KR20190041013A

KR20190041013A - 정수 카트리지

Info

Publication number: KR20190041013A
Application number: KR1020197009440A
Authority: KR
Inventors: 라지브 드히만; 저스틴 엠 마쪼니; 마이클 이 그리핀; 헤망 알 파텔
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
Priority date: 2016-09-08
Filing date: 2017-08-28
Publication date: 2019-04-19
Also published as: EP3509996A4; EP3509996B1; US20190225509A1; BR112019004606A2; US10961132B2; CA3035887A1; AU2017322222B2; EP3509996A1; AU2017322222A1; CN109689578A; CN109689578B; WO2018048654A1

Abstract

외부 하우징 및 외부 하우징의 내부에 위치된 UV 처리 모듈을 갖는 UV 처리 카트리지. UV 처리 모듈을 통과하는 유체의 UV 처리를 위한 UVLED 어레이를 갖는 UV 처리 모듈. 외부 측벽과 모듈 측벽 사이의 내부 환형 공간은 UV 처리 모듈로의 유입 유동 경로를 형성하여서, 모듈 측벽의 내부에 작용하는 그리고 모듈 측벽의 외부에 작용하는 유체 압력을 실질적으로 균형 잡히게 한다.

Description

정수 카트리지

쓰고 버리는 타입(throw away type)의 교체가능 카트리지 필터가 흔히 유체 여과를 필요로 하는 기기 또는 기계에 고정된 필터 매니폴드에 상호 교환가능하게 연결된다. 몇몇 매니폴드는 필터 카트리지의 대략 90도 회전이 필터 카트리지를 맞물리게 하고 매니폴드로부터 맞물림 해제시키는 1/4 회전 필터 카트리지를 사용한다. 그러한 필터 카트리지와 매니폴드는 흔히 소다수 또는 브루잉된 커피(brewed coffee)를 위한 음료 분배 응용에 사용 현장 처리수(point of use treated water)를 공급하는 데 사용된다.

수처리 카트리지(water treatment cartridge)가 그것 내에 봉입된 다양한 처리 매체, 예를 들어 활성탄, 이온 교환 매체, 주름형 또는 비-주름형 여과 매체, 다공성 막, 다공성 중공 섬유 등과 함께 이용가능하다. 방사선-기반 살균 시스템은 유체(예컨대, 식수) 내의 또는 표면 상의 미생물을 감소시키기 위해 단파장 광자 방출, 예컨대 100 nm 내지 320 nm와 같은 자외선(UV) 범위의 방출을 사용한다. 방사선-기반 살균 시스템의 소스에 의해 방출되는 UV 방사선은 미생물의 생물학적 기능을 방해하고 그것의 번식을 지연시키거나 방지한다.

그러나, 콤팩트한 UV 교체가능 처리 카트리지는 쉽게 입수가능하지 않다. 따라서, 잠재적인 병원균을 사멸시키기 위해, 교체가능 처리 카트리지에 더하여 상류 또는 하류 UV 처리 시스템이 제공되어야 한다. 이러한 기능을 제공하기 위해 쉽게 삽입되거나 매니폴드로부터 제거될 수 있는 UV 처리 카트리지를 구비하는 것이 훨씬 더 바람직하고 융통성 있을 것이다. 흔히 커피 또는 소다수 응용을 위한 처리수는 공통 매니폴드에 부착된 직렬로 된 하나 초과의 제거가능 처리 카트리지에 의해 제공되는 여러 가지 처리 단계(여과, 경도 제어, 염소 제거 등)를 거친다. 따라서, 동일한 공통 매니폴드에 용이하게 고정되는 UV 처리 카트리지를 구비하는 것이 수처리 시스템에 융통성을 제공하고, 설치 비용을 감소시키고, 더 콤팩트한 수처리 시스템을 생성하고, 수처리 시스템의 제조자에게 규모의 경제를 제공할 것이다.

따라서, 일 태양에서, 본 발명은 제1 외부 단부, 제2 외부 단부, 및 제1 외부 단부와 제2 외부 단부를 연결하는 외부 측벽을 갖는 외부 하우징을 구비한 UV 처리 카트리지에 있다. 카트리지 입구 및 카트리지 출구가 외부 하우징 상에 위치된다. UV 처리 모듈이 외부 하우징의 내부에 위치된다. UV 처리 모듈은 모듈 제1 단부, 모듈 제2 단부, 및 모듈 제1 단부와 모듈 제2 단부를 연결하고 UV 처리 챔버를 둘러싸는 모듈 측벽을 갖는 내부 하우징을 포함한다. UV 광을 UV 처리 챔버 내로 지향시키는 UV 광 방출기의 어레이. 모듈 입구 및 모듈 출구를 갖는 UV 처리 모듈. 외부 측벽과 모듈 측벽 사이의 유입 유동 경로를 형성하는 내부 환형 공간이 카트리지 입구를 모듈 입구에 연결하고, 유출 유동 경로가 모듈 출구로부터 카트리지 출구까지 제공된다.

도 1은 수처리 카트리지의 일 실시예의 단면도.
도 2는 수처리 카트리지의 다른 실시예의 단면도.
도 3은 수처리 카트리지의 다른 실시예의 단면도.
도 4a는 모듈 측벽에 대한 단면의 실시예를 예시한 도면.
도 4b는 모듈 측벽에 대한 단면의 다른 실시예를 예시한 도면.
도 4c는 모듈 측벽에 대한 단면의 다른 실시예를 예시한 도면.
도 5는 수처리 카트리지의 다른 실시예의 사시도.
도 6은 도 5의 실시예의 종단면도.
도 7은 도 5의 처리 카트리지의 저부의 부분 종단면도.
도 8은 UV 어레이를 예시한 도면.
도 9는 UV 발광 다이오드(UVLED) 어레이에 대한 회로 기판 다이어그램.
도 10은 수처리 카트리지의 다른 실시예의 종단면도.
도 11은 도 10의 처리 카트리지의 상부의 부분 종단면도.
도 12는 12-12에서 취해진 도 11의 실시예에 사용되는 UVLED 하우징의 단면도.
도 13은 도 10의 실시예에 사용되는 UVLED 하우징의 상부를 예시한 도면.
도 14는 UVLED 수처리 카트리지의 미생물 성능을 측정하는 데 사용되는 실험 장치를 예시한 도면.
도 15는 UVLED 수처리 카트리지로부터 얻어진 미생물 성능 결과를 예시한 도면.

이제 도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 제1 외부 단부(14), 제2 외부 단부(16), 및 제1 외부 단부와 제2 외부 단부를 연결하는 종방향으로 연장되는 외부 측벽(20)을 갖춘 외부 하우징(12)을 구비한 UV 처리 카트리지(10)가 예시된다. 중심 종축(21)이 명료함을 위해 각각의 예시에 도시된다. 유체가 UV 처리 카트리지에 들어가고 그것으로부터 빠져나가도록 허용하기 위해 카트리지 유체 입구(22)와 카트리지 유체 출구(24)가 외부 하우징(12)을 통해 연장되어 제공된다. 외부 하우징은 별개의 UV 처리 모듈(26)을 둘러싼다. UV 처리 모듈(26)은 모듈 제1 단부(30), 모듈 제2 단부(32), 및 모듈 제1 단부(30)와 모듈 제2 단부(32)를 연결하고 UV 처리 챔버(36)를 둘러싸는 종방향으로 연장되는 모듈 측벽(34)을 갖춘 내부 하우징(28)을 포함한다. UV 광 방출기(38)의 어레이가 모듈 제1 단부 또는 모듈 제2 단부에 인접하게 위치되어, UV 광을 UV 처리 챔버(36) 내로 지향시킨다. 유체가 UV 처리 모듈(26)에 들어가고 그것으로부터 빠져나가도록 허용하기 위해 모듈 유체 입구(40)와 모듈 유체 출구(42)가 제공된다. UV 처리 카트리지는 카트리지 유체 입구(22)를 모듈 유체 입구(40)에 유체적으로 연결하는, 외부 측벽(20)과 모듈 측벽(34) 사이의 유입 유동 경로를 형성하는 내부 환형 공간(44)과, 모듈 유체 출구(42)로부터 카트리지 유체 출구(24)까지의 유체 유출 유동 경로(46)를 추가로 포함한다. 몇몇 실시예에서, 모듈 유체 출구(42)와 유체 유출 유동 경로(46)는 외부 하우징(12)을 통해 연장되어, 카트리지 유체 출구(24)를 형성한다.

내부 환형 공간(44)은 모듈 측벽(34)의 양측에 가압 유체가 존재하기 때문에 사용시 모듈 측벽(34)에 상당한 압력 차이가 가해지지 않는다는 점에서 유용한 기능을 제공한다. 환형 공간은 균일한 링 또는 원형 단면(예를 들어, 도 2, 도 3 및 도 10 참조)일 필요는 없지만, 모듈 측벽(34)을 가로질러 실질적으로 균형 잡힌 압력을 허용하여야 한다. 내부 환형 공간은 단면적 및/또는 형상이 테이퍼 형성되거나 변화할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에서, 모듈 측벽 상의 압력 차이는 20 psi 미만, 10 psi 미만, 5 psi 미만, 2 psi 미만, 1 psi 미만, 또는 0 psi, 또는 거의 동일한 압력이다. 따라서, 모듈 측벽(34)은 종종 30 psi 초과, 50 psi 초과, 또는 심지어 100 psi 초과의 압력 차이를 볼 수 있는, 외부 측벽(20)보다 훨씬 더 작은 압력 차이를 견디도록 설계될 수 있다. 그렇기 때문에, 모듈 측벽에 적합한 재료는 높은 압력 차이를 견딜 필요가 없고, 선택된 재료는 외부 측벽보다 훨씬 더 작은 두께를 가질 수 있다.

바람직한 모듈 측벽 재료는 처리 챔버 내의 유체의 향상된 항미생물 처리를 위해 UV 광에 대해 확산 반사성 또는 경면 반사성일 수 있으며, 이때 경면 재료는 UV 광을 그것의 표면을 따라 동일한 반사각으로 반사하고 확산 재료는 UV 광을 다수의 방향 및 각도로 반사한다. 경면 UV 재료는 100 nm 내지 320 nm의 범위의 UV 광에 대해 적어도 30%, 적어도 40%, 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 75%, 또는 적어도 90%의 경면 반사율을 나타낼 수 있다. 확산 UV 재료는 100 nm 내지 320 nm의 범위의 UV 광에 대해 적어도 30%, 적어도 40%, 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 75%, 또는 적어도 90%의 확산 반사율을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 폴리싱된(polished) 알루미늄은 고도로 폴리싱된 알루미늄 표면으로부터 90%의 경면 반사율을 나타낼 수 있는 반면, 더 거친 알루미늄 표면 마무리는 UV 광에 대해 확산적으로 작용할 수 있다. 여하튼, 경면이든지 또는 확산이든지 간에, 적합한 모듈 측벽 재료는 UV 처리 모듈 내에서 발생되는 UV 광이 주로 UV 처리 모듈 내에 봉쇄되고 모듈 측벽을 통과하지 않도록 UV 광에 대해 적어도 70%, 적어도 80%, 적어도 90%, 또는 적어도 100% 불투과성일 수 있다. 그렇기 때문에, 외부 하우징을 형성하는 재료는 반드시 UV 광 안정성이어야 할 필요는 없는데, 왜냐하면 그것은 더 낮은 레벨의 UV 광에 노출되거나 UV 광에 전혀 노출되지 않을 수 있기 때문이다. 예를 들어, 모듈 측벽 표면의 층을 형성하는 0.1 mm 두께의 알루미늄 포일(aluminum foil)이 UV 광 투과에 대해 불투과성이다. 추가의 적합한 모듈 측벽 재료가 추후에 도 4에 관하여 논의된다.

몇몇 실시예에서, UVLED 어레이는 처리될 액체와의 접촉으로부터 유체 밀봉되고, UV 광은 UV 투과성 재료를 통과한다. UV 투과성 재료는 100 nm 내지 320 nm의 범위의 UV 광에 대해 실질적으로 투과성이고, 석영, 용융 실리카, 및 사파이어를 포함할 수 있다.

외부 하우징 또는 내부 하우징의 횡단면은 임의의 적합한 기하학적 형상일 수 있고 서로 상이할 수 있지만, 흔히 원형 또는 타원형이다. 보이는 바와 같이, 도 1, 도 2 및 도 3을 비교하면, 처리 챔버(36)는 종축을 따라 그것의 단부들 중 하나의 단부에서 반대편 단부에서보다 더 큰 단면적을 갖고서 테이퍼 형성될 수 있다. 도 1에서, 처리 챔버(36)는 제1 외부 단부(14) 내의 카트리지 유체 출구(24)를 통과하는 출구 스템(stem)을 구비하는 일직선 원통을 포함하는 모듈 측벽(34)에 의해 둘러싸인다. 대안적인 실시예에서, 모듈 측벽(34)은 도 2에 보이는 바와 같이 더 작은 단부가 중력에 대해 상향으로 배향된 절두 원추(truncated cone)를 포함할 수 있고 모듈 내의 액체 유동은 종축을 따라 더 큰 단면적으로부터 더 작은 단면적으로 이루어지거나, 도 3에 보이는 바와 같이 절두 원추의 더 작은 단부가 중력에 대해 하향으로 향할 수 있고 모듈 내의 액체 유동은 종축을 따라 더 작은 단면적으로부터 더 큰 단면적으로 이루어진다. 단면적이 종축을 따라 감소하는 테이퍼 형성된 처리 챔버(36)를 구비하는 것은 도 1의 일직선 벽 원통에 비해 여러 가지 이점을 제공할 수 있다. UV 강도가 더 균일하게 분포될 수 있고, 도 1의 UV 어레이 반대편의 원통 단부에서의 유체 와류 및 결과적인 데드 존(dead zone)이 회피될 수 있다. 처리 챔버를 형성하는 데 더 적은 재료가 필요하며, 이는 더 비용 효율적일 수 있다. 또한, 중력이 입자로 하여금 UV 어레이 상에 정착하게 하지 않도록 UV 어레이가 중력에 대해 처리 챔버의 상부 쪽에 위치된 도 3의 기하학적 구조는, 유체의 UV 처리를 감소시키는 악영향을 미칠 수 있는 UV 어레이 상의 입자 정착 및 오손(fouling)이 덜하다는 이점을 갖는다.

위에 언급된 바와 같이, 모듈 측벽은 양측에 유사한 압력의 유체를 갖기 때문에, 모듈 측벽과 내부 하우징은 압력 용기로서의 역할을 할 필요가 없다. UV 처리 모듈이 외부 하우징 내에서 사용되지 않는다면, 내부 하우징은 UV에 대해 안정적이고 불투과성이며 압력 용기의 작동 압력을 견딜 수 있을 필요가 있을 것이다. 이는 스테인리스강과 같은 더 고가의 측벽 재료의 사용을 요구할 것이다. 내부 UV 처리 모듈 설계는 이들 2가지 요건을 분리시키며, 외부 하우징은 반드시 UV 광에 대해 안정적이고 불투과성일 필요는 없다. 따라서, 외부 하우징은 유체 처리 카트리지의 작동 압력을 수용할 수 있지만 UV 광에 노출되는 경우 시간 경과에 따라 저하될 수 있는 더 저렴한 중합체 재료로부터 제조될 수 있다. 내부 하우징이 또한 중합체일 수 있지만, 압력 용기로서의 역할을 할 필요는 없다. 따라서, 모듈 측벽은 필요한 경우 추가의 UV 불투과성 층이 외측 표면 상에 있는 PTFE 또는 UV 불투과성 층이 내측 표면 상에 있는 다른 중합체 재료와 같은 UV 안정성 재료로부터 제조될 수 있다. 바람직하게는, 이들 층은 UV 반사성(경면 또는 확산)이며, 이는 벽에서의 UV 흡수를 최소화하고 대신에 그것을 다시 액체를 향해 지향시킴으로써 액체에 대한 UV 선량(dose)을 증가시키는 추가 이점을 가질 것이다.

몇몇 실시예에서, 내부 하우징과 모듈 측벽(34)은 단일 재료로부터 제조될 수 있다. 내부 하우징과 모듈 측벽(34)은 스테인리스강, 니켈, 및 양극산화 알루미늄과 같은 박벽(thin-walled) 금속 재료로 제조될 수 있는데, 왜냐하면 모듈 측벽을 가로지른 압력 차이가 낮거나 0이기 때문이다. 이들 재료는 UV에 대해 안정적이고 불투과성이며, 식수에 적합하고, 그것들의 높은 열 전도율로 인해 UVLED 냉각에 우수하다는 이점을 갖는다.

몇몇 실시예에서, 내부 하우징과 모듈 측벽(34)은 도 4에 도시된 바와 같이 상이한 재료들을 레이어링(layering)함으로써 제조되는 복합 재료 또는 다층 재료일 수 있다. 도 4a에서, UV 불투과성 내부 층(47)이 모듈 측벽의 내측을 형성하고 모듈 측벽의 외측을 형성하는 배킹 층(backing layer)(49) 위에 배치되는 반면, 도 4b에서, 배킹 층(49)은 UV 불투과성이고 내부 층(47)은 UV 투과성이다.

도 4a에서, UV 광에 노출되는 내부 층(47)은 UV 불투과성 재료이고 바람직하게는 또한 UV 반사성이다. 예를 들어, 내부 층(47)은 그것의 광택 면(shiny side)이 UV 광을 향하는 알루미늄 포일일 수 있다. 내부 층(47)은 또한 스테인리스강과 같은 금속 재료의 임의의 얇은 시트(sheet)로부터 제조될 수 있다. 배킹 층(49)은 폴리염화비닐(PVC) 또는 폴리프로필렌(PP)과 같은 임의의 액체 적합성 재료로부터 제조될 수 있고, 기계적 강성과 조립을 위해 내부 층보다 두꺼울 수 있다. 적합한 구조용 접착제가 2개의 층을 결합시키는 데 사용될 수 있다.

도 4b는 모듈 측벽의 내부 층(47)이 석영 또는 PTFE와 같은 UV 투과성 또는 UV 확산성 재료로부터 제조되는 가능한 실시예를 도시한다. 배킹 층(49)은 스테인리스강 또는 알루미늄과 같은 금속 재료로부터, 또는 UV 안정성이고, 불투과성이고, 제품 또는 처리 과정에 임의의 바람직하지 않은 특성을 도입하지 않는 한 심지어 중합체로부터 제조될 수 있다. 배킹 층(49)은 바람직하게는, 예를 들어 그것을 알루미늄 포일 또는 라미네이팅된(laminated) 알루미늄 포일로부터 제조함으로써, 또한 UV 반사성이다. 적합한 구조용 접착제가 2개의 층을 결합시키는 데 사용될 수 있다.

모듈 측벽(34) 벽은 또한 2개 초과의 층으로부터 제조될 수 있다. 하나의 실시예가 도 4c에 도시되며, 여기서 내부 층(47)은 UV 투과성이고, 중심 층(51)은 UV 불투과성이고 바람직하게는 UV 반사성이며, 배킹 층(49)은 기계적 강성과 조립을 위해 추가된다. 따라서, UV 불투과성 층이 액체와의 집적 접촉에 적합하지 않은 경우, 그것은 액체와의 직접 접촉에 적합한 2개의 다른 층 사이에 개재될 수 있다. 적합한 구조용 접착제가 2개의 층을 결합시키는 데 사용될 수 있다. 그러한 구성의 일례는 내부 층(47)은 PTFE이고, 중심 층(51)은 알루미늄 포일이고, 배킹 층(49)은 PVC인 경우이다. 대안적인 실시예에서, 알루미늄 포일 중심 층(51)의 내구성과 액체-적합성이 또한 그것을 PTFE 또는 테트라플루오로에틸렌, 헥사플루오로프로필렌 및 플루오르화 비닐리덴(THV)의 중합체와 같은 플루오로중합체의 2개의 얇은 시트 사이에 라미네이팅함으로써 향상될 수 있다.

많은 실시예에서, 다층 측벽은 적어도 하나의 불투과성 층 및 기계적 강도를 위한 배킹 층과 같은 적어도 하나의 다른 층을 포함할 것이다. 많은 실시예에서, 불투과성 층은 양측에서 적어도 하나의 다른 층에 의해 덮일 것이다. 많은 실시예에서, 다층 측벽은 적어도 하나의 UV 투과성 층을 포함할 것이고, 그러한 층은 UV 불투과성 층을 덮을 수 있고, 바람직하게는 UV 불투과성 층은 UV에 대해 경면 또는 확산 반사성이다.

특정 실시예에서, 다층 모듈 측벽 재료는 양측에서 0.025 내지 0.25 mm 두께의 THV 필름으로 라미네이팅되거나 그것과 공압출된 0.025 내지 0.125 mm 두께의 알루미늄 포일, 및 1 내지 6 mm 두께의 PVC, 폴리카보네이트, 또는 1 내지 3 mm의 스테인리스강 또는 양극산화 알루미늄 시트와 같은 적합한 배킹 층 상에 접착된 결과적인 조립체를 포함할 수 있다. 다른 다층 측벽 재료는 양측에서 0.025 내지 0.125 mm 두께의 PTFE 필름으로 라미네이팅된 0.025 내지 0.125 mm 두께의 알루미늄 포일, 및 1 내지 6 mm 두께의 PVC, 폴리카보네이트, 또는 1 내지 3 mm의 스테인리스강 또는 양극산화 알루미늄 시트와 같은 적합한 배킹 층 상에 접착된 결과적인 조립체이다. 다른 다층 측벽 재료는 배킹 층으로서 위의 라미네이팅되거나 공압출된 층들 중 하나를 갖는 1 내지 6 mm 두께의 PTFE 시트이다. 다른 다층 측벽 재료는 어떠한 배킹 층도 없이 양측에서 0.025 내지 0.125 mm 두께의 PTFE 필름으로 라미네이팅된 0.25 내지 0.8 mm 두께의 알루미늄이다.

이제 도 5 내지 도 8을 참조하면, 정수 카트리지의 다른 실시예가 예시된다. 제1 외부 단부(14), 제2 외부 단부(16), 및 제1 외부 단부와 제2 외부 단부를 연결하는 종방향으로 연장되는 외부 측벽(20)을 갖춘 외부 하우징(12)을 구비한 UV 처리 카트리지가 예시된다. 중심 종축(21)이 명료함을 위해 도 6에 도시된다. 유체가 UV 처리 카트리지에 들어가고 그것으로부터 빠져나가도록 허용하기 위해 카트리지 유체 입구(22)와 카트리지 유체 출구(24)가 외부 하우징(12)을 통해 연장되어 제공된다. 외부 하우징은 별개의 UV 처리 모듈(26)을 둘러싼다. UV 처리 모듈(26)은 모듈 제1 단부(30), 모듈 제2 단부(32), 및 모듈 제1 단부(30)와 모듈 제2 단부(32)를 연결하고 UV 처리 챔버(36)를 둘러싸는 종방향으로 연장되는 모듈 측벽(34)을 갖춘 내부 하우징(28)을 포함한다. 모듈 제1 단부(30)는 제1 외부 단부(14)에 인접해 있다. UV 광 방출기(38)의 어레이가 모듈 제1 단부 또는 모듈 제2 단부에 인접하게 위치되어, UV 광을 UV 처리 챔버(36) 내로 지향시킨다. 유체가 UV 처리 모듈(26)에 들어가고 그것으로부터 빠져나가도록 허용하기 위해 모듈 유체 입구(40)와 모듈 유체 출구(42) - 둘 모두 내부 하우징(28)을 통해 연장됨 - 가 제공된다. UV 처리 카트리지는 카트리지 유체 입구(22)를 모듈 유체 입구(40)에 유체적으로 연결하는, 외부 측벽(20)과 모듈 측벽(34) 사이의 유입 유동 경로를 형성하는 내부 환형 공간(44)과, 모듈 유체 출구(42)로부터 카트리지 유체 출구(24)까지의 유체 유출 유동 경로(46)를 추가로 포함한다.

처리 카트리지는 급수 시스템 내로 배관된 호환성 매니폴드 내로의 수동식 설치를 허용하는 신속 분리 스타일(quick disconnect style)이다. 처리 카트리지의 수동식 설치는 호환성 매니폴드를 설치하고 그것을 기존의 급수 시스템 내로 배관하기 위해 요구될 것과 같은 어떠한 공구도 사용함이 없이 호환성 매니폴드 내로의 처리 카트리지의 설치 및 제거를 허용한다. 그렇기 때문에, 처리 카트리지는 무공구(tool free) 신속 분리 매니폴드 맞물림 부재(50)를 포함한다. 매니폴드 맞물림 부재(50)는 베이어닛 연결부(bayonet connection); 램프형 러그(ramped lug), 나선형 러그, 또는 Z-나사 러그(Z-thread lug)와 같은 반경방향으로 연장되는 러그; 종방향으로 연장되는 유체 카트리지 입구 프롱(prong) 및 종방향으로 연장되는 유체 카트리지 출구 프롱; 유체 카트리지 입구 및 유체 카트리지 출구를 갖춘 외부 하우징으로부터 연장되는 스템 - 스템은 원형, 타원형, 또는 다른 형상일 수 있음 -; 1/4 회전 연결부; 또는 필터를 매니폴드 상에 로킹시키기 위한 맞물림 캠으로서의 역할을 하는 반원 원형 섹션과 같은 아치형 저부 표면을 갖춘 러그로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 다른 무공구 신속 분리 매니폴드 맞물림 부재가 당업자에게 알려진 바와 같이 사용될 수 있다. 무공구 신속 분리 처리 카트리지 및 매니폴드는 흔히 누수를 방지하기 위해 그것들을 조이기 위한 공구 및 체결구(fastener)를 필요로 하는 물 연결부에 사용되는 플랜지, 나사, 개스킷, 또는 다른 시일(seal) 대신에 유체 밀봉 시일을 제공하기 위해 하나 이상의 O-링(53)을 채용한다. O-링은 매니폴드 부분, 처리 카트리지 부분, 또는 둘 모두 상에 위치될 수 있다.

일 실시예에서, 매니폴드 맞물림 부재(50)는 제1 외부 단부(14)로부터 종방향으로 연장되는 스템(52)을 포함하며, 이러한 스템은 스템의 측부에 있는 카트리지 유체 입구(22) 및 스템의 단부에 있는 종방향으로 연장되는 카트리지 유체 출구(24)를 구비한다. 다양한 실시예에서, 카트리지 유체 입구와 카트리지 유체 출구는 둘 모두가 균형 잡힌 유동력(flow force)을 위해 스템의 측부 내로 반경방향으로 배향될 수 있거나, 하나는 반경방향으로 그리고 다른 것은 종방향으로 배향될 수 있거나, 둘 모두가 종방향으로 배향될 수 있다. 스템(52)은 또한 처리 카트리지를 종축을 중심으로 수동으로 대략 1/4 회전만큼 회전시킴으로써 매니폴드에 대한 처리 카트리지의 신속 분리 결합을 위한 대응하는 매니폴드 내의 호환성 램프와 맞물리는 하부 캠 표면(56)을 갖춘 2개의 반경방향으로 연장되는 서로 반대편에 있는 러그(54)를 포함한다.

도 6 또는 도 10과 같은 많은 실시예에서, 제1 외부 단부(14)는 캡(cap)을 포함하는 일체형 몰딩(integral molding)이며, 이러한 캡은 매니폴드 맞물림 부재(50), 카트리지 유체 입구(22) 및 카트리지 유체 출구(24)를 갖춘, 캡으로부터 연장되는 스템(52)을 구비한다. 캡은 흔히 제2 외부 단부(16)와 외부 측벽(20)의 일체형 몰딩을 포함하는 섬프(sump)에 스핀 용접되거나 접착식으로 접합된다. UV 처리 모듈(26)이 섬프 내로 삽입될 수 있고, 이어서 도 6과 도 10에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이 캡이 위치되고 섬프에 접합될 수 있다.

이제 도 7과 도 8을 참조하면, UV LED 광 방출기(38)의 어레이는 선택적으로 UVLED 하우징(58) 내에 배치될 수 있다. UVLED 하우징(58)은 하키용 퍽(hockey puck)과 유사한 대체로 원통형일 수 있다. UVLED 하우징(58)의 주요 구성요소는 하부 하우징(60), 상부 하우징(62), 석영 또는 UV 투과성 디스크(64), 및 UV LED 광 방출기(38)의 어레이를 갖춘 드라이버를 구비한 회로 기판(66)이다.

하부 하우징(60)은 하부 하우징(60)의 주연부 주위에 배치된 복수의 모듈 유체 입구(40)를 포함할 수 있다. 선택적인 유동 편향기 플레이트(flow deflector plate)(68)가 유동 편향기 플레이트와 하부 하우징 사이의 모듈 입구 유동 경로(70)를 생성하도록 하부 하우징(60)에 부착될 수 있다. 유동 편향기 플레이트(68)는 유체가 유동 편향기 플레이트(68)의 중심 부근으로 들어가고 이어서 하부 하우징(60)에 평행하게 유동한 후에 복수의 모듈 유체 입구(40) 내로 90도 방향전환하게 한다. 이러한 접선방향 유동 경로는 UV LED 광 방출기(38)의 어레이를 위한 히트 싱크(heat sink)로서의 역할을 하는 하부 하우징(60)을 냉각시키는 데 도움을 준다. 하부 하우징(60)은 또한, UVLED 하우징을 외부 하우징(12)에 연결하고, 전력 와이어 및/또는 데이터 통신 와이어를 외부 하우징 및 내부 하우징 둘 모두를 통해 회로 기판(66)으로 통과시키는 전기 도관(72) 또는 개방부를 포함한다.

유체는 복수의 모듈 유체 입구(40)에 들어간 후에 종축에 대체로 평행하게 이동하고, 이어서 복수의 반경방향으로 비스듬한 와류 포트(swirl port)(74)를 통해 UVLED 하우징(58)으로부터 빠져나간다. 와류 포트(74)는 종축과 와류 포트의 중심을 통과하는 선에 대해 비스듬하고, 유체가 UV 처리 챔버(36)에 들어갈 때 유체가 종축을 중심으로 와동하고 혼합되도록 유체에 반경방향 유동 성분을 부여하도록 설계된다. 이는 유입되는 유체 전부에 UV LED 광이 가해져 UV 처리의 살균 능력을 향상시키는 것을 보장하는 데 도움을 준다. 와류 포트(74)는 또한 유동을 초기에 석영 디스크(64)의 표면을 따라 접선방향으로 지향시켜 그것의 표면으로부터 부스러기를 제거하고 석영 디스크(64)의 표면을 깨끗한 상태로 유지하는 것을 돕는 데 조력하도록 설계될 수 있다. 대안적으로, 다른 유체 포트가 유체를 UV 처리 챔버(36) 내로 이동시키기 위해 사용될 수 있다.

UVLED 부근에서의 UV 처리 모듈의 확대 단면도가 도 7에 도시된다. UVLED는 무공구 신속 분리 매니폴드 맞물림 부재를 갖춘 처리 카트리지의 저부 단부에서 인쇄 회로 기판(PCB) 상에 장착된다. PCB는 UVLED에 의해 발생되는 열을 처리될 유체로 소산시키기 위해 하부 하우징(60)과 같은 히트 싱크와 열 접촉한다. 이는 UVLED의 출력과 수명에 악영향을 미칠 수 있는 UVLED의 과열을 방지하기 위해 바람직하다. 하부 하우징(60)은 UVLED 모듈에 필요한 배선을 위한 전기 도관(72)으로서의 역할을 하는 나사형성된 관(threaded tube)에 연결될 수 있다. UVLED들이 UVLED 하우징 내에 장착되기 때문에, 그리고 UVLED 하우징이 UV 처리 모듈의 일 단부 상에 위치되기 때문에, 그것들의 전기적 격리, 열 관리, 및 배선이 UV 발광체가 처리 챔버 전체에 걸쳐 균일하게 위치된 경우보다 훨씬 더 간단하다.

UVLED 하우징(58)은 UVLED 광 방출기(38)의 어레이 위에 위치된 석영 디스크(64)를 갖는 유체 밀봉형 UVLED 하우징을 사용함으로써 UV LED 광 방출기(38)의 어레이와의 접촉으로부터 액체를 밀봉한다. 처리되는 액체 내로의 더 많은 UV 광 투사를 위해 UVLED의 상부 표면과 석영 디스크의 저부 표면 사이의 공기 갭을 최소화하는 것이 바람직할 수 있다. 도 7에 나타난 바와 같이, UVLED 광 방출기는 석영 디스크의 저부 표면과 접촉하고 있을 수 있다. 큰 공기 갭이 존재할 때, UVLED로부터 방출되는 일부 UV 광이 다시 석영 디스크에 의해 반사되고 회로 기판의 표면 또는 UVLED 하우징(58) 내의 다른 표면 내로 흡수되어 손실을 초래할 수 있다. 또한, UV 처리 챔버(36) 내로부터의 굴절된 또는 반사된 UV 광은 다시 석영 디스크를 통과하고 또한 회로 기판에 의해 흡수될 수 있다. 위의 손실은 UVLED 어레이를 향하는 석영 디스크의 표면 상의 PTFE 또는 THV와 같은 UV 투과성 플루오로중합체 필름의 도움으로 이러한 공기 갭을 최소화함으로써 감소될 수 있다. 또한, UV 반사성 층(예컨대, 알루미늄 포일)이 임의의 입사 UV를 다시 액체를 향해 반사하기 위해 UV 투과성 필름 아래에 배치될 수 있다. 이러한 반사성 필름은 복수의 구멍(78)을 갖춘 반사기(76)로 개구형성될 수 있으며, 이들 구멍의 크기 및 패턴은 도 8에 도시된 바와 같이 UVLED로부터 방출되는 UV 광이 통과할 수 있게 하기 위해 어레이 UVLED의 것과 정합한다. 반사기는 각각의 UVLED가 개구들 중 하나 내에 위치되는 상태로 UVLED 어레이 위에 배치된다.

또한, 액체와 접촉하는 석영 디스크(64)의 표면은 PTFE 또는 THV와 같은 플루오로중합체 층으로 덮일 수 있다. 이러한 층은 코팅 또는 박막의 형태일 수 있다. 그러한 구성은 다음의 2가지 주요 이익을 제공하는 것으로 여겨진다: 1. 플루오로중합체는 저 표면 에너지를 가질 수 있으며, 이는 예를 들어 UV 광을 흡수하고 액체에 전달되는 UV 에너지를 감소시키는 스케일(scale) 형성으로 인한 표면의 오손을 감소시키고; 2. 그것의 광 확산 특성으로 인해, PTFE는 그것의 표면으로부터 방출되는 UV의 균일한 분포를 생성하여, 액체의 더 효과적인 처리의 결과를 가져온다.

흔히, 최적의 작동을 위해 정전류 드라이버 및 밸런싱 칩을 갖춘 UVLED를 제공하는 것이 바람직하다. 정전류원은 전압 또는 열 효과로 인한 가변성을 최소화하면서 UVLED로부터의 일관된 광학 출력 및 예측가능한 레벨의 UV 조사를 보장하는 데 도움을 준다. 하나의 회로 변형의 경우, 전류 밸런싱 회로가 챔버 내외로의 배선을 단순화하고, 각각의 LED 스트링 또는 발광체 뱅크 사이의 원하는 전류 비를 유지하는 데 사용될 수 있다. 이러한 방법을 사용하여 UVLED에 에너지를 공급하는 것은 향상된 시스템 확장성(scalability)을 허용한다. 이러한 유형의 설계에서, 단일 LED 드라이버의 전류를 변경하는 것은 그 회로 내의 모든 UVLED에 영향을 미친다. 그러나, UVLED의 수를 변경하는 것은 UVLED의 임의의 하나의 회로 스트링에 있어서의 전류를 변화시키지 않는다. 또한, 방출기들의 하나의 UVLED 스트링이 고장나거나 개회로인 경우, 방출기들의 다른 (하나 이상의) UVLED 스트링으로의 전류는 총 광학 출력이 대략 동일하도록 보상된다.

도 9를 참조하면, UVLED의 어레이를 작동시키기 위한 전기 회로가 도시된다. 필요한 드라이버(65)와 밸런싱 칩(67)의 수는 특히 공급 전압에 의존한다. 48 VDC 공급 전압(69)을 갖는 하나의 가능한 배열이 도시된다. 이 예에서, 단일 LED 드라이버(65) 및 7개의 출력을 갖는 단일 밸런싱 칩(67)으로부터 구동되는 300 mA의 전류에서 각각 동작하는, 7개의 상이한 스트링 또는 뱅크로 분할된, UVLED 어레이(38)를 형성하는 총 26개의 UVLED가 있다.

몇몇 실시예에서, UVLED는 시스템을 형성하는 UV 광의 방출기 및 검출기 둘 모두로서의 역할을 할 수 있다. 시스템은 방사선 방출 모드 및 방사선 검출 모드로 동작하도록 구성된 다수의 디바이스를 포함한다. 디바이스들 각각은, 적절한 회로와 함께 사용될 때, 파장 및 강도가 살균성인 방사선을 방출하고 검출한다. 시스템은 적어도 하나의 구동원을 포함하며, 여기서 다수의 디바이스 각각은 순방향 바이어스 구성으로 구동원에 연결될 때 방출 모드로 동작하고, 구동원으로부터 분리될 때 또는 역방향 바이어스 구성으로 구동원에 연결될 때 검출 모드로 동작한다. 스위칭 회로가 디바이스들 각각에 그리고 구동원에 결합된다. 사이클링 회로는 다수의 디바이스들 중 하나 이상이 검출 모드로 스위칭되는 사이클에서 구동원에 대한 디바이스의 연결을 변경하도록 스위칭 회로를 제어하는 제어 신호들의 시퀀스를 생성하고, 방출 모드로 동시에 동작하는 다수의 디바이스들 중 하나 이상에 의해 방출되는 방사선을 감지한다. 검출 모드로 동작하는 각각의 디바이스는 감지된 방사선에 응답하여 신호를 생성한다. 검출 회로는 검출 모드로 동작하는 디바이스의 신호를 검출하고, 검출된 신호에 응답하여 검출 출력을 생성한다. UVLED에 대한 이러한 동작 모드에 관한 추가의 정보가 본 명세서에 참고로 포함되는, 2016년 12월 19일자로 출원된, 발명의 명칭이 "성능 모니터링을 갖는 살균 시스템(Disinfecting System with Performance Monitoring)"인 PCT 출원 PCT/US2016/067442호에 포함되어 있다.

이제 도 10 내지 도 13을 참조하면, 정수 카트리지의 다른 실시예가 예시된다. 제1 외부 단부(14), 제2 외부 단부(16), 및 제1 외부 단부와 제2 외부 단부를 연결하는 종방향으로 연장되는 외부 측벽(20)을 갖춘 외부 하우징(12)을 구비한 UV 처리 카트리지가 예시된다. 중심 종축(21)이 명료함을 위해 도 10에 도시된다. 유체가 UV 처리 카트리지에 들어가고 그것으로부터 빠져나가도록 허용하기 위해 카트리지 유체 입구(22)와 카트리지 유체 출구(24)가 외부 하우징(12)을 통해 연장되어 제공된다. 외부 하우징은 별개의 UV 처리 모듈(26)을 둘러싼다. UV 처리 모듈(26)은 모듈 제1 단부(30), 모듈 제2 단부(32), 및 모듈 제1 단부(30)와 모듈 제2 단부(32)를 연결하고 UV 처리 챔버(36)를 둘러싸는 종방향으로 연장되는 모듈 측벽(34)을 갖춘 내부 하우징(28)을 포함한다. 모듈 제1 단부(30)는 제1 외부 단부(14)에 인접해 있으며, 선택적인 입구 챔버(70)가 UV 처리 모듈(26)과 카트리지 유체 출구(24) 사이에 존재하고, 스템(52) 내의 내부 통로에 의해 유체 카트리지 입구(22)에 유체적으로 연결된다. 입구 챔버(70)는 분산 방식으로 내부 환형 공간(44)에 급수하는, UVLED 하우징(58)의 상부 주연부 주위에 위치된 복수의 내부 입구 슬롯(73)에 급수한다. UVLED 하우징(58)은 도 11에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이 입구 챔버(70)를 내부 환형 공간(44)으로부터 분리시킨다.

UV 광 방출기(38)의 어레이가 모듈 제1 단부(30)에 인접하게 위치되어, UV 광을 UV 처리 챔버(36) 내로 지향시킨다. 이러한 실시예에서, UV 처리 챔버는 단면이 제2 외부 단부(16)에 인접하게 위치된 모듈 제2 단부(32) 부근에서 더 작고 단면이 모듈 제1 단부(30) 부근에서 더 커서 테이퍼진 원추형 형상을 형성하도록 테이퍼진다. 도 10의 테이퍼진 원추형 UV 처리 챔버는 도 6의 UV 처리 챔버에 비해 다음의 이점을 제공하는 것으로 여겨진다: (a) UV 처리 챔버 내부에서 UV 광이 더 균일하게 분포되고, (b) 유동 단면의 급격한 변화와 관련된 "데드" 존("dead" zone)의 제거를 통해 유체 유동 역학이 향상되어, 좁은 체류 시간 분포로 이어진다. 동시에, 이들 이점은 병원균에 대한 좁은 UV 선량 분포를 달성하는 데 도움을 주어, 카트리지의 미생물 성능(즉, LRV - 로그 감소 값(log reduction value))을 증가시킨다.

작동 시, 도 10에 도시된 바와 같이 종축(21)이 중력과 실질적으로 정렬되고/정렬되거나 제1 외부 단부(14)가 중력에 대해 제2 외부 단부(16)보다 높도록 처리 카트리지(12)가 배향되는 것이 바람직하다. 이는 존재하는 임의의 입자 또는 부스러기가 석영 또는 UV 투과성 디스크(64)의 표면 상에 정착하여 처리 챔버(36) 내로의 UV 광 투과를 차단하거나 감소시키지 않는다는 이점을 갖는다.

유체가 UV 처리 모듈(26)에 들어가고 그것으로부터 빠져나가도록 허용하기 위해 모듈 유체 입구(40)와 모듈 유체 출구(42) - 둘 모두 내부 하우징(28)을 통해 연장됨 - 가 제공된다. 이 실시예에서, UV 처리 챔버 내에 존재하는 유체가 다시 내부 환형 공간(44) 내로 유동할 수 없도록 체크 밸브(check valve)(74)가 모듈 유체 입구(40)와 UV 처리 챔버(36) 사이에 위치된다. 체크 밸브는 본 명세서에서 논의된 실시예들 중 임의의 것과 함께 사용될 수 있다. 이는 아직 처리되지 않은 내부 환형 공간(44) 내에 존재하는 물로부터의 오염의 위험 없이 물에 대한 수요가 없을 때 UV 처리 챔버 내의 물을 처리한 후에 UVLED가 정지될 수 있게 한다. 물에 대한 수요가 있을 때, 그것은 어떠한 지연도 없이 처리 챔버로부터 즉시 전달될 수 있다. UVLED는 다시 에너지를 공급받고 처리 챔버로의 임의의 새로운 유입되는 물을 처리할 수 있다.

UV 처리 카트리지는 카트리지 유체 입구(22)를 모듈 유체 입구(40)에 유체적으로 연결하는, 외부 측벽(20)과 모듈 측벽(34) 사이의 유입 유동 경로를 형성하는 내부 환형 공간(44)과, 모듈 유체 출구(42)로부터 카트리지 유체 출구(24)까지의 유체 유출 유동 경로(46)를 추가로 포함한다.

처리 카트리지는 급수 시스템 내로 배관된 호환성 매니폴드 내로의 수동식 설치를 허용하는 신속 분리 스타일이다. 처리 카트리지의 수동식 설치는 호환성 매니폴드를 설치하고 그것을 기존의 급수 시스템 내로 배관하기 위해 요구될 것과 같은 어떠한 공구도 사용함이 없이 호환성 매니폴드 내로의 처리 카트리지의 설치 및 제거를 허용한다. 그렇기 때문에, 처리 카트리지는 도 5의 실시예에 대해 앞서 논의된 바와 같이 무공구 신속 분리 매니폴드 맞물림 부재(50)를 포함한다.

일 실시예에서, 매니폴드 맞물림 부재(50)는 제1 외부 단부(14)로부터 종방향으로 연장되는 스템(52)을 포함하며, 이러한 스템은 스템의 측부에 있는 카트리지 유체 입구(22) 및 스템의 단부에 있는 종방향으로 연장되는 카트리지 유체 출구(24)를 구비한다. 다양한 실시예에서, 카트리지 유체 입구와 카트리지 유체 출구는 둘 모두가 균형 잡힌 유동력을 위해 스템의 측부 내로 반경방향으로 배향될 수 있거나, 하나는 반경방향으로 그리고 다른 것은 종방향으로 배향될 수 있거나, 둘 모두가 종방향으로 배향될 수 있다. 스템(52)은 또한 처리 카트리지를 종축을 중심으로 수동으로 대략 1/4 회전만큼 회전시킴으로써 매니폴드에 대한 처리 카트리지의 신속 분리 결합을 위한 대응하는 매니폴드 내의 호환성 램프와 맞물리는 하부 캠 표면(56)을 갖춘 2개의 반경방향으로 연장되는 러그(54)를 포함한다.

이제 도 11 내지 도 13을 참조하면, UV LED 광 방출기(38)의 어레이는 선택적으로 UVLED 하우징(58) 내에 배치될 수 있다. UVLED 하우징(58)은 대체로 원통형일 수 있다. UVLED 하우징(58)의 주요 구성요소는 하부 하우징(60), 상부 하우징(62), 석영 또는 UV 투과성 디스크(64), 및 UVLED 광 방출기(38)의 어레이를 갖춘 드라이버를 구비한 회로 기판(66)이다.

하부 하우징(60)은 복수의 모듈 유체 출구(42)를 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 모듈 유체 출구는 모듈 제2 단부(32), 모듈 유체 입구(40), 체크 밸브(74) 및 테이퍼진 모듈 측벽(34)을 포함하는 내부 테이퍼진 섬프를 부착하는 데 사용되는 나사형성된 섹션 뒤에 하부 하우징(60)의 저부 주연부 주위에 배치된 반경방향 슬롯을 포함한다. 이에 따라 UV 처리 모듈(26)은 내부 테이퍼진 섬프와 UVLED 하우징(58)의 조립체이다.

도 12와 도 13에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 유체는 석영 또는 UV 투과성 디스크(64) 위로 유동하고, 모듈 유체 출구(42)를 형성하는 반경방향 슬롯(42)을 통해 보내지고, 이어서 상부 하우징(62) 상으로 지향된다. 상부 하우징(62)은 복수의 냉각 핀(76)을 포함한다. 냉각 핀은 UVLED 광 방출기(38)의 어레이를 위한 히트 싱크로서의 역할을 하고, 카트리지 출구(24)로의 유체의 출구 유동 경로 내에 배치된다. 유체는 이어서 유체 유출 유동 경로(46)를 통해 카트리지 출구(24)로 이동한다. 상부 하우징(62)은 또한 전력 와이어 및/또는 데이터 통신 와이어를 외부 하우징 및 내부 하우징 둘 모두를 통해 회로 기판(66)으로 통과시키기 위한, UVLED 하우징을 외부 하우징(12)에 연결하는 전기 도관(72) 또는 개방부를 포함한다.

UVLED 하우징(58)은 UV LED 광 방출기(38) 위에 위치된 석영 또는 UV 투과성 디스크(64)를 갖는 유체 밀봉형 UVLED 하우징을 사용함으로써 UVLED 광 방출기(38)의 어레이와의 접촉으로부터 액체를 밀봉한다. 처리되는 액체 내로의 더 많은 UV 광 투사를 위해 UVLED의 상부 표면과 석영 디스크의 저부 표면 사이의 공기 갭을 최소화하는 것이 바람직할 수 있다. 큰 공기 갭이 존재할 때, UVLED로부터 방출되는 일부 UV 광이 다시 석영 디스크에 의해 반사되고 회로 기판의 표면 또는 LED 하우징(58) 내의 다른 표면 내로 흡수되어 손실을 초래할 수 있다. 또한, UV 처리 챔버(26) 내로부터의 굴절된 또는 반사된 UV 광은 다시 석영 디스크를 통과하고 또한 흡수될 수 있다. 위의 손실은 PTFE 또는 THV와 같은 UV 투과성 플루오로중합체 필름의 도움으로 이러한 공기 갭을 최소화함으로써 감소될 수 있다. 또한, UV 반사성 층(예컨대, 알루미늄 포일)이 임의의 입사 UV를 다시 액체를 향해 반사하기 위해 UV 투과성 필름 아래에 배치될 수 있다. 선택적으로, 이러한 반사성 필름은 개구형성될 수 있으며, 그것의 크기 및 패턴은 UVLED로부터 방출되는 UV 광이 통과할 수 있게 하기 위해 어레이 UVLED의 것과 정합한다. 선택적인 반사기는 각각의 UVLED가 개구들 중 하나 내에 위치되는 상태로 UVLED 어레이 위에 배치될 수 있다.

또한, 액체와 접촉하는 UV 투과성 디스크(64)의 석영의 표면은 PTFE 또는 THV와 같은 플루오로중합체 층으로 덮일 수 있다. 이러한 층은 코팅 또는 박막의 형태일 수 있다. 그러한 구성은 다음의 2가지 주요 이익을 제공하는 것으로 여겨진다: 1. 플루오로중합체는 저 표면 에너지를 가질 수 있으며, 이는 예를 들어 UV 광을 흡수하고 액체에 전달되는 UV 에너지를 감소시키는 스케일 형성으로 인한 표면의 오손을 감소시키고; 2. 그것의 광 확산 특성으로 인해, PTFE는 그것의 표면으로부터 방출되는 UV의 균일한 분포를 생성하여, 액체의 더 효과적인 처리의 결과를 가져온다.

흔히, 최적의 작동을 위해 정전류 드라이버 및 밸런싱 칩을 갖춘 UVLED를 제공하는 것이 바람직하다. 정전류원은 전압 또는 열 효과로 인한 가변성을 최소화하면서 UVLED로부터의 일관된 광학 출력 및 예측가능한 레벨의 UV 조사를 보장하는 데 도움을 준다. 하나의 회로 변형의 경우, 전류 밸런싱 회로가 챔버 내외로의 배선을 단순화하고, 각각의 LED 스트링 또는 발광체 뱅크 사이의 원하는 전류 비를 유지하는 데 사용될 수 있다. 이러한 방법을 사용하여 UVLED에 에너지를 공급하는 것은 향상된 시스템 확장성을 허용한다. 이러한 유형의 설계에서, 단일 LED 드라이버의 전류를 변경하는 것은 그 회로 내의 모든 UVLED에 영향을 미친다. 그러나, UVLED의 수를 변경하는 것은 UVLED의 임의의 하나의 회로 스트링에 있어서의 전류를 변화시키지 않는다. 또한, 방출기들의 하나의 UVLED 스트링이 고장나거나 개회로인 경우, 방출기들의 다른 (하나 이상의) UVLED 스트링으로의 전류는 총 광학 출력이 대략 동일하도록 보상된다. 도 9에 대해 논의된 것과 동일하거나 유사한 회로가 UVLED 어레이에 에너지를 공급하는 데 사용될 수 있다.

몇몇 실시예에서, UVLED는 시스템을 형성하는 UV 광의 방출기 및 검출기 둘 모두로서의 역할을 할 수 있다. 시스템은 방사선 방출 모드 및 방사선 검출 모드로 동작하도록 구성된 다수의 디바이스를 포함한다. 디바이스들 각각은, 적절한 회로와 함께 사용될 때, 파장 및 강도가 살균성인 방사선을 방출하고 검출한다. 시스템은 적어도 하나의 구동원을 포함하며, 여기서 다수의 디바이스 각각은 순방향 바이어스 구성으로 구동원에 연결될 때 방출 모드로 동작하고, 구동원으로부터 분리될 때 또는 역방향 바이어스 구성으로 구동원에 연결될 때 검출 모드로 동작한다. 스위칭 회로가 디바이스들 각각에 그리고 구동원에 결합된다. 사이클링 회로는 다수의 디바이스들 중 하나 이상이 검출 모드로 스위칭되는 사이클에서 구동원에 대한 디바이스의 연결을 변경하도록 스위칭 회로를 제어하는 제어 신호들의 시퀀스를 생성하고, 방출 모드로 동시에 동작하는 다수의 디바이스들 중 하나 이상에 의해 방출되는 방사선을 감지한다. 검출 모드로 동작하는 각각의 디바이스는 감지된 방사선에 응답하여 신호를 생성한다. 검출 회로는 검출 모드로 동작하는 디바이스의 신호를 검출하고, 검출된 신호에 응답하여 검출 출력을 생성한다. UVLED에 대한 이러한 동작 모드에 관한 추가의 정보가 본 명세서에 참고로 포함되는, 2015년 12월 22일자로 출원된, 발명의 명칭이 "성능 모니터링을 갖는 살균 시스템(Disinfecting System with Performance Monitoring)"인 미국 특허 출원 제62/270861호에 포함되어 있다.

예 1

도 5 내지 도 9의 실시예와 유사한 프로토타입을 제조하였다. UVLED를 미국 뉴욕주 트로이 소재의 크리스털 아이에스(Crystal IS)로부터 입수하였다. 각각의 UVLED는 약 10 mW의 살균력 출력을 가졌고, 총 26개의 UVLED가 있었다. UVLED들은 제조사에 의해 최대 300 mA 순방향 전류에 대해 등급이 매겨졌다. UVLED의 출력 파장 스펙트럼을 UV 분광방사계(spectroradiometer)의 도움으로 측정하였고, UVLED의 피크 파장은 DNA 흡수가 최대인 파장에 가까운 약 260 nm인 것으로 확인되었다.

프로토타입 처리 카트리지를 미생물 성능에 대해 시험하였다. 시험수 파라미터(test water parameter)는 다음과 같았다: pH = 7.4 내지 8.0, 혼탁도 = 0.14 내지 0.23 NTU, TDS = 170 내지 280 ppm, 유리 염소 < 0.02 ppm, 260 nm에서의 UVT = 97%, 및 온도 = 20C. 챌린지 유기체(challenge organism)는 1.2x10⁵ 내지 4x10⁵PFU/mL의 범위의 농도를 갖는 MS-2 콜리파지(coliphage)였다.

사용된 시험 장치가 도 14에 도시되며, 그 시험 장치는 시험수가 그 안에서 챌린지 미생물과 혼합되는 30 갤런 챌린지 탱크(78)를 구비하였다. 회전 다이어프램 펌프(80)가 챌린지 워터(challenge water)를 유동 루프 내에서 순환시키는 것을 돕는다. 챌린지 탱크(78)로의 환수 라인(water return line) 내의 니들 밸브(needle valve)(82)를 조절함으로써, 0 내지 2 gpm의 임의의 유량이 얻어질 수 있다. 프로토타입 UV 처리 카트리지(12)를 통과시킨 후에, 물을 제2 30 갤런 탱크(84) 내에 수집하였다. 처리된 샘플을 샘플 포트(86)에서 수집하였다. 미처리된 샘플을 UVLED가 턴 오프된 상태에서 수집하였다. 처리 챔버(36)의 공극 체적을 물 유량으로 나눈 것으로 정의되는, 체류 시간의 적어도 3배 동안 UVLED가 온이었을 때, UV 처리된 샘플을 동일한 포트에서 수집하였다. 프로토타입 처리 카트리지의 경우, 체류 시간은, 각각, 1 gpm 및 0.5 gpm의 유량에서 12초 및 24초였다. 각각의 유량에서, 실험 가변성을 결정하기 위해 5번의 반복 검증(replicate) - 미처리된 것뿐만 아니라 처리된 것 - 을 수행하였다. 얻어진 로그 감소 값(LRV)은

으로 정의되었으며, 여기서 N _i 및 N _e 는 각각 미처리된 및 UV-처리된 샘플의 미생물 농도이다. 장치 및 방법이 적절히 기능하고 있는 것을 보장하기 위해 실험 대조군을 또한 평가에 포함시켰다.

도 15는 프로토타입뿐만 아니라, 실험 대조군 수은 램프 시스템(쓰리엠 퓨리피케이션(3M Purification)으로부터 입수가능한 APUV2)으로부터의 로그 감소 값(LRV) 데이터를 물 유량의 함수로서 도시한다. 도시된 LRV 값은 5개의 샘플의 기하 평균인 반면, 에러 바(error bar)는 특정 유량에서 얻어진 최대 및 최소 LRV를 나타낸다. 프로토타입이, 각각, 0.5 및 1.0 gpm의 유량에서 2.2 및 1.3의 LRV를 제공하는 것이 보여진다. 송(Song) 등에 의한 연구(문헌[K. Song, M. Mohseni, F. Taghipour, Water Research, 94 (2016) pp. 341-349])는 255 nm UVLED를 이용한 MS2의 불활성화 속도 상수에 대해 0.038 ㎠ mJ^-1의 값을 보여주었다. 이 값을 추정치로 취하면, 0.5 gpm의 유량에서 프로토타입 처리 카트리지에 의해 전달되는 UV 선량은 2.2/0.038 = 58 mJ cm^-2으로 계산될 수 있다. 유사하게, 1 gpm에서 UV 선량은 1.3/0.038 = 34 mJ cm^-2이다. 이들 UV 선량 값을 문맥에 넣기 위해, NSF 55 등급 A 표준은 40 mJ cm^-2의 UV 선량을 요구하며, 254 nm 수은 램프를 이용하여 얻어진, 그에 대한 대응하는 LRV 구역이 또한 도면에 도시된다. 프로토타입 UV 처리 카트리지에 대한 효과적인 바이러스 처리가 입증되었다.

본 명세서의 발명이 특정 실시예들을 참조하여 기술되었지만, 이들 실시예는 단지 본 발명의 원리들 및 응용들을 예시하는 것에 불과하다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 본 발명의 방법 및 장치에 대해 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위 및 그의 등가물의 범주 내에 있는 변경 및 수정을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims

UV 유체 처리 카트리지로서,
제1 외부 단부, 제2 외부 단부, 및 제1 외부 단부와 제2 외부 단부를 연결하는 외부 측벽을 갖는 외부 하우징;
외부 하우징 상에 위치된 카트리지 입구 및 카트리지 출구;
외부 하우징의 내부에 위치된 UV 처리 모듈 - UV 처리 모듈은,
모듈 제1 단부, 모듈 제2 단부, 및 모듈 제1 단부와 모듈 제2 단부를 연결하고 UV 처리 챔버를 둘러싸는 모듈 측벽을 갖는 내부 하우징,
UV 광을 UV 처리 챔버 내로 지향시키는 UV 광 방출기의 어레이,
모듈 입구 및 모듈 출구를 포함함 -;
카트리지 입구를 모듈 입구에 유체적으로 연결하는, 외부 측벽과 모듈 측벽 사이의 유입 유동 경로를 형성하는 내부 환형 공간; 및
모듈 출구로부터 카트리지 출구까지의 유출 유동 경로를 포함하는, UV 유체 처리 카트리지.
제1항에 있어서, 외부 하우징은 매니폴드 맞물림 부재를 포함하는, UV 처리 카트리지.
제2항에 있어서, 매니폴드 맞물림 부재는 제1 외부 단부로부터 종방향으로 연장되는 스템(stem) 및 적어도 하나의 러그(lug)를 포함하고, 카트리지 입구 및 카트리지 출구 둘 모두는 스템 상에 위치되는, UV 처리 카트리지.
제3항에 있어서, 모듈 제1 단부는 모듈 출구를 갖는 단부 캡(end cap) 및 단부 캡으로부터 연장되어 유출 유동 경로를 형성하는 출구 관을 포함하며, 출구 관은 스템 내에 배치되어 카트리지 입구를 내부 환형 공간에 유체적으로 연결하는, 스템과 출구 관 사이의 제2 환형 공간을 형성하는, UV 처리 카트리지.
제1항, 제2항, 제3항 또는 제4항에 있어서, 하우징을 관통하는 전기 포트(electrical port)를 포함하는, UV 처리 카트리지.
제5항에 있어서, 전기 포트는 제1 외부 단부 또는 제2 외부 단부 내에 위치되는, UV 처리 카트리지.
제6항에 있어서, 전기 포트는 제1 외부 단부로부터 모듈 제1 단부까지, 또는 제2 외부 단부로부터 모듈 제2 단부까지 연장되는, UV 처리 카트리지.
제1항에 있어서, 처리 챔버는 제1 모듈 단부 또는 제2 모듈 단부에서 종축을 따른 반대편에 있는 모듈 단부에 비해 더 큰 단면적을 갖고서 테이퍼 형성되는, UV 처리 모듈.
제8항에 있어서, 모듈 측벽은 단면적이 제2 모듈 단부를 향하는 방향으로 작아지는 절두 원추(truncated cone)를 포함하는, UV 처리 모듈.
제8항에 있어서, 모듈 측벽은 단면적이 제1 모듈 단부를 향하는 방향으로 작아지는 절두 원추를 포함하는, UV 처리 모듈.
제8항, 제9항 또는 제10항에 있어서, UV 광 방출기의 어레이는 처리 챔버의 더 큰 단면적에 인접하게 위치되는, 처리 모듈.
제1항, 제2항, 제3항, 제4항, 제5항, 제6항, 제7항, 제8항, 제9항, 제10항 또는 제11항에 있어서, UV 광 방출기의 어레이는 외부 하우징 내에 배치된 유체 밀봉형 UVLED 하우징 내에 위치되는, 처리 모듈.
제12항에 있어서, 유체 밀봉형 UVLED 하우징은 모듈 제1 단부 또는 모듈 제2 단부를 형성하는, UV 처리 모듈.
제12항 또는 제13항에 있어서, 유체 밀봉형 UVLED 하우징은 UVLED 투과성 윈도우(window) 및 UV LED 방출기의 어레이를 갖는 UVLED 하우징 내의 회로 기판을 포함하는, UV 처리 모듈.
제12항, 제13항 또는 제14항에 있어서, 유동 편향기 플레이트(flow deflector plate)를 포함하며, 유동 편향기 플레이트는 유동 편향기 플레이트와 유체 밀봉형 UVLED 하우징 사이로 유체 유동을 지향시키도록 UVLED 하우징에 인접하게 위치되는, UV 처리 모듈.
제12항, 제13항 또는 제14항에 있어서, 밀봉형 UVLED 하우징으로부터 연장되는 복수의 냉각 핀을 포함하는, UV 처리 모듈.
제12항, 제13항, 제14항, 제15항 또는 제16항에 있어서, 유체 유동을 UVLED 하우징 밖으로 그리고 처리 챔버 내로 지향시켜 종축을 중심으로 한 와류 운동(swirling motion)을 부여하는 복수의 반경방향으로 비스듬한 와류 포트를 포함하는, UV 처리 모듈.
제1항, 제12항, 제13항, 제14항, 제15항, 제16항 또는 제17항에 있어서, UV 광 방출기의 어레이는 복수의 구멍이 UV 광 방출기 각각을 둘러싸도록 위치된 반사기를 포함하는, UV 처리 모듈.
제1항에 있어서, 모듈 측벽은 UV 불투과성 층 및 적어도 하나의 다른 층을 포함하는 다층 복합 재료인, UV 처리 모듈.
제19항에 있어서, UV 불투과성 층은 알루미늄을 포함하고 적어도 하나의 다른 층은 중합체를 포함하는, UV 처리 모듈.
제19항에 있어서, 다층 복합 재료는 UV 투과성 재료를 포함하는 내부 층, UV 불투과성 재료를 포함하는 중심 층, 및 중합체를 포함하는 배킹 층(backing layer)의 3개의 층을 포함하는, UV 처리 모듈.