DE102006022970B3

DE102006022970B3 - UV-Lichtquelle

Info

Publication number: DE102006022970B3
Application number: DE200610022970
Authority: DE
Inventors: Anja Dr. Flügge; Siegfried Egner; Alexander Lohner; Enrico Nadrag
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2006-05-11
Filing date: 2006-05-11
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2026-05-12
Also published as: WO2007131563A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Erzeugung von UV-Licht und/oder VUV-Licht vorgeschlagen, welche einfach aufgebaut ist und eine flächige Abstrahlung von UV-Licht erlaubt.

Description

Die Erzeugung von UV-Licht und VUV-Licht durch die Anregung von Gasen oder Gasgemischen mit hochfrequenten elektrischen Wellen, insbesondere mit Mikrowellen, ist bspw. aus der DE 41 36 297 A1 bekannt. Bei diesem UV-Strahler ist, ebenso wie bei vielen anderen aus dem Stand der Technik bekannten UV-Strahlern, die Energiedichte der Mikrowellen und des durch die Mikrowellen erzeugten Plasmas stark ortsabhängig. Infolge dessen ist auch die Energiedichte des emittierten UV- oder VUV-Lichts stark ortsabhängig. Dazu kommt noch, dass viele der aus dem Stand der Technik bekannten UV-Strahler eine punkt- oder linienförmige Strahlungsquelle darstellen und schon aus diesem Grund die Energiedichte des emittierten UV-Lichts mindestens mit dem Quadrat des Abstands zur Strahlungsquelle abnimmt.
Zur Durchführung von fotochemischen oder fotophysikalischen Prozessen, die vorzugsweise in gasförmiger, flüssiger oder fester Phase initiiert werden, ist es jedoch erforderlich, dass die Energiedichte des von der UV-Lichtquelle ausgesandten Lichts möglichst gleichmäßig und ortsunabhängig ist, um eine optimale Prozessqualität und -geschwindigkeit zu erzielen.
Aus der GB 2 413 005 A ist eine UV-Lichtquelle bekannt, bei der drei längliche Plasmakolben parallel zueinander in einer mindestens teilweise für UV-Licht durchlässigen Kammer angeordnet sind. Diese UV-Lichtquelle ist eine Linienquelle, so dass die Intensität des emittierten UV-Lichts stark ortsabhängig ist.
Aus der DE 199 55 671 A1 ist eine Vorrichtung zum Erzeugen von Plasma bekannt, bei dem der Versuch unternommen wird, Plasma mit einer sehr homogenen Energiedichte innerhalb einer Behandlungskammer bereitzustellen.
Aus der DE 41 09 895 C2 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von UV-Licht mit einer Kammer bekannt. In der Kammer befindet sich ein gasgefüllter Plasmakolben. Außerhalb dieser Kammer ist ein Magnetron vorhanden, das eine Mikrowellenstrahlung erzeugt, die über einen Wellenleiter und Öffnungen in der Kammer in die Kammer geleitet werden. Dort regen die Mikrowellen das in dem Plasmakolben befindliche Gas oder Gasgemisch an, so dass es UV-Strahlen emittiert.
Nachteilig an dieser Vorrichtung ist deren komplizierter Aufbau. Bei dieser Vorrichtung werden zwei Magnetrons benötigt, um das in einem Plasmakolben mit einer Länge von etwa 15 cm Länge befindliche Gas zur Emission von UV-Licht anzuregen. Des Weiteren wird für jedes Magnetron ein Wellenleiter benötigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung von UV-Licht, insbesondere Vakuum-UV-Licht, bereitzustellen, die einfach aufgebaut ist und welche eine flächige und homogene Emission des UV-Lichts erlaubt.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Erzeugung von UV-Licht nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass in der Kammer mehrere Plasmakolben vorhanden sind.
Das Vorhandensein mehrerer Plasmakolben in der Kammer führt zu einer Effizienzsteigerung der Vorrichtung, da die Mikrowellenstrahlung vollständig von dem in den Plasmakolben befindlichen Gas absorbiert wird. Des Weiteren nehmen naturgemäß mehrere Plasmakolben ein gewisses Raumvolumen ein, so dass eine flächige Abstrahlung von UV-Licht durch mehrere Plasmakolben gewährleistet wird.
Überraschenderweise hat es sich bei Versuchen herausgestellt, dass durch die Vielzahl nebeneinander angeordneter Plasmakolben, die sich gegenseitig nivellieren, die flächenspezifische Leistung des von der erfindungsgemäßen Vorrichtung emittierten UV-Lichts über die gesamte Lichtaustrittsfläche sehr konstant ist, obwohl in die Kammer homogen diffuse Mikrowellen eingeleitet werden.
Schließlich ist es möglich, in den mehreren Plasmakolben verschiedene Gase oder Gasgemische vorzusehen, so dass auf einfache Weise das Wellenlängenspektrum des emittierten Lichts eingestellt werden kann.
Schließlich ist auch als weiterer Vorteil hervorzuheben, dass die Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch das Vorhandensein mehrerer Plasmakolben stark zunimmt. Eine Undichtigkeit in einem der Plasmakolben führt lediglich zum Ausfall dieses Plasmakolbens, so dass die erfindungsgemäße Vorrichtung nach wie vor einsatzbereit ist, wenn auch mit reduzierter Lichtleistung.
Die Herstellung und Befüllung der Plasmakolben mit einem Gas oder Gasgemisch ist fertigungstechnisch gut zu beherrschen, da die Plasmakolben aus Quarzglasrohren mit rundem oder ovalem Querschnitt hergestellt werden können. Durch Abschmelzen der Enden dieser. Glasrohre können die Plasmakolben auf einfachste Weise hermetisch abgedichtet werden.
Durch das flächig emittierte UV-Licht der erfindungsgemäßen Vorrichtung können verschiedenste fotochemische und fotophysikalische Prozesse so angeregt werden, dass diese Prozesse gleichmäßig und mit hoher Reaktionsgeschwindigkeit ablaufen. Beispielsweise kann die Desinfektion von Trink- und Abwässern, Abgasen und von festen Stoffen, wie bspw. Lebensmitteln, Nassoxidationsprozesse, Synthesen, insbesondere von Vitaminen, UV-Polymerisationsreaktionen, Aushärteprozesse und/oder biochemische Prozesse mit dem von dem erfindungsgemäßen Unterdruckbehälter emittierten UV-Licht oder VUV-Licht initiiert werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann prinzipiell UVA, UVB, UVC und Vakuum-UV-Licht in einem Wellenlängenbereich von 200 bis 400 nm (UV-Licht) sowie von 100 nm bis 200 nm (VUV-Licht) emittieren. Die von dem Unterdruckbehälter emittierten Wellenlängen des UV-Lichts hängen u. a. davon ab, mit welchem Gas oder Gasgemisch die Plasmakolben gefüllt sind, welcher Druck in den Plasmakolben herrscht und wie das in den Plasmakolben befindliche Gas, bzw. Plasma angeregt wird. Die
Anregung des Gases im Unterdruckbehälter kann bspw. durch Mikrowellenenergie erfolgen.
Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Zur Füllung der Plasmakolben können Edelgase, Halogenide, Inertgase, Kohlenwasserstoffe, Sauerstoff, Stickstoff oder Mischungen bzw. chemische Verbindungen dieser Gase verwendet werden.
Vorzugsweise herrscht in den Plasmakolben ein Druck zwischen 10^-9 mbar und 1 bar.
Durch die Auswahl der Materialien für die Plasmakolben und die Scheiben, die Verwendung unterschiedlicher Materialien oder Materialkombinationen, wie beispielsweise Quarzglas oder Saphirglas, können die Beständigkeit gegenüber der Gasfüllung und die Transmission des UV- oder VUV-Lichts beeinflusst werden.
Durch die Auswahl des Gases oder des Gasgemisches, welches in die Plasmakolben gefüllt wird, sowie des Drucks in den Plasmakolben oder durch die Verwendung von Plasmakolben, die mit verschiedenen Gasen oder Gasgemischen gefüllt sind, in einer Vorrichtung, kann das Emissionsverhalten des Unterdruckbehälters in weiten Bereichen variiert und gesteuert werden, so dass das emittierte UV-Licht optimal an den photochemischen oder -physikalischen Prozess, der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung initiiert werden soll, angepasst werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann für die verschiedensten Einsatzzwecke verwendet werden. Insbesondere ist diese erfindungsgemäße Vorrichtung für jegliche fotochemischen oder fotophysikalischen Prozesse, die vorzugsweise in gasförmiger, flüssiger oder fester Phase (auch Gele) initiiert werden können, geeignet. Die möglichen Anwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst beispielsweise die UV- Desinfektion von Trink- und Abwässern, Abgasen und von festen Werkstoffen (beispielsweise von Kunststofffolien, die für Verpackungszwecke in der Lebensmittelindustrie desinfiziert werden müssen), Oxidationsprozesse, Synthesen, beispielsweise von Vitamin D u.a., UV-Polymerisationsreaktionen, Aushärteprozesse sowie biochemische Prozesse, die mit UV-Licht initiiert werden können.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch in einen Kanal eingebaut werden, sodass das durch den Kanal strömende Medium, wie beispielsweise Trink- oder Abwasser, mit UV-Licht bestrahlt und dadurch desinfiziert werden kann.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
Es zeigen
1 eine isometrische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kammer teilweise geschnitten;
2 eine isometrische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kammer;
3 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Kammer;
4 eine isometrische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Kammer, Wellenleiter und mehreren Magnetrons;
5 einen Querschnitt durch eine Einbausituation und
6 einen Längsschnitt durch eine Einbausituation.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist eine Kammer 1 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Isometrie geschnitten dargestellt.
Die Kammer besteht aus einem umlaufenden Rahmen 3. An einer Vorderseite des Rahmens 3 ist eine Blende 5 angeschraubt. Die Schraubenlöcher dieser Schraubverbindung sind mit dem Bezugszeichen 7 versehen. Die Blende 5 dient zur Aufnahme einer Scheibe 9. Diese Scheibe 9 ist aus einem Material hergestellt, welches durchlässig für UV-Licht und/oder VUV-Licht ist. Auf der Scheibe 9 kann ein Gitter (nicht dargestellt) aufgebracht werden, welches undurchlässig für Mikrowellenstrahlung ist, jedoch UV-Licht passieren lässt.
Durch das Zurückhalten der Mikrowellen wird die Effizienz erhöht und ein geschlossener Käfig nach Faraday gebildet.
Das Gitter kann zum Beispiel aus einem metallischen Werkstoff bestehen und durch Aufdampfen oder ein Druckverfahren direkt auf die Scheibe 9 aufgebracht werden. Alternativ ist es auch möglich, das Gitter als Geflecht aus Metalldrähten herzustellen und zusammen mit der Scheibe 9 in der Blende 5 zu befestigen.
Im Inneren der Kammer 1 sind zwei Reihen von Plasmakolben 11 mit vorzugsweise ovalem Querschnitt angeordnet.
Auf der Rückseite des Rahmens 3 sind ebenfalls eine Blende 5 und eine Scheibe 9 vorhanden. Der Aufbau entspricht der Vorderseite, so dass auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet werden kann.
In 2 ist die Kammer 1 nicht geschnitten dargestellt. Gleiche Bauteile haben die gleichen Bezugszeichen und es gilt das bezüglich 1 Gesagte entsprechend. In dem Rahmen 3 sind eine oder mehrere Öffnungen 10 vorgesehen, durch die Mikrowellenstrahlung in das Innere der Kammer 1 eingekoppelt werden kann.
Durch die Öffnung 10 an der Oberseite der Kammer 1 gelangen Mikrowellenstrahlungen in das Innere der Kammer 1.
Dort regen die Mikrowellen das in den Plasmakolben 11 befindliche Gas oder das in den Plasmakolben 11 befindliche Gasgemisch zur Emission von UV-Licht und/oder VUV-Licht an. Durch die Wahl des Gases und des im Inneren der Plasmakolben 11 herrschenden Drucks kann die Wellenlänge des von den Plasmakolben 11 emittierten Lichts in weiten Bereichen eingestellt werden.
Selbstverständlich muss nicht in allen Plasmakolben 11 einer Kammer 1 das gleiche Gas oder das gleiche Gasgemisch vorhanden sein. Dadurch ist es möglich, dass durch die Scheibe 9 der Kammer 1 UV-Licht oder VUV-Licht mit verschiedenen Wellenlängen emittiert wird.
In 3 ist ein Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt. Wie aus 3 ersichtlich, wird die Scheibe 9 an der Blende 5 mit Hilfe einer Klemmleiste 13 befestigt. Die Klemmleiste 13 ist mit der Blende 5 verschraubt (nicht dargestellt), so dass die Scheibe 9 zwischen der Klemmleiste 13 und der Blende 5 geklemmt wird.
Bei Bedarf kann eine Dichtung – beispielsweise aus Silikon – zwischen Scheibe 9 und Blende 5 sowie Blende 5 und Rahmen 3 vorgesehen werden. Auf die Öffnung 10 in dem Rahmen 3 ist ein Wellenleiter 15 aufgesetzt.
Der Wellenleiter 15 dient dazu, die von einem oder mehreren Magnetrons 17 emittierten Mikrowellen durch die Öffnung 10 ins Innere der Kammer 1 zu leiten. Bei vielen Anwendungsfällen der erfindungsgemäßen Vorrichtung können das oder die Magnetrons 17 direkt auf den Rahmen 3 aufgesetzt werden. Der Wellenleiter 15 ist dann entbehrlich.
In 4 ist eine isometrische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bestehend im Wesentlichen aus der Kammer 1, Wellenleitern 15 und Magnetrons 17 dargestellt.
Durch den Einsatz eines oder mehrerer Magnetrons 17 werden über die gesamte Länge der Kammer 1 Mikrowellen in die Kammer 1 eingekoppelt, so dass alle Plasmakolben 11 mit etwa der gleichen Intensität von den Mikrowellen angeregt werden. Weitere Vorteile der Verwendung mehrer Magnetrons 17 sind die Verwendbarkeit kostengünstiger Standard-Magnetrons und die Betriebssicherheit wegen der mehrfachen Redundanz.
Es hat sich bei praktischen Versuchen überraschenderweise herausgestellt, dass durch die Reflexion der Mikrowellen im Inneren der Kammer 1 die Plasmakolben 11 nahezu mit gleicher Intensität zum Leuchten beziehungsweise zum Emittieren von UV-Licht angeregt werden. Daher kann auch auf Reflektoren oder sonstige Einrichtungen zur Lenkung der Mikrowellen innerhalb der Kammer 1 verzichtet werden. Es ist auf jeden Fall vorteilhaft, wenn die Innenwände der Kammer 1 aus einem Material bestehen und/oder ein Gitter aufweisen, welches Mikrowellen reflektiert, oder mit einer entsprechenden Mikrowellen reflektierenden Beschichtung versehen sind.
In 5 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung geschnitten dargestellt, die in einen Abwasserkanal eingebaut ist und zur Desinfektion des durch den Abwasserkanal strömenden Wassers dient.
Der Kanal ist in 5 mit dem Bezugszeichen 19 bezeichnet. Der gesamte Kanalquerschnitt ist mit Wasser (nicht dargestellt) gefüllt.
In dem Kanal 19 befindet sich eine Kammer 1 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von UV-Licht.
Die Kammer 1 ist so in dem Kanal 19 angeordnet, dass die Längsrichtung der Kammer 1 parallel zur Strömungsrichtung des Wassers im Kanal 19 verläuft. In dem Querschnitt gemäß 5 strömt das Wasser senkrecht zur Zeichnungsebene durch den Kanal 19. Die von den Magnetrons 17 erzeugten Mikrowellen gelangen durch den Wellenleiter 15 in das Innere der Kammer 1. Diese Mikrowellen sind in 5 durch Pfeile 21 angedeutet. Im Inneren der Kammer 1 treffen die Mikrowellen auf die Plasmakolben 11 und regen das in den Plasmakolben befindliche Gas oder Gasgemisch an, so dass dieses Gas UV-Licht oder Vakuum-UV-Licht (Excimerstrahler) emittiert.
Dieses emittierte UV-Licht ist in 5 durch Pfeile 23 angedeutet. UV-Licht hat, wie seit langem bekannt ist, die Eigenschaft, desinfizierend zu wirken. Infolgedessen wird das im Kanal 19 befindliche Wasser durch das von den Plasmakolben 11 emittierte UV-Licht desinfiziert.
An den Seitenwänden des Kanals kann eine UV-Licht reflektierende Beschichtung 25 vorgesehen sein. Dadurch wird gewährleistet, dass UV-Licht, welches an die Seitenwände des Kanals 19 gelangt ist, nicht von den Seitenwänden absorbiert wird, sondern von der Beschichtung 25 reflektiert wird und erneut zur Desinfektion des Wassers dienen kann. Dadurch wird auf einfache Weise der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbessert.
Um sicherzustellen, dass das gesamte durch den Kanal 19 strömende Wasser desinfiziert wird, sind in dem Kanal 19 Leitkörper 27 vorgesehen. Diese Leitkörper 27 verengen im Bereich der Lichtquelle 1 den freien Strömungsquerschnitt auf ein Maß, das auf die Abmessungen der Scheibe 9 abgestimmt ist. Infolgedessen strömt das gesamte in dem Kanal 19 befindliche Wasser an der Scheibe 9 vorbei und gerät dabei in den durch die Pfeile 23 angedeuteten Strahlungsbereich der erfindungsgemäßen UV-Lichtquelle. Die Leitkörper 27 sind in dem Längsschnitt durch den Kanal 19 gemäß 6 ebenfalls gut sichtbar.
Alternativ zum Einbau der Leitkörper 27 in den Kanal 19 ist es auch möglich, in dem Boden des Kanals 19 eine Vertiefung (nicht dargestellt) vorzusehen. Diese Vertiefung kann den unteren Teil von Rahmen 3 und Blende 5 der Kammer 1 aufnehmen, so dass die Scheibe 9 bis zum Boden des Kanals 9 hinunterreicht. Diese Lösung kann auch an der Decke des Kanals 19 angewandt werden.
Selbstverständlich können bei Bedarf auch mehrere erfindungsgemäße Lichtquellen in Reihe und/oder in Serie geschaltet werden.

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung von UV-Licht und/oder Vakuum-UV-Licht mit einer Kammer (1), mit einem gasgefüllten Plasmakolben (11) und mit einem Magnetron (17) zur Erzeugung von Mikrowellen, wobei der Plasmakolben (11) innerhalb und das Magnetron (17) außerhalb der Kammer (1) angeordnet sind, wobei die Kammer (1) mindestens einen für UV-Licht und/oder VUV-Licht durchlässigen Bereich (9) und mindestens eine Öffnung (10) aufweist, durch die Mikrowellen in die Kammer (1) gelangen, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kammer (1) mehrere Plasmakolben (11) vorhanden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (1) eine erste Scheibe (9.1) und eine zweite Scheibe (9.2) umfasst, dass die erste Scheibe (9.1) und die zweite Scheibe (9.2') im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, und dass die erste Scheibe (9.1) und/oder die zweite Scheibe (9.2) für UV-Licht und/oder Vakuum-UV-Licht mindestens bereichsweise durchlässig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die erste Scheibe (9.1) und/oder die zweite Scheibe (9.2) aus Quarzglas oder einem anderen für UV-Licht und/oder VUV-Licht durchlässigen Material besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (1) undurchlässig für Mikrowellen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseiten der Kammer (1) Mikrowellen reflektieren.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten Scheibe (9.1) und/oder der zweiten Scheibe (9.2) ein Mikrowellen abschirmendes Gitter (26) aus einem metallischen Werkstoff vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Reihe von Plasmakolben (11) parallel zu der ersten Scheibe (9.1) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Reihe von Plasmakolben (11) parallel zu der zweiten Scheibe (9.2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Plasmakolben (11) über eine Breite (B) der Kammer (1) erstrecken.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die mindestens eine Öffnung (10) die von dem mindestens einen Magnetron (17) erzeugten Mikrowellen in die Kammer (1) eingekoppelt werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem mindestens einen Magnetron (17) und der Kammer (1) ein oder mehrere Wellenleiter (15) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmakolben (11) mit Edelgasen, Halogeniden, Inertgasen, Kohlenwasserstoffen, Sauerstoff, Stickstoff oder Mischungen oder chemischen Verbindungen dieser Gase gefüllt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Plasmakolben (11) ein Druck zwischen 10^-9 mbar und 1 bar herrscht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb der Kammer (1) und im Wesentlichen parallel zu den Scheiben (9.1, 9.2) eine UV-Licht und/oder VUV-Lichtreflektierende Schicht (25) vorhanden ist.