杀菌净化反应器

本发明涉及直列式流通装置，用于基于UV光源的杀菌实验室水净化应用，以及用于化学的其它应用（包括分析应用）和药物应用。就此而论，本发明具体涉及一种杀菌净化反应器，其是自支撑设备或单元，能够用于建立实验室水净化应用。

净化水用在实验室环境中用于各种目的，即用于细胞培养或用在分子生物学、生物化学或微生物学应用中，但是也用在其它领域，像医疗或健康保健领域。

用于这类目的的杀菌净化反应器在本领域中是已知的，但是目前主要使用汞UV灯作为光源，因为它们成本低并且使用简单。所有汞基光源的一个问题在于这样的事实，汞是有毒元素，因此，这类光源的制造、输送、使用和再循环都受到严格的安全规范。WO2006-068979A1公开了一种水净化反应器，其包括护套，在每个轴向端部连接到歧管，并且能够从进口接收水，水在此进口进入第一轴向歧管，从而它能够通过围绕中央定位的UV光源的外部的护套并且能够经由第二轴向歧管通过出口离开。这些歧管和护套是由透明材料例如玻璃、塑料、复合材料及其它类型的透明材料制成。当水流过护套时，来自中央定位的UV光源的光照射水用于消毒目的。该护套被材料包裹以防止对人眼有害的UV辐射离开护套。该文献建议用不锈钢来防止UV光离开反应器。

WO2010-0237254A1公开了一种流体处理设备，用于至少部分地消毒水生环境例如水族缸、鱼池等等中的水。该处理设备包括圆柱形管，该管带有流体防护壁并且由塑料材料制成，该塑料材料据说是在UV辐射的影响下抗老化的并且还优选为UV反射的。单独LED形式的多个UV光源配置在沿着该管的间隔纵向位置处，并且连在该管的壁上，从而，每个LED的发光部通过该壁中的相关孔沿径向伸入筒中。LED的光范围在263纳米与275纳米之间，并且优选为大约265纳米级。对于水生应用，圆柱形管的直径建议在20毫米的范围内。该管配置在筒的轴向进口和出口端部，用于向前连接到水源、水生过滤器或向前的管道。

虽然已知的由于破坏微生物中的核酸的能力而对杀菌有效的LED发出的在"短波"或UV-C波长范围内的光或UV辐射已经因此被推荐为在这种水净化反应器中的光源，但是，目前描述的原理不适合实践，因为它们效率不足且没有考虑热的方面。就此而论，必须考虑热对LED的负面影响，因为LED的过热将即刻减小光输出，并且，波长朝着可见光谱的方向的变化且在长期看来将显著减小LED的有效使用期限。此外，采用与要处理的水直接接触的LED的设计释放大量的热到水中，这促进微生物的生长。

本发明的一个目的是提供一种对上述提出问题的解决方案并且提供一种改进的杀菌净化反应器，其在实践中作为杀菌实验室水净化应用中的直列式流通装置是有用的。本发明教导一种如权利要求1所限定的杀菌净化反应器。反应器的优选实施例在从属权利要求中限定。

本发明的杀菌净化反应器因此包括主缸筒、封闭该主缸筒的至少一个轴向端开口的至少一个端盖、在该缸筒的各个轴向端部附近与该主缸筒的内部容积连通的至少两个孔口，并且，至少一个所述端盖或所述主缸筒包括UV光源。

在一个优选实施例中，该杀菌净化反应器包括一对端盖，分别封闭该主缸筒的相对轴向端开口。

因为UV光源集成在端盖和/或主缸筒的一者或两者中，要在反应器中处理的流体经由与主缸筒的内部容积连通的孔口流过该内部容积，从UV光源释放的热能有效地消散给环境，同时避免LED光源和要处理的流体的大范围加热。

在一个优选实施例中，UV光源通过优选为窗口或缸体形式的优选为由石英或硅石玻璃制成的UV透光材料与主缸筒的内部容积和要处理的流体分离。从流体挡住UV光源进一步改善向环境的散热以及离开要处理的流体。这个散热还能够进一步的增加，因为，UV光源被导热地连接到适合于从UV光源散热给环境的散热器。根据本发明的优选结构是环形段形式的散热器，带有设在圆周的表面积增大特征部，像翅片、肋条、折叠或其它突起。这样的环形段能够设在位于远离主缸内部容积的UV透光窗口的一侧的端盖中，并且，例如在光源与UV透光窗口之间。

在一个优选实施例中，UV光源是由一个或多个LED形成，适合于发出220纳米-300纳米的UV-C波长范围内的光，优选为260纳米+/-5纳米，其中，LED安装在包含金属基体的PCB上。PCB的金属基体促进热传导离开该通常表面安装且被包装的LED。如果这样的PCB连接到散热器，即带有表面积增大特征部的环形段形式，离开LED至环境的散热效率得到改善，并且同时减少传递给流体的热量。

合适的UVLED是市场上可买到的，例如来自SeoulOptodevice，参考号数CUD8AF1A。

UV光源集成到其中的端盖的使用允许模块化结构，其提供便于维护和容量变化的柔性设计结构，因为具有不同长度但在端部处具有基本相同结构的主缸筒选择性地与或者包括或者不包括UV光源的相同端盖一起使用。因此，就容量而言能够容易地设计不同类型的反应器。而且，能够提出仅在一个其中端盖中有UV光源或者两个端盖都有UV光源的反应器类型。

端盖能够至少部分地由反射UV辐射的材料制成，优选为铝、或PTFE或不锈钢，优选在暴露于来自UV光源的辐射的部分处。

这个特征不仅为包含UV光源的端盖也为没有包含UV光源的端盖提供增加的效果，因为UV辐射要么直接从光源要么在UV辐射已经在主缸筒的内圆周壁处被反复反射之后被有效地朝向主缸筒的内部容积反射。端盖处的UV反射材料把UV辐射反射回到主缸筒中，由此有效地利用可用的UV辐射，即使只使用小数量的LED（包括一个），这又反过来自身降低了LED产生的热量。

端盖的反射性质能够进一步得到增强，因为端盖的一部分形成为反射器，抛物线的或圆形的或它们的组合，用于引导从UV光源发出的光线到端盖处或者在沿着主缸朝向主缸筒的内部容积多次反射之后达到那里。为了增大UV辐射沿着主缸筒的反射，主缸筒的内圆周表面的至少一部分能够形成有UV反射材料，优选为PTFE或铝或不锈钢。

这个UV反射材料能够设置为覆盖支撑筒主体的相应表面的衬料或薄片或者是涂覆在支撑筒体的相应表面上的涂层。在这种情况下，主体能够由本身不具有UV反射性质的不同材料制成。涂层能够以像喷镀之类的已知技术进行涂覆。当然，支撑筒体自身能够由固态UV反射材料制成，像不锈钢或PTFE或铝。然而，如果主缸筒的材料应当被防止与在反应器中要处理的流体相接触，那么，内圆周表面的至少一部分能够由UV透光隔离层覆盖，优选为石英或硅石玻璃。这允许例如使用铝，否则将以其它方式受到腐蚀。

作为对在一个或两个轴向端盖中具有UV光源的反应器设计的替换，充当光源的LED能够沿着主缸筒的长度设置成一列或多列。

就辐射利用效率和散热而言，特别有利的结构是这样的结构，其中一列或多列LED安置在由UV反射材料制成的柱形壳的相应开口或凹槽中，该壳形成主缸筒的一个元件。在此，同样，优选为石英或硅石玻璃筒形式的UV透光隔离层能够被用来保护由UV反射材料制成的柱形壳不接触要处理的流体。该杀菌净化反应器能放置在水净化系统（包括反渗透和电去离子净化阶段）的最后一个步骤，并且在储槽的上游。因此，该杀菌净化反应器能够位于储槽的底部，在槽进口附近。

尽管两个孔口与主缸筒的内部容积连通且位于缸筒的各个轴向端附近，这为通过反应器及其内部容积的流体提供高效流动，但是能在轴向端附近的至少两个其它孔口之间设置与主缸的内部容积连通的第三或中央孔口。有了这类结构，该杀菌净化反应器能够在实验室或工业流体配置中用作UV隔离模块。

现在将参照附图根据本发明的杀菌净化反应器的三个基础实施例描述本发明，其中：

图1示出净化反应器的第一实施例的横断面视图，其在一个轴向端盖处有UV光源，

图2示出净化反应器的另一实施例的横断面视图，其在两个轴向端盖处有UV光源，

图3示出净化反应器的第三实施例的横断面视图，其具有集成在主缸筒中的UV光源，

图4a示出在反应器的第三实施例中使用的由UV反射材料制成的柱形壳的横断面视图和立体图，图4b示出第三实施例中的安装到壳的开口的LED列的细节，以及图4c示出安装了LED列的反应器的立体图，

图5示出净化反应器的改型的略图，可用作UV隔离模块，以及

图6a至c示出本发明的净化反应器用作UV隔离模块的不同例子。

在图1中示出本发明的第一实施例，其能够总体上确定为端盖净化反应器并且更明确为"单端盖反应器"。在这个类型的反应器中，UV光源7A仅仅集成在轴向端盖2A、2B的一个中，该轴向端口附连到主缸筒1A的对立轴向端以便封闭其对立的轴向端开口。包含UV光源7A的端盖2A通过窗口5形式的UV透光材料与主缸筒1A的内部容积4隔离，该材料优选为由石英或硅石玻璃制成。端盖2A进一步地包括环形段6形式的散热器，在其外圆周具有表面积增大特征部，像翅片6a，促进与环境空气的传导和自然对流。在环形段6处，附连有PCB8，优选为具有改善传热的金属基体的一个，以便与充当散热器的环形段6进行热传导连接。PCB及其细节将在下面进一步描述。

该环形段能够通过包括多个圆周分布的螺钉在内的可松开的机械连接装置或通过本领域中已知的可松开的机械夹紧机构附连在主缸筒的轴向端。

另一轴向端由不带UV光源的端盖2B封闭。机械连接装置能是可松开的，并且与用于另一端盖2A的配置相同。这促进端盖和主缸筒的可互换使用，以形成不同结构的净化反应器。例如，能够提供不同长度的复数个主缸筒，并且可互换地使用相同类型的端盖，以形成具有不同处理容积的净化反应器。为此，端盖与主缸筒之间的接口是相同和对称的。在例如使用无UV光源的端盖的情况下，UV透光窗口的接收部仅仅由端盖的台阶填充，如图1的右部所示。为了引起要处理的流体流过主缸的内部容积，在缸筒的各个轴向端的附近设置至少两个与内部容积连通的孔口3A、3B。如图1所示，这些孔口能够是标准配件，可拆卸地连到主缸筒1A的圆周壁中和/或端盖2B中的开口。在缸筒的圆周壁中设置孔口提供了优点，即，端盖能够自由地交换。

在当前例子中，限定孔口的这些配件被插入主缸筒的壁和无UV光源的端盖中的孔中，并且通过O形环12密封且通过螺杆13连接。替代地，这些配件能够通过配件与缸筒壁或端盖中的孔之间的配合螺纹连接而连接。这样的结构例如在图2中示出。也能使用压力插入或任何其它已知的紧固或密封方法。

图2中示出的实施例能够确定为"双端盖反应器"，其中，连在主缸筒1A的轴向开口上的两个轴向端盖2A都设有UV光源7A。这种情况中的端盖2A优选为是完全相同的，并且能够与图1实施例中使用的相同。因此，省略对图2所示的反应器的右侧的端盖的详细描述。

安装在包含UV光源7A的相应端盖2A中的PCB（"印刷电路板"）8如上所述优选为具有金属基体，用于通过经由端盖和环形段的传导改善向环境散热。当设置专门的用于从PCB上的发热元件导出热的导热元件时，PCB8也还可以制成为基于塑料的更常规的结构。

除了支撑一个或多个LED之外，该基体可以包括另外的LED，发出在可见光范围内的光以允许使用者目测检查和确认反应器的功能。另外，能够集成热敏电阻或热传感器来检测PCB上的温度并且把这个信息提供给外部控制电路或者在内部电路中使用这个信息以断开或变暗LED的操作，从而有助于降低热水平。PCB可以包括驱动LED的必要电子电路14。这个电路可以具备附加功能和控制程序，允许反应器的LED的独立的间歇或程序受控操作。从外部可接近的用于与外部控制装置交换数据的连接器能够与电源连接器集成或分开地设置，用于提供操作UV光源和PCB上的保持电路所必需的电能。因此，电路的"智能"和PCB上实施的功能能够不同于单一传导模式，从外部接收全部或基本上全部的指令和信号给包括LED驱动器、可视LED管理、热敏电阻、故障检测在内的电路以及由控制指令致动的用于LED的补偿电路和用于激励电流的管理电路。用于使LED的照射变暗的这些控制指令通常能够通过脉宽调制信号进行传送。在"双端盖反应器"的情况中，其中一个端盖甚至能够担当"主者"，另一个担当"从者"，以避免多余的电路和功能。

如果使用较大功率的几个LED或一个LED，环形段能换成具有更高散热量的。这个选择也是本发明的反应器的模块化概念的一部分。

端盖，即图1和2的实施例中的环形段和/或无UV光源的端盖能够至少部分地由反射UV辐射的材料制成，优选为铝或PTFE或不锈钢，优选为在暴露于来自UV光源的辐射的那些部分处。这提高了UV辐射至主缸筒的内部容积的传递效率。端盖的暴露于UV辐射的那些部分能够另外形成为反射器，即抛物线的或圆形的或它们的组合，以引导从UV光源发出的光线朝向主缸筒的内部容积。虽然未示出，这样的抛物线或其它反射轮廓能够形成在环形段的内圆周壁，其在它们的外圆周壁处充当散热器。

主缸筒也能够形成有UV反射材料，像PTFE或铝或不锈钢。主缸筒能从上述的固态UV反射材料机加工而成，或者能够制成为支撑筒体的形式，其随后设置有由UV反射材料制成且至少覆盖筒体的将会暴露于UV辐射的内表面的衬料或薄片。替代地，UV反射材料能够用作对支撑筒体的表面的涂层，即通过喷镀或喷涂或本领域中已知的其它方法。

如果主缸筒由需要防止与要处理的流体相接触的材料制成，那么，相关的各个表面，即主缸筒的内圆周表面能够由UV透光隔离层覆盖，优选为石英或硅石玻璃。这个原理的简单配置是石英或硅石玻璃柱体插入主缸筒中并且相对于流体而密封以避免流体进入石英玻璃筒和外主缸筒之间。这个密封也可以设在端盖处以助于玻璃柱体和主缸筒的安装和拆除。UV透光材料保护主缸筒的材料，但是同时允许UV辐射的传送和在主缸筒的材料处的反射。

主缸筒的内圆周壁的UV反射性质提供了UV辐射的多次反射和辐射的均匀分布以及内部容积中的流体的处理。PCB也能完全或部分地由UV反射材料制成或者能够部分或完全覆盖或涂覆有这样的材料。覆盖的一种可能是使用一张发泡PTFE，例如可从GORETM获得的，厚度为0.5毫米。

铝也能够替代的使用并且通过涂覆或喷镀而应用在玻璃或支撑筒的另一材料上以获得期望的UV反射性质。PCB的暴露于UV辐射的面能够喷镀有PTFE，或者替代地被这张发泡PTFE膜覆盖以最大化LED产生的UV能量的反射和利用。

图3示出本发明的净化反应器的第三基础实施例。这个反应器不同于另外两个实施例的地方在于，UV光源7B没有集成到端盖2C中，而是集成到主缸筒1B中。端盖2C因此能够具有图1的右侧所示的结构，并且能够应用就此而论上述的结构细节。这个包括把端盖的若干部分形成为反射器，抛物线或圆形的或它们的组合，并且带有引导光朝向主缸筒的内部容积的UV反射材料，如图3所示。充当与主缸筒1B的内部容积4连通的孔口3A、3B的配件能够连在端盖2C上，如所示且如所述，但是也能够连在主缸筒的外圆周壁上，如图2所示。

在这个实施例中，充当UV光源7B的LED9A以一列或多列9的形式提供，它们安装在支撑条15上并且沿着主缸筒1B的长度方向延伸。在这种情况下，主缸筒包括由UV反射材料制成的柱形壳11并且配备多个与列9上的LED9A的位置相配的凹槽或开口10（见图4a，示出柱形壳的横断面视图和立体图）。因此，条形式的列能够可拆除地连在柱形壳上，例如通过螺杆，如图3和4c所示，以便LED的发光部分位于壳的开口中。为了相对于要处理的流体隔离LED，由UV透光材料优选为石英或硅石玻璃制成的圆柱形筒9插入柱形壳中并且相对于流体而密封，如上所述，即相对于柱形壳或相对于端盖。如果需要，能够提供附加的支撑缸筒。换句话说，由包括PTFE、铝或不锈钢的UV反射材料制成的柱形壳与UV透光材料筒的组合能够为反应器提供足够的强度自支撑。

发出在可见范围中的光的必需的控制电路和LED以及连接器要么集成在LED列的支承件上，要么设在连在反应器的单独元件上。

在第三实施例中，因为LED连在UV反射柱形壳的外圆周侧上，因此热将通常实际上消散给环境而不是传给要处理的流体。如果需要，能够在LED列的支撑条和/或壳上另外设置散热特征部。用于增加散热的一个例子是用风扇增加强制空气对流，风扇能够实施在其中一个端盖中（未示出）。由这个风扇产生的空气流会被引导并导向通过行程在带有LED列的柱形壳的外圆周与另一圆周壳体（即外筒）之间的空间。

在之前所描述实施例的进一步优选改型中，能够设置与主缸筒1A的内部容积4连通的附加第三孔口3C，在缸筒1A的各个轴向端附近的至少两个孔口3A、3B之间，如在图5中适应性地示出。有了在除了轴向端附近的至少两个其它孔口之外设置的与主缸的内部容积连通的第三或中央孔口3C，本发明的杀菌净化反应器能被用作实验室或工业流配置中的UV隔离模块。这个改型能够被用于所有三个基础实施例并且基本上与UV光源在反应器中设置的方式无关。然而，在使用"双端盖反应器"类型时，存在某些功能优势。图6a-c示出集成根据本发明的这类UV隔离模块到典型的实验室回路中的各个例子。

在图6a-c示出的例子中，UV隔离模块可被用在RO/EDI（反渗透/电去离子）阶段中，其在连接到中央孔口的RO膜模块件的下游，而轴向孔口分别连接到下游EDI模块和排出装置。在这些图中，"DI模块"代表"去离子模块"，并且它能够由保持离子的离子交换材料（珠子，织物，聚合物等）制成。它通常是可消耗的。这个配置提供RO渗透与下一或下游水处理步骤（例如EDI模块中的）之间的隔离。在这个配置中，UV隔离模块的中央孔口可用于保护渗透不受来自排出装置的逆污染。反渗透是使用半透膜的净化技术。在由自来水输送时，典型的水质传导率高于20uS/cm。在正常方式的操作中，净化水从RO模块流向EDI模块。在稳定RO模块的最佳性能时，有一个叫做"RO清洗"的模式，其中产生的水被引向排出装置。期望的流动模式能够由回路中的阀来设定。由于这个配置中的UV隔离，排出管道中的剩余和滞留水不能逆向污染RO模块的渗透阶段。如果UV隔离模块用在EDI模块的下游，它能够提供EDI模块与蓄水槽之间的隔绝。UV隔离模块的附加中央孔口能够用于再循环来自蓄水槽的水以维持低的细菌水平（图6b）。如果UV隔离模块用在水分布回路或抛光处理（polishing）阶段（图6a和c），它能够提供分布回路与蓄水槽之间的隔绝。

在这样的应用中，能够根据各个系统处理过程中所需要的能量来控制这个模块的UV光源的发光强度。当没有制造水，没有再循环或分配水时，可以选择低能量水平的辐射，以避免水的加热，从而节能且增加UV光源的使用期限。在制造和分配期间，选择高能量水平辐射，根据水流量进行监测和控制。本发明的杀菌净化反应器提供的优势在于，反应器的处理、制造、修理和处置不会受到严格的规范和安全管制，如具有汞基UV光源的现有反应器。LED形式的UV光源的功率消耗比汞基系统的低得多。包括主缸筒和包含UV光源的端盖的模块式设计允许将反应器尺寸设计和适应于期望的水流量和处理容积，因为主缸筒调换成具有更大轴向长度的一个。在主缸筒和端盖中使用UV反射材料使得整个结构更坚固和有效，即使另外使用了窗口或筒形式的UV透光材料。最后，端盖或主缸筒中的LED产生的热被有效地消散给环境，直接通过包含金属基体的PCB和/或通过用在端盖中的带有增加表面积的环形段。这延长LED的寿命，并且降低在反应器中处理的流体中的微生物再形成。

虽然已经描述了三个不同的实施例，但是不言而喻，包含UV光源的端盖也能与含有UV光源的主缸筒一起使用，以最大化进入主缸筒的内部容积的UV辐射输入。