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特許7090030ＵＶ－ＬＥＤフォトリアクタ中の流体に対する放射線量を制御するための方法および装置
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-06-15
(45)【発行日】2022-06-23
(54)【発明の名称】ＵＶ－ＬＥＤフォトリアクタ中の流体に対する放射線量を制御するための方法および装置
(51)【国際特許分類】
B01J 19/12 20060101AFI20220616BHJP
C02F 1/32 20060101ALI20220616BHJP
A61L 9/20 20060101ALI20220616BHJP
【ＦＩ】
B01J19/12 C
C02F1/32
A61L9/20
【請求項の数】
22
(21)【出願番号】P 2018555797
(86)(22)【出願日】2017-01-19
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2019-03-07
(86)【国際出願番号】 CA2017050060
(87)【国際公開番号】W WO2017124190
(87)【国際公開日】2017-07-27
【審査請求日】2020-01-16
(31)【優先権主張番号】62/280,637
(32)【優先日】2016-01-19
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】505093792
【氏名又は名称】ザ ユニバーシティ オブ ブリティッシュ コロンビア
【氏名又は名称原語表記】ＴＨＥ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＢＲＩＴＩＳＨ ＣＯＬＵＭＢＩＡ
(74)【代理人】
【識別番号】100091982
【弁理士】
【氏名又は名称】永井 浩之
(74)【代理人】
【識別番号】100091487
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 行孝
(74)【代理人】
【識別番号】100082991
【氏名又は名称】佐藤 泰和
(74)【代理人】
【識別番号】100105153
【弁理士】
【氏名又は名称】朝倉 悟
(74)【代理人】
【識別番号】100120385
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 健之
(72)【発明者】
【氏名】ファリボルツ、タギープール
【審査官】山崎 直也
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１４／１１５１４６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特表２００９－５０６８６０（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１５／０１１４９１２（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ０１Ｊ １０／００－１２／０２
１４／００－１９／３２
Ｃ０２Ｆ １／２０－ １／２６
１／３０－ １／３８
Ａ６１Ｌ ２／００－ ２／２８
９／００－ ９／２２
１１／００－１２／１４
Ｂ０１Ｄ ４６／００－４６／５４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ＵＶ放射線で流体を照射する紫外線（ＵＶ）リアクタであって、流体入口、流体出口、および前記入口と前記出口との間に配置された長手方向に延伸する流体流路を備える流体導管であって、前記流体流路は、前記流体が前記長手方向に流れることを可能にするために長手方向に延伸する、流体導管と、
ソリッドステートＵＶエミッタであって、前記ソリッドステートＵＶエミッタの放出領域から放射経路に沿って放射線を放出するように構成されている、ソリッドステートＵＶエミッタと、
前記流体流路内に前記放射線の少なくともいくつかを方向付けるために前記放射経路内に位置決めされている１つまたは複数のレンズを備える放射線集束素子と
を備え、
前記１つまたは複数のレンズは、焦点距離を有し、前記ソリッドステートＵＶエミッタの前記放出領域から前記焦点距離と異なる距離離間して位置されていて、前記ソリッドステートＵＶエミッタが前記放射線を放出するときに、前記ソリッドステートＵＶエミッタの前記放出領域から放出された少なくともいくつかの放射線は、前記１つまたは複数のレンズによって前記流体流路内へと屈折され、
前記流体が前記流体流路を通過するとき、前記流体流路は、前記流体流路の断面の部分にわたった前記流体流路の長手方向寸法にわたる平均長手方向流体速度プロファイルを規定し、前記平均長手方向流体速度プロファイルは平均放射線フルエンス率プロファイルと正の相関を有する、ＵＶリアクタ。
【請求項2】
前記放射線集束素子は、放射線フルエンス率プロファイルを変更するように調整可能である、請求項１に記載のＵＶリアクタ。
【請求項3】
前記ソリッドステートＵＶエミッタの前記放出領域および前記１つまたは複数のレンズは、前記ソリッドステートＵＶエミッタの前記放出領域から放出され且つ前記１つまたは複数のレンズによって前記流体流路内へと屈折される前記放射線が、前記流体流路の断面の一部分にわたる、前記流体流路内の楕円放物体形状と正の相関を有するように位置されている、請求項１または２に記載のＵＶリアクタ。
【請求項4】
前記断面の前記部分が、前記流体流路の全断面の表面積の７０％を超える面積を含む、請求項３に記載のＵＶリアクタ。
【請求項5】
前記ソリッドステートＵＶエミッタの前記放出領域および前記１つまたは複数のレンズは、前記放射経路の中心軸が長手方向に平行であるように位置されている、請求項１から４のいずれか一項に記載のＵＶリアクタ。
【請求項6】
前記楕円放物体の軸は前記放射経路の中心軸および前記流体流路の中心軸と整列している、請求項３または４に記載のＵＶリアクタ。
【請求項7】
前記放射線集束素子が複数のレンズを含み、前記ＵＶリアクタが複数のソリッドステートＵＶエミッタを含み、前記複数のレンズが、前記複数のソリッドステートＵＶエミッタの各々に対応するレンズを含み、前記複数のソリッドステートＵＶエミッタの対応する１つから放出された放射線を前記流体流路内に方向付けるように位置されている、請求項１から４のいずれか一項に記載のＵＶリアクタ。
【請求項8】
前記ＵＶリアクタが複数のソリッドステートＵＶエミッタを含み、前記１つまたは複数のレンズが、前記複数のソリッドステートＵＶエミッタからの前記放射線が前記流体流路内に方向付けられるように前記複数のソリッドステートＵＶエミッタに対して位置された少なくとも１つの共有されるレンズを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載のＵＶリアクタ。
【請求項9】
前記ソリッドステートＵＶエミッタの前記放出領域および前記１つまたは複数のレンズは、前記ソリッドステートＵＶエミッタが前記放射線を放出するときに、前記流体流路の断面中心に相対的に近接する断面位置における前記長手方向寸法にわたる前記放射線の第１の平均放射線フルエンス率プロファイルは、前記流体流路の前記断面中心から相対的に離れた断面位置における前記放射線の前記長手方向寸法にわたる第２の平均放射線フルエンス率プロファイルより大きくなるように位置されている、請求項１から８のいずれか一項に記載のＵＶリアクタ。
【請求項10】
前記ソリッドステートＵＶエミッタが少なくとも１つのＵＶ発光ダイオード（ＵＶ－ＬＥＤ）または少なくとも１つの誘電体薄膜のうちの１つ以上を含む、請求項１から９のいずれか一項に記載のＵＶリアクタ。
【請求項11】
前記１つまたは複数のレンズが、収束レンズ、発散レンズ、またはコリメートレンズのうちの１つまたは複数を含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載のＵＶリアクタ。
【請求項12】
放射線フルエンス率プロファイルは、前記放射経路の中心領域において最大放射線フルエンス率を有する、請求項１から１１のいずれか一項に記載のＵＶリアクタ。
【請求項13】
前記流体流路内に配置され且つ前記流体流路に流れる前記流体の長手方向速度プロファイルを制御するように成形された１つまたは複数の流れ制約要素を備え、前記１つまたは複数の流れ制約要素は、静的ミキサ、ボーテックスジェネレータ、バッフル、穿孔材料、多孔性材料のうちの１つ以上を含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載のＵＶリアクタ。
【請求項14】
前記ソリッドステートＵＶエミッタは、第１のエミッタから第１の放射経路に沿って第１の放射線を放出するように構成された第１のソリッドステートＵＶエミッタ、および
第２のエミッタから第２の放射経路に沿って第２の放射線を放出するように構成された第２のソリッドステートＵＶエミッタを含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載のＵＶリアクタ。
【請求項15】
前記１つまたは複数のレンズは、第１の収束レンズである第１のレンズ、および
第２の収束レンズである第２のレンズを含む、請求項１から１４のいずれか一項に記載のＵＶリアクタ。
【請求項16】
前記１つまたは複数のレンズは、収束レンズである第１のレンズ、および
コリメートレンズである第２のレンズを含む、請求項１から１４のいずれか一項に記載のＵＶリアクタ。
【請求項17】
前記第１のレンズは、前記ソリッドステートＵＶエミッタを含むデバイスに一体化される、請求項１５または１６に記載のＵＶリアクタ。
【請求項18】
前記第２のレンズは、前記デバイスから離間される、請求項１７に記載のＵＶリアクタ。
【請求項19】
前記流体流路の内壁は、ＵＶ反射材料を含むかＵＶ反射材料によってコーティングされ、前記ソリッドステートＵＶエミッタが放射線を放出したときに、前記内壁からの前記放射線の反射が放射線フルエンス率プロファイルに寄与する、請求項１から１８のいずれか一項に記載のＵＶリアクタ。
【請求項20】
前記１つまたは複数のレンズが収束レンズを含む、請求項１から１９のいずれか一項に記載のＵＶリアクタ。
【請求項21】
前記放出領域は、前記流体流路の前記長手方向の前記１つまたは複数のレンズから離間され、前記放出領域および前記１つまたは複数のレンズは、前記流体流路の共通の長手方向軸上にある、請求項１から２０のいずれか一項に記載のＵＶリアクタ。
【請求項22】
請求項１に記載のＵＶリアクタの使用方法であって、
流体流が前記流体導管を通って流れるようにすることであり、結果、前記流体流が、前記流体流路の前記断面の前記部分にわたって、前記流体流路の前記長手方向寸法にわたる平均長手方向流体速度プロファイルを有するようになることと、
前記ソリッドステートＵＶエミッタの前記放出領域から放出される少なくともいくつかの放射線を、少なくとも１つのレンズを通じて、流体流路へと通過させることであり、結果、前記流体流路の前記断面の前記部分にわたる平均放射線フルエンス率プロファイルを生成させ、前記流体流路の前記断面の前記部分にわたる前記平均放射線フルエンス率プロファイルは、前記平均長手方向流体速度プロファイルと正の相関を有することと
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の参照
本出願は、２０１６年１月１９日に出願された「ＭＥＴＨＯＤＳ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧ ＲＡＤＩＡＴＩＯＮ ＤＯＳＥ ＴＯ ＦＬＵＩＤＳ ＩＮ ＵＶ－ＬＥＤ ＰＨＯＴＯＲＥＡＣＴＯＲＳ」と題する米国特許出願第６２／２８０，６３７号の優先権を主張する。米国のために、本出願は、２０１６年１月１９日に出願された「ＭＥＴＨＯＤＳ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧ ＲＡＤＩＡＴＩＯＮ ＤＯＳＥ ＴＯ ＦＬＵＩＤＳ ＩＮ ＵＶ－ＬＥＤ ＰＨＯＴＯＲＥＡＣＴＯＲＳ」と題する米国特許出願第６２／２８０，６３７号の、米国特許法第１１９条に基づく利益を主張する。米国特許出願第６２／２８０，６３７号は、あらゆる目的のために、参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、２０１６年１月１９日に出願された「ＭＥＴＨＯＤＳ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧ ＲＡＤＩＡＴＩＯＮ ＤＯＳＥ ＴＯ ＦＬＵＩＤＳ ＩＮ ＵＶ－ＬＥＤ ＰＨＯＴＯＲＥＡＣＴＯＲＳ」と題する米国特許出願第６２／２８０，６３７号の優先権を主張する。米国のために、本出願は、２０１６年１月１９日に出願された「ＭＥＴＨＯＤＳ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧ ＲＡＤＩＡＴＩＯＮ ＤＯＳＥ ＴＯ ＦＬＵＩＤＳ ＩＮ ＵＶ－ＬＥＤ ＰＨＯＴＯＲＥＡＣＴＯＲＳ」と題する米国特許出願第６２／２８０，６３７号の、米国特許法第１１９条に基づく利益を主張する。米国特許出願第６２／２８０，６３７号は、あらゆる目的のために、参照により本明細書に組み込まれる。
【0002】
本発明は、紫外線（ＵＶ）フォトリアクタに関し、より詳細には、紫外線発光ダイオード（ＵＶ－ＬＥＤ）によって動作するＵＶリアクタに関する。特定の実施形態は、ＵＶ－ＬＥＤフォトリアクタを通って移動する流体への放射線量の送達を制御するための方法および装置を提供する。
【背景技術】
【0003】
紫外線（ＵＶ）リアクタ、ＵＶ放射線を投射するリアクタ、は、多くの光反応、光触媒反応、および光開始反応に適用される。ＵＶリアクタの用途の１つは、水および空気の浄化である。特に、近年、ＵＶリアクタは、水処理の最も有望な技術の１つとして台頭している。従来技術のＵＶリアクタシステムは、典型的には、ＵＶ放射線を発生させるために低および中圧水銀ランプを使用する。
【0004】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、典型的には、ＬＥＤによって放出される放射線が（多くの用途のために）単色（すなわち単一波長）であると考えられるような狭い帯域幅の放射線を放出する。ＬＥＤ技術の最近の進歩により、ＬＥＤは、ＤＮＡ吸収のための波長および光触媒活性化のために使用することができる波長を含む種々の波長のＵＶ放射線を生成するように設計することができる。
【0005】
ＵＶ－ＬＥＤリアクタは、一般に、水の殺菌などの用途で流体を照射するために使用され得る。しかしながら、典型的なＵＶ－ＬＥＤリアクタでは、放射力分布の相当の変動があり、放射フルエンス率分布が不均一になり、これは場合によってはかなり大きくなる可能性がある。フルエンス率（Ｗ／ｍ２単位）は、全方向から断面積ｄＡの極小球を通過する放射束（強度）をｄＡで除算したものである。さらに、典型的には流体速度分布に変動があり、リアクタ内の流体の滞留時間の分散を引き起こす。フルエンス率分布および速度分布のこれらの２つの現象のいずれか、またはこれらの２つの現象の組み合わせは、リアクタを通過する際に流体要素の相当に広い範囲のＵＶ線量分布をもたらす可能性がある。ＵＶフルエンス率分布および速度分布（滞留時間分布に関連する速度分布）における変形形態は、十分なＵＶ線量（ＵＶフルエンス率と滞留時間との積）を受けることなく、流体の一部分にＵＶリアクタを通過させることがあり、これは、ＵＶリアクタの技術分野における既知の問題であり、「短絡」と呼ばれることがある。短絡は、ＵＶリアクタの性能に著しく好ましくない影響を与える可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
関連技術の前述の例およびこれに関連する制限は、例示的であり排他的ではないことを意図している。関連技術の他の制限は、明細書の読解および図面の検討を受けて当業者に明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【0007】
以下の実施形態およびその態様は、例示的かつ説明的なものであり、範囲を限定するものではないことが意図されたシステム、ツールおよび方法と関連して説明および図示されている。様々な実施形態において、上記の問題の１つまたは複数が低減または排除されており、一方で、他の実施形態は他の改善に関する。
【0008】
本発明の１つの態様は、流体環境と光学環境の両方を正確に制御するＵＶ－ＬＥＤリアクタを提供する。ＵＶ－ＬＥＤリアクタは、有利には、小さなフットプリントで流体流に高く均一な放射線曝露を与え、有利には、少なくともいくつかの従来技術のリアクタよりも効率的でコンパクトなＵＶ－ＬＥＤリアクタを提供することができる。ＵＶ－ＬＥＤリアクタは、例えば、ＵＶベースの水処理など（以下でさらに詳細に説明する）を含む、様々なＵＶ光反応用途のためのデバイスに組み込むことができる。
【0009】
本発明の１つの態様は、流体流を輸送するための流体導管と、ソリッドステートＵＶエミッタ（例えば、紫外線発光ダイオードすなわちＵＶ－ＬＥＤ）と、１つまたは複数のレンズを備える放射線集束素子とを備える紫外線（ＵＶ）リアクタを提供する。流体導管は、流体入口および流体出口、ならびに、流体入口と流体出口との間に配置された、長手方向に延伸する流体流路を備えることができ、流体流路は、流体が流体流路を長手方向に流れることを可能にするために、長手方向に延伸する。１つまたは複数のレンズは、ソリッドステートＵＶエミッタからの放射線を流体流路を流れる流体に衝突させるように方向付けるために、ソリッドステートＵＶエミッタから放出される放射線の放射経路内に位置決めすることができる。１つまたは複数のレンズは、流体流路の空孔の断面の一部分にわたる、流体流路の長手方向寸法にわたる平均放射線フルエンス率プロファイルを提供するように構成することができ、これは、流体流路の空孔の断面の一部分にわたる、流体流路の長手方向寸法にわたる平均長手方向流体速度プロファイルと正の相関を有する。１つまたは複数のレンズは、断面の一部分にわたる、長手方向寸法にわたる平均長手方向の流体速度プロファイルと正の相関を有する、断面の一部分にわたる、長手方向寸法にわたる平均放射線フルエンス率プロファイルを提供するために、様々なレンズタイプ、１つまたは複数のレンズの形状、１つまたは複数のレンズの位置および１つまたは複数のレンズの屈折率の中からの１つまたは複数のレンズの選択の１つまたは複数によって構成することができる。
【0010】
放射線集束素子は、ソリッドステートＵＶエミッタに近接して配置されている、集束レンズ、または２つ以上の集束レンズの組み合わせを含むことができる。集束レンズ（複数可）は、収束レンズ、発散レンズ、コリメートレンズ、または、コリメートレンズ、収束レンズ、発散レンズもしくは任意の他のタイプのレンズの任意の組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態では、集束レンズは、ＵＶエミッタに光学的に隣接する収束レンズ、および、収束レンズから何らかの適切な距離だけ離れているコリメートレンズを含むことができる。
【0011】
例えば、流体流路の空孔の断面の一部分内の任意の断面位置において、本技術の実施形態は、長手方向寸法にわたる平均長手方向流体速度がより高い場合にはより高くなり得、平均長手方向流体速度がより低い場合にはより低くなり得る、長手方向寸法にわたる平均放射線フルエンス率、すなわち、平均放射線フルエンス率と平均長手方向速度との間の正の相関を提供する。例えば、流体流路の空孔の断面の部分内の任意の位置において、本技術の実施形態は、長手方向寸法にわたる平均長手方向流体速度がより高くなり得る空孔の中心において相対的に高くなり得、長手方向寸法にわたる平均長手方向流体速度がより低くなり得る流体流路の空孔の縁部付近で、または断面の中心から離れた他の位置で相対的に低くなり得る、長手方向寸法にわたる平均放射線フルエンス率を提供する。一般に、平均放射線フルエンス率と平均長手方向速度との間の正の相関は、断面の中心において平均長手方向速度がより高い状況に限定されず、レンズ（複数可）の適切な構成を使用して、他の平均長手方向速度断面プロファイルに対してこの正の相関を確立することができる。いくつかの実施形態では、流体流導管の空孔の断面の部分内の平均放射線フルエンス率と平均長手方向流体速度との間のこの正の相関が、平均長手方向流体速度に対する平均放射線フルエンス率のほぼ比例の関係であることが望ましい場合がある。いくつかの実施形態では、流体流路の空孔の断面の部分内の平均長手方向流体速度に対する平均放射線フルエンス率のこの比例関係は、正確な比例関係である必要はなく、代わりに、断面の部分にわたって±５０％未満変化する比例定数を有するように比例であってもよい。いくつかの実施形態では、この比例定数は±２５％未満変化する。いくつかの実施形態では、この比例定数は±１５％未満変化する。いくつかの実施形態では、この比例定数は±１０％未満変化する。上述の比例関係が存在する流体流路の空孔の断面の部分は、いくつかの実施形態では流体流路の空孔の全断面積の５０％より大きくてもよく、いくつかの実施形態では、流体流路の空孔の全断面積の７５％より大きくてもよく、いくつかの実施形態では、流体流路の空孔の全断面積の８５％より大きくてもよい。
【0012】
さらに、長手方向に延伸する流体流路の空孔の断面の一部分内の任意の特定の放射線フルエンス率プロファイルに対して、長手方向に延伸する流体流路の空孔内の流体流を抑制するために、１つまたは複数の流れ制約要素を、流体流路に配備することができ、長手方向に延伸する流体流路の空孔の断面の一部分にわたる平均（長手方向寸法にわたる）放射線フルエンス率プロファイルと正の相関を有する、長手方向に延伸する流体流路の空孔の断面の部分にわたる平均（長手方向寸法にわたる）長手方向速度プロファイルを提供するための形状および／または位置にすることができる。
【0013】
例えば、平均放射線フルエンス率が流体流路の空孔の断面の中心において相対的に高い特定の場合において、中心に開口を有するリングバッフルが、平均放射線フルエンス率がより高い、流体流路の空孔の断面の中心において相対的に高い平均長手方向速度を提供し、平均放射線フルエンス率がより低い、流体流路の空孔の断面の縁部付近において相対的に低い平均長手方向速度を提供するために、開口が空孔の断面中央にあるように配備され得る。バッフル形状および／または位置は、（前述の比例関係が存在する）流体流路の空孔の断面の一部分にわたって平均放射線フルエンス率分布と正の相関を有する平均長手方向速度分布を提供するように調整することができる。いくつかの実施形態では、流体流導管の空孔の断面の部分内の平均長手方向流体速度と平均放射線フルエンス率との間のこの正の相関が、平均放射線フルエンス率に対する平均長手方向流体速度のほぼ比例の関係であることが望ましい場合がある。いくつかの実施形態では、流体流路の空孔の断面の部分内の平均放射線フルエンス率に対する平均長手方向流体速度のこの比例関係は、正確な比例関係である必要はなく、代わりに、断面の部分にわたって±５０％未満変化する比例定数を有するように比例であってもよい。いくつかの実施形態では、この比例定数は±２５％未満変化する。いくつかの実施形態では、この比例定数は±１５％未満変化する。いくつかの実施形態では、この比例定数は±１０％未満変化する。上述の比例関係が存在する流体流路の空孔の断面の部分は、いくつかの実施形態では流体流路の空孔の全断面積の５０％より大きくてもよく、いくつかの実施形態では、流体流路の空孔の全断面積の７５％より大きくてもよく、いくつかの実施形態では、流体流路の空孔の全断面積の８５％より大きくてもよい。
【0014】
バッフル（または他の流れ制約要素（複数可））は静的であってもよい。バッフル（または他の流れ制約要素（複数可））はまた、流体流路内のＵＶ放射線フルエンス率プロファイルに合致するように、様々な入来する流動様式に適応するように動的に調整することもできる。例えば、流体流の長手方向に対するバッフルの角度は、旋回軸を中心にバッフルを回転させることによって変化させることができ、またはその長手方向および／または横方向の寸法（ｓ０を、バッフルの伸長可能な部分（複数可）の適切な調整具をスライドさせることによって調整することができる。
【0015】
いくつかの実施形態では、リアクタは、長手方向に延伸する流体流路のアレイを含むことができ、その任意の数は、本明細書に記載の長手方向に延伸する流体流路と同様の特性を含み得る。いくつかの実施形態では、このような流体流路の各々は、対応する放射線集束素子を介して１つまたは複数の対応するソリッドステートＵＶエミッタによって照射することができる。対応するソリッドステートＵＶエミッタおよび／または対応する放射線集束素子は、それらの対応する長手方向に延伸する流体流路の長手方向端部に位置決めすることができ、その結果、照射方向は、一般に、流体流に（ならびに、流体流の方向および／または流体流の反対の方向に）（すなわち、長手方向に）に平行である。リアクタは、異なるＵＶ波長を放出する複数のＵＶ－ＬＥＤを備えることができる。リアクタは、リアクタ内の構造上に支持された光触媒を備えることができる。リアクタは、リアクタに添加される化学物質を備えることができる。ＵＶ－ＬＥＤは、外部信号によって自動的にオン／オフすることができる。リアクタは、静的ミキサ、ボーテックスジェネレータ、バッフル等のような、導管内の流体流を抑制するための１つまたは複数の構成要素を含むことができる。
【0016】
別の態様では、本発明は、流体入口および流体出口、ならびに、流体入口と流体出口との間に配置された、長手方向に延伸する流体流路を備える導管を通る流体流内でＵＶ光反応またはＵＶ光開始反応を得る方法を提供し、流体流路は、流体が流体流路を長手方向に流れることを可能にするために、長手方向に延伸する。これは、長手方向に延伸する流体流路を通じて長手方向に流体を流すことと、少なくとも１つのソリッドステートＵＶエミッタの放射経路内に１つまたは複数のレンズを含む放射線集束素子を位置決めすること、および、ソリッドステートＵＶエミッタからの集束放射線が、長手方向に延伸する流体流路内の長手方向に流れる流体に衝突するように（例えば、長手方向に）方向付けられるように、１つまたは複数のレンズを位置決めすることによって達成される。方法は、流体流路の空孔の断面の一部分にわたる、流体流路の長手方向寸法にわたる平均放射線フルエンス率プロファイルを提供するように、１つまたは複数のレンズを構成することを含むことができ、放射線フルエンス率プロファイルは、流体流路の空孔の断面の一部分にわたる、流体流路の長手方向寸法にわたる平均長手方向流体速度プロファイルと正の相関を有する。１つまたは複数のレンズを構成することは、複数のレンズタイプの中から１つまたは複数のレンズを選択すること、１つまたは複数のレンズを成形すること、１つまたは複数のレンズを位置決めすること、および、屈折率を有する材料から１つまたは複数のレンズを製造することを含む。いくつかの実施形態では、流体流導管の空孔の断面の部分内の平均放射線フルエンス率と平均長手方向流体速度との間のこの正の相関が、平均長手方向流体速度に対する平均放射線フルエンス率のほぼ比例の関係であることが望ましい場合がある。上述の比例関係が存在する流体流路の空孔の断面の部分内の平均放射線フルエンス率プロファイルと平均長手方向流体速度プロファイルとの間の関係は、本明細書において上記または他の箇所に記載の特性のいずれかを有することができる。光触媒を使用して、流体中の光触媒反応を促進することができる。ＵＶ反応性化学物質を使用して、光開始反応を促進することができる。
【0017】
また別の態様では、本発明は、水または空気のような流体の処理のための方法を提供し、流体は、流体入口および流体出口、ならびに、流体入口と流体出口との間に配置された、長手方向に延伸する流体流路を備える導管を通じて流れ、流体流路は、流体が流体流路を長手方向に流れることを可能にするために、長手方向に延伸する。これは、長手方向に延伸する流体流路を通じて長手方向に流体を流すことと、少なくとも１つのＵＶ発光ダイオード（ＵＶ－ＬＥＤ）の放射経路内に放射線集束素子を位置決めすること、および、ＵＶ－ＬＥＤからの集束放射線が、長手方向に延伸する流体流路内の長手方向に流れる流体に衝突するように（例えば、長手方向に）方向付けられるように、放射線集束素子を構成（例えば、適切な屈折率を有する材料から選択、成形、位置決め、作製など）することによって達成される。放射線集束素子は、長手方向に延伸する流体流路の空孔の断面の一部分にわたる平均（長手方向に延伸する流体流路の長手方向寸法にわたる）長手方向流体速度プロファイルと正の相関を有する、長手方向に延伸する流体流路の空孔の断面の一部分にわたる平均（長手方向に延伸する流体流路の長手方向寸法にわたる）放射線フルエンス率プロファイルを提供するように構成（例えば、適切な屈折率を有する材料から選択、成形、位置決め、作製など）することができる。いくつかの実施形態では、流体流導管の空孔の断面の部分内の平均放射線フルエンス率と平均長手方向流体速度との間のこの正の相関が、平均長手方向流体速度に対する平均放射線フルエンス率のほぼ比例の関係であることが望ましい場合がある。上述の比例関係が存在する流体流路の空孔の断面の部分内の平均放射線フルエンス率プロファイルと平均長手方向流体速度プロファイルとの間の関係は、本明細書において上記または他の箇所に記載の特性のいずれかを有することができる。流体流中の微生物汚染物質および化学汚染物質は、紫外線放射が流体流中に放出される間、不活性化および／または除去することができる。
【0018】
ＵＶリアクタの効率は、リアクタ内の流体に供給される放射曝露である全ＵＶフルエンスによって決定することができる。ＵＶフルエンスは、ＵＶフルエンス率の積であり、入射放射強度（放射方向のすべての方向から、断面積ｄＡの極小球を通過する放射強度の積分をｄＡで除算した値）を含むかまたはそれに関連するＵＶフルエンス率と、曝露時間との積である。ＵＶリアクタのフルエンス率は、リアクタ内のＵＶ－ＬＥＤ放射強度プロファイルを調整することによって制御することができ、曝露時間は、リアクタを通って移動する流体のリアクタ流体力学を調整することによって制御することができる。本発明のいくつかの実施形態のＵＶ－ＬＥＤリアクタは、リアクタを通って移動する流体の放射強度プロファイルおよび流体力学の両方の正確な制御によって、高いリアクタ性能を提供する。さらに、本発明のいくつかの実施形態のＵＶ－ＬＥＤリアクタは、リアクタ内で処理されている流体に対するＵＶ線量（フルエンス）分布の均一性を高め、ＵＶ放射線エネルギーをリアクタ壁へと失う代わりに、ＵＶ放射線の大部分を流体に直接供給することによって、効率を改善することができる。
【0019】
一変形形態では、本発明の一態様は、流体中に光反応または光開始反応を引き起こすために、１つまたは複数の紫外発光ダイオード（ＵＶ－ＬＥＤ）によって動作するリアクタを提供する。ＵＶ－ＬＥＤリアクタは、１つのＵＶ－ＬＥＤまたはＵＶ－ＬＥＤのアレイのいずれかによって照射される流体が対応する長手方向に流れる単一または一連の長手方向に延伸する流体流路（導管、チューブ）を備える。リアクタは、単一の長手方向に延伸する流体流路、一連の平行な流体流路、または複数の流体流路からなるスタックを備えることができる。マルチチャネルリアクタでは、流体流は、チャネルを並列または直列（流路がそれらの端部において流体連通している場合、流体流は一方の流路から他方の流路へ進む）に進むことができる。流体は、主に長手方向に延伸するチャネルの長手方向に流れることができる。ＵＶ－ＬＥＤ放射線は、１つもしくは複数の収束レンズ、１つもしくは複数のコリメートレンズ、または１つもしくは複数の集束レンズと１つもしくは複数のコリメートレンズとの組み合わせなどの放射線集束素子を介して集束される。いくつかの実施形態では、集束素子は、ＵＶエミッタに光学的に隣接する収束レンズ、および、収束レンズから何らかの適切な距離だけ離れているコリメートレンズを含むことができる。リアクタチャネル内の長手方向に流れる流体は、チャネルの長手方向においてＵＶ－ＬＥＤからの集束放射によって照射される。ＬＥＤは、流路の一端または両端に位置決めすることができる。流体に供給される全ＵＶ線量（ＵＶフルエンス）は、流体流量を調整すること、および／または、ＵＶ－ＬＥＤ放射強度を調節すること、および／または、複数のＵＶ－ＬＥＤをオン／オフすることによって制御することができる。本発明のいくつかの実施形態によるリアクタ構成は、すべて一体化された構成要素を有する効率的でコンパクトなＵＶリアクタの設計および製造を容易にする。
【0020】
本発明のいくつかの実施形態では、放射線集束素子は、ＵＶ－ＬＥＤに近接して位置決めされた１つもしくは複数のコリメートレンズまたは１つもしくは複数の収束レンズなどの１つまたは複数の集束レンズを含む。各レンズは、独立型レンズまたはＵＶ－ＬＥＤデバイスに一体化されたレンズのいずれかであってもよい。レンズは、石英または別のＵＶ透過性材料から作成されてもよい。いくつかの実施形態では、１つまたは複数のコリメートレンズと１つまたは複数の収束レンズとの組み合わせを使用することができる。放射線集束素子は、流体が一般的により高い速度（およびより低い滞留時間）を有する、長手方向に延伸する流路の空孔の中心においてより高いフルエンス率を提供し、流体が一般的により低い速度（およびより高い滞留時間）を有する、チャネル壁の近く（空孔の縁部）においてより低いフルエンス率を提供するように調整することができる。結果として、流体がリアクタまたは長手方向に延伸する流体流路を離れる時間までに、流体の各成分は、類似または同等のＵＶ線量を受けている。実際には、これを実現できる１つの方法は、速度プロファイルに基づいてチャネル内で放射線フルエンス率を集束させるために、放射線集束素子として１つまたは複数の集束レンズを使用することである（例えば、必ずしも放射線源に対するその焦点距離内に位置決めされるとは限らない、収束レンズまたは収束レンズとコリメートレンズとの組み合わせ）ように実現されてもよい。速度プロファイルに従ってＵＶ－ＬＥＤ放射を調整することを含む、ＵＶ－ＬＥＤリアクタのこの特定の構成は、ＵＶ－ＬＥＤ放射強度のより有効な利用をもたらすことができ、リアクタ性能を改善する。
【0021】
平均流体速度に比例する平均放射線フルエンス率の概念を説明するために、ここで、非限定的な例を提供する。円筒形の流体流路（すなわち、円形断面を有する空孔を有する）の場合、流体の速度プロファイルは、チャネル断面の半径Ｒに対応する半径ｒを有する楕円放物体（三次元放物形）であってもよい。長手方向に延伸する流路の長さが０．２ｍであり、チャネル空孔の断面の中心（ｒ＝０）における平均（流路の長手方向長さにわたる）速度が０．２ｍ／ｓである場合、ｒ＝０で移動する流体の滞留時間（長手方向に延伸する流体流路内の）は１秒である。例えば、ｒ＝０．５Ｒでの平均速度が０．１ｍ／ｓであると仮定すると、ｒ＝０．５Ｒで移動する流体の滞留時間（長手方向に延伸する流体流路内の）は２秒である。ＵＶ線量（ＵＶフルエンス）は、滞留時間（曝露時間）にＵＶフルエンス率を乗算した積であるため、ｒ＝０およびｒ＝０．５Ｒにおいて移動する部分が同じ線量を受けるようにするために、ｒ＝０において、平均（流路の長手方向長さにわたる）放射線フルエンス率がｒ＝０．５Ｒにおける値の約２倍になるように、放射線フルエンス率を調整することが望ましい。例えば、ｒ＝０におけるフルエンス率が２ｍＪ／ｃｍ２である場合、ｒ＝０．５Ｒにおけるその値は１ｍＪ／ｃｍ２である。これは、流体の断面（例えば、半径方向の）混合が最小限である場合に特に有利である。放射線フルエンス率を速度プロファイルに正確に比例させるように調整することは、常に容易に達成可能または実用的であるとは限らない場合がある。いくつかの実施形態では、平均長手方向流体速度が平均放射線フルエンス率に対して、流体流路の空孔の断面の表面領域の適切な部分（または流体流路の空孔の容積の適切な部分）にわたって正の相関を有することで十分である。速度およびフルエンス率の正の相関が存在する流体流路の空孔の断面の部分は、いくつかの実施形態では、流体流路の空孔の全断面の５０％より大きくてもよく、いくつかの実施形態では、流体流路の空孔の全断面の７５％より大きくてもよく、いくつかの実施形態では流体流路の空孔の全断面の８５％より大きくてもよい。流体流路の空孔の断面の部分内の平均放射線フルエンス率に対する平均長手方向流体速度のこの比例関係は、正確な比例関係である必要はなく、代わりに、断面の部分にわたって±５０％未満変化する比例定数を有するように比例であってもよい。いくつかの実施形態では、この比例定数は±２５％未満変化する。いくつかの実施形態では、この比例定数は±１５％未満変化する。いくつかの実施形態では、この比例定数は±１０％未満変化する。しかしながら、いくつかの実施形態では、フルエンス率の±５０％以内の許容レベルが適切であり得る。例えば、上記の例では、ｒ＝０．５Ｒにおけるフルエンス率は、０．７５ｍＪ／ｃｍ２と１．２５ｍＪ／ｃｍ２との間であり得る。
【0022】
上記の概念を代替的に説明するために、チャネルの長手方向長さにわたって平均化されるとき、チャネルの空孔の断面内の流体の速度プロファイルが、高さｈ、半長径ａ、および半短径ｂ（ａおよびｂは円形断面では同じである）の楕円放物体の形状（楕円形断面を有する二次曲面）を有する場合、チャネルの空孔の任意の断面における平均ＵＶフルエンス率（長手方向に延伸するチャネルの長さにわたって平均されたもの）は、同じｈ、ａ、およびｂパラメータを有する楕円放物体の同じ形状を有することになる。完全一致は容易に実現可能でも実用的でもない可能性が高いため、完全一致値の±５０％の閾値をフルエンス率値に適用することができる。流体流路の空孔の断面の部分内の平均放射線フルエンス率に対する平均長手方向流体速度のこの比例関係は、正確な比例関係である必要はなく、代わりに、断面の部分にわたって±５０％未満変化する比例定数を有するように比例であってもよい。いくつかの実施形態では、この比例定数は±２５％未満変化する。いくつかの実施形態では、この比例定数は±１５％未満変化する。いくつかの実施形態では、この比例定数は±１０％未満変化する。平均フルエンス率および平均速度のこの比例関係は、長手方向に延伸する流体流路の空孔の断面の一部分にわたって真であり得る。流体流路の空孔の断面のそのような部分は、いくつかの実施形態では流体流路の空孔の全断面の５０％より大きくてもよく、いくつかの実施形態では、流体流路の空孔の全断面の７５％より大きくてもよく、いくつかの実施形態では、流体流路の空孔の全断面の８５％より大きくてもよい。
【0023】
流体の（リアクタまたはリアクタの一部分における）滞留時間は、照射中に流体が（リアクタまたはリアクタの部分の内部で）過ごす時間として定義される。任意の流体流導管内の速度プロファイルが与えられると、通常、流体の各部分は、リアクタ内で異なる時間量を過ごし、結果として、流体の異なる部分は、リアクタ内で異なる滞留時間を有する（平均滞留時間を計算するために平均することができる滞留時間分布がある）。主にチャネルの中心を移動する流体の一部分は、典型的には、より速い速度を有し、したがって、チャネル内の滞留時間がより短い。
【0024】
本発明のＵＶ－ＬＥＤリアクタは、多くの光反応、光触媒反応および光開始反応に使用することができる。１つの特定の用途は、水の浄化または他のＵＶ透過性流体の浄化である。
【0025】
本発明のいくつかの態様は、水を処理するためのＵＶ－ＬＥＤリアクタ、および水を処理するためにＵＶ－ＬＥＤリアクタを使用する方法を提供する。これらのＵＶ－ＬＥＤリアクタおよび対応する方法は、上記または本明細書の他の箇所に記載のものと類似の特徴を有することができる。水処理は、直接光反応、光触媒反応および／または光開始酸化反応による、微生物（例えば細菌およびウイルス）の不活性化および化学汚染物質（例えば毒性有機化合物）などの微小汚染物質の分解によって達成され得る。水は、電気ポンプなどの流体移動デバイスの使用によってＵＶ－ＬＥＤリアクタを通って流れることができる。ＵＶ－ＬＥＤは、壁プラグまたは電池によって給電することができる。妥当な場合、光触媒は、流体が通過する中実基板、および／または例えばメッシュ、スクリーン、金属フォーム、布もしくはそれらの組み合わせを含む、流体が通過する有孔基板上に固定化され得る。固体および／または有孔基板上に支持された光触媒は、長手方向に延伸する流体流路内に位置決めすることができる。光触媒はまた、断面を部分的または全体的に覆うように、流体流路の断面内に位置決めすることもできる。光触媒が流路の断面全体を覆う場合、流体が光触媒基板を通過することを可能にするために有孔基板を使用することができる。光触媒はＵＶ－ＬＥＤからの集束ＵＶ放射線を照射され、ＵＶ－ＬＥＤ光触媒リアクタが提供される。光触媒は、二酸化チタンＴｉＯ２、または任意の他の光触媒を含んでもよい。特定の実施形態では、１つまたは複数の光触媒、触媒担体および共触媒の組み合わせが、固体および／または有孔基板（複数可）上に設けられる。妥当な場合、化学酸化剤のような化学反応剤をＵＶリアクタに注入することができる。化学酸化剤は、過酸化水素Ｈ２Ｏ２、オゾンＯ３、または他の化学物質を含んでもよい。
【0026】
本明細書に記載のＵＶ－ＬＥＤリアクタのいくつかの用途では、ＵＶ－ＬＥＤリアクタは、使用場所での適用、特に低～中程度の流動適用において、水を処理するために使用され得る。例えば、ＵＶ－ＬＥＤリアクタは、人間が消費するために水または水ベースの流体（例えば、コーヒーまたは他の飲料）を施与または使用する機器に組み込むことができる。そのような機器は、冷蔵庫、冷凍庫、製氷機、冷凍飲料機、水冷器、コーヒーメーカ、自動販売機などを含んでもよい。本明細書に記載のＵＶ－ＬＥＤリアクタの他の用途は、医療関連デバイスで使用される水の処理を含む。このような装置は、例えば、血液透析器、結腸洗浄治療機器などを含んでもよい。上述の機器またはデバイスのいずれかに組み込まれたリアクタのＵＶ－ＬＥＤは、機器またはデバイス内で使用され、または機器またはデバイスから施与される水を処理するために、水が流れ始めるかまたは停止すると自動的にオンおよびオフにすることができる。ＵＶ－ＬＥＤリアクタは、（消費または使用のための）送水管から出る水の中の微生物汚染を減少させ、感染リスクを低下させる。ＵＶ－ＬＥＤリアクタは、ろ過などの他の形態の水浄化方法と共にこれらのデバイスに組み込まれてもよい。
【0027】
いくつかの実施形態では、静的ミキサ、ボーテックスジェネレータ、バッフルなどを長手方向に延伸する流体流路に配備して、流体流路を通過する際に混合を増加させ、かつ／または流れを回転させることができる。これは、より均一なＵＶ線量を送達することによって、またはリアクタ内で光触媒が存在する光触媒表面付近の物質移動を改善することによって、ＵＶ－ＬＥＤリアクタの性能を向上させることができる。静的ミキサ、ボーテックスジェネレータ、バッフルなどはまた、本明細書に記載のように流体流路内のＵＶ放射線フルエンス率プロファイルに合致するように、様々な入来する流動様式に適応するように動的に調整することができる流れ制約要素としての役割を果たすこともできる。
【0028】
いくつかの実施形態において、リアクタは、異なるＵＶ波長を放出する複数のＵＶ－ＬＥＤを備える。これは、相乗効果をもたらし、光反応および光触媒反応の速度を増加させることができる。
【0029】
いくつかの実施形態は、パルスモードで動作するＵＶ－ＬＥＤを含む。例えば、ＬＥＤは高周波でパルスされてもよい。この動作モードは、光触媒効率を高めるために光反応速度および光触媒の電子－正孔再結合に影響を及ぼし得る。
【0030】
いくつかの実施形態では、ＵＶ－ＬＥＤは自動的にオンおよびオフするようにプログラムすることができる。例えば、流体流がリアクタ内での移動を開始または停止するとき（使用場所での適用における水浄化に有用であり得る）、または特定の時間間隔をおいてＵＶ－ＬＥＤをオン／オフすることが望ましい場合がある。ＵＶ－ＬＥＤのオン／オフ状態を制御するために、流体流路内の流体の動きを検出するためにセンサを使用することができる。代替的に、ユーザは、直接的に（例えば、スイッチをオンまたはオフにすることによって）、または間接的な動作として（例えば、タップをオンおよびオフにすることによって）、センサを物理的に起動することができる。この特徴は、有利にはリアクタによって使用されるエネルギーを節約することができる。別の例として、微生物の可能性のある成長、未処理の上流の流体からの微生物の拡散を防止するために、および／または、任意のバイオフィルム形成を防止するために、ＵＶリアクタチャンバがある時間作動していないときにＵＶリアクタチャンバを洗浄するために、特定の時間間隔をおいてＵＶ－ＬＥＤをオン／オフすることが望ましい場合がある。ＵＶ－ＬＥＤのオン／オフ状態を制御するために、マイクロコントローラを適用して、特定の時間間隔をおいて（例えば数時間に一度）、ＵＶ－ＬＥＤを一定時間（例えば数秒間）にわたってオンにするように、プログラムすることができる。
【0031】
いくつかの実施形態では、ＵＶ－ＬＥＤの少なくともいくつかは、信号を受信することに応答して、その出力を調整するように、または自動的にオンもしくはオフにするようにプログラムすることができる。この信号は、例えば、ＵＶ－ＬＥＤリアクタを通過する流体の流量（または他の測定可能な特性）が変化するときに生成されてもよい。流体が水である実施形態では、測定可能な特性は、水質または汚染物質の濃度を示すものであり得る。水質指標の例には、ＵＶ透過率および濁度が含まれる。この構成は、特定の動作条件に基づいて適切な放射線エネルギーが流体に向けられることを促進することができる。
【0032】
いくつかの実施形態では、例えば液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）または光信号（有色ＬＥＤなど）などの視覚インジケータをＵＶ－ＬＥＤリアクタ上に、または別の目に見える場所（例えば、用途が水処理の場合はタップ）を使用して、リアクタおよびＵＶ－ＬＥＤの状態をユーザに通知することができる。一例として、ＵＶ－ＬＥＤがオンであるときに、ＬＣＤ上の標識を表示することができ、または、ＵＶ－ＬＥＤの「オン」状態をユーザに示す有色ＬＥＤをオンにすることができる。
【0033】
ＵＶ－ＬＥＤの寿命を延長または維持するために、流体流路を流れる流体は、ＬＥＤによって生成される熱を伝達することによって、ＵＶ－ＬＥＤの熱管理に使用されてもよい。ＵＶリアクタは、流体の一部がＵＶ－ＬＥＤまたはＵＶ－ＬＥＤ回路基板の近傍で循環するように、および／または、流体流路の壁に熱伝導材料を組み込むことによって構成されてもよい。
【0034】
上述の例示的な態様および実施形態に加えて、さらなる態様および実施形態が、図面を参照し、以下の詳細な説明を検討することによって明らかになるであろう。
【0035】
例示的な実施形態が、図面の参照される図に示されている。本明細書に開示される実施形態および図は、限定的ではなく例示的なものと考えられることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【0036】
【図1A】コリメート光学レンズを通過するＵＶ－ＬＥＤ放射ビームを示す図である。
【図1B】収束光学レンズを通過するＵＶ－ＬＥＤ放射ビームを示す図である。
【図2A】例示的な実施形態によるＵＶ－ＬＥＤリアクタの特定の構成の長手方向に延伸する流体流路の一部分の概略側面図である。
【図2B】例示的な実施形態によるＵＶ－ＬＥＤリアクタの特定の構成の長手方向に延伸する流体流路の一部分の概略側面図である。
【図2C】例示的な実施形態によるＵＶ－ＬＥＤリアクタの一構成の長手方向に延伸する流体流路の一部分の概略側面図である。
【図3】例示的な実施形態によるＵＶ－ＬＥＤリアクタの特定の構成の長手方向に延伸する流体流路の一部分の変形形態の概略側面図である。
【図3A】例示的な実施形態によるＵＶ－ＬＥＤリアクタの特定の構成の長手方向に延伸する流体流路の一部分の変形形態の概略側面図である。
【図4】例示的な実施形態によるＵＶ－ＬＥＤリアクタの概略斜視図である。
【図6】特定の例示的な実施形態によるＵＶ－ＬＥＤリアクタの概略上面図である。
【図7】流路内の流体を照射する、１つまたは複数のレンズを各々が有する複数のＵＶ－ＬＥＤを備える特定の実施形態によるＵＶ－ＬＥＤリアクタの長手方向に延伸する流体流路の一部の概略側面図である。
【図8】流路内の流体を照射する、１つまたは複数のレンズを各々が有する複数のＵＶ－ＬＥＤを備える特定の実施形態によるＵＶ－ＬＥＤリアクタの長手方向に延伸する流体流路の一部の概略側面図である。
【図9】複数の出口を備える例示的な実施形態によるＵＶ－ＬＥＤリアクタを示す図である。
【図10】流れ分配器を備える例示的な実施形態によるＵＶ－ＬＥＤリアクタを示す図である。
【図11】流路内の流体を照射する、複数のＵＶ－ＬＥＤによって共有される１つまたは複数のレンズを備える特定の実施形態によるＵＶ－ＬＥＤリアクタの長手方向に延伸する流体流路の一部の概略側面図である。
【図12】流路内の流体を照射する、複数のＵＶ－ＬＥＤによって共有される１つまたは複数のレンズを備える特定の実施形態によるＵＶ－ＬＥＤリアクタの長手方向に延伸する流体流路の一部の概略側面図である。
【図13A】ＵＶ－ＬＥＤリアクタの例示的な実施形態の部分概略側面図である。
【図13B】ＵＶ－ＬＥＤリアクタの例示的な実施形態の部分概略側面図である。
【図13C】ＵＶ－ＬＥＤリアクタの例示的な実施形態の部分概略側面図である。
【図13D】ＵＶ－ＬＥＤリアクタの例示的な実施形態の部分概略側面図である。
【図13E】ＵＶ－ＬＥＤリアクタの例示的な実施形態の部分概略側面図である。
【図14A】ＵＶ－ＬＥＤリアクタの例示的な実施形態の部分概略側面図である。
【図14B】ＵＶ－ＬＥＤリアクタの例示的な実施形態の部分概略側面図である。
【図15A】ＵＶ－ＬＥＤリアクタの例示的な実施形態の部分概略上面図である。
【図15B】ＵＶ－ＬＥＤリアクタの例示的な実施形態の部分概略側面図である。
【図15C】ＵＶ－ＬＥＤリアクタの例示的な実施形態の部分概略斜視図である。
【図16A】ＵＶ－ＬＥＤリアクタの例示的な実施形態の部分概略上面図である。
【図16B】ＵＶ－ＬＥＤリアクタの例示的な実施形態の部分概略側面図である。
【図16C】ＵＶ－ＬＥＤリアクタの例示的な実施形態の部分概略斜視図である。
【図17A】ＵＶ－ＬＥＤリアクタの例示的な実施形態の部分概略斜視図である。
【図17B】ＵＶ－ＬＥＤリアクタの例示的な実施形態の部分概略斜視図である。
【図18A】ＵＶ－ＬＥＤリアクタの例示的な実施形態の部分概略斜視図である。
【図18B】ＵＶ－ＬＥＤリアクタの例示的な実施形態の部分概略斜視図である。
【図19】水処理に適用されるＵＶ－ＬＥＤリアクタの例示的な実施形態の部分概略斜視図である。
【図20】例示的な実施形態によるＵＶ－ＬＥＤリアクタを組み込んだ冷蔵庫の部分概略斜視図である。
【図21】例示的な実施形態によるＵＶ－ＬＥＤリアクタを組み込んだ血液透析器の部分概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0037】
以下の説明全体を通して、特定の詳細が、当業者により完全な理解を提供するために記載される。しかしながら、周知の要素は、本開示を不必要に不明瞭にすることを避けるために詳細に図示または説明されていないことがある。したがって、説明および図面は、限定的な意味ではなく例示的な意味で考慮されるべきである。
【0038】
本技術は、流体中の光反応を引き起こすためにＵＶ放射線を放出する、１つまたは複数のソリッドステートＵＶエミッタ（例えば、紫外線発光ダイオードすなわちＵＶ－ＬＥＤ、ＵＶを放出する誘電体薄膜など）によって動作するリアクタ（フォトリアクタ）を対象とする。ＵＶによって活性化される１つまたは複数の光触媒構造を、光触媒反応のためにフォトリアクタに使用することができる。ＵＶ放射線と反応させて、光開始酸化反応のためのヒドロキシルラジカルなどの高活性ラジカルを生成するために、化学酸化剤をリアクタに添加することもできる。本明細書に記載のＵＶ－ＬＥＤリアクタの実施形態は、構成要素を一体化することによって、効率的かつコンパクトであり得、それらの流体環境および光学環境の両方を正確に制御することができる。ＵＶ－ＬＥＤリアクタは、１つまたは複数の特別に設計された流路と、流路を流れる流体を照射するように構成されたＵＶ ＬＥＤのアレイとを備える。放射線集束素子が、ＵＶ ＬＥＤに一体化されるか、または、ＵＶ ＬＥＤの近くに配置することができ、（例えば、（例えば、複数のレンズタイプ、構築方法などの中から）レンズ（複数可）を適切に選択すること、レンズ（複数可）を位置決めすること（配向することを含む）、レンズ（複数可）を成形すること（サイジングを含む）、適切な屈折率を有する材料からレンズ（複数可）を作成することなどによって）ＵＶ ＬＥＤによって放出されるＵＶ放射線を集束させて、長手方向に延伸する流体流路（またはその一部分）の空孔の断面内の平均（長手方向に延伸する流体流路の長手方向寸法にわたる）長手方向流体速度プロファイルと正の相関を有する、長手方向に延伸する流体流路（またはその一部分）の空孔の断面にわたる平均（長手方向に延伸する流体流路の長手方向寸法にわたる）放射線フルエンス率プロファイルを提供するように構成することができる。いくつかの実施形態において、この正の相関は、長手方向に延伸する流体流路（またはその一部分）の空孔の断面内の平均（長手方向に延伸する流体流路の長手方向寸法にわたる）長手方向流体速度プロファイルにほぼ比例する、長手方向に延伸する流体流路（またはその一部分）の空孔の断面内の平均（長手方向に延伸する流体流路の長手方向寸法にわたる）放射線フルエンス率プロファイルを含んでもよい。これらのパラメータ（放射線フルエンス率および流体速度）は、流体流路の長手方向寸法にわたって平均化された場合に、これらの特徴（正の相関および／または概略的な比例関係）を呈し得るが、いくつかの実施形態では、これらのパラメータ（放射線フルエンス率および流体速度）は、流体流路の長手方向寸法の一部分にわたる各断面においてこれらの特徴（正の相関および／または概略的な比例関係）を呈し得る。ＵＶ－ＬＥＤリアクタは、流れの流体力学を変えてＵＶ－ＬＥＤリアクタの性能を高めるために、バッフル、ボーテックスジェネレータ、静的ミキサなど（例えば、他の流れ制約要素）を含むことができる。特に、バッフル、ボーテックスジェネレータ、または静的ミキサは、流体流路内のＵＶ放射線フルエンス率プロファイルと正の相関を有するように、様々な入来する流動様式に適応するように動的に調整することができる。
【0039】
ＵＶ－ＬＥＤリアクタの実施形態は、直接光反応、および／または光触媒反応、および／または光開始酸化によって微生物（例えば、細菌、ウイルスなど）を不活性化し、および／または化学汚染物質（例えば、有害な有機化合物など）などの微小汚染物質を分解することによって、水を浄化するために使用することができる。流体（例えば、水）は、例えば、電気ポンプを使用して強制対流によってＵＶ－ＬＥＤリアクタを流れる。ＵＶ－ＬＥＤは、壁プラグ、太陽電池または電池によって給電することができる。ＵＶ－ＬＥＤは、流体が流れるかまたは流れるのを止めると、自動的にオンおよびオフにすることができる。二酸化チタンＴｉＯ２または他の適切な光触媒のような光触媒を、中実基板（流体が基板上を通過する）または穿孔基板（流体が基板を通過する）上に固定することができる。いくつかの実施形態では、光触媒、触媒担体、および／または共触媒の組み合わせを、流体流路内の基板に配置することができる。妥当な場合、化学酸化剤を付加的にまたは代替的にリアクタに注入することができる。化学酸化剤は、過酸化水素Ｈ２Ｏ２、またはオゾンＯ３、または他の化学物質を含んでもよい。妥当な場合、化学還元剤を付加的にまたは代替的にリアクタに注入することができる。化学酸化剤または化学還元剤は、電気化学的方法または他の方法によって、ＵＶリアクタの上流またはＵＶリアクタの内部で生成されてもよい。
【0040】
ＵＶ放射線源としてＵＶ－ＬＥＤを用いて動作するリアクタは、限定ではなく、コンパクトで堅牢な設計、より低い電圧および電力要件、ならびに高い周波数によってオンおよびオフする能力を含む、従来の水銀ＵＶランプに優る利点を有する。ＵＶランプとは異なり、ＵＶ－ＬＥＤは個々の小さなサイズの放射線源である。それらは、ＵＶランプの配置と比較して、より高い自由度（例えば、より高い精度）でリアクタ内に位置決めすることができる。さらに、ＵＶ－ＬＥＤリアクタの性能は、本明細書に記載のリアクタ幾何形状、リアクタ流体力学、およびＵＶ放射線分布に対する最適化によって改善され得る。特に、本明細書に記載のＵＶ－ＬＥＤリアクタの実施形態は、ＵＶ－ＬＥＤ放射パターンと流動場流体力学との組み合わせに基づいて最適化することができ、それによって、流体へのＵＶ線量供給の改善を促進する。
【0041】
図１Ａおよび図１Ｂは、ＵＶ－ＬＥＤコリメート放射１１（図１Ａ）および収束放射１２（図１Ｂ）の概略側面図である。図１Ａは、コリメートレンズ１５を通過した後にＬＥＤ１４から放出される放射ビーム１３を示す。図１Ｂは、収束レンズ１８を通過した後にＬＥＤ１７から放出される放射ビーム１６を示す。図１Ａおよび図１Ｂに示す矢印は、放射ビームの主方向を示している。
【0042】
図２Ａおよび図２Ｂは、例示的な実施形態による２つの対応するＵＶ－ＬＥＤリアクタ構成の長手方向に延伸する流体流路の部分側面図を示す。図２Ａおよび図２Ｂは、それらの長手方向端部の１つから照射されている例示的な流路を示す。一般に、図２Ａ～図２Ｂの長手方向に延伸するチャネルが配備されているＵＶ－ＬＥＤリアクタのチャネルは、流体流路の長手方向の一端または両端から照射することができる。一般に、図２Ａ～図２Ｂの長手方向に延伸するチャネルが配備されるＵＶ－ＬＥＤリアクタは、単一チャネルリアクタ（すなわち、図２Ａ～図２Ｂに示されるものと同様の単一チャネルを有する）または図２Ａもしくは図２Ｂのリアクタの長手方向に延伸するチャネルと同様の複数の長手方向に延伸するチャネルを有するマルチチャネルリアクタを含んでもよい。入口および出口の向きならびにそれらの流体流方向は、マルチチャネルリアクタの場合では、単一チャネルリアクタの場合と比較して異なる場合がある。図２Ａおよび図２Ｂに示す直線矢印は、流体流路が延伸する同じ長手方向にある流体流の主方向を示している。
【0043】
図２Ａは、長手方向に延伸する流体流路１０１およびＵＶ－ＬＥＤ１０６を有するＵＶ－ＬＥＤリアクタ３０の一部分の側面図を示し、流体（図示せず）が、流体流路１０１の空孔の断面にわたって変化する長手方向速度プロファイル１０２で移動している。特に、図２Ａの実施形態の流体は、流体流路１０１の断面の中心にまたはその近傍に最大速度（ｕｍａｘ）を有し、流体流路１０１の断面の中心から離れた位置ではより低い速度を有する。ＵＶ－ＬＥＤ１０６から放出された放射線１０５は、放射線集束素子１０４（１つまたは複数のレンズを含み得る）を通過し、（１０３において）集束されて、長手方向に延伸する流路１０１の空孔内で長手方向に移動している流体に衝突する。放射線集束素子１０４は、流体が相対的に高い長手方向速度を有する流体流路１０１の空孔の断面の中心において相対的に高い放射線フルエンス率を提供するように、ＵＶ－ＬＥＤ１０６からの放射線を集束させるように（例えば、適切な屈折率を有する材料から選択、位置決め、成形、作製などされるレンズ（複数可）によって）構成することができる。逆に、放射線集束素子１０４は、流体流路１０１の空孔の断面の中心から離間した位置において相対的に低い放射線フルエンス率を提供するように、ＵＶ－ＬＥＤ１０６からの放射線を集束させるように（例えば、適切な屈折率を有する材料から選択、位置決め、成形、作製などされるレンズ（複数可）によって）構成することができる。適切に構成された放射線集束素子１０４によって（例えば、適切な屈折率を有する材料から選択、成形、位置決め、作製などされるレンズ（複数可）によって）、長手方向に延伸する流体流路１０１の空孔の断面（またはその一部分）にわたる平均（長手方向に延伸する流体流路１０１の長手方向寸法にわたる）放射線フルエンス率プロファイルは、長手方向に延伸する流体流路１０１の空孔の断面（またはその一部分）内の平均（長手方向に延伸する流体流路１０１の長手方向寸法にわたる）長手方向速度流体速度プロファイルと正の相関を有することができ、またはいくつかの実施形態においては、概略的に比例することができる。したがって、流体がリアクタを出る（または流体流路１０１を出る）時点までに、流体の各成分は、類似または同等の総ＵＶ放射線量を受けることができる。
【0044】
実際には、これは、上述の特性を達成するように、チャネル１０１内の流体の予測される速度プロファイルに基づいて、放射線を流体流路１０１の空孔に集束させる１つまたは複数の集束レンズ（複数可）を含むように放射線集束素子１０４を構成することによって達成され得る。いくつかの実施形態では、そのような集束レンズ（複数可）は、必ずしもＵＶ放射線源に対してその焦点距離に位置決めされていなくてもよい図１Ｂに示すような収束レンズ１８および／または図１Ａに示すコリメートレンズ１５を含むことができるが、所望の放射線フルエンス率プロファイルを達成するために、１つまたは複数の収束レンズ、発散レンズ、および／またはコリメートレンズの他の組み合わせも使用されてもよい）。図２Ａの例示的な実施形態では、１つの集束レンズしか示されていないが、これは例示の便宜のためにすぎない。いくつかの実施形態では、図２Ａに示す集束素子１０４は、（収束レンズ、コリメートレンズ、それらの組み合わせなどを含む）複数のレンズを含むことができる。いくつかの実施形態（図７および図８を参照して後述するものなど）では、上述した特性を達成するように、チャネル１０１内の流体の予想される速度プロファイルに基づいて、放射線を流体流路１０１の空孔に集束させる放射線集束素子として、複数の集束レンズ（収束レンズ、コリメートレンズ、それらの組み合わせなどを含む）が設けられてもよい。図２Ａの例示の実施形態では、流体流路１０１の空孔内の流体の長手方向速度プロファイル１０２を観察することができるように、流体流路１０１の空孔の内部の放射線１０３が半透明であるように示されている。
【0045】
図２Ｂは、長手方向に延伸する流体流路１１１およびＵＶ－ＬＥＤ１１６を有するＵＶ－ＬＥＤリアクタ４０の一部分の側面図を示し、流体（図示せず）が、流体流路１０１の空孔の断面にわたって変化する長手方向速度プロファイル１１２で移動している。特に、図２Ｂの実施形態の流体は、流体流路１１１の断面の中心にまたはその近傍に最大速度（ｕｍａｘ）を有し、流体流路１１１の断面の中心から離れた位置ではより低い速度を有する。図２Ａおよび図２Ｂの例示の実施形態を比較すると、図２Ｂの実施形態の流体速度プロファイルは、チャネル１０１の断面にわたる図２Ａの実施形態の流体速度プロファイルの変動よりも、チャネル１１１の断面にわたってより大きい相対量だけ変動する。すなわち、図２Ａの実施形態では、チャネル１０１の断面の中心における最大速度と、チャネル１０１の断面の中心から離れた位置における速度との間の差は相対的に小さく、一方、図２Ｂの実施形態では、チャネル１１１の断面の中心における最大速度と、チャネル１１１の断面の中心から離れた位置における速度との間の差は相対的に大きい。
【0046】
図２Ａの実施形態と同様に、図２Ｂの実施形態において、ＵＶ－ＬＥＤ１１６から放出された放射線１１５は、放射線集束素子１１４（１つまたは複数のレンズを含み得る）を通過し、（１１３において）集束されて、長手方向に延伸する流路１１１の空孔内で長手方向に移動している流体に衝突する。放射線集束素子１１４は、流体がより高い相対長手方向速度を有する流体流路１１１の空孔の断面の中心においてより高い相対放射線フルエンス率を提供するように、ＵＶ－ＬＥＤ１１６からの放射線を集束させるように（例えば、適切な屈折率を有する材料から選択、位置決め、成形、作製などされるレンズ（複数可）によって）構成することができる。逆に、放射線集束素子１１４は、流体流路１１１の空孔の断面の中心から離間した位置においてより低い相対放射線フルエンス率を提供するように、ＵＶ－ＬＥＤ１１６からの放射線を集束させるように（例えば、適切な屈折率を有する材料から選択、位置決め、成形、作製などされるレンズ（複数可）によって）構成することができる。適切に構成された放射線集束素子１１４によって（例えば、適切な屈折率を有する材料から選択、成形、位置決め、作製などされるレンズ（複数可）によって）、長手方向に延伸する流体流路１１１の空孔の断面（またはその一部分）にわたる平均（長手方向に延伸する流体流路１１１の長手方向寸法にわたる）放射線フルエンス率プロファイルは、長手方向に延伸する流体流路１１１の空孔の断面（またはその一部分）内の平均（長手方向に延伸する流体流路１１１の長手方向寸法にわたる）長手方向速度流体速度プロファイルと正の相関を有することができ、またはいくつかの実施形態においては、概略的に比例することができる。図２Ｂの実施形態の結果は、図２Ａの実施形態の結果と同じである。すなわち、流体がリアクタを出る（または流体流路１１１を出る）時点までに、流体の各成分は、類似または同等の総ＵＶ放射線量を受けることができる。
【0047】
実際には、これは、上述の特性を達成するように、チャネル１１１内の流体の予測される速度プロファイルに基づいて、放射線を流体流路１１１の空孔に集束させる１つまたは複数の集束レンズ（複数可）を含むように放射線集束素子１１４を構成することによって達成され得る。いくつかの実施形態では、そのような集束レンズ（複数可）は、必ずしもＵＶ放射線源に対してその焦点距離に位置決めされていなくてもよい図１Ｂに示すような収束レンズ１８および／または図１Ａに示すコリメートレンズ１５を含むことができるが、所望の放射線フルエンス率プロファイルを達成するために、１つまたは複数の収束レンズ、発散レンズ、および／またはコリメートレンズの他の組み合わせも使用されてもよい）。図２Ｂの実施形態の例示的な実施形態では、１つの集束レンズしか示されていないが、これは例示の便宜のためにすぎない。いくつかの実施形態では、図２Ｂに示す集束素子１１４は、（収束レンズ、コリメートレンズ、それらの組み合わせなどを含む）複数のレンズを含むことができる。いくつかの実施形態（図７および図８を参照して後述するものなど）では、上述した特性を達成するように、チャネル１１１内の流体の予想される速度プロファイルに基づいて、放射線を流体流路１１１の空孔に集束させる放射線集束素子として、複数の集束レンズ（収束レンズ、コリメートレンズ、それらの組み合わせなどを含む）が設けられてもよい。図２Ｂの例示の実施形態では、流体流路１１１の空孔内の流体の長手方向速度プロファイル１１２を観察することができるように、流体流路１１１の空孔の内部の放射線１１３が半透明であるように示されている。
【0048】
図２Ｃは、長手方向に延伸する流体流路１２１およびＵＶ－ＬＥＤ１２６を有するＵＶ－ＬＥＤリアクタ５０の一部分の側面図を示し、流体（図示せず）が、流体流路１２１の空孔の断面にわたって変化する長手方向速度プロファイル１２２で移動している。特に、図２Ｃの実施形態の流体は、流体流路１２１の断面の中心にまたはその近傍に最大速度（ｕｍａｘ）を有し、流体流路１２１の断面の中心から離れた位置ではより低い速度を有する。ＵＶ－ＬＥＤ１２６から放出された放射線１２５は、放射線集束素子１２４（１つまたは複数のレンズを含み得る）を通過し、（１２３において）集束されて、長手方向に延伸する流体流路１２１の空孔内で長手方向に移動している流体に衝突する。放射線集束素子１２４は、最初に（放射線集束素子１２４の１つまたは複数のレンズを通過する結果として）収束し、その後、（すべて収束し、光子がそれらの経路に沿って移動し続けるのを受けて）自然に発散することによって、流体が相対的に高い長手方向速度を有する流路１２１の空孔の断面の中心において相対的に高い放射線フルエンス率を提供するように、ＵＶ－ＬＥＤ１２６からの放射線を集束させるように（例えば、適切な屈折率を有する材料から選択、成形、位置決め、作製などされるレンズ（複数可）によって）構成することができる。逆に、放射線集束素子１２４は、流体流路１２１の空孔の断面の中心から離間した位置において相対的に低い放射線フルエンス率を提供するように、ＵＶ－ＬＥＤ１２６からの放射線を集束させるように（例えば、適切な屈折率を有する材料から選択、成形、位置決め、作製などされるレンズ（複数可）によって）構成することができる。適切に構成された放射線集束素子１２４によって（例えば、適切な屈折率を有する材料から選択、成形、位置決め、作製などされるレンズ（複数可）によって）、長手方向に延伸する流体流路１２１の空孔の断面（またはその一部分）にわたる平均（長手方向に延伸する流体流路１２１の長手方向寸法にわたる）放射線フルエンス率プロファイルは、長手方向に延伸する流体流路１２１の空孔の断面（またはその一部分）内の平均（長手方向に延伸する流体流路１２１の長手方向寸法にわたる）長手方向速度流体速度プロファイルと正の相関を有することができ、またはいくつかの実施形態においては、概略的に比例することができる。図２Ｃの実施形態の結果は、図２Ａの実施形態および図２Ｂの実施形態の結果と同じである。すなわち、流体がリアクタを出る（または流体流路１２１を出る）時点までに、流体の各成分は、類似または同等の総ＵＶ放射線量を受けることができる。
【0049】
実際には、これは、上述の特性を達成するように、チャネル１２１内の流体の予測される速度プロファイルに基づいて、放射線を流体流路１２１の空孔に集束させる１つまたは複数の集束レンズ（複数可）を含むように放射線集束素子１２４を構成することによって達成され得る。いくつかの実施形態では、そのような集束レンズ（複数可）は、必ずしもＵＶ放射線源に対してその焦点距離に位置決めされていなくてもよい図１Ｂに示すような収束レンズ１８および／または図１Ａに示すコリメートレンズ１５を含むことができるが、所望の放射線フルエンス率プロファイルを達成するために、１つまたは複数の収束レンズ、発散レンズ、および／またはコリメートレンズの他の組み合わせも使用されてもよい）。図２Ｃの例示的な実施形態では、１つの集束レンズしか示されていないが、これは例示の便宜のためにすぎない。いくつかの実施形態では、図２Ｃに示す集束素子１２４は、（収束レンズ、コリメートレンズ、それらの組み合わせなどを含む）複数のレンズを含むことができる。いくつかの実施形態（図７および図８を参照して後述するものなど）では、上述した特性を達成するように、チャネル１２１内の流体の予想される速度プロファイルに基づいて、放射線を流体流路１２１の空孔に集束させる放射線集束素子として、複数の集束レンズ（収束レンズ、コリメートレンズ、それらの組み合わせなどを含む）が設けられてもよい。図２Ｃの例示の実施形態では、流体流路１２１の空孔内の流体の速度プロファイル１２２を観察することができるように、流体流路の空孔の内部の放射線１２３が半透明であるように示されている。
【0050】
図２Ｂの実施形態の速度プロファイル１１２は、図２Ａの速度プロファイル１０２とは異なる。図２Ｂにおいて、流体流路１１１の断面にわたる速度変化は、図２Ａの実施形態の速度変化と比較したときにより大きい（すなわち、図２Ｂの実施形態の、流体流路１１１の空孔の断面の中心における最大速度ｕｍａｘと、流体流路１１１の空孔の断面の中心から離間した位置における速度との間の流体速度の変動は、図２Ａの実施形態の、流体流路１０１の空孔の断面の中心における最大速度ｕｍａｘと、流体流路１０１の空孔の断面の中心から離間した位置における速度との間の流体速度の変動よりも大きい）。このように、図２Ｂの実施形態の放射線集束素子１１４は、図２Ａの実施形態のフルエンス率変動と比較して、図２Ｂの実施形態の空孔１１１の断面にわたって著しく高いフルエンス率変動をもたらす（すなわち、図２Ｂの実施形態の、流体流路１１１の空孔の断面の中心と、流体流路１１１の空孔の断面の中心から離間した位置との間の放射線フルエンス率の変動が、図２Ａの実施形態の、流体流路１０１の空孔の断面の中心と、流体流路１０１の空孔の断面の中心から離間した位置との間の放射線フルエンス率の変動よりも大きい）ように、放射線を集束させるように（例えば、適切な屈折率を有する材料から選択、位置決め、成形および／または作製されるレンズ（複数可）を用いて）構成される。図２Ｂの実施形態のＵＶ放射線は、空孔の断面の中心から離れた位置よりも、空孔の断面の中心に著しく集束され得る。
【0051】
これと比較して、図２Ａの実施形態では、速度は、流体流路１０１の空孔の断面の中心において適度に高いだけである。このように、図２Ａの実施形態の放射線集束素子１０４は、図２Ｂの実施形態のフルエンス率変動と比較して、図２Ａの実施形態の空孔１０１の断面にわたって中程度に高いフルエンス率変動をもたらす（すなわち、図２Ａの実施形態の、流体流路１０１の空孔の断面の中心と、流体流路１０１の空孔の断面の中心から離間した位置との間の放射線フルエンス率の変動が、図２Ｂの実施形態の、流体流路１１１の空孔の断面の中心と、流体流路１１１の空孔の断面の中心から離間した位置との間の放射線フルエンス率の変動よりも小さい）ように（例えば、適切な屈折率を有する材料から選択、位置決め、成形および／または作製されるレンズ（複数可）を用いて）構成される。図２Ａの実施形態のＵＶ放射線は、空孔の断面の中心から離れた位置よりも、空孔の断面の中心において中程度により多く集束され得る。
【0052】
本明細書で説明されるようなＵＶ－ＬＥＤリアクタの実施形態に組み込まれる放射線集束素子（複数可）は、空孔の断面内の異なる位置において相対的に異なる大きさの放射線フルエンス率を提供することができるように、かつ、そのような放射線フルエンス率の変動が、空孔の断面にわたる流体速度プロファイルに依存し得るように、放射線を集束させるように（例えば、適切な屈折率を有する材料からの適切なレンズ（複数可）の選択、レンズ（複数可）の成形、レンズ（複数可）の位置決め、および／または、レンズ（複数可）の作製によって）構成することができることは理解されたい。したがって、例えば図２Ｂに示すように、速度が空孔の断面の中心において著しく高い場合、ＵＶ放射線は、流体流路の空孔の断面の中心において著しくより高いフルエンス率をもたらすように、流体流路の空孔の断面の中心に著しく集束され得る。
【0053】
図３は、長手方向に延伸する流体流路１３３、ＵＶ－ＬＥＤ１３６、およびＵＶ透過窓１３５を有するＵＶ－ＬＥＤリアクタ６０の一部分の側面図を示し、流体（図示せず）が、矢印１３１によって示されている長手方向速度プロファイルで移動している。ＬＥＤ１３６から放出される放射線は、例示の実施形態において、流体流路１３３の断面の中央において相対的に高いフルエンス率であり、流体流路１３３の断面の中心から離れた位置では相対的に低いフルエンス率である、特定の放射線フルエンス率プロファイルを有する。流れ制約要素１３２が、流体流路１３３内に配置され、流体が相対的に高い放射線フルエンス率に曝露される流路１３３の空孔の断面の中心においては相対的に高い長手方向流速（および速度）を提供し、流体流路１３３の空孔の断面の中心から離れた位置においては相対的に低い速度をもたらすように構成（例えば、成形など）されている。適切な形状の流れ制約要素１３２を適用することによって、流路１３３の空孔の断面（またはその一部分）にわたる平均（長手方向に延伸する流路１３３の長手方向寸法にわたる）長手方向速度プロファイルが、流路１３３の空孔の断面（またはその一部分）にわたる平均（流れの長手方向に延伸する流路１３３の長手方向寸法にわたる）放射線フルエンス率プロファイルと正の相関を有することができ、またはいくつかの実施形態においては、概略的に比例することができるように、流体流路１３３の空孔内で長手方向に流れる流体の平均（流れの長手方向に延伸する流路１３３の長手方向寸法にわたる）断面速度プロファイルの改変をもたらすことができる。したがって、流体がリアクタ（または流体流路１３３）を出る時点までに、流体の各成分は、類似または同等のＵＶ放射線量を受けることができる。
【0054】
実際には、これは、バッフルまたは他の流れ制約要素１３２を使用して、放射線フルエンス率プロファイルに基づいて流体流路１３３の空孔を流れる流体の長手方向速度プロファイルを修正することによって達成され得る。例えば、放射線フルエンス率が空孔の中心から離れた位置よりも流体流路１３３の空孔の中心において著しく高い場合、流体をチャネル１３３の空孔の断面の中心により多く誘導し、チャネル１３３の空孔の断面の中心においてより高い流体速度を提供するために、（図３に示すような）円錐台形状のバッフル１３２を適用することができる（その軸線は、長手方向に配向されたチャネル軸と整列している）。断面の中心に開口を有する他の形状を有する流れ抑制デバイスを使用して、チャネル１３３の空孔の断面の中央でより高い流体速度を提供することができることが理解されよう。他方で、放射線フルエンス率がチャネル１３３’の空孔の断面にわたって相対的に均一に分布している場合、流体をチャネル１３３’の空孔の断面の縁部により多く誘導し、それによって、チャネルの長手方向長さにわたって平均されたときに断面の中心から離れた位置において速度を増加させるように（断面での速度に対して）、（図３Ａに示すような）小さな円形または円錐形のバッフル１３２’を、チャネル１３３’の空孔の断面の中心において使用する（小さいホルダによってチャネル壁に保持する）ことができる。断面の中心から離れた開口を有する他の形状を有する流れ抑制デバイスを使用して、チャネル１３３の空孔の断面の中心から離れた位置において相対的により高い流体速度を提供することができることが理解されよう。
【0055】
上述の概念は、以下に記載するように、マルチチャネルリアクタ（例えば、複数の長手方向に延伸するチャネルを有するリアクタ、そのような各チャネルは図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃおよび図３に示すチャネルに類似する）の各チャネルにも適用することができる。図４～図６の例示的な実施形態に記載されたＵＶ－ＬＥＤリアクタについて、ＬＥＤの放射パターンは、ＵＶ－ＬＥＤに一体化されているか、またはその近くに配置された適切な光学レンズを適用することによって集束され得る。図４～図６の例示的な実施形態におけるＵＶ－ＬＥＤ放射線を集束するために使用される光学レンズは、説明の便宜のために、またリアクタの概念をより明瞭に視覚化するために、図面には明示的に示されていない。
【0056】
図４および図５は、例示的な実施形態によるＵＶ－ＬＥＤリアクタ１０の概略斜視図（図４）、上面図（図５Ａ）および側面図（図５Ｂおよび図５Ｃ）を示す。ＵＶ－ＬＥＤリアクタ１０は、ハウジング３１と、長手方向に流体（例えば水）を搬送するためのチャネル壁３７を有する、長手方向に延伸する流路３２と、流体を入れるための入口３３と、流体を出すための出口３４と、ＬＥＤハウジング３８内に配置された１つまたは複数のＵＶ－ＬＥＤ３５と、ＬＥＤハウジング３８と流路３２との間に配置された石英窓などのＵＶ透過窓３６とを備える。ＵＶ－ＬＥＤ３５は、プリント回路基板（図示せず）上に搭載することができる。当業者には理解されるように、ＵＶ－ＬＥＤリアクタ１０は、１つまたは複数のヒートシンク、ＵＶ－ＬＥＤ３５の駆動回路、マイクロコントローラおよび他の電子機構、電源ポート、およびオン／オフスイッチを備えることができる。例示を簡単にするために、これらの構成要素は、図４および図５には示されていない。コリメートレンズ、収束レンズ、および／もしくは他のレンズ、またはそれらの組み合わせを含む１つまたは複数のレンズ（図４および図５には明示的に示されていない）を、リアクタ１０内でＵＶ－ＬＥＤ３５と流体流路３２との間に配置して、ＵＶ－ＬＥＤ放射パターンを、長手方向に延伸する流路３２の各々へと集束させることができる。内部の隣接する流路３２の各対は、流体が１つの流路３２から隣接する流路３２に進むためにリアクタ１０の一方の端部において流体連通している（流体は、リアクタ１０を通る過程において複数の流体流路３２を通過する）。流体流が入口３３からリアクタ１０に入り、長手方向に延伸するチャネル３２を通って流れ、隣接する内側チャネル３２の端部において旋回し、出口３４から出ることを示す矢印によって、主な流体流方向が図４および図５に示されている。
【0057】
図４および図５の実施形態では、流体は、ＵＶ－ＬＥＤリアクタ１０を出入りして流れ、長手方向に延伸するチャネル３２を通過し、ＵＶ－ＬＥＤ３５からのＵＶ放射線によって照射される。ＬＥＤ（複数可）３５は、流路３２の一端に位置決めされている。放射ビームおよび流れの主方向は、長手方向に延伸する流体流路３２の長手方向に沿って前後に（例えば、長手方向軸と整列した方向に）ある。リアクタ１０は、流体流中でＵＶ光反応（複数可）を達成するために使用されてもよい。リアクタ１０はまた、水の処理のような、流体の処理のために使用されてもよい。ＵＶ－ＬＥＤ３５は、流体流量を検出する装置からの信号などの外部信号によって自動的にオン／オフすることができる。
【0058】
図６は、本発明の例示的な実施形態によるＵＶ－ＬＥＤリアクタ２０を示す。図６の例示の実施形態では、ＵＶ－ＬＥＤリアクタ２０は、ハウジング５４と、（水などの流体を長手方向に搬送するための対応する長手方向に延伸する流体流路５３を画定する）流路壁５５と、流体を入れるための入口５６および流体を出すための出口５７と、ＬＥＤ５８と、ＬＥＤ５８と長手方向に延伸するチャネルとの間に配置されたＵＶ透過窓５９とを備えている。。コリメートレンズ、収束レンズ、および／もしくは他のレンズ、またはそれらの組み合わせを含む１つまたは複数のレンズ（図６には明示的に示されていない）を、リアクタ２０内でＵＶ－ＬＥＤ５８と流体流路５３との間に配置して、ＵＶ－ＬＥＤ放射パターンを、長手方向に延伸する各流路５３の各々へと集束させることができる。ＵＶ－ＬＥＤリアクタ２０は、マルチチャネルリアクタであり、流体流がリアクタチャネル５３を通って移動するとき、流体流は、いくつかの長手方向に延伸するチャネル５３Ａにおいては一端から（図６の実施形態のリアクタ２０の側面の２つの外側チャネル５３Ａ）から、いくつかのチャネル５３Ｂにおいては２つの端部から（図６の実施形態のリアクタ２０の２つの内側チャネル５３Ｂ）から、ＵＶ－ＬＥＤによって照射される。上述の実施形態のいずれかと同様に、一般に、リアクタ２０の流体流路５３のいずれかは、それらの長手方向端部の一方または両方から照射することができる。いくつかの実施形態では、これは、流れが出入りするチャネルの長手方向両端にＬＥＤ５８を配置することができるように、長手方向に対して入口５６および出口５７を適切に配向させることを含むことができる。図リアクタ２０の主な流体流方向は矢印で示されている。
【0059】
図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃおよび図３に関連して上述した概念は、図４～図６に示す実施形態のマルチチャネルリアクタの各チャネルに適用することができる。特に、適切に構成された放射線集束素子によって（例えば、適切な屈折率を有する材料から選択、成形、位置決め、作製などされるレンズ（複数可）によって）、および／または、流れ制御要素（複数可）の適切な選択によって、長手方向に延伸する流体流路の空孔の断面（またはその一部分）にわたる平均（長手方向に延伸する各流体流路の長手方向寸法にわたる）放射線フルエンス率プロファイルは、長手方向に延伸する流体流路の空孔の断面（またはその一部分）内の平均（長手方向に延伸する流体流路の長手方向寸法にわたる）長手方向速度流体速度プロファイルと正の相関を有することができ、またはいくつかの実施形態においては、概略的に比例することができる。
【0060】
ＵＶ－ＬＥＤリアクタのいくつかの実施形態は、長手方向に延伸する各流体流路を流れる流体を照射する複数のＵＶ－ＬＥＤ（すなわち、多対１の比率のＬＥＤと流体流路）を備える。図７および図８に示すようないくつかの実施形態（後述）では、複数の集束素子（各ＵＶ－ＬＥＤに１つの集束素子）が組み込まれ、各ＵＶ－ＬＥＤからの放射線は、その対応する集束素子によって集束され、その対応するチャネルに導かれる。図１１および図１２に示すような他の実施形態（後述）では、１つまたは複数の集光素子（またはその部分）が複数のＵＶ－ＬＥＤ間で共有され、複数のＵＶ－ＬＥＤからの放射線が、１つまたは複数の集束素子を通過してそれらの対応するチャネルに入る。いくつかの実施形態では、１つまたは複数のＬＥＤから成るグループが、任意の適切な内容で、１つまたは複数の対応する集束素子（または１つまたは複数の対応する集束素子内からの１つまたは複数の対応するレンズ）から成るグループを共有することができる。例えば、合計９個のＬＥＤおよび３個のレンズがあってもよく、ＬＥＤは３つのＬＥＤから成る３つのグループにグループ化され、３つのＬＥＤから成る各グループからの放射が、ＬＥＤグループに対応する単一のレンズを通過する。複数のＵＶ－ＬＥＤを組み込んだＵＶ－ＬＥＤリアクタが、相対的に大きな断面を有する空孔を有する流体流路に特に適し得る。複数のＵＶ－ＬＥＤは、流体流路を照射するために単一のＵＶ－ＬＥＤによって操作される実施形態と比較して、そのような流体流路における放射照度を増加させることによって照射範囲を最大にするのを助けることができる。
【0061】
図７および図８は、長手方向に延伸する各流体流路を照射するための複数のＵＶ－ＬＥＤ（すなわち、多対１の比率のＬＥＤおよび流体流路）と、複数の集束素子（すなわち、１対１の比率のＬＥＤおよび集束素子、集束素子は実際には複数のレンズを含んでもよいことは理解されたい）とを備える、実施形態によるＵＶ－ＬＥＤリアクタ３００、４００を示す。ＵＶ－ＬＥＤリアクタ３００，４００は、いくつかの点で、図２Ａおよび図２Ｂのリアクタ３０，４０と類似している。しかしながら、ＵＶ－ＬＥＤリアクタ３００，４００は、ＵＶ－ＬＥＤリアクタ３００，４００が、各ＵＶ－ＬＥＤリアクタ３００，４００の長手方向に延伸する流体流路３０１，４０１内の流体を照射するためにＵＶ放射線を放出するための複数のＬＥＤ集束素子アセンブリ３０８，４０８を備えるという点で、ＵＶ－ＬＥＤリアクタ３０，４０と異なる。各ＬＥＤ集束素子アセンブリ３０８，４０８は、ＵＶ－ＬＥＤ３０６，４０６と、１つまたは複数の集束レンズ３０４，４０４を備える対応する放射線集束素子３０７，４０７とを備える。例示の実施形態では、集束素子３０８，４０８は、各ＵＶ－ＬＥＤ３０６，４０６の１つのレンズ３０４，４０４を含むように示されている。レンズ３０４，４０４は、対応するＵＶ－ＬＥＤ３０６，４０６内に一体化されてもよく、または近接もしくは隣接して配置されてもよい。いくつかの実施形態では、集束素子３０８，４０８は、１つまたは複数のレンズ３０４，４０４を備えることができ、それらの各々が、対応するＵＶ－ＬＥＤ３０６，４０６に一体化されてもよく、または近接もしくは隣接して配置されてもよい。ＬＥＤ集束素子アセンブリ３０８，４０８と流体流路３０１，４０１との間に、石英窓などのＵＶ透過窓３１８，４１８を配置することができる。
【0062】
ＵＶ－ＬＥＤリアクタ３００，４００において、流体（図示せず）は、流体流路３０１，４０１の空孔の断面にわたって（破線３１９，４１９によって示すように）変化する長手方向速度プロファイル３１２，４１２で移動している。ＵＶ－ＬＥＤ３０６、４０６から放出される放射線３１５、４１５は、集束素子３０７、４０７（各集束素子３０７、４０７は、ＵＶ－ＬＥＤ３０６、４０６のうちの対応する１つに対応する）を通過し、集束されて、長手方向に延伸する流路３０１、４０１の空孔内で長手方向に移動している流体に衝突する。集束素子３０７、４０７および／またはそれらの集束レンズ３０４、４０４は、流体がより高い相対長手方向速度を有する流体流路３０１、４０１の空孔の断面の中心においてより高い相対放射線フルエンス率を提供するように（例えば、適切な屈折率を有する材料から選択、位置決め、成形、作製などされるレンズ（複数可）によって）構成することができる。逆に、集束素子３０７、４０７および／またはそれらの集束レンズ３０４、４０４は、流体流路３０１、４０１の空孔の断面の中心から離間した位置においてより低い相対放射線フルエンス率を提供するように（例えば、適切な屈折率を有する材料から選択、位置決め、成形、作製などされるレンズ（複数可）によって）構成することができる。適切に構成された放射線集束素子３０７、４０７によって（例えば、適切な屈折率を有する材料から選択、成形、位置決め、作製などされるレンズ（複数可）３０４、４０４によって）、長手方向に延伸する流体流路３０１、４０１の空孔の断面（またはその一部分）にわたる平均（長手方向に延伸する流体流路３０１、４０１の長手方向寸法にわたる）放射線フルエンス率プロファイルは、長手方向に延伸する流体流路３０１、４０１の空孔の断面（またはその一部分）内の平均（長手方向に延伸する流体流路３０１、４０１の長手方向寸法にわたる）長手方向速度流体速度プロファイルと正の相関を有することができ、またはいくつかの実施形態においては、概略的に比例することができる。したがって、流体がリアクタを出る（または流体流路３０１、４０１を出る）時点までに、流体の各成分は、類似または同等の総ＵＶ放射線量を受けることができる。
【0063】
実際には、例えば、これは、上述の特性を達成するように、チャネル３０１、４０１内の流体の予測される速度プロファイルに基づいて、放射線を流体流路３０１、４０１の空孔に集束させる１つまたは複数の集束レンズ３０４、４０４を含むように集束素子３０７、４０７の各々を構成することによって達成され得る。いくつかの実施形態では、そのような集束レンズ（複数可）は、必ずしも（ＵＶ放射線源に対して）その焦点距離に位置決めされない図１Ｂに示すような収束レンズ１８および／もしくは図１Ａに示すようなコリメートレンズ１５、または、所望の放射線フルエンス率プロファイルを達成するために、予測される速度プロファイルに基づいて流体流路３０１、４０１の空孔へと放射線を集束させるための任意の他の適切なレンズ（複数可）もしくはレンズの組み合わせを含んでもよい。図７および図８の例示の実施形態では、流体流路３０１、４０１の空孔内の流体の長手方向速度プロファイル３１２、４１２を観察することができるように、流体流路３０１、４０１の空孔の内部の放射線３１５、４１５が半透明であるように示されている。
【0064】
図７の実施形態の速度プロファイル３１２は、図８の実施形態の速度プロファイル４１２とは異なる。図７において、流体流路３０１の断面にわたる速度変化３１９は、図８の実施形態の速度変化４１９と比較したときにより大きい（すなわち、図７の実施形態の、流体流路３０１の空孔の断面の中心における最大速度と、流体流路３０１の空孔の断面の中心から離間した位置における速度との間の流体速度の変動は、図８の実施形態の、流体流路４０１の空孔の断面の中心における最大速度と、流体流路４０１の空孔の断面の中心から離間した位置における速度との間の流体速度の変動よりも大きい）。このように、図７の実施形態の集束素子３０７および／または集束レンズ３０４は、図８の実施形態のチャネル４０１の空孔の断面にわたるフルエンス率変動と比較して、図７の実施形態のチャネル３０１の空孔の断面にわたって相当に高いフルエンス率変動をもたらす（すなわち、図７の実施形態の、流体流路３０１の空孔の断面の中心と、流体流路３０１の空孔の断面の中心から離間した位置との間の放射線フルエンス率の変動が、図８の実施形態の、流体流路４０１の空孔の断面の中心と、流体流路４０１の空孔の断面の中心から離間した位置との間の放射線フルエンス率の変動よりも大きい）ように、放射線を集束させるように（例えば、適切な屈折率を有する材料から選択、位置決め、成形および／または作製されるレンズを用いて）構成される。図７の実施形態のＵＶ放射線は、空孔の断面の中心から離れた位置よりも、空孔の断面の中心に著しく集束され得る。
【0065】
これと比較して、図８の実施形態では、速度は、流体流路４０１の空孔の断面の中心において適度に高いだけである。このように、図８の実施形態の集束素子４０７および／または集束レンズ４０４は、図７の実施形態のフルエンス率変動と比較して、図８の実施形態の空孔４０１の断面にわたって中程度に高いフルエンス率変動をもたらす（すなわち、図８の実施形態の、流体流路４０１の空孔の断面の中心と、流体流路４０１の空孔の断面の中心から離間した位置との間の放射線フルエンス率の変動が、図７の実施形態の、流体流路３０１の空孔の断面の中心と、流体流路３０１の空孔の断面の中心から離間した位置との間の放射線フルエンス率の変動よりも小さい）ように、（例えば、適切な屈折率を有する材料から選択、位置決め、成形および／または作製されるレンズを用いて）構成される。ＵＶ放射線は、図８の実施形態の空孔４０１の断面の中心から離れた位置よりも、空孔４０１の断面の中心において中程度により多く集束され得る。
【0066】
図９は、図７および図８に示されるＵＶ－ＬＥＤリアクタ３００，４００と同様に、流体入口５３３を有する長手方向に延伸する流体流路５０１を照射する複数のＬＥＤレンズアセンブリ５０８を含むＵＶ－ＬＥＤリアクタ５００の上面斜視図である。図９の実施形態では、各ＬＥＤレンズアセンブリ５０８は、図７および図８の実施形態に関して上述したＬＥＤレンズアセンブリ３０８，４０８と同様の構成要素を有することができ、（流体の相対長手方向速度がより大きい）流体流路５０１の空孔の断面の中心においてより高い相対放射線フルエンス率を提供し、流体流路５０１の空孔の断面の中心から離間した位置（流体の相対長手方向速度がより低い）においてより低い相対放射線フルエンス率を提供するように、予想される速度プロファイルに基づいて流体流路５０１の空孔へと放射線を集束させる放射線集束素子を含む。図９には具体的に示されていないが、明瞭にするために、各ＬＥＤレンズアセンブリ５０８の構成要素が存在する。ＬＥＤレンズアセンブリ５０８と流体流路５０１との間に配置されてもよいＵＶ透過窓も図示されていない。適切に構成された放射線集束素子によって（例えば、適切な屈折率を有する材料から選択、成形、位置決め、作製などされるレンズ（複数可）によって）、長手方向に延伸する流体流路５０１の空孔の断面（またはその一部分）にわたる平均（長手方向に延伸する流体流路５０１の長手方向寸法にわたる）放射線フルエンス率プロファイルは、長手方向に延伸する流体流路５０１の空孔の断面（またはその一部分）内の平均（長手方向に延伸する流体流路５０１の長手方向寸法にわたる）長手方向速度流体速度プロファイルと正の相関を有することができ、またはいくつかの実施形態においては、概略的に比例することができる。図９の実施形態では、複数の流体出口５３４が、流体流路５０１の、照射される流体が存在する一端に配置されている。図９に示す複数の出口の構成は、流体流路５０１の断面にわたって、特に相対的に大きな断面を有する空孔を有する流体流路に対して相対的により均一な速度分布を促進することができる。
【0067】
図１０は、流体入口６３３を有する長手方向に延伸する流体流路６０１を照射する複数のＬＥＤレンズアセンブリ６０８（各々がＵＶ－ＬＥＤアセンブリ３０８、４０８と同様の構成要素を備える）を含むＵＶ－ＬＥＤリアクタ６００の上面斜視図である。リアクタ６００は、図９のＵＶ－ＬＥＤリアクタ５００に類似している。しかし、ＵＶ－ＬＥＤリアクタ６００は、ＵＶ－ＬＥＤリアクタ６００が入口６３３の近くに流れ分配器６７４をも備えるという点において、ＵＶ－ＬＥＤリアクタ５００とは異なる。流れ分配器６７４は、静的ミキサ、ボーテックスジェネレータ、バッフル等のような１つまたは複数の流れ制約要素を含むことができる。流れ分配器６７４は、付加的または代替的に、穿孔（例えば、多孔性）が分配器６７４の本体を通じて均一または不均一に分布する穿孔（例えば、多孔性）材料を含むことができる。流れ分配器６７４の多孔性は、流体流路６０１の断面内の流体速度のより均一な分布をもたらし、より均一な速度分布が望ましい場合には、流体流路６０１の空孔の断面と比較して、小さい断面を有する入口６３３によって生成される噴流の影響を排除することができる。流れ分配器６７４は、長手方向に延伸する流体流路６０１の空孔内の流体流を抑制するために、流体流路６０１に配備することができ、所望の速度プロファイルを達成し、かつ／または、長手方向に延伸する流体流路６０１の空孔の断面（またはその一部分）にわたる平均（チャネル６０１の長手方向寸法にわたる）放射線フルエンス率プロファイルと相関する、長手方向に延伸する流体流路６０１の空孔の断面（またはその一部分）にわたる平均（長手方向に延伸する流体流路６０１の長手方向寸法にわたる）長手方向速度プロファイルを提供するように（例えば、適切な形状、サイズ、密度、多孔性などによって）構成することができる。
【0068】
図１１および図１２は、長手方向に延伸する各流体流路を照射するための複数のＵＶ－ＬＥＤ７０６，８０６を含む（すなわち、多対１の比率のＬＥＤおよび流体流路）実施形態によるＵＶ－ＬＥＤリアクタ７００，８００を示す。図１１および図１２の実施形態では、複数のＬＥＤ７０６，８０６が、放射線集束素子７０７，８０７（すなわち、多対１のＬＥＤおよび放射線集束素子の比率）またはその一部分を共有する。図１１および図１２の例示の実施形態では、各集束素子７０７，８０７は、単一のレンズ７０４，８０４を含むものとして示されている。これは必須ではない。いくつかの実施形態では、各集束素子７０７，８０７は、複数のレンズ７０４，８０４を含んでもよい。いくつかのこのような実施形態では、複数のＬＥＤ７０６，８０６は、放射線集束素子７０７，８０７の部分（例えば、集束素子７０７，８０７内からの１つまたは複数のレンズ７０４，８０４）を共有することができる。ＵＶ－ＬＥＤリアクタ７００，８００は、いくつかの点で、図７および図８のＵＶ－ＬＥＤリアクタ３００，４００と類似している。例えば、ＵＶ－ＬＥＤリアクタ３００，４００と同様に、ＵＶ－ＬＥＤリアクタ７００，８００は、複数のＵＶ－ＬＥＤ７０６，８０６を含む。しかしながら、ＵＶ－ＬＥＤリアクタ７００，８００は、ＵＶ－ＬＥＤリアクタ７００，８００が、放射線集束素子７０７，８０７またはその部分を共有する複数のＬＥＤ７０６，８０６を含む（すなわち、多対１のＬＥＤおよび放射線集束素子の比率）という点において、ＵＶ－ＬＥＤリアクタ３００，４００とは異なる。放射線集束素子７０７，８０７は、各ＵＶ－ＬＥＤリアクタ７００，８００の長手方向に延伸する流体流路７０１，８０１内の流体を照射するために、ＵＶ－ＬＥＤ７０６，８０６によって放出されたＵＶ放射線を集束させる。例示の図７および図８の実施形態では、複数のＵＶ－ＬＥＤ７０６，８０６からの放射線は、共用されている集束素子７０７，８０７（またはその部分）を通過する。集束素子７０７、８０７と流体流路７０１，８０１との間に、石英窓などのＵＶ透過窓７１８，８１８を配置することができる。
【0069】
ＵＶ－ＬＥＤリアクタ７００，８００において、流体（図示せず）は、流体流路７０１，８０１の空孔の断面にわたる対応する変動７１９、８１９を有する長手方向速度プロファイル７１２，８１２で移動している。ＵＶ－ＬＥＤ７０６、８０６から放出される放射線７１５、８１５は、集束素子７０７、８０７を通過し、長手方向に延伸する流路７０１、８０１の空孔内で長手方向に移動している流体に衝突する。集束素子７０７、８０７のレンズ７０４、８０４は、流体がより高い相対長手方向速度を有する流体流路７０１、８０１の空孔の断面の中心においてより高い相対放射線フルエンス率を提供するように、適切な屈折率を有する材料から選択、位置決め、成形、作製などされ得る。逆に、集束素子７０７、８０７および／または集束レンズ７０４、８０４は、流体流路７０１、８０１の空孔の断面の中心から離間した位置においてより低い相対放射線フルエンス率を提供するように構成（例えば、適切な屈折率を有する材料から選択、位置決め、成形、作製）することができる。適切に構成された放射線集束素子７０７、８０７によって（例えば、適切な屈折率を有する材料から選択、成形、位置決め、作製などされるレンズ（複数可）７０４、８０４によって）、長手方向に延伸する流体流路７０１、８０１の空孔の断面（またはその一部分）にわたる平均（長手方向に延伸する流体流路７０１、８０１の長手方向寸法にわたる）放射線フルエンス率プロファイルは、長手方向に延伸する流体流路７０１、８０１の空孔の断面（またはその一部分）内の平均（長手方向に延伸する流体流路７０１、８０１の長手方向寸法にわたる）長手方向速度流体速度プロファイルと正の相関を有することができ、またはいくつかの実施形態においては、概略的に比例することができる。したがって、流体がリアクタを出る（または流体流路７０１、８０１を出る）時点までに、流体の各成分は、類似または同等のＵＶ放射線量を受けることができる。
【0070】
実際には、これは、上述の特性を達成するように、放射線を流体流路７０１、８０１の空孔に集束させる１つまたは複数のレンズ７０４、８０４を含むように集束素子７０７、８０７を構成することによって達成され得る。いくつかの実施形態では、そのような集束レンズ（複数可）は、必ずしも（ＵＶ放射線源に対して）その焦点距離に位置決めされない図１Ｂに示すような収束レンズ１８および／もしくは図１Ａに示すようなコリメートレンズ１５、または、所望の放射線フルエンス率プロファイルを達成するために、予測される速度プロファイルに基づいて流体流路７０１、８０１の空孔へと放射線を集束させるための任意の他の適切なレンズ（複数可）もしくはレンズの組み合わせを含んでもよい。図１１および図１２の例示の実施形態では、流体流路７０１、８０２の空孔内の流体の長手方向速度プロファイル７１２、８１２を観察することができるように、流体流路７０１、８０１の空孔の内部の放射線７１５、８１５が半透明であるように示されている。
【0071】
図１１の実施形態の速度プロファイル７１２は、図１２の実施形態の速度プロファイル８１２とは異なる。図１１において、流体流路７０１の断面にわたる速度変化７１９は、図１２の実施形態の速度変化８１９と比較したときにより大きい（すなわち、図１１の実施形態の、流体流路７０１の空孔の断面の中心における最大速度と、流体流路７０１の空孔の断面の中心から離間した位置における速度との間の流体速度の変動は、図１２の実施形態の、流体流路８０１の空孔の断面の中心における最大速度と、流体流路８０１の空孔の断面の中心から離間した位置における速度との間の流体速度の変動よりも大きい）。このように、図１１の実施形態の集束素子７０７および／または集束レンズ（複数可）７０４は、図１２の実施形態のチャネル８０１の空孔の断面にわたるフルエンス率変動と比較して、図１１の実施形態のチャネル７０１の空孔の断面にわたって相当に高いフルエンス率変動をもたらす（すなわち、図１１の実施形態の、流体流路７０１の空孔の断面の中心と、流体流路７０１の空孔の断面の中心から離間した位置との間の放射線フルエンス率の変動が、図１２の実施形態の、流体流路８０１の空孔の断面の中心と、流体流路８０１の空孔の断面の中心から離間した位置との間の放射線フルエンス率の変動よりも大きい）ように、放射線を集束させるように（例えば、適切な屈折率を有する材料から選択、位置決め、成形および／または作製されるレンズ７０４を用いて）構成される。図１１の実施形態のＵＶ放射線は、空孔の断面の中心から離れた位置よりも、空孔の断面の中心に著しく集束され得る。
【0072】
これと比較して、図１２の実施形態では、速度は、流体流路８０１の空孔の断面の中心において適度に高いだけである。このように、図８の実施形態の集束素子８０７および／またはレンズ８０４は、図１１の実施形態のフルエンス率変動と比較して、図１２の実施形態の空孔８０１の断面にわたって中程度に高いフルエンス率変動をもたらす（すなわち、図１２の実施形態の、流体流路８０１の空孔の断面の中心と、流体流路８０１の空孔の断面の中心から離間した位置との間の放射線フルエンス率の変動が、図１１の実施形態の、流体流路７０１の空孔の断面の中心と、流体流路７０１の空孔の断面の中心から離間した位置との間の放射線フルエンス率の変動よりも小さい）ように（例えば、適切な屈折率を有する材料から選択、位置決め、成形および／または作製されるレンズ（複数可）を用いて）構成される。ＵＶ放射線は、図１２の実施形態の空孔８０１の断面の中心から離れた位置よりも、空孔８０１の断面の中心において中程度により多く集束され得る。
【0073】
本明細書に記載されるリアクタおよびリアクタを使用する方法は、任意のＵＶ活性化光反応または光触媒反応に適用され得る効率的でコンパクトなＵＶ－ＬＥＤリアクタを提供することができる。これらの用途の１つは、ＵＶベースの水処理、特に微生物のＵＶ不活性化による水の浄化または消毒および化学汚染物質のＵＶベースの分解である。例えば、いくつかの実施形態は、以下の説明を含めて、本明細書の他の箇所に記載されているように、使用場所または取水場所の水浄化用途のような水の低～中程度の流量を処理するのに特に適している。さらに、本明細書に記載されるリアクタおよびリアクタを使用する方法は、既存のＵＶ－ＬＥＤリアクタと比較して優れた（または少なくとも相対的により一貫した）流体に対するＵＶ線量供給をもたらすために、ＵＶ－ＬＥＤ放射パターンおよび流動場流体力学の組み合わせに基づいて最適化することができる。
【0074】
本発明のいくつかの態様は、リアクタが、流体流路の空孔を通じて移動する流体成分のすべて（または実質的にすべて）に対して同様のまたは同等のＵＶ線量（放射線フルエンス率と滞留時間との積）を与えるように、長手方向に延伸する流体流路の空孔の断面（または断面の一部分）にわたる平均（長手方向に延伸するチャネルの長手方向寸法にわたる）放射線フルエンス率分布および／または平均（長手方向に延伸するチャネルの長手方向寸法にわたる）長手方向速度分布を制御するように設計されているリアクタを提供する。上述したように、これらのパラメータ（断面（またはその一部分）にわたる平均放射線フルエンス率分布および／または断面（またはその一部分）にわたる平均長手方向流体速度）の一方または両方は、チャネルの空孔の断面（またはその一部分）にわたる平均速度プロファイルと正の相関を有し、いくつかの実施形態では概略的に比例する平均放射線フルエンス率を達成するように制御することができる。簡潔にするために、これらの特性（本明細書の他の箇所でより詳細に記載されているような）は、速度－フルエンス率マッチングとして参照される場合がある。いくつかの実施形態では、このような速度－フルエンス率マッチングは、流体が長手方向に延伸する流体流路の長手方向の寸法を越えるときに、流体要素のすべてに対して同様のまたは同等のＵＶ線量を達成することができる。長手方向に延伸する流体流導管の空孔内を移動する流体の断面長手方向速度プロファイルは、流体流路の空孔の特性および流体速度とともに、流体特性の材料特性である流体のレイノルズ数に依存することが理解されよう。任意の流体要素の長手方向流体流速は一定である必要はなく、流体が流路の長手方向寸法に沿って移動するにつれて変化し得る（例えば、流体成分は、流路を通るその移動の間に、断面内のより高速の中心位置から断面の中心から離れたより低速の位置へ、またはその逆に移動し得る）ことがさらに理解されよう。
【0075】
本発明の前述の説明は、現在最良の形態であると考えられるものを当業者が作成し使用することを可能にするが、当業者は、本明細書における特定の実施形態、方法、および実施例の変形、組み合わせ、および均等物が存在することを理解し、諒解するであろう。したがって、本発明は、上述の実施形態、方法、および実施例によって限定されるべきではない。
【0076】
【0077】
例えば、例示的な実施形態によるＵＶ－ＬＥＤリアクタの様々なチャネル構成を、図１３～図１８を参照して以下で説明する。これらの実施形態では、ＵＶ－ＬＥＤリアクタは、放射線量制御方法および装置（本明細書の他の箇所に記載されるような放射線集束素子および／または流れ制約要素など）を、たとえそのような放射線集束素子および／または流れ制約要素が図面に具体的に図示または記載されていない場合であっても、組み込むことができる。
【0078】
図１３Ａ～図１３Ｅは、例示的な実施形態による単一チャネルＵＶ－ＬＥＤリアクタ構成の側面図を示す。一般に、これらの構成は、単一チャネルＵＶ－ＬＥＤリアクタとマルチチャネルＵＶ－ＬＥＤリアクタの両方に適用することができる。入口および出口の向きならびにそれらの流体流方向は、マルチチャネルリアクタの場合では、単一チャネルリアクタの場合と比較して異なる場合がある。直線状の黒色の矢印は、リアクタとリアクタの入口および出口の両方における流れの主な方向を示す。
【0079】
図１３Ａは、ハウジング６１と、ＵＶ－ＬＥＤ６２と、ＵＶ透過窓６３とを備えるＵＶ－ＬＥＤリアクタ７０Ａの側面図である。この単一チャネルリアクタは、流路の一端のみから照射され、出口方向における柔軟性を提供する。所望の光反応を引き起こすために、化学物質（図示せず）を流体流と共にリアクタに添加することができる。速度－フルエンス率マッチングを、図１３Ａの実施形態において、本明細書に記載の技術のいずれかを使用して達成することができる。
【0080】
図１３Ｂは、ハウジング６４と、２つ以上のＵＶ－ＬＥＤ６５と、ＵＶ透過窓６６とを備えるＵＶ－ＬＥＤリアクタ７０Ｂの側面図である。ＵＶ－ＬＥＤリアクタ７０Ｂは、（各端に位置する少なくとも１つのＵＶ－ＬＥＤ６５によって）流路の両端から照射され、一方の端部のみから照射される図７Ａの構成と比較してより高い放射線フルエンスを提供する。各ＵＶ－ＬＥＤ６５は、特定の波長（同じであっても異なっていてもよい）のＵＶ放射線を放出することができる。各ＵＶ－ＬＥＤ６５の波長が異なる場合、図１３Ｂの実施形態は、流体流を照射する異なる波長の組み合わせを提供することができ、これらの波長の１つ（または両方）は、速度－フルエンス率マッチングを呈することができる。各ＵＶ－ＬＥＤ６５の波長が同じである場合、図１３Ｂの実施形態におけるＵＶ－ＬＥＤ６５の組み合わせからの放射線は、速度－フルエンス率マッチングを呈することができる。
【0081】
図１３Ｃは、ハウジング７１と、ＵＶ－ＬＥＤ７２と、ＵＶ透過窓７３と、静的ミキサ７４または流体流を制約する他のこのような要素とを備えるＵＶ－ＬＥＤリアクタ７０Ｃの側面図である。湾曲した黒色の矢印は、静的ミキサ７４を通過した後の流体の混合を示す。静的ミキサ７４は、ＵＶ－ＬＥＤリアクタの流体力学の改善のために、混合および潜在的な渦の発生を促進するために適用される。他の方向の速度成分は相対的に均一ではない場合があるが、混合すると、長手方向流体速度の相対的により均一な分布が得られ得る。長手方向流体速度の相対的により均一な分布を提供することにより、対応するフルエンス率分布を実施することを容易にし、最終的に速度－フルエンス率マッチングを達成することをより容易にすることができる。
【0082】
図１３Ｄは、ハウジング８１と、１つまたは複数のＵＶ－ＬＥＤ８２と、ＵＶ透過窓８３と、支持構造８４上に固定された光触媒とを備えるＵＶ－ＬＥＤリアクタ７０Ｄの側面図である。光触媒は、ＵＶ－ＬＥＤからのＵＶ放射線によって活性化されて、ＵＶ－ＬＥＤリアクタ内で光触媒反応を開始する。速度－フルエンス率マッチングを、図１３Ｄの実施形態において、本明細書に記載の技術のいずれかを使用して達成することができる。
【0083】
図１３Ｅは、ハウジング８５と、ＵＶ－ＬＥＤ８６と、ＵＶ透過窓８７と、有孔支持構造８８上に固定された光触媒とを備えるＵＶ－ＬＥＤリアクタ７０Ｅの側面図である。光触媒は、ＵＶ－ＬＥＤからのＵＶ放射線によって活性化されて、光触媒反応を開始する。光触媒がリアクタチャネル断面内に配置されるこの構成は、光触媒に対して高い放射束を提供することができる。速度－フルエンス率マッチングを、図１３Ｅの実施形態において、本明細書に記載の技術のいずれかを使用して達成することができる。
【0084】
図１４Ａおよび図１４Ｂは、長手方向に延伸する流体流路のスタックを備える例示的な実施形態による２つのＵＶ－ＬＥＤリアクタ８０および９０の側面図（第３の寸法の方向を示す点線を有する）である。図１４Ａは、ハウジング９１と、各々が矩形断面を有する、長手方向に延伸する流体流路９２のスタックと、複数のＵＶ ＬＥＤ９３とを備えるＵＶ－ＬＥＤリアクタ８０の側面図を示す。図１４Ｂは、ハウジング９５と、各々が三角形断面を有する、長手方向に延伸する流体流路９６のスタックと、複数のＵＶ ＬＥＤ９７とを備えるＵＶ－ＬＥＤリアクタ９０の側面図を示す。これらの実施形態のいずれにおいても、流体は、長手方向に延伸する流体流路のスタックを通って移動する際に、ＵＶ ＬＥＤによって照射される。速度－フルエンス率マッチングを、図１４Ａおよび図１４Ｂの実施形態の流路の各々において、本明細書に記載の技術のいずれかを使用して達成することができる。そのような構成は、高いＵＶフルエンス（線量）および／または高いスループットをもたらすことができるＵＶ－ＬＥＤリアクタの製造を容易にする。流体流路の断面は、長方形（図１４Ａ）、三角形（図１４Ｂ）、または別の形状であってもよい。主な流体流方向が矢印で示されている。ＵＶ透過窓などを含むＵＶ－ＬＥＤリアクタ８０，９０の他の構成要素は、図解において残りの構成要素を不明瞭にしないように示されていない。
【0085】
図１５Ａ～図１５Ｃは、例示的な実施形態によるＵＶ－ＬＥＤリアクタ１１１０の上面図（図１５Ａ）、側面図（図１５Ｂ）、および斜視図（図１５Ｃ）を示す。ＵＶ－ＬＥＤリアクタ１１１０は、ハウジング１１１９と、長手方向に流体（例えば水）を搬送するためのチャネル壁１１１４を有する、一対の隣接する長手方向に延伸する流体流路１１１３と、流体を入れるための入口１１１１と、流体を出すための出口１１１２とを備える。ＵＶ－ＬＥＤリアクタ１１１０はまた、回路基板１１１６に搭載された２つ（またはそれ以上の）ＵＶ－ＬＥＤ１１０６と、回路基板１１１６と流体流路１１１３との間に配置された石英窓などのＵＶ透過窓１１１８と、オン／オフスイッチ１１２１と、電源ポート１１２２とを備える。ＵＶ－ＬＥＤ、マイクロコントローラ、および他の電子機構（図示せず）のための駆動回路は、ＬＥＤ回路基板１１１６とオン／オフスイッチ１１２１との間の電子ハウジング１１２３内に配置することができる。コリメートレンズ、収束レンズ、発散レンズおよび／もしくは他のレンズ（図示せず）のような種々のレンズ（図示せず）を、リアクタ１１１０内でＵＶ－ＬＥＤ１１０６と長手方向に延伸する流体流路１１１３との間に配置して、ＵＶ－ＬＥＤ放射パターンを、流体流路１１１３へと集束させることができる。流体流路１１１３は、流体が一方のチャネル１１１３から隣接するチャネル１１１３へ移動するために、一端において流体連通している。主な流体流の方向を示す矢印によって示されるように、流体は入口１１１１からリアクタ１１１０に入り、第１の長手方向に延伸する流体流路１１１３を通って流れ、隣接する内側チャネル１１１３の端部において旋回した後、引き続き第２の長手方向に延伸する流体流路１１１３を通った後、出口１１１２から出る。流体は、ＵＶ－ＬＥＤリアクタ１１１０に出入りして流れ、チャネル１１１３を通過し、ＵＶ－ＬＥＤ１１０６からのＵＶ放射線によって照射される。速度－フルエンス率マッチングを、図１５Ａ～図１５Ｃの実施形態の流路の各々において、本明細書に記載の技術のいずれかを使用して達成することができる。
【0086】
図１６Ａ～図１６Ｄは、例示的な実施形態によるＵＶ－ＬＥＤリアクタ１１２０の上面図（図１６Ａおよび図１６Ｄ）、側面図（図１６Ｂ）、および斜視図（図１６Ｃ）を示す。ＵＶ－ＬＥＤリアクタ１１２０は、ハウジング１１３９と、長手方向に流体（例えば水）を搬送するためのチャネル壁１１３４を有する、一対の隣接する長手方向に延伸する流体流路１１３３と、流体を入れるための入口１１３１と、流体を出すための出口１１３２と、回路基板１１３６上に搭載されているＵＶ－ＬＥＤ１１３５とを備える。コリメートレンズは１１３７であり、リアクタ１１２０内のフレーム１１４４上でＵＶ－ＬＥＤ１１３５と流体流路１１３３との間に配置されて、ＵＶ－ＬＥＤ放射パターンを、長手方向に延伸する流体流路１１３３へと集束させることができる。リアクタ１１２０はまた、コリメートレンズ１１３７を保持するフレーム１１４４と流体流路１１３３との間に配置された石英窓のようなＵＶ透過窓１１３８を備える。リアクタ１１２０は、オン／オフスイッチ１１４１および電源ポート１１４２を備える。ＵＶ－ＬＥＤ、マイクロコントローラ、および他の電子機構（図示せず）のための駆動回路は、ＬＥＤ回路基板１１３６とオン／オフスイッチ１１４１との間の電子ハウジング１１４３内に配置することができる。コリメートレンズ１１３７は、ＵＶ－ＬＥＤ１１３５からのＵＶ放射線を流体流路へとコリメートする。いくつかの実施形態では、ＵＶ－ＬＥＤ１１３５は、ＬＥＤに一体化された収束レンズを有することができる。ＵＶ－ＬＥＤ１１３５の前面に配置された収束レンズおよびコリメートレンズの両方が存在することによって、流体流を照射するより効果的な方法を提供することができる。図１６Ｄを参照すると、ＵＶ－ＬＥＤ１１３５から放出され、コリメートレンズ１１３７を通過してコリメート光線１１４６になるＵＶ光線１１４５が示されている。流体は、ＵＶ－ＬＥＤリアクタ１１２０に出入りして流れ、チャネル１１３３を通過し、リアクタチャネル１１３３内でＵＶコリメート光線１１４６によって照射される。このリアクタ構成は、円形断面の流路を有してもよい。ＵＶ光線の主な方向が破線の矢印で示されている。速度－フルエンス率マッチングを、図１６Ａ～図１６Ｄの実施形態の流路の各々において、本明細書に記載の技術のいずれかを使用して達成することができる。
【0087】
図１７Ａおよび図１７Ｂは、ＵＶ－ＬＥＤによって照射される、長手方向に延伸する流体流路の長さを通じて配置されているＵＶ－ＬＥＤリアクタの２つの構成の部分概略斜視図を示す。本明細書で説明される概念をより明確に図解するために、これらの図には、ＵＶ－ＬＥＤリアクタのＵＶ－ＬＥＤ、ＵＶ－ＬＥＤ基板、および光触媒構造のみが示されている。図１７Ａは、その上にＵＶ－ＬＥＤ１１５２が搭載されている一連の有孔基板１１５３を含むＵＶ－ＬＥＤリアクタ１１３０を示し、長手方向に延伸する流体流路１１５１内の流体流（図示せず）がＵＶ－ＬＥＤ１１５２によって照射される。図１７Ｂは、その上にＵＶ－ＬＥＤ１１５５が搭載されている一連の有孔基板１１５６と、一連の光触媒構造１１５７とを含むＵＶ－ＬＥＤリアクタ１１４０を示し、長手方向に延伸する流体流１１５４内の流体流（図示せず）および光触媒構造がＵＶ－ＬＥＤ１１５５によって照射される。矢印はＵＶ－ＬＥＤおよび光触媒構造を通過するときの流体流の全体的な方向を示す。流体流は、ＬＥＤ有孔基板および光触媒構造を通過する。この構成は、流体中の光反応および光触媒反応を引き起こすことができる。速度－フルエンス率マッチングを、図１７Ａおよび図１７Ｂの実施形態において、本明細書に記載の技術のいずれかを使用して達成することができる。
【0088】
図１８Ａおよび図１８Ｂは、ＵＶ－ＬＥＤによって照射される、流体流路の長さ全体を通じて配置されているＵＶ－ＬＥＤリアクタの２つの構成の部分概略斜視図を示す。本明細書で説明される概念をより明確に図解するために、これらの図には、ＵＶ－ＬＥＤリアクタのＵＶ－ＬＥＤ、ＵＶ－ＬＥＤ基板、および光触媒部分のみが示されている。図１８Ａは、その上にＵＶ－ＬＥＤ１１６２が搭載されている一連の中実基板１１６３を含むＵＶ－ＬＥＤリアクタ１１６０を示し、長手方向に延伸する流体流路１１６１内の流体流（図示せず）がＵＶ－ＬＥＤ１１６２によって照射される。図１８Ｂは、その上にＵＶ－ＬＥＤ１１６５が搭載されている一連の中実基板１１６６と、一連の光触媒構造１１６７とを含むＵＶ－ＬＥＤリアクタ１１７０を示し、長手方向に延伸する流体流路１１６４内の流体流（図示せず）および光触媒構造がＵＶ－ＬＥＤ１１６５によって照射される。矢印はＵＶ－ＬＥＤ１１６２、１１６５および光触媒構造１１６７を通過する流体流の全体的な方向を示す。湾曲した矢印によって示されるように、流体流は、ＬＥＤ基板の開放側（ＵＶ－ＬＥＤ基板によって占有されていないチャネルの一部分）上で、光触媒構造を通過する。この構成は、流体中の光反応および光触媒反応を引き起こすことができる。速度－フルエンス率マッチングを、図１８Ａおよび図１８Ｂの実施形態において、本明細書に記載の技術のいずれかを使用して達成することができる。
【0089】
図１７および図１８に示されるＵＶ－ＬＥＤリアクタ構成では、流体流および光触媒構造は、片側または両側からＵＶ－ＬＥＤによって照射することができる。したがって、ＵＶ－ＬＥＤは、ＬＥＤ基板の片面または両面に搭載されてもよい。さらに、図１７および図１８に示すいずれの構成においても、静的ミキサ（図示せず）をリアクタ内に配置して、流体流の流体力学を変更することができる。
【0090】
本明細書に記載の長手方向に延伸する流体流路は、円形、半円形、正方形、矩形、三角形、台形、六角形などを含むが、これらに限定されない任意の適切な形状をとることができる断面を有する。これらの断面は、特定の流体流条件およびＵＶ－ＬＥＤ放射パターンを所与として、リアクタ流体力学および／または放射線分布を改善することによって、リアクタ性能を向上させることができる。例えば、円形断面を有する流体流路は、ＵＶ－ＬＥＤコリメート放射線について流体への最適な放射線伝達を提供することができる。
【0091】
本明細書に記載の技術の実施形態は、流体中の様々なＵＶ活性化光反応または光触媒反応に適用可能な効率的でコンパクトなＵＶ－ＬＥＤリアクタを提供することを対象とする。例えば、本明細書に記載のように、これらの用途の１つは、微生物のＵＶ不活性化による水の浄化および化学汚染物質のＵＶベースの分解である。
【0092】
ＵＶ－ＬＥＤリアクタの特定の用途は、例えば、使用場所の用途における、低～中程度の流量の水の処理および処置を含む。さらに、本明細書に記載の実施形態によるＵＶ－ＬＥＤリアクタは、そのコンパクトな構成および高い効率に起因して、器具（例えば、冷蔵庫、冷凍庫、水冷器、コーヒーマシン、給水器、製氷機など）、健康管理または医療デバイスまたは設備、歯科用機器、および清潔な水の使用を必要とする任意の他のデバイスに組み込むことができる。ＵＶ－ＬＥＤリアクタは、デバイスに組み込まれてもよく、既存のデバイスに追加物として適用されてもよい。例えば、ＵＶ－ＬＥＤリアクタは、ＵＶ－ＬＥＤリアクタがデバイス内で使用される（例えば、デバイスの送水管を通過する）水を処理するように、送水管のいずこかに位置決めされてもよい。これは、パイプを通過する間に流体が照射／処理されることが望ましい場合、またはパイプの内部に潜在的な微生物バイオフィルムの形成を防止することが望まれる場合、または使用前にパイプラインの端部において流れが処理されることが望ましい場合に、特に興味深いものであり得る。ＵＶ－ＬＥＤリアクタは、１つまたは複数の他の形態の水浄化方法（ろ過など）と共にデバイスに組み込まれてもよい。次に、ＵＶ－ＬＥＤリアクタの例示的な使用場所の流体処理応用形態を、図１９～図２１を参照して説明する。
【0093】
図１９は、入口パイプ２０１、出口パイプ２０２、および給水栓２０５を備え、水の処理のためにＵＶ－ＬＥＤ２０４によって操作されるＵＶ－ＬＥＤリアクタ２０３を組み込んだ水処理システム２００を示す。水は、入口２０１を介してリアクタ２０３に入り、ＵＶ－ＬＥＤリアクタ２０３を通過し、一般的な使用のために出口パイプ２０２から出て給水栓２０５に進む前にＵＶ－ＬＥＤ２０４から放出されるＵＶ放射線によって照射される。概略的な流体流方向が矢印で示されている。
【0094】
いくつかの実施形態では、ＵＶ－ＬＥＤリアクタは、冷凍庫、水冷器、コーヒーメーカ、自動販売機などのような、人間による消費のために水（または水ベースの流体）を分配または使用する器具に組み込まれてもよい。人間による消費に使用される水は高度の浄化が必要である。例えば、冷蔵庫、冷凍庫、および水冷器の主な給水設備は、有害な病原体を含む可能性がある。これは、水道網に分配される前に水が適切に処理されない可能性のある途上国および遠隔地において特に懸念される。さらに、その特定の構造に起因して、冷蔵庫／冷凍庫の送水管は、バイオフィルムおよび微生物汚染を起こしやすいものであり得る。一般的に、ポリマーチューブが、屋外の氷および飲料水において使用されるために、水を主給水設備から冷蔵庫に移送する。特に水が使用されていないとき、細菌性バイオフィルムが送水管内に形成する可能性がある（例えば、バイオフィルムは８時間以内に形成する可能性がある）。間欠的な水使用パターンは、水柱全体が、日中長時間にわたって送水管内に停滞する原因となる。給水管が、表面上の細菌のコロニー形成およびバイオフィルムの形成を受けやすいことは、よく認識されている問題である。
【0095】
水の流れの開始および停止に応答して、リアクタのＵＶ－ＬＥＤを自動的にオンおよびオフにすることができる。センサは、流体流を検出し、ＵＶ－ＬＥＤをオンまたはオフにするためにリアクタに信号を送信するために使用することができる。ＵＶ－ＬＥＤリアクタは、（消費のための）送水管から出る水の中の微生物汚染を減少させ、感染リスクを低下させることができる。これは、ＵＶ－ＬＥＤの動作条件によって容易になる。例えば、ＵＶ－ＬＥＤは様々な温度で動作することができ、高い頻度でオンとオフとを切り替えることができ、これは特に冷蔵庫および水冷器用途にとって重要である。
【0096】
人間による消費を意図した水または水ベースの流体（例えば、コーヒーまたは他の飲料）を分配または使用する任意の器具は、水を処理するために本明細書に記載の実施形態によるＵＶ－ＬＥＤリアクタを組み込むことができる。例えば、図２０は、本体２１１と、水／氷ディスペンサ２１４に水を送るためのパイプ２１３とを備える冷蔵庫２１０を示す。冷蔵庫２１０には、ＵＶ－ＬＥＤリアクタ２１２が組み込まれている。パイプ２１３内を流れる水はＵＶ－ＬＥＤリアクタ２１２を通過し、水／氷ディスペンサ２１４に入る前にＵＶ放射線によって照射される。概略的な流体流方向が矢印で示されている。同様に、ＵＶ－ＬＥＤリアクタを組み込むことから利益を得ることができる他の器具には、冷凍庫、製氷機、冷凍飲料機、水冷器、コーヒーメーカ、自動販売機などが含まれるが、これらに限定されない。
【0097】
本明細書に記載された実施形態によるＵＶ－ＬＥＤリアクタの他の用途には、手術、洗浄または清浄な水を必要とする別の目的のために、健康管理または歯科関連または医療用デバイスまたは設備内でまたはそれによって使用される水または他の流体の処理が含まれる。特に、多くの健康管理用途では、水質が飲料水よりも高い水準であることが要求される。本明細書に記載されるＵＶ－ＬＥＤリアクタの効率およびコンパクト性は、それらのリアクタを、医療機器における実施のための従来のＵＶランプリアクタよりも魅力的にすることができる。
【0098】
例えば、図２１は、本体２２１と、ＵＶ－ＬＥＤリアクタ２２２を収容するパイプ２２３とを含む血液透析器を示す。パイプ２２３を流れる水は、血液透析器での使用に先立ち、処理のためにＵＶ－ＬＥＤリアクタ２２２を通過する。同様に、ＵＶ－ＬＥＤリアクタを組み込むことから利益を得ることができる他の器具には、限定されるものではないが、結腸洗浄治療機器、および洗浄または手術のために水を供給する歯科機器などが含まれる。
【0099】
歯科機器の用途に関して、歯科ユニットウォーターライン（ＤＵＷＬ）の調査は、バイオフィルムの形成が問題であり、ＤＵＷＬにおいて同定された細菌の大部分が遍在するものであることを示している。このような細菌は家庭の水分配システムでは少ない数しか存在しないかもしれないが、歯科ユニットの、空孔の狭い送水管の内腔表面にバイオフィルムとして繁栄する可能性がある。汚染されたＤＵＷＬからの微生物は、作業ユニットハンドピースによって生成されるエアロゾルおよび跳ねによって転移する。様々な研究は、ＤＵＷＬにおける微生物汚染の低減の必要性を強調している。
【0100】
いくつかの実施形態では、ユニットに使用される水を処理するためにＵＶ－ＬＥＤリアクタを歯科ユニットに組み込むことができる。ＵＶ－ＬＥＤリアクタは、歯科ユニット（歯科用椅子など）に一体化されてもよく、またはＵＶ－ＬＥＤリアクタは、使用前に水を処理するために、水スプレーを保持する歯科用椅子のトレイ（アシスタントトレイ）内、もしくは、水スプレーハンドル内、もしくは、送水管を通じた他のいずこかに配置されてもよい。インスタントオンおよびオフを含む機能が、歯科ユニットに組み込まれたＵＶ－ＬＥＤリアクタに含まれてもよい。
【0101】
【0102】
本明細書に記載のＵＶ－ＬＥＤリアクタの実施形態の本体またはハウジングは、アルミニウム、ステンレス鋼、または金属、合金、高強度プラスチックなどのような他の十分に剛性で強固な材料から作成されていてもよい。いくつかの実施形態では、例えば、パイプに類似した単一チャネルリアクタはまた、ＵＶ耐性ＰＶＣなどの可撓性材料から作成されてもよい。また、ＵＶ－ＬＥＤリアクタの様々な構成要素は、異なる材料から作成されてもよい。さらに、光触媒構造を、ＵＶ活性化光触媒反応のためにリアクタに使用することができる。光触媒は、流体が通過する有孔基板上に固定されること、および／または流体が通過する中実基板上に固定されることによって、リアクタに組み込むことができる。リアクタの流体力学を変更するために、静的ミキサまたは他の形態の流動改変装置を適用することができる。さらに、異なる設計概念の組み合わせが使用されてもよい。例えば、光触媒と共に静的ミキサを使用することができる。
【0103】
本明細書に記載された実施形態は、特定の特徴および流体流路構成またはレンズ構成などを有して提示されているが、本明細書に記載の特徴または構成の任意の他の適切な組み合わせがＵＶ－ＬＥＤリアクタに存在し得ることを理解されたい。
【0104】
さらに、ＵＶ－ＬＥＤリアクタは、異なるピーク波長のＵＶ－ＬＥＤを組み込んで、相乗効果を引き起こして光反応効率を高めることができる。
【0105】
様々な実施形態の流路およびＵＶ－ＬＥＤアレイは、流れが所望の数のＬＥＤに曝露されるように配置され得る。設計は、単一流路、一連の平行な流路、または複数の流路からなるスタックであってもよい。流体に供給される全ＵＶ線量は、流量を調整すること、および／または、ＵＶ－ＬＥＤ強度を調節すること、および／または、複数のＵＶ－ＬＥＤをオン／オフすることによって制御することができる。この設計は、薄い平らなＵＶ－ＬＥＤリアクタの製造を可能にする。例えば、いくつかの実施形態では、ＵＶ－ＬＥＤリアクタは、流体のための入口ポートおよび出口ポートを有し、形状および寸法の点で、スマートフォンのサイズとほぼ同じであってもよい。
【0106】
チャネルの内壁は、流体への放射線伝達を促進し、本明細書に記載された速度－フルエンス率マッチングを達成するのを助けるために、高いＵＶ反射率を有する材料から作成されるか、またはそれによってコーティングされ得る。適切な反射材料は、例として、アルミニウム、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、石英などを含んでもよい。流体が１つのチャネルから別のチャネルに移動するために、２つの隣接する流体流路が一端において接続されていてもよい（流体はリアクタを多段に通過する）。ＵＶ－ＬＥＤ放射パターンを調整するために、コリメートレンズ、発散レンズ、収束レンズ、および他のレンズを含む種々のレンズをＵＶ－ＬＥＤリアクタに設置することができる。レンズは、本明細書の他の場所に記載されているように、速度－フルエンス率マッチングを提供するように構成することができる。
【0107】
いくつかの実施形態では、放射線フルエンス率がほとんどまたはまったくないリアクタの部分は、流体がこれらの領域を流れないように遮蔽（例えば充填）されてもよい。この（流体流路を効果的に成形する）ことは、そのような領域において滞留時間の一部分を費やす結果として、流体の一部分が低線量を受けるのを防止するのに役立ち得る。例えば、フルエンス率がない（またはほとんどない）領域については、図２Ｃの実施形態でこれを行うことができる。
【0108】
本明細書で説明される実施形態の多くは、流体流導管の空孔の断面またはその一部分を参照する。いくつかの実施形態では、文脈がそうでないと指示しない限り、流体流路の空孔の断面またはそのような断面の一部分への参照は、流体流路の空孔の全断面の表面積の５０％を超える面積を組み込む断面の一部分を意味するものとして理解されるべきである。いくつかの実施形態では、文脈がそうでないと指示しない限り、流体流路の空孔の断面またはそのような断面の一部分への参照は、流体流路の空孔の全断面の表面積の７５％を超える面積を組み込む断面の一部分を意味するものとして理解されるべきである。いくつかの実施形態では、文脈がそうでないと指示しない限り、流体流路の空孔の断面またはそのような断面の一部分への参照は、流体流路の空孔の全断面の表面積の８５％を超える面積を組み込む断面の一部分を意味するものとして理解されるべきである。いくつかの実施形態では、文脈がそうでないと指示しない限り、流体流路の空孔の断面またはそのような断面の一部分への参照は、流体流路の空孔の全断面の表面積の９５％を超える面積を組み込む断面の一部分を意味するものとして理解されるべきである。
【0109】
本明細書に記載される実施形態の多くは、（例えば、適切なレンズ選択、レンズ形状、レンズ位置および／または特定のレンズ（複数可）の屈折率によって、長手方向に延伸する流路の空孔の断面にわたる放射線フルエンス率プロファイルが、長手方向に延伸する流路の長さにわたって平均化されたときに、流路の空孔の断面（またはその一部分）にわたる、長手方向に流れる流体の断面速度プロファイルに概略的に比例するように、１つまたは複数のＵＶ－ＬＥＤからの放射を集束させるように構成されている集束素子を備える。いくつかのそのような実施形態では、「概略的に比例する」という語句は、流路の空孔の断面にわたる放射線フルエンス率プロファイルが、長手方向に延伸する流路の長さにわたって平均化されたときに、流路の空孔の断面（またはその一部分）にわたる、長手方向に流れる流体の断面速度プロファイルに、断面（またはその一部）にわたって５０％未満だけ変化する比例定数によって比例することを意味し得る。いくつかの実施形態では、この比例定数は、長手方向に延伸する流路の長さにわたって平均化されたときに、断面（またはその一部分）にわたって２５％未満だけ変化する。いくつかの実施形態では、この比例定数は、長手方向に延伸する流路の長さにわたって平均化されたときに、断面（またはその一部分）にわたって１５％未満だけ変化する。いくつかの実施形態では、この比例定数は、長手方向に延伸する流路の長さにわたって平均化されたときに、断面（またはその一部分）にわたって１０％未満だけ変化する。
【0110】
いくつかの例示的な態様および実施形態が上記で議論されてきたが、当業者は、それらの特定の変更、置換、追加および部分組み合わせを認識するであろう。したがって、添付の特許請求項の範囲および今後導入される特許請求項は、実施例に記載された実施形態によって限定されるべきではなく、明細書全体と一致する最も広い解釈を与えられるべきであることが意図される。
【図1A】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図3】
【図3A】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13A】
【図13B】
【図13C】
【図13D】
【図13E】
【図14A】
【図14B】
【図15A】
【図15B】
【図15C】
【図16A】
【図16B】
【図16C】
【図16D】
【図17A】
【図17B】
【図18A】
【図18B】
【図19】
【図 】
【図21】