（３０）と連通するランプ拡張部（３２）を備え、温度調節のために、前記ランプ拡張部（３２）に温度制御装置（３４）が結合された、装置。
【請求項８】
前記温度制御装置（３４）が、前記ランプ拡張部（３２）への、冷却または加熱空気の制御された供給のために構成されたエアダクトを有する、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記温度制御装置（３４）は、前記ランプ拡張部（３２）に熱的に結合された、ペルチェ素子（５６）および／または電気的加熱素子を有する、請求項６または７に記載の装置。
【請求項１０】
前記温度制御装置（３４）には、分離コイル（５４）を介して電気的なエネルギーが供給され、前記分離コイル（５４）は、前記励起コイル（２２）によって発生した交番する電磁界から前記エネルギーを吸収する、請求項７〜９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記ランプ拡張部（３２）が、前記励起コイル（２２）によって発生した電磁界に対する遮蔽部を備える、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
特に水殺菌のために、ＵＶ放射を流動する媒体に照射する装置であって、好ましくは被覆管（１４）によって横方向に境界が定められた、前記媒体用の流路（１２）と、前記流路（１２）に対して同軸に配置され、前記ＵＶ放射を放出するランププラズマ用のプラズマチャンバー（３０）を囲む、好ましくは環状のランプ容器（２８）を有するガス放電ランプ（２０）と、前記ランププラズマの放射の無電極誘導励起のための励起コイル（２２）とを備え、前記流路（１２）上で、前記ガス放電ランプ（２０）の上流および／または下流に、前記媒体への前記ＵＶ放射の反射のための少なくとも１つの放射リフレクタ（６６、６８）が配置された、装置。
【請求項１３】
好ましくは円筒状の被覆管ミラーの形態である、前記放射リフレクタ（６６、６８）が、好ましくはアルミニウムを含む、導電部（６８）と、好ましくはＰＴＦＥでできている、非導電部（６６）とを有しており、前記非導電部（６６）が前記ガス放電ランプ（２０）の近傍に配置され、前記導電部（６８）は前記ガス放電ランプ（２０）からさらに離れて配置された、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
複数の前記ガス放射ランプ（２０）および前記放射リフレクタ（６６、６８）が、前記流路に沿って交互に配置された、請求項１２または１３に記載の装置。
【請求項１５】
特に水殺菌のために、ＵＶ放射を流動する媒体に照射する装置であって、好ましくは被覆管（１４）によって横方向に境界が定められた、前記媒体用の流路（１２）と、前記流路（１２）に対して同軸に配置され、前記ＵＶ放射を放出するランププラズマ用のプラズマチャンバー（３０）を囲む、好ましくは環状のランプ容器（２８）を有するガス放電ランプ（２０）と、前記ランププラズマの前記放射の無電極誘導励起のための励起コイル（２２）とを備え、前記ランプ容器（２８）および前記励起コイル（２２）は、交番する電磁界の遮蔽のために構成された遮蔽ハウジング（３８）内に囲まれた、装置。
【請求項１６】
前記遮蔽ハウジング（３８）が、前記媒体の通過のための嵌め込み部（１６、１８）に緊密に接続された、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記遮蔽ハウジング（３８）が、好ましくは良好な導電性を有する金属から成り、または、前記ガス放電ランプ（２０）に面するその内側に導電性ライニングまたはコーティングを備えた、請求項１５または１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記ガス放電ランプ（２０）は、前記流路（１２）に面していない少なくとも１つの側に、ＵＶ反射ランプミラー（３６、７２）を備えた、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１９】
前記ランプ容器（２８）が前記流動する媒体と接触しないように、前記流路（１２）が前記被覆管（１４）で、前記ランプ容器（２８）と隔てられている、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に水殺菌のために、ＵＶ放射を流動する媒体に照射する装置であって、好ましくは被覆管によって横方向に境界が定められた、媒体用の流路と、流路に対して同軸に配置され、ＵＶ放射を放出するランププラズマ用のプラズマチャンバーを囲む、好ましくは環状のランプ容器を有するガス放電ランプと、ランププラズマの放射の無電極誘導励起のための励起コイルとを備えた、装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
独国特許出願公開第１０２０１５２１８０５３号明細書は、水殺菌のためのＵＶ放射装置に関する。この文献では、端子電極を有するデュアルエンドガス放電ランプが、外側を流れる媒体をＵＶ放射にさらすための導電管内に設けられている。
【０００３】
ＵＶ中間圧力ランプは通常、約２０〜６０Ｗ／ｃｍ3プラズマ容積の高電力密度（電力）で約１０％〜１５％のＵＶＣ歩留まりを有している一方、ＵＶ低圧ランプは、約３０％〜４５％の高いＵＶＣ歩留まりを有しているが、０．５Ｗ／ｃｍ3未満のかなり低い電力密度となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これを基に、本発明の目的は、具体的には、無電極ランプタイプを使用することによって、流れの幾何学およびランプ励起に関する特別な要件を充足し、高効率で動作する、流動する媒体用のＵＶ照射リアクタを特定する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この課題を解決するために、独立請求項において特定された特徴の組み合わせを提案している。本発明の有利な実施形態および展開例は従属項から明らかになるであろう。
【０００６】
よって、本発明の第１の態様によれば、流路体が流路内に配置され、流路体が、均一な放射吸収のために、媒体の流れに影響を及ぼすように、その形状および／または位置によって構成される。これは、ランプを通って流れる流動する媒体の各体積要素が実質的に一様な放射量を受けることを確実にすることを可能にする。
【０００７】
これに関して、流路体が、ガス放電ランプによって照射される流路の環状のチャンバー内に軸方向に配置される場合に、および、流路体が特にその上を媒体が前面に流れる球状のヘッドピースを有している場合に、特に利点がある。
【０００８】
照射の検出、および、必要な場合、照射の調節のさらなる便益が、ＵＶ放射に対する透過性を有する、流路体の領域内に、ガス放電ランプによって放出された放射の照射強度を検出するＵＶセンサーを配置することによって実現することが可能である。
【０００９】
そうしたセンサーの使用は、流路体が、流路の接続フランジの領域においてガイドされる端部を有すること、および、ＵＶセンサーが端部を介して挿入および取り外し可能であることでさらに単純化することが可能である。
【００１０】
本発明のさらなる態様は、ランプ容器が、ランププラズマの成分の蒸気圧を調節するために、プラズマチャンバーと連通するランプ拡張部を備え、温度調節のために、ランプ拡張部に温度制御装置が結合される。これは、プラズマ放電の放射効率をさらに最適化することも可能にする。
【００１１】
ランプ励起用の交番する磁界によってほとんど影響を受けない状態にとどまる特に単純な実施形態では、温度制御装置は、ランプ拡張部への、冷却または加熱空気の制御された供給のために構成されたエアダクトを有している。
【００１２】
あるいは、またはさらに、温度制御装置が、ランプ拡張部に熱的に結合された、ペルチェ素子および／または電気的加熱素子を有する。
【００１３】
この場合、分離コイルを介して電気的なエネルギーにより、調節が施され、分離コイルが励起コイルによって発生した交番する電磁界から上記エネルギーを吸収する。
【００１４】
本発明のさらなる態様は、流路上で、ガス放電ランプの上流および／または下流に、媒体へのＵＶ放射の反射のための少なくとも１つの放射リフレクタが配置される。その結果、ランプから横方向に出てくる放射成分は数回、反射される場合があり、これは、特に非常に透明な媒体の場合にリアクタ効率の増加につながる。
【００１５】
これに関し、好ましくは円筒状の被覆管ミラーとして実現された放射リフレクタが、好ましくはアルミニウムを含む導電部と、好ましくはＰＴＦＥでできている非導電部とを有しており、非導電部がガス放電ランプの近傍に配置され、導電部がガス放電ランプからさらに離れて配置されている場合に有利であることもあり得る。
【００１６】
本発明のさらなる態様によれば、ランプ容器および励起コイルが交番する電磁界を遮蔽するように設計された遮蔽ハウジング内に囲まれているので、許容ＥＭＣ限度値をその外側に維持することが可能であることを提案している。
【００１７】
漏れまたは線破損の場合にさらなる保護を確実にするために、遮蔽ハウジングが、媒体の通過のための嵌め込み部に緊密に接続される場合に有利である。
【００１８】
高い照射効率は、有利には、媒体が、ガス放電ランプの径方向の内側および外側を通り、上記内側および外側の周りを流れることで実現することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
以下では、本発明は、図面に概略的に示した実施形態を参照して、さらに詳細に説明する。
【００２０】
【図１】軸方向断面図において、流路内に流路体およびガス放電ランプを備える、水殺菌のためのフローリアクタを示す。
【図２】ガス放電ランプのランプ容器のランプ拡張部上の温度制御装置の回路を示す。
【図３】軸方向断面図において、複数のガス放電ランプおよび複数の放射リフレクタを備えたさらなる実施形態を示す。
【図４】軸方向断面図において、複数のガス放電ランプおよび複数の放射リフレクタを備えたさらなる実施形態を示す。
【図５】照射されるべき水の変更された流路を備えたさらなる実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１に示すフローリアクタ１０は、流路１２内を案内される媒体の放射処理のために、特に、ＵＶ放射による水殺菌のために使用される。本ケースでは、処理されるべき水は、円筒状の被覆管またはガイド管１４を通って流れ、ガイド管１４は、送水管に設置するための接続フランジ１６、１８を、入口側および出口側に備えている。環状の円筒状ガス放電ランプ２０は、ガイド管１４と同軸状に配置され、放射を発生させるための外側の励起コイル２２によって誘導励起される。ガイド管１４内には、ガス放射ランプ２０によって放出された放射を検出するＵＶセンサー２６も収容する流路体２４が配置される。
【００２２】
ガス放射ランプ２０は、水銀および希ガスで形成された低圧プラズマ用のプラズマチャンバー３０を囲む、石英ガラスでできている環状のランプ容器２８を備える。ランプ容器２８は、水銀の蒸気圧を調節するためにランプ拡張部３２と連通し、温度制御装置３４は、温度調節のためにランプ拡張部３２に結合される。
【００２３】
効率を向上させるために、ランプミラー３６が励起コイル２２とランプ容器２８との間に導入されてもよく、このミラーは、プラズマチャンバー３０内に、有用な放射を折り返し反射し、励起コイル２２の交番するフィールドに対して透過性を有する。ランプミラー３６は、ミラー層をランプ容器２８に施すことによって設けることが可能である。
【００２４】
ガス放電ランプ２０は、（流れ方向において測定された）ランプ長の０．１ｍ毎で最大約１ｋＷの非常に高い電力で動作させることが可能である。プラズマチャンバー３０が、最大約５ｃｍの径方向範囲を有し得る一方、ガイド管１４はたとえば３０ｃｍの直径を有する。特殊な用途の場合、たとえば、総電力１００Ｗおよびガイド管径１ｃｍの小型化されたリアクタ１０も考えられる。ガイド管１４によって照射されるべき媒体または流体（液体および／または気体）を分離することで、ランプ容器２８を熱的に非連結とすることができ、よって、最適な動作点（たとえば、充填材に応じて約３０〜６０℃）の実現を可能にする。さらに、流体自体によりランプ２０を冷却すること、および、場合によっては、ランプの、ガイド管１４から遠隔となる側で、さらなる能動または受動冷却によってもランプ２０を冷却することも考えられる。動作上、ガス放電は、ＵＶ放射の放出、特に、液体または流体の殺菌について効率的である２５３．７ｎｍのＵＶＣ放射の放出を伴ってプラズマチャンバー３０内で生じる。
【００２５】
リアクタ装置の外側の励起コイル２２によって放射されたフィールドを削減するために、遮蔽ハウジング３８が設けられている。最も単純な場合には、動作周波数に応じて、これはアルミニウムまたは銅などの高導電性金属からなり得る。不十分な導電性の複数の金属（たとえば、鋳鉄）が使用された場合、ハウジングの内側に、導電層でそれらをライニングまたはコーティングすることが可能である。遮蔽ハウジングは、ガイド管１４またはランプ容器２８の考えられる破損も阻止されるように設計されるべきである。したがって、動作圧力に対して相応に設計され、密封材４０により、フランジ１６、１８に対して高信頼度で密封しなければならない。
【００２６】
ＵＣセンサー２６は、ガス放電ランプ２０から直接、流動する媒体内への放射出力電力を評価するための、関連するスペクトル範囲内のＵＶ放射強度の検出を可能にする。これは、媒体の透明性およびガイド管１４の透過性、場合によってはガイド管上の土壌の堆積を考慮に入れることによって行うことが可能である。
【００２７】
ＵＶセンサー２６は、流路体２４の液密保持部４４内に適切に配置される。本ケースでは、流路体２４は、それを介してＵＶセンサー２６が挿入され、取り外される接続フランジ１８の領域内に案内された端部４６を有し得る。
【００２８】
後方散乱により、特に、非常に透明な流体の場合に、照射効率を向上させるために、保持部４４はＵＶミラー層４８によって被覆され、これは、センサー２６の領域内でＵＶ放射に対して透明であるか、または中断される。
【００２９】
流路体２４は、流速分布が、非常に高いリアクタ効率を可能にする好適な態様で流体の流れに影響を及ぼすことを可能にする。これは、リアクタ１０を通って流れる流体容積要素が同じ放射量を吸収し、この量が、使用されたランプ電力に基づいて最大値を実現するように、照射強度に応じて任意の場所における流量を調節することによって実現することが可能である。これは、流路体２４が流体の高い混合を確実にすることで実現することも可能である。
【００３０】
図示したように、流路体２４は軸方向で流れの中心に配置されることが可能であり、それを通って流体が流れる有効面積が、強く吸収する流体内の光路長よりも小さくなるほど直径を大きくすることができる。この目的で、流路体２４は、有利には、特に、その上を媒体が前面に流れる球状のヘッドピース５０を設けている。
【００３１】
図２のブロック図に示すように、ガス放電ランプ２０の誘導または励起コイル２２の励起は、電子安定器５２を介して行われる。これは、約５００ｋＨｚ〜５ＭＨｚ、理想的には２ＭＨｚの正弦波周波数で機能する。低すぎる周波数は高い誘導電流に、よって、装置全体のより低い効率につながる一方、より高い周波数は電子安定器５２のより低い効率につながる。
【００３２】
図２はさらに、その自身の二次的分離コイル５４を介して、励起コイル２２の磁界からの調整および冷却に必要なエネルギーを抽出する、ランプ拡張部３２の温度制御装置３４の好適な実施形態を示す。この自給式ソリューションには、外部配線が不要という利点がある。
【００３３】
付加部またはランプ拡張部３２内の領域の冷却および加熱は、電子的な調節および温度測定のためのペルチェ素子５６および関連する制御装置５８によって行われる。加熱するためには、スイッチ６０が閉じられ、冷却するためには、スイッチ６２は開けられる。調整のために、温度センサー６４が設けられている。さらなる遮蔽はランプ拡張部３２の周りで実現可能であり、ランプ拡張部３２によって境界が定められたコールドチャンバー（図示せず）内の交番する磁界によって誘導される水銀またはアマルガムの不注意な加熱を阻止し得る。通常の最適なコールドチャンバー温度は、充填材に応じて、約３５℃（純水銀−不活性ガス放電）〜最大約１００℃（アマルガム内に結合されたＨｇ）である。
【００３４】
空気、および好適な空気ガイド要素は、交番する磁界と相互作用しないので、調節された空気流による、ランプ拡張部３２の冷却／加熱もシンプルなやり方で可能である。
【００３５】
図３に示すように、特に非常に透明な流体の場合に、光路がガイド管径よりもかなり長くなる、ガイド管１４の外側のリフレクタ６６、６８はリアクタ効率の増加につながり得る。なぜなら、横方向にランプ２０を出射する放射成分７０は数回、反射されるからである。ランプ２２は、第１の近似において、全方向に等方的に放射し、流れ方向に略垂直に出射するビーム７２のみが、対向するプラズマ層内で再吸収される。
【００３６】
ランプ近くに配置されたリフレクタ６６は、非導電性材料（たとえば、ＰＴＦＥ）で形成されているべきであり、かつ、交番するフィールドの動作周波数について吸収（フィールドを弱める）すべきでない。さもなければ、磁界は不都合に変動し、これは、装置の全体効率におけるかなりの低下につながる。
【００３７】
任意的には、ランプからの一定の（ランプの外径におおよそ対応する）距離をおいて、リフレクタ６８が導電性を有していてもよく、その場合、高い導電性は、結果として生じるうず電流が、高い電気損失につながらないことを確実にするはずである。この利点は、ここでは、安価なアルミニウムミラーも使用することが可能であるということであり得る。さらに、導電性のリフレクタ６８は、フランジ１６、１８の方向において当該フィールドを遮蔽する。
【００３８】
図４に示すように、非常に透明な流体（空気、超純水）の場合に、より短く、よって、電力がより小さい複数の個々のランプ２２を並べ、中間スペースそれぞれにガイド管ミラー７０を設けることが有利であり得る。その結果、リアクタ１０の光学効率を増加させることが可能であり、よって、必要なランプ電力を削減することが可能である。個々のランプ２２間の距離は通常、ランプ長よりも長い。任意には、ランプ容器２８の端面には、効率を増加させるために（たとえば、ＰＴＦＥ製）非導電性ミラー７２を設けることが可能である。
【００３９】
図５に示すフローリアクタ１０の実施形態では、照射されるべき媒体または流体は、ガス放電ランプ２０の外側および内側を流れる。液体の場合、ランプ２０は好適には、環状のガイド管１４内に配置される一方、これは一般に、ガスの場合に必要でない。誘導コイル２２は、考えられる最高の光伝送についてこの構成において最適化すべきである、すなわち、個々のターンと幅狭導体との間のより大きなスペースを有するべきである。放射のアウトカプリングは、外側および内側に向けて行われ、放射の直接利用は、リフレクタにおける反射よりも効率的であるので、純粋に中心の流れと比較して、システム全体のかなり高い効率を実現することが可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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