KR20240039129A - 광화학 반응을 수행하기 위한 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종축(41)을 갖는 튜브형 하우징(40) 및 상기 하우징(40)의 내부 표면 상에 장착된, 복수의 개별 광원들(30)을 포함하는 광반응기를 위한 조명 디바이스에 관련한 것이고, 상기 하우징(40)은 열 전달 유체를 위한 유동 채널들(46)을 포함하고, 상기 유동 채널들(46)은 상기 개별 광원들을 위한 컨포멀(conformal) 냉각 통로를 형성하도록 상기 개별 광원들 뒤에 상기 하우징(40)의 내부 표면의 후방 측면에 배열된다. 또한, 본 발명은 조명 디바이스 및 적어도 하나의 튜브형 유동 채널을 갖는 반응 챔버를 포함하는 광반응기에 관한 것이고, 상기 반응 챔버는 조명 디바이스 내측에 배열되고, 상기 채널 벽은 광원들에 의해 방출된 광에 대해 투과성인 재료로 제조된다.

Description

광화학 반응을 수행하기 위한 장치

본 발명은 종축을 갖는 튜브형 하우징 및 상기 하우징의 내부 표면 상에 장착된, 복수의 개별 광원들을 포함하는 광반응기를 위한 조명 디바이스에 관련한 것이다. 또한, 본 발명은 조명 디바이스 및 적어도 하나의 튜브형 유동 채널을 갖는 반응 챔버를 포함하는 광반응기에 관한 것이고, 상기 반응 챔버는 조명 디바이스 내측에 배열되고, 상기 채널 벽은 광원들에 의해 방출된 광에 대해 투과성인 재료로 제조된다.

광반응기는 광반응, 예를 들어 광촉매 반응 또는 광 개시 반응(photo-initiated reactions)을 수행하는 것을 허용하는 반응기이고, 당업계에 잘 알려져 있다. 그것들은 바이오 반응, 화학 합성 반응 또는 물 처리와 같은 다양한 종류의 반응에 대해 사용된다.

산업적 규모에서 광화학적 변환을 위한 가장 일반적인 광원은 150 W 실험실 램프로부터 60 kW 버너까지 광범위한 적용예를 위해 구축된 중압 수은 램프이다. 산업용 적용예를 위한 튜브는 전형적으로 5 cm 의 직경을 갖고 작은 공간에서 막대한 양의 광을 발생시키고, 즉 광 밀도가 매우 높다.

기본적으로 이들 램프들은 수은의 방출 스펙트럼을 가지며, 이는 UV 및 가시 범위의 여러 라인들을 특징으로 한다. 가시 범위의 광의 강도를 증가시키고자 하는 경우, 예를 들어 이들 램프를 탈륨 요오드화합물로 도핑하는 것이 가능하다. 보통, 중압 수은 램프는 튜브형 구조이며, 이는 수중 램프(submersible lamp)로서 교반 반응기에 또는 펌핑 회로 내의 반응기에 침지되어 작동되며, 여기서 반응 매질은 램프를 지나 연속적으로 펌핑된다. 중압 수은 램프는 램프 본체의 대부분에 걸쳐 광을 균일하게 방출한다. 램프로부터의 광의 강도는 전력 공급에 의해 매우 제한된 범위로만 제어될 수 있다. 수은 램프의 주요 단점은 소비되는 전력과 관련하여 5% 내지 20% 의 그 비교적 낮은 발광 효율이다. 추가의 단점은 램프의 짧은 사용 기간이며, 이는 많은 경우에 단지 대략 1년 정도이다. 또 다른 주요 단점은 그 서비스 수명 후에 튜브로부터 회수되어야 하는 독성 중금속 수은의 사용이다.

현재 몇 년 동안, 고강도 발광 다이오드("LED")는 조명 섹터뿐만 아니라 보통 원하는 범위의 준단색 광을 생성하는 화학 산업에서의 적용을 위해 구축되었다. 이러한 경우에, 단색광은 발광 최대치에 비해 +/- 10nm 내지 30nm 의 반전치폭(full width at half maximum : FWHM)을 갖는 광을 의미한다. 이러한 다이오드들의 발광 효율은 소비되는 전력과 관련하여 10% 내지 60%의 범위에 있다.

현재 시판 중인 LED 플로우-스루 반응기(flow-through reactor)(예를 들어, 코닝 광반응기)는 양자 수율(quantum yield) < 100 % 을 갖는 반응의 경우에 흡수되는 광의 양이 변환의 증가에 따라 감소한다는 사실을 거의 고려하지 않는다. 이들 반응기는 본질적으로 내측에 사행 채널을 갖는 유리 플레이트이다. 채널은 유리 플레이트의 표면의 약 50% 내지 80%만을 커버한다. 유리 플레이트 각각은 양쪽 측면으로부터 고르게 조사된다. 따라서, 상당한 양의 광이 반응 챔버로 진입되지 않는다. 또한, 생성된 광은 변환이 증가함에 따라 더 이상 완전히 흡수되지 않는다.

상업적으로 입수 가능한 코닝 광반응기 외에도, 문헌에 개시된 몇몇 다른 종류의 광반응기가 있다.

문헌 WO 2008/145719 A1 에는 적어도 하나의 LED 발광체가 방사선 공급원으로서 플라스틱 매트릭스 내에 통합된 LED 플라스틱 몰딩된 파트를 포함하는 바이오-반응을 위한 광반응기가 개시되어 있다. 방사선 공급원은 광반응기 내측에 배열된다.

문헌 DE 10 2010 014 712 B3 에는 적어도 하나의 방사선 공급원을 포함하는 중심 축 조사 유닛을 포함하는 유체 매질을 광화학적으로 처리하기 위한 모듈형 광-튜브형 반응기가 개시되어 있으며, 여기서 조사 유닛은 반응기 벽에 의해 동축으로 둘러싸이고, 반응기 벽과 조사 유닛 사이에 조사 볼륨을 제공하는 환형 갭을 포함한다.

문헌 DE 10 2014 012 217 A1, DE 10 2014 012 218 A1, DE 10 2014 012 219 A1 및 WO 2020/228980 A1 에는 광화학 반응기 내에 삽입하기 위한 램프 모듈이 개시되어 있으며, 상기 램프 모듈은 적어도 하나의 LED 가 그 외측 상에 배열된 적어도 하나의 지지 구조체를 갖는 냉각 본체, 하나가 다른 하나에 배열된 적어도 2개의 침지 튜브, 및 적어도 하나의 LED 의 전기 연결을 위한 그리고 램프 모듈을 광화학 반응기 내측에 장착하기 위한 헤드 파트를 포함한다.

문헌 CN 209393167 U 는 광반응기로서 사용하기 위한 반응 튜브를 개시하고 있으며, 상기 반응 튜브는 내부 튜브 및 외부 튜브를 포함하여, 내부 튜브와 외부 튜브 사이에 반응 챔버를 형성한다. 반응 챔버와 대면하는 내부 튜브 상에는 LED 램프 비드가 배열된다. 내부 튜브는 냉각 매질에 의해 관통 유동될 수 있다.

문헌 US 2015/0114912 A1 은 물 정제를 포함하고, 다양한 적용예를 위해 유체 유동에서 UV 광반응 또는 UV 광-개시 반응을 달성하도록 자외선 발광 다이오드(UV-LED)로 작동하는 반응기를 개시한다. UV-LED 반응기는 유체 유동을 통과시키기 위한 도관 수단, 자외선 발광 다이오드(UV-LED), 및 UV-LED 방사선을 도관의 종방향으로 유체에 포커싱하기 위한 방사선-포커싱 요소를 포함한다. UV-LED 반응기는 광촉매 또는 화학적 산화제를 포함할 수 있으며, 이는 광촉매 및 광개시 반응을 위해 UV-LED 에 의해 방출되는 UV 에 의해 활성화된다.

문헌 WO 2019/056135 A1 는 종방향으로 연장되는 주 유동 채널, 주 유동 채널 내로 유체를 도입하기 위한 입구로서, 상기 입구는 입구로부터 주 유동 채널로 진입하는 유체의 평균 속도가 종방향에 평행하지 않은 입구 유동 방향으로 배향되도록 형상화되는, 상기 입구 및 주 유동 채널로부터 유체를 운반하기 위한 출구를 갖는 본체를 포함하는 유체 유동 도관을 개시한다. 유체 도관은 종방향으로 주 유동 채널을 조명하는 적어도 하나의 광원을 갖는 광반응기의 일부일 수 있다. 상기 광원은 가시광 LED 또는 UV-LED 일 수 있다.

산업 분야에서 LED 를 사용하는 것은 종래의 중압 수은 램프에 비해 많은 이점을 가져왔지만, 공지된 반응기는 여전히 일부 단점을 가지고 있다. 예를 들어, 많은 반응기들의 설계는, 예를 들어 침지 램프들의 시일링, 전력 공급 및 냉각과 관련하여 복잡하다. 반응기 길이에 걸친 균일한 에너지 입력 또는 반응기의 특정 세그먼트들 내로의 타겟팅된 선택적 에너지 입력은 공지된 반응기들에 있어서는 거의 가능하지 않다. 따라서, 예를 들어 반응기 길이에 걸친 변환에 대한 타겟팅된 반응 제어가 더 어렵게 된다.

본 발명의 목적은 추출물(educt)의 변환의 관점에서 완전한 반응 제어를 허용하고, 구성 및 유지가 용이한 광반응기를 제공하는 것이다.

이러한 과제는 본 발명에 따라 제 1 항에 따른 광반응기를 위한 조명 디바이스 및 제 10 항에 따른 광반응기에 의해 해결된다. 조명 디바이스 및 광반응기의 유리한 변형예는 제 2 항 내지 제 9 항 및 제 11 항 내지 제 13 항에 제시되어 있다. 본 발명의 추가의 주제물은 제 14 항 및 제 15 항에 따른 광반응을 수행하기 위한 방법이다.

본 발명의 제 1 주제물은 종축을 갖는 튜브형 하우징 및 상기 하우징의 내부 표면 상에 장착된, 복수의 개별 광원들을 포함하는 광반응기를 위한 조명 디바이스에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 하우징은 열 전달 유체를 위한 유동 채널들을 포함하고, 상기 유동 채널들은 상기 개별 광원들을 위한 컨포멀(conformal) 냉각 통로를 형성하도록 상기 개별 광원들 뒤에 상기 하우징의 내부 표면의 후방 측면에 배열된다. 개별 광원들의 후방 측면에서의 컨포멀 냉각 통로의 제공은 광원들의 효율적이고 빠른 냉각을 허용한다. 종래 기술과 비교하여, 더 높은 에너지 방출을 갖는 광원이 가능하여, 광반응을 위한 잠재적 적용예의 분야를 확장한다. 추가의 이점으로서, 컨포멀 채널의 제공은 하우징의 얇은 벽을 허용하여 작은 치수를 갖는 경량 광반응기를 실현할 가능성을 제공한다.

개별 광원들은 하우징의 내부 표면에 개별적으로 장착될 수 있다. 대안예로서, 개별 광원들은 랙들 상에 그룹화될 수 있고, 랙들은 하우징의 내부 표면에 장착된다. 개별 광원들과 랙들 또는 광원들의 그룹들을 장착하는 조합들이 또한 가능하다.

본 발명에 따르면, 조명 디바이스는 복수의 개별 광원을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 광원들은 발광 다이오드들(LED들)이다. 개별 광원들은 광반응들, 예를 들어 광촉매 반응들 또는 광 개시 반응들을 수행하는 것을 허용하기에 적합한 임의의 LED 일 수 있다. 상기 조명 디바이스를 포함하는 광반응기에서 수행하는 반응에 따라, 개별 광원의 수, 크기 및 형상이 적절하게 맞춤화될 수 있다. 바람직하게는, 250 nm 내지 800 nm 의 파장 범위의 광을 방출하는 발광 다이오드가 사용된다. 가장 바람직하게는, LED 에 의해 방출된 광은 근자외선 범위(300 nm 내지 400 nm) 또는 가시 범위(400 nm 내지 800 nm)에 있다.

본 발명에 따른 조명 디바이스의 바람직한 실시예에서, 상기 광원들에 의해 방출되는 광에 대해 투과성인 재료로 제조되고 종축을 갖는 튜브형 보호 쉘은 상기 튜브형 하우징의 내측에 배열되고, 상기 보호 쉘의 외부 표면 및 상기 하우징의 내부 표면은 환형 채널을 형성한다. 바람직하게는, 보호 쉘의 종축은 하우징의 종축과 동일하거나 동축이다. 광원이 보호 쉘에 의해 차폐되고 따라서 튜브형 하우징 내측의 반응기로부터 디커플링되는 것이 본 실시예의 이점이다. 반응기의 누출 또는 고장의 경우, 잠재적으로 위험한 성분, 예를 들어 반응물, 생성물 또는 용매와 같은 휘발성 성분은 광원과 접촉하는 것이 방지된다.

본 실시예에 대해, 환형 채널의 양쪽 단부들은 시일링 방식으로 상기 하우징과 보호 쉘에 부착되는 커버에 의해 폐쇄되는 것이 바람직하다.

커버들을 갖는 조명 디바이스의 바람직한 변형예에서, 적어도 하나의 커버는 전력 공급 케이블들을 위한 시일링 가능한 개구들을 포함한다. 커버를 갖지 않는 조명 디바이스의 바람직한 변형예에서, 튜브형 하우징은 전력 공급 케이블을 위한 시일링 가능한 개구를 포함한다. 이들 바람직한 변형예는 또한 예를 들어 튜브형 하우징 뿐만 아니라 적어도 하나의 커버가 전력 공급 케이블을 위한 시일링 가능한 개구를 포함한다는 점에서 조합될 수 있다. 시일링 가능한 개구들은 쉽고 안전한 방식으로 개별 광원들 또는 개별 광원들의 랙들에 전력을 제공하는 것을 허용한다.

개별 광원들 또는 광원들의 랙들은 포지티브 로킹(positive locking) 또는 마찰 연결과 같은 공지된 방법들에 의해, 예를 들어 본딩, 스크류결합 또는 리벳팅에 의해 하우징의 내부 표면에 장착될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 하우징은 광원들이 내부 표면에 부착되는 포지션들에서 하우징의 내부 표면과 외부 표면 사이의 유동 채널들을 관통하는 통과로들을 포함하고, 통과로들은 유동 채널들에 대해 시일링된다. 이러한 실시예에서, 개별 광원들 또는 광원들의 랙들은 예를 들어 통과로들을 통해 삽입되는 볼트들에 의해, 하우징의 내부 표면에 용이하게 장착될 수 있다. 또한, 유동 채널들 내로 연장되고 작동 시 열 전달 유체에 의해 둘러싸이는 통과로들의 벽들은, 광원들의 고온 후방 측면으로부터 저온 열 전달 유체로의 열 전달을 증가시키는 것으로 밝혀졌다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 하우징은 하우징의 내부 표면과 외부 표면 사이의 유동 채널들에 블라인드 구멍들의 형태의 리셉터클들을 포함하고, 리셉터클들은 개별 광원들을 체결하기 위한 나사산을 제공하고 상기 유동 채널들에 대해 시일링된다. 리셉터클은 하우징의 외부 표면의 외측으로 연장되지 않는다는 차이점에 있어서 이전 실시예의 통과로와 비교가능하다. 이러한 실시예에서, 개별 광원 또는 광원의 랙은 예를 들어 리셉터클의 나사산 내에서 나사결합되는 볼트에 의해 하우징의 내부 표면에 용이하게 장착될 수 있다. 또한, 유동 채널들 내로 연장되고 작동 시 열 전달 유체에 의해 둘러싸이는 리셉터클들의 벽들은, 광원들의 고온 후방 측면으로부터 저온 열 전달 유체로의 열 전달을 증가시키는 것으로 밝혀졌다.

유동 채널들을 관통하는 통과로들 및 유동 채널들에서의 블라인드 구멍들 형태의 리셉터클들의 조합들을 갖는 실시예들이 또한 가능하다.

조명 디바이스의 바람직한 실시예에서, 상기 하우징은 8W/(m·K) 초과의 열전도도를 갖는 재료로 제조되고, 재료는 바람직하게 니켈, 니켈 합금들, 스테인리스 강, 구리, 구리 합금들, 알루미늄 및 알루미늄 합금들로 이루어진 군으로부터 선택된다. 이러한 바람직한 열 전달 특성들은 광원들로부터 유동 채널들에서 유동하는 열 전달 유체로 효율적인 열 전달을 허용한다.

본 발명에 따르면, 유동 채널들은 개별 광원들을 위한 컨포멀 냉각 통로를 형성한다. 용어 "컨포멀"은 본질적으로 광원들이 배열되는 구역들에서 광원들을 향해 지향된 유동 채널들의 채널 벽들이 튜브형 하우징의 내부 표면의 형태를 따른다는 것을 의미한다. 바람직하게는, 유동 채널들의 채널 벽들은 튜브형 하우징의 내부 표면에 평행하게 제공된다. 이러한 유리한 설계는 광원들과 유동 채널들 사이에 본질적으로 일정한 벽 두께를 보장하고, 따라서 개별 광원들로부터 열 전달 유체로의 균일한 열 전달을 보장한다.

바람직한 실시예에서, 컨포멀 냉각 통로는 통로의 하나의 단부에 열 전달 유체를 위한 입구 및 통로의 다른 단부에 열 전달 유체를 위한 출구를 갖는 종축을 따라 배향된 적어도 2개의 유동 채널들을 포함하고, 적어도 2개의 유동 채널은 유체 연결된다. 이러한 실시예에서 냉각 통로는 직렬로 연결된 적어도 2개의 유동 채널들을 포함한다.

바람직하게는, 컨포멀 냉각 통로는 제1 통로의 단부에서 열 전달 유체를 위한 입구 및 통로의 다른 단부에서 열 전달 유체를 위한 출구를 갖는 종축을 따라 배향되는 2 내지 100개, 더욱 바람직하게는 6 내지 50개, 특히 8 내지 36개의 유동 채널을 포함하며, 여기서 각각의 유동 채널은 그 이웃하는 유동 채널에 유체 연결된다. 유동 채널의 직렬 연결은 거의 제조 노력 없이 높은 총 열 교환량을 실현할 수 있다는 이점을 갖는다. 특히, 유동 채널들에 대한 단지 작은 수의 입구 및 출구가 필요하다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 컨포멀 냉각 통로는 통로의 하나의 단부에 열 전달 유체를 위한 입구, 통로의 다른 단부에서 열 전달 유체를 위한 출구, 및 서로 평행한 상기 종축을 따라 배향되는 적어도 2개의 유동 채널들을 포함하고, 각각의 유동 채널은 상기 열 전달 유체를 위한 상기 입구 및 상기 출구에 유체 연결된다. 이러한 실시예에서 냉각 통로는 병렬로 연결된 적어도 2개의 유동 채널들을 포함한다. 유동 채널들의 병렬 연결은 열 교환이 유동 채널들을 따라 작은 압력 강하로 실현될 수 있다는 이점을 가진다. 추가의 이점은 예를 들어 하우징의 상이한 측면들 상에 대칭 유동 채널들을 제공할 가능성이다

직렬로 연결된 유동 채널들 및 병렬로 연결된 유동 채널들의 조합들이 또한 가능하다.

컨포멀(conforming) 냉각 통로는 바람직하게는 조명 디바이스의 축방향 및 반경방향으로 균일한 온도 프로파일을 초래하는 개별 광원의 효율적인 냉각을 제공하도록 설계된다.

유동 채널들은 유리하게는 저온 열 전달 유체를 유동 채널들을 통해 유동시킴으로써 광원들에 의해 생성된 열을 제거하는데 사용될 수 있다. 열 전달 유체는 예를 들어 물, 탈염수, 글리콜의 수용액, 염수 및 열 오일로부터 선택될 수 있다.

튜브형 하우징은 그 위에 광원을 부착하기에 적합한 임의의 형태를 가질 수 있다. 바람직하게, 튜브형 하우징의 내부 표면은 n-다각형으로서 형성되며, n 은 내부 표면의 플랫형 섹션들의 수이다. 바람직하게는, 수 n 은 3 내지 700, 더욱 바람직하게는 3 내지 350, 특히 6 내지 36 이다.

적어도 개별 광원들이 부착되는 포지션에서 조명 디바이스의 바람직한 실시예에서, 광원들의 후방 측면과 각각의 냉각 채널의 내부 벽 사이의 하우징의 내부 표면의 벽 두께는 0.3 내지 2.5 mm, 바람직하게는 0.7 내지 1.5 mm이다. 바람직한 범위의 벽 두께는 하우징의 안정성을 보장하면서 고온 광원으로부터 저온 열 전달 유체로의 양호한 열 전달을 용이하게 하는 것으로 밝혀졌다

튜브형 하우징은 임의의 공지된 제조 방법에 의해 제조될 수 있다. 튜브형 하우징을 제조하기 위한 바람직한 방법은 선택적 레이저 용융(SLM), 레이저 빔 분말 베드 융합, 전자 빔 용융, 전자 빔 분말 베드 융합, 바인더 제팅, FDM 프로세스 또는 FDM-유사 프로세스와 같은 적층 제조 방법이다. 이들 방법들은 종래의 제조 방법들에 의해 거의 또는 전혀 실현될 수 없는 다소 복잡한 기하학적 구조체들을 실현할 수 있게 한다.

유동 채널의 내부 표면의 거칠기에 따라, 이들은 폴리싱 방법, 예를 들어 수압-침식 그라인딩(hydro-erosive grinding)에 의해 사후 프로세싱되는 것이 바람직하다. 이는 거칠기를 감소시키고 따라서 더 낮은 열 전도도로 인한 효율 감소를 초래할 채널 내측에서의 파울링의 확률을 감소시킨다.

튜브형 하우징의 내부 표면은 그 제조 후에 폴리싱되는 것이 추가로 바람직하다. 폴리싱된 표면은 표면과 광원들 사이의 완벽한 연결을 허용하며, 이는 광원들로부터 하우징의 표면을 거쳐 그 벽을 통해 유동 채널 내에서 유동하는 열 교환 유체로 효율적인 열 전달을 가능하게 한다.

튜브형 하우징은 튜브형 하우징을 형성하기 위해 이후에 조립되는 하나의 피스(piece) 또는 여러 피스들로 제조될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 튜브형 하우징은 단일 피스로서 제조된다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 튜브형 하우징은 2개의 쉘로 제조되며, 각각은 하우징의 종방향 섹션을 형성한다. 이러한 경우에, 튜브형 하우징은 각각 180°의 각도 범위를 포함하는 2개의 하프 쉘로 제조되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 각각의 쉘에는 다른 쉘에 대한 유체 연결을 갖지 않는, 하나 이상의 유동 채널이 제공된다.

튜브형 하우징은 바람직하게는 높은 열 전도도를 갖고 적층 가공 기술에 의해 프로세싱될 수 있는 재료로 제조된다. 바람직하게는, 재료는 니켈, 니켈 합금, 스테인리스 강, 구리, 구리 합금, 알루미늄 및 알루미늄 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된다.

본 발명의 제2 주제물은 본 발명에 따른 조명 디바이스 및 조명 디바이스의 내측에 배열된 종축을 갖는 적어도 하나의 튜브형 유동 채널을 구비한 반응 챔버를 포함하는 광반응기이고, 튜브형 유동 채널은 반응 챔버의 외부 표면과 상기 조명 디바이스의 하우징의 내부 표면 사이에 갭을 형성하고, 유동 채널의 채널 벽은 광원들에 의해 방출된 광에 대해 투과성인 재료로 제조되고, 개별 광원들은 유동 채널의 상기 종축에 대해 반경방향으로 상기 반응 챔버 주위에 배열되는 발광 다이오드들(LED들)이다.

따라서, 본 발명에 따른 광반응기는 적어도

(a) 종축을 갖는 튜브형 하우징 및 하우징의 내부 표면 상에 장착된 복수의 개별 광원을 갖는 조명 디바이스로서, 하우징은 열 전달 유체를 위한 유동 채널들을 포함하고, 유동 채널들은 상기 개별 광원들을 위한 컨포멀 냉각 통로를 형성하도록 상기 개별 광원들 뒤에 상기 하우징의 내부 표면의 후방 측면에 배열되는, 상기 조명 디바이스 및

(b) 조명 디바이스의 내측에 배열된 종축을 갖는 적어도 하나의 튜브형 유동 채널을 구비한 반응 챔버로서, 튜브형 유동 채널은 반응 챔버의 외부 표면과 상기 조명 디바이스의 하우징의 내부 표면 사이에 갭을 형성하고, 유동 채널의 채널 벽은 광원들에 의해 방출된 광에 대해 투과성인 재료로 제조되고, 개별 광원들은 유동 채널의 상기 종축에 대해 반경방향으로 상기 반응 챔버 주위에 배열되는 발광 다이오드들(LED들)인, 상기 반응 챔버를 포함한다.

반응 챔버 주위 및 따라서 그 외측 상에서의 광원의 배열은 반응 챔버를 향해 방출된 광의 강도가 종래 기술로부터 공지된 광반응기 개념들에서보다 개별적으로 그리고 더 유연하게 제어될 수 있다는 이점을 갖는다. 또한, 광원에 의해 생성된 열은 반응 챔버 내측에서 광원의 경우보다 더 쉽고, 더 효율적이고 더 유연하게 제거될 수 있다.

본 발명의 범위 내에서 용어 "광반응기"는 반응물을 위한 적어도 하나의 입구 및 생성물을 위한 적어도 하나의 출구를 갖는 유동 반응기를 의미한다. 반응물은 반응 챔버를 통해 유동하고, 여기서 반응물은 반응물 상에 방출된 광의 영향 하에서 화학적으로 반응하여 생성물을 형성한다.

본 발명에 따르면, 반응 챔버는 반응물 및 결과적인 생성물에 의해 관통 유동될 적어도 하나의 튜브형 유동 채널을 포함한다. 튜브형 유동 채널은 그 길이가 그 직경보다 큰 세장형 중공 채널, 예를 들어 튜브 또는 파이프로서 이해되어야 한다. 튜브형 유동 채널은 종축을 갖는다.

바람직하게는, 하우징의 종축은 유동 채널의 종축과 동일하거나 동축이다. 용어 "동축으로"는 하우징 및 유동 채널(들)의 종축이 평행하고/하거나 동일하다는 것을 의미한다.

광반응기의 제1 실시예에서, 반응 챔버는 단일 튜브형 유동 채널을 포함한다. 그러한 경우, 튜브형 유동 채널은 반응 챔버를 나타낸다. 본 실시예는 반응물이 고도로 광 흡수하는 반응 시스템에 특히 적합하다. 그러한 경우에, 한번의 패스-스루로 작동되는 단일 튜브형 유동이 높은 변환율 및 수율로 원하는 생성물을 얻기에 충분할 수 있다.

광반응기의 제2 실시예에서, 반응 챔버는 반응 챔버 내에 동축으로 배열되고 서로 유체 연결되는 다수의 튜브형 유동 채널을 포함한다. 이러한 맥락에서, 용어 "동축적으로"는 튜브형 유동 채널의 종축이 평행하고/하거나 동일하다는 것을 의미한다. 본 실시예는 반응물이 중간 내지 낮게 광 흡수하는 반응 시스템에 특히 적합하다. 그러한 경우에, 반응 공간으로서 다수의 튜브형 유동 채널을 제공하는 것은 최적의 방식으로 제공된 양의 광을 사용하는 것을 허용한다.

제2 실시예의 바람직한 변형예에서, 튜브형 유동 채널들은 직렬로 연결되며, 이는 유동 채널의 출구가 또 다른 유동 채널의 입구에 연결된다는 것을 의미한다. 서로에 대한 튜브형 유동 채널들의 배열에 따라, 예를 들어, 잇달아 배열된 유동 채널들에 대해, 입구와 출구를 직접 커플링함으로써, 또는 예를 들어, 병렬로 서로 나란히 배열된 유동 채널들에 대해, u-형상의 벤드들을 사용함으로써, 연결이 실현될 수 있다. 유동 채널들의 조합된 배열들이 또한 가능하다.

제2 실시예의 또 다른 바람직한 변형예에서, 튜브형 유동 채널들은 병렬로 연결되는데, 이는 이들의 입구들이 입구 매니폴드에 연결되고 이들의 출구들이 출구 매니폴드에 연결된다는 것을 의미한다.

제2 실시예의 또 다른 바람직한 변형예에서, 튜브형 유동 채널들은 부분적으로 직렬로 연결되고 부분적으로 병렬로 연결된다.

제 2 실시예의 또 다른 바람직한 변형예에서, 다수의 튜브형 유동 채널은 양쪽 단부에서 개방되는 적어도 하나의 내부 튜브 및 하나의 단부에서 개방되고 대향 단부에서 폐쇄되는 적어도 하나의 외부 튜브를 포함하며, 내부 튜브는 외부 튜브의 폐쇄된 단부에 대한 내부 튜브의 개방된 하나의 단부의 축방향 거리를 갖고 외부 튜브 내측에 동심으로 배열된다.

광반응기에서 수행될 반응에 따라 튜브형 유동 채널의 수, 크기 및 형상은 적절하게 맞춤화될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 튜브형 유동 채널은 그 각각의 종축에 대해 축방향 대칭이며, 이는 종축에 수직인 모든 단면에 대해 종축과 관련하여 채널의 내부 벽의 점 대칭이 존재한다는 것을 의미한다.

추가의 바람직한 실시예에서, 튜브형 유동 채널은 유동 채널의 내부 벽이 원형 단면을 갖는다는 것을 암시하는 그 각각의 종축에 대해 회전 대칭이다.

튜브형 유동 채널들의 단면들은 일정할 수 있거나 또는 유동 채널의 길이에 걸쳐 변할 수 있다. 일 실시예에서, 튜브형 유동 채널은 유동 방향으로 넓어지는 단면을 갖는 원뿔형 형태를 갖는다. 본 실시예는 유리하게는 반응물의 변환이 광 흡수에 의존하는 반응들에 사용될 수 있다. 튜브형 유동 채널의 내부 벽의 단면이 증가함에 따라, 유동 속도가 감소하고 채널 내측의 반응 혼합물의 체류 시간이 증가하여, 따라서 반응물에서보다 생성물에서 더 낮은 광 흡수를 보상한다.

하나의 실시예에서, 튜브형 유동 채널의 내부 벽 및 외부 벽의 단면은 동일하고 바람직하게는 원형, 타원형 또는 다각형이다.

추가의 실시예에서, 튜브형 유동 채널의 내부 벽의 단면 및 외부 벽의 단면은 형상이 상이하다. 이러한 실시예의 바람직한 변형예에서, 내부 벽의 단면은 원형인 반면, 외부 벽의 단면은 다각형이다. 이러한 변형예는 방출된 광이 표면에 수직으로 부딪히는 효과를 갖고 광원의 효율적인 사용을 야기하는 다각형 표면 위에 개별 광원을 위치설정하는 데 유리하게 사용될 수 있다.

반응 챔버의 외부 표면과 하우징의 내부 표면 사이의 갭은 유리하게 열 관리유지 또는 안전 설비들에 사용될 수 있다. 열 관리유지의 경우, 갭은 비워지거나 단열 물질로 충전될 수 있다. 바람직하게는, 갭은 광원들에 의해 방출된 광에 대해 투과성인 열 운반체 매질(heat carrier medium), 바람직하게는 실리콘 오일, 물 또는 물과 에틸렌 글리콜을 포함하는 혼합물에 의해 관통 유동된다. 안전 설비의 경우에, 갭은 불활성 매질, 바람직하게는 질소에 의해 충전되거나 관통 유동된다.

광반응기의 일 실시예에서 튜브형 유동 채널의 벽은 이중 재킷이다. 재킷의 내부 벽과 외부 벽 사이의 환형 공간은 유리하게는 열 관리유지 또는 안전 설비를 위해 사용될 수 있다. 열 관리유지의 경우, 환형 공간은 비어 있거나 절연 물질로 충전될 수 있다. 바람직하게는, 환형 공간은 광원들에 의해 방출된 광에 대해 투과성인 열 운반체 매질, 바람직하게는 실리콘 오일, 물 또는 물과 에틸렌 글리콜을 포함하는 혼합물에 의해 관통 유동된다. 안전 설비의 경우에, 환형 공간은 불활성 매질, 바람직하게는 질소에 의해 충전되거나 관통 유동된다.

광원에 의해 방출된 광에 대해 투과성인 재료로 제조되고 종축을 갖는 튜브형 보호 쉘이 반응 챔버의 외부 표면과 조명 디바이스의 하우징의 내부 표면 사이의 갭에 배열되어, 반응 챔버의 외부 표면과 보호 쉘 사이에 환형 채널을 형성하는 것이 추가로 바람직하다. 보호 쉘의 종축은 바람직하게는 유동 채널의 종축과 동일하거나 동축이다.

반응 챔버의 외부 표면과 보호 쉘 사이의 환형 채널은 유리하게는 열 관리유지 또는 안전 설비에 사용될 수 있다. 열 관리유지의 경우, 환형 채널은 비어 있거나 절연 물질로 충전될 수 있다. 바람직하게는, 환형 채널은 광원들에 의해 방출된 광에 대해 투과성인 열 운반체 매질, 바람직하게는 실리콘 오일, 물 또는 물과 에틸렌 글리콜을 포함하는 혼합물에 의해 관통 유동된다. 안전 설비의 경우에, 환형 채널은 불활성 매질, 바람직하게는 질소에 의해 충전되거나 관통 유동된다.

튜브형 유동 채널들은 배플들 또는 디플렉터들과 같은 내부들을 구비할 수 있다.

본 발명에 따르면, 유동 채널들의 벽들, 및 바람직한 실시예에서, 보호 쉘은 광원에 의해 방출된 광에 대해 투과성인 재료로 제조된다. 용어 "투과성"은 광원에 의해 방출된 광의 대부분이 재료를 통과하는 것을 의미한다. 바람직하게는, 재료는 방출된 광의 입사 파장 범위에서 필터로서 기능하지 않는다. 더 바람직하게는 재료는 반투명 또는 투명하고, 특히 투명하다.

바람직하게는, 재료는 유리 세라믹, 석영 유리, 붕규산 유리, 플렉시글래스(아크릴 유리), 폴리카보네이트(PC), 폴리비닐 클로라이드(PVC), 폴리스티렌(PS), 사이클로올레핀계 공중합체(COC), 미세결정 폴리아미드(microcrystalline polyamide: PA), 폴리에테르, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 2,5-푸란디카르복실레이트(PEF) 또는 FEP 와 같은 불소 함유 중합체를 함유하는 물질의 군으로부터 선택된다. 상기 재료는, 또한, 전술한 재료 중 적어도 2개의 혼합물 또는 복합 재료일 수 있다. 불소-함유 중합체가 중합체 중에서 바람직하다.

플렉시글라스(아크릴 유리)는 상이한 입체규칙성(tacticity)의 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 상이한 입체규칙성의 플루오르화된 폴리메틸 메타크릴레이트 및 상이한 입체규칙성의 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMI)를 포함한다. 폴리카보네이트(PC)는 공식적으로 카본산의 폴리에스테르인 열가소성 재료이다. 폴리염화비닐(PVC)은 염화비닐로부터 유화중합(E-PVC), 현탁중합(S-PVC) 또는 염화비닐 자체로부터 질량중합(M-PVC)에 의해 얻어진 중합체이다. 폴리스티렌(PS)은 스티렌으로부터 제조된 어택틱, 신디오택틱 또는 이소택틱 중합체이다. 사이클로올레핀계 공중합체(COC)는 사이클로헥센 고리를 갖는 단량체 올레핀과 단량체 에텐으로부터 얻어진 무정형 폴리올레핀이다. 미세결정 폴리아미드(PA)는 결정 도메인을 형성하는 아미노카르복실산(aminocarboxylic acid, AS형) 또는 디카르복실산과 다이아몬드(diamond, ASSA 타입)의 혼합물로부터 제조된 중합체이다. 폴리에테르는 장쇄이고, 대부분 방향족 에테르, 예를 들어 폴리에테르 에테르 케톤이다. 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)는 에틸렌글리콜과 테레프탈산으로부터 제조된 중합체이다. 폴리에틸렌 2,5-푸란디카복실레이트(PEF)는 2,5-푸란디카복실산 및 에틸렌 글리콜로부터 제조된 중합체이다. FEP는 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체를 의미한다.

튜브형 유동 채널의 수 및 배열에 따라, 반응 챔버는 상이한 크기 및 형상을 가질 수 있다. 동심으로 배열된 단일 튜브형 유동 채널 또는 다중 튜브형 유동 채널의 경우, 최외측 튜브형 유동 채널의 외부 벽은 반응 챔버의 외부 표면을 나타낸다. 서로 나란히 배열된 다중 튜브형 유동 채널의 경우, 반응 챔버의 외부 표면은 최외부 유동 채널의 외부 벽의 세그먼트에 의해 형성된다.

광반응기의 바람직한 실시예에서, 반응 챔버의 외부 표면은 플랫형이거나 오목한 채널 벽의 섹션을 포함한다. 광원들에 의해 방출된 광에 대한 커플링 에너지가 플랫형 섹션이나 오목한 섹션을 갖는 구역에서 더 높다는 것이 본 실시예의 이점이다.

광반응기의 추가의 바람직한 실시예에서, 반응 챔버의 외부 표면은 반사 방지 코팅으로 코팅된다. 본 실시예의 이점은 광의 투과 및 따라서 광 반응기의 효율이 증가된다는 것이다.

광반응기의 추가의 바람직한 실시예에서, 반응 챔버의 외부 표면은 돔-형상, 콘-형상 또는 피라미드-형상인 만입부(indentation)를 갖는 채널 벽의 섹션을 포함한다.

이러한 실시예에서, 광원은 만입부의 방향으로 광을 방출하는 만입부에 할당되는 다수의 개별 광원을 포함하는 것이 추가로 바람직하다. 이러한 실시예에서, 광원들에 의해 방출된 광의 반사에 의한 에너지의 손실이 최소화될 수 있다.

반응 챔버는 임의의 공지된 제조 기술, 예를 들어 열간 성형, 기계가공 또는 적층 가공에 의해 제조될 수 있다

본 발명에 따르면, 광반응기는 유동 채널의 종축에 대해 반경방향으로 반응 챔버 주위에 배열되는 개별 광원으로서 LED 를 포함한다.

광반응기의 추가의 바람직한 실시예에서, 광원은 반응 챔버의 종축에 대한 광원의 축방향 대칭으로 반응 챔버 주위에 배열되며, 이는 종축에 수직인 모든 단면에 대해 종축에 대한 광원의 발광 표면의 점 대칭이 존재함을 의미한다.

바람직한 실시예에서, 유동 채널의 종축에 수직인 튜브형 하우징의 내부 표면의 단면은 n-다각형의 형태를 가지며, n 은 내부 표면의 플랫형 섹션들의 수이다. 바람직하게는, 수 n 은 3 내지 700, 더욱 바람직하게는 3 내지 350, 특히 6 내지 36 이다. n-다각형의 플랫형 내부 표면들은 개별 광원들 또는 광원들의 랙들 또는 그룹들을 장착하기에 매우 적합하다.

본 발명의 제3 주제는 본 발명에 따른 광반응기에서 광반응을 수행하는 방법이고, 상기 방법은 반응 챔버를 통해 적어도 하나의 반응물을 유동시키는 단계 및 광원들로부터 방출된 광에 의해 반응물을 조사하는 단계를 포함한다.

광반응을 수행하기 위한 방법의 바람직한 실시예에서, 광원은 다수의 개별 광원을 포함하고, 개별 광원에 의해 방출된 광의 강도는 유동 채널을 따르는 광반응의 변환율에 의존하여 맞춤화된다.

광반응의 적어도 하나의 생성물은 비타민 A 인 것이 추가로 바람직하다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 도면들은 원칙적인 표현으로서 해석되어야 한다. 이들은, 예를 들어 특정 치수 또는 설계 변형과 관련하여 본 발명의 어떠한 제한도 구성하지 않는다. 도면들에서:

도 1 은 본 발명에 따른 제1 실시예로서 단일 유동 채널을 갖는 광반응기의 종방향 절단도 및 단면 절단도를 도시한다.
도 2 는 도 1 의 광반응기의 4개의 상이한 변형예의 단면 절단도를 도시한다.
도 3 은 본 발명에 따른 제2 실시예로서 내부 튜브 및 외부 튜브를 포함하는 유동 채널을 갖는 광반응기의 종방향 절단도 및 단면 절단도를 도시한다.
도 4 는 본 발명에 따른 조명 디바이스의 제1 실시예를 위한 튜브형 하우징의 쉘의 3차원 도면을 도시한다.
도 5 는 도 4 의 쉘의 컷어웨이 도면을 도시한다.
도 6 은 본 발명에 따른 조명 디바이스의 제2 실시예의 3차원도이다.
도 7 은 도 6 의 조명 디바이스의 종방향 절단도를 도시한다.
사용된 도면 번호 목록:
10...반응 챔버
11...환형 공간
20...유동 채널
21...종축
22...벽
23...내부 튜브
24...외부 튜브
30...광원
40...하우징
41...종축
42...장착 요소
43...통과로
44...열전달 유체를 위한 입구
45...열전달 유체를 위한 출구
46...유동 채널
47...유동 채널의 편향
48...전원 공급을 위한 개구
49...리셉터클
50...보호 셸
51...종축
52...환형 채널
53...시일
54...시일
60...커버

예 1

도 1 은 본 발명에 따른 제1 실시예로서 단일 유동 채널을 갖는 광반응기의 종방향 절단도(좌측) 및 단면 절단도(우측)를 도시한다. 광반응기는 조명 디바이스 및 반응 챔버(10)를 포함한다. 조명 디바이스는 종축(41)을 갖는 튜브형 하우징(40) 및 상기 하우징(40)의 내부 표면 상에 장착된, 복수의 개별 광원들(30)을 포함한다. 반응 챔버(10)는 반응 혼합물에 의해 바닥으로부터 상단으로 관통 유동되는 튜브형 유동 채널(20)을 포함한다(화살표). 유동 채널(20)은 원형 단면을 갖는 중공 실린더이고, 채널 벽(22)은 종축(21) 주위에 대칭적으로 정렬된다. 따라서, 채널 벽(22)의 내부 표면과 외부 표면은 광원(30)의 관점으로부터 볼록하다. 이러한 제1 실시예에서, 반응 챔버(10)는 유동 채널(20)과 동일하다. 채널 벽(22)은 광원(30)에 의해 방출되는 광에 대해 투과성인 재료로 제조된다. 개별 광원(30)은 발광 다이오드들(LED들)이고, 유동 채널(20)의 종축(21)에 대해 반경방향으로 반응 챔버(10)의 주위에 배열된다. 튜브형 유동 채널(20)은 조명 디바이스의 내측에 배열되어, 반응 챔버(10)의 외부 표면과 조명 디바이스의 하우징(40)의 내부 표면 사이에 갭(11)을 형성한다. 갭(11)은 광원(30)에 의해 방출된 광에 대해 투과성인 열 전달 유체, 바람직하게는 실리콘 오일에 의해 충전되거나 관통 유동될 수 있다. 하우징(40)의 종축(41)은 유동 채널(20)의 종축(21)과 동일하다.

도 2a 내지 도 2d 는 도 1 에 따른 광반응기의 4개의 상이한 변형예의 단면 절단도를 도시한다. 이들은 채널 벽(22)의 단면 및 채널 벽(22)을 둘러싸는 광원(30)으로서 LED 를 위한 튜브형 하우징의 단면에서 서로 상이하고 도 1 에 따른 변형예와 상이하다. 모든 변형예에서, 채널 벽(22) 및 광원(30)은 종축(도면에서 "+"로 표시됨)에 대해 대칭이다.

도 2a 에 따른 광반응기의 변형예에서, 광원(30)을 위한 튜브형 하우징 및 채널 벽(22)은 단면이 정사각형이다. LED들은 그들의 광이 채널 벽(22)의 평면형 외부 표면 상으로 수직으로 방출되는 방식으로 튜브형 하우징의 내부 표면들 상에 배열된다. 채널 벽(22)의 내부 표면도, 역시 평면형이다.

도 2b 에 따른 광반응기의 변형예에서, 채널 벽(22) 및 광원(30)을 위한 튜브형 하우징은 단면이 삼각형이다. LED들은 그들의 광이 채널 벽(22)의 평면형 외부 표면 상으로 수직으로 방출되는 방식으로 튜브형 하우징의 내부 표면들 상에 배열된다. 채널 벽(22)의 내부 표면도, 역시 평면형이다.

도 2c 에 따른 광반응기의 변형예에서, 반응 챔버는 내향으로 만곡되고 그들의 에지에서 연결되는 채널 벽(22)의 4개의 세그먼트에 의해 형성되고, 에지는 단면이 정사각형을 형성한다. 채널 벽(22)의 4개의 벽 세그먼트는 광원(30)의 관점으로부터 오목한 내부 및 외부 표면을 갖는다. 광원(30)을 위한 튜브형 하우징은 단면이 정사각형이다. 광원(30)으로서의 LED 는 채널 벽(22)의 오목한 외부 표면 상으로 그 광을 방출하는 튜브형 하우징의 내부 벽에 플랫형으로 장착된다.

도 2d 에 따른 광반응기의 변형예에서, 채널 벽(22) 및 광원(30)을 위한 튜브형 하우징의 외부 표면의 단면은 규칙적인 12각형(dodecagon)이다. LED 는 그들의 광이 채널 벽(22)의 외부 표면의 12개의 평면형 세그먼트 상에 수직으로 방출되는 방식으로 튜브형 하우징의 내부 표면 상에 배열된다. 채널 벽(22)의 내부 표면은 단면이 원형이다.

예 2

도 3 은 본 발명에 따른 제2 실시예로서 내부 튜브 및 외부 튜브를 포함하는 유동 채널을 갖는 광반응기의 종방향 절단도(좌측) 및 단면 절단도(우측)를 도시한다. 광반응기는 조명 디바이스 및 반응 챔버(10)를 포함한다. 조명 디바이스는 종축(41)을 갖는 튜브형 하우징(40) 및 상기 하우징(40)의 내부 표면 상에 장착된, 복수의 개별 광원들(30)을 포함한다. 반응 챔버(10)는 양쪽 단부에서 개방된 내부 튜브(23) 및 그 하부 단부에서 개방되고 그 상부 단부 상에서 폐쇄된 외부 튜브(24)를 포함한다. 내부 튜브(23)는 외부 튜브의 상부 폐쇄된 단부까지의 내부 튜브의 상부 개방 단부의 축방향 거리를 갖고 외부 튜브(24) 내측에서 동심으로 배열된다. 내부 튜브(23) 및 외부 튜브(24)는 반응 혼합물에 의해 내부 튜브(23)의 바닥로부터 상단으로 관통 유동되고 그후 외부 튜브(24)의 상단으로부터 바닥으로 관통 유동되는 하나의 튜브형 유동 채널을 형성한다(화살표). 유동 채널은 원형 단면을 갖는 중공 실린더이고, 채널 벽들(22)은 종축(21) 주위에 대칭적으로 정렬된다. 따라서, 채널 벽(22)의 내부 표면과 외부 표면은 광원(30)의 관점으로부터 볼록하다.

이러한 제2 실시예에서, 반응 챔버(10)는 유동 채널(20)과 동일하다. 채널 벽들(22)은 광원(30)에 의해 방출되는 광에 대해 투과성인 재료로 제조된다. 개별 광원(30)은 발광 다이오드들(LED들)이고, 유동 채널(23, 24)의 종축(21)에 대해 반경방향으로 반응 챔버(10)의 주위에 배열된다. 튜브형 유동 채널은 조명 디바이스의 내측에 배열되어, 반응 챔버(10)의 외부 표면과 조명 디바이스의 하우징(40)의 내부 표면 사이에 갭(11)을 형성한다. 갭(11)은 광원(30)에 의해 방출된 광에 대해 투과성인 열 전달 유체, 바람직하게는 실리콘 오일에 의해 충전되거나 관통 유동될 수 있다. 하우징(40)의 종축(41)은 유동 채널의 종축(21)과 동일하다.

예 3

도 4 는 본 발명에 따른 조명 디바이스의 제1 실시예를 위한 튜브형 하우징(40)의 쉘의 3차원 도면을 도시한다. 도 5 는 도 4 의 쉘의 컷어웨이를 도시하며, 튜브형 하우징의 외부 벽은 도시되지 않는다. 본 예시적인 실시예에서, 도 4 에 도시된 바와 같은 2개의 쉘이 조립되어 튜브형 하우징(40)을 형성한다. 쉘은 하우징의 종방향 섹션을 형성하고 180°의 각도 범위를 포함한다. 쉘은 튜브형 하우징을 형성하기 위해 쉘 중 2개를 조립하기 위한 여러 개의 플랜지를 포함한다. 장착 요소(42)는 튜브형 하우징(40)의 외측 상에 하우징을 지지부에 장착할 수 있도록 제공된다.

쉘의 내부 표면과 외부 표면은 각각 8개의 플랫형 섹션을 갖는 다각형으로 형성된다. 따라서, 조립된 튜브형 하우징의 내부 표면은 내부 표면의 16개의 플랫형 단면을 갖는 다각형으로 형성된다. 튜브형 하우징(40)은 하우징(40)의 내부 표면에 다수의 개별 광원(도 4 에 도시되지 않음)을 부착할 수 있는 방식으로 구성된다. 개별 광원들은 개별 LED들로서 또는 여러 LED들을 포함하는 랙들로서의 발광 다이오드들(LED들)들일 수 있다. 이를 위해, 다각형의 각각의 섹션은 쉘의 내부 표면과 외부 표면 사이에 통과로(43)를 포함한다. 개별 광원들 또는 광원들의 랙들은 예를 들어 통과로들(43)을 통해 삽입되고 외측로부터 고정되는 볼트들에 의해, 하우징의 내부 표면에 용이하게 장착될 수 있다.

튜브형 하우징(40)은 열 전달 유체에 의해 관통 유동되도록 구성된다. 하우징(40)은 열 전달 유체를 위한 유동 채널들(46)을 포함하고, 상기 유동 채널들(46)은 상기 개별 광원들을 위한 컨포멀(conformal) 냉각 통로를 형성하도록 상기 개별 광원들 뒤에 상기 하우징(40)의 내부 표면의 후방 측면에 배열된다. 도 5 에 도시된 예에서, 컨포멀 냉각 통로는 하우징(40)의 종축을 따라 배향된 8개의 유동 채널(46)을 포함하며, 하나의 유동 채널(46)은 다각형의 8개의 섹션 각각에 있다. 유동 채널들(46)은 하우징의 내부 벽의 후방 측면으로부터 하우징의 외부 벽의 후방 측면까지 연장되는 벽들에 의해 서로 분리된다. 각각의 유동 채널(46)은 유동 채널의 편향부(47)를 구성하는 분리 벽 내의 컷아웃(cutout)에 의해 그 이웃하는 유동 채널에 유체 연결된다. 냉각 통로는 미로 형상을 가지며, 통로의 하나의 단부에서 열 전달 유체(44)를 위한 입구와 통로의 다른 단부에서 열 전달 유체(45)를 위한 출구 사이에서 연장된다.

광원들을 고정하기 위한 통과로들(43)은 광원들(30)이 내부 표면에 부착되는 포지션들에서 하우징(40)의 내부 표면과 외부 표면 사이의 유동 채널들(46)을 통해 연장된다. 도시된 예에서, 통과로(43)는 반경 방향으로 폐쇄되고 따라서 유동 채널(46)에 대해 시일링되는 채널에 의해 형성된다. 시일링과는 별개로, 통로의 이러한 구성은 유동 채널들 내로 연장되고 작동 시 열 전달 유체에 의해 둘러싸이는 통과로들의 벽들이, 광원들의 고온 후방 측면으로부터 저온 열 전달 유체로의 열 전달을 증가시키는 이점을 추가로 갖는다는 것이 밝혀졌다.

예 4

도 6 은 본 발명에 따른 조명 디바이스의 제2 실시예의 3차원도이다. 도 7 은 도 6 의 조명 디바이스의 종방향 절단도를 도시한다. 광반응기를 위한 조명 디바이스는 종축(41)을 갖는 튜브형 하우징(40)을 포함한다. 이러한 예시적인 실시예에서, 튜브형 하우징(40)은 하나의 피스로 제조된다. 장착 요소(42)는 하우징을 지지부에 장착할 수 있도록 튜브형 하우징(40)의 외측 상에 제공된다. 종방향 랙 상에 그룹화된 LED 는 하우징(40)의 내부 표면 상에 개별 광원(30)으로서 장착된다.

하우징(40)은 열 전달 유체를 위한 유동 채널들(46)을 포함하고, 상기 유동 채널들(46)은 개별 광원들(30)을 위한 컨포멀 냉각 통로를 형성하도록 개별 광원들(30) 뒤에 상기 하우징(40)의 내부 표면의 후방 측면에 배열된다. 이전의 예와 유사하게, 도 6 및 도 7 에 도시된 실시예에서, 컨포멀 냉각 통로는 하우징(40)의 종축(41)을 따라 배향된 여러 개의 유동 채널(46)을 포함한다. 유동 채널들(46)은 하우징의 내부 벽의 후방 측면으로부터 하우징의 외부 벽의 후방 측면까지 연장되는 벽들에 의해 서로 분리된다. 각각의 유동 채널(46)은 유동 채널의 편향부를 구성하는 분리 벽 내의 컷아웃에 의해 그 이웃하는 유동 채널에 유체 연결된다. 냉각 통로는 미로 형상을 가지며, 통로의 하나의 단부에서 열 전달 유체(44)를 위한 입구와 통로의 다른 단부에서 열 전달 유체(45)를 위한 출구 사이에서 연장된다. 이 예에서, 하우징(40)은 하우징(40)의 내부 표면과 외부 표면 사이의 유동 채널들(46)에 블라인드 구멍들의 형태의 리셉터클들(49)을 포함하며, 리셉터클들(49)은 개별 광원들의 랙을 체결하기 위한 나사산을 제공하고 유동 채널(46)에 대해 시일링된다.

이러한 실시예에 따른 조명 디바이스는 광원(30)에 의해 방출된 광에 대해 투과성인 재료로 제조되고 튜브형 하우징(40) 내측에 배열되는 종축(51)을 갖는 튜브형 보호 쉘(50)을 추가로 포함한다. 보호 쉘(50)의 외부 표면 및 하우징(40)의 내부 표면은 환형 채널(52)을 형성한다. 보호 쉘(50)의 종축(51)은 하우징(40)의 종축(41)과 동일하다. 환형 채널(52)의 양쪽 단부들은 시일링 방식으로 하우징(40)과 보호 쉘(50)에 부착되는 커버(60)에 의해 폐쇄된다. 튜브형 하우징(40)의 상부 단부에는 전력 공급 케이블들을 위한 개구들(48)이 제공된다. 이들 개구는 유동 채널(46)에 대해 시일링된다.

Claims (15)

1. 종축(41)을 갖는 튜브형 하우징(40) 및 상기 하우징(40)의 내부 표면 상에 장착된 복수의 개별 광원들(30)을 포함하는 광반응기를 위한 조명 디바이스로서,
   상기 하우징(40)은 열 전달 유체를 위한 유동 채널들(46)을 포함하고, 상기 유동 채널들(46)은 상기 개별 광원들을 위한 컨포멀(conformal) 냉각 통로를 형성하도록 상기 개별 광원들 뒤에 상기 하우징(40)의 내부 표면의 후방 측면에 배열되어, 상기 광원들(30)을 향해 지향된 상기 유동 채널들(46)의 채널 벽들은 본질적으로 상기 광원들(30)이 배열되는 구역들에서 상기 튜브형 하우징(40)의 내부 표면의 형태를 따르는 것을 특징으로 하는, 조명 디바이스.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 광원들(30)은 250 nm 내지 800 nm 파장을 갖는 발광 다이오드들(LED들)인 것을 특징으로 하는, 조명 디바이스.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 광원들(30)에 의해 방출되는 광에 대해 투과성인 재료로 제조되고 종축(51)을 갖는 튜브형 보호 쉘(50)은 상기 튜브형 하우징의 내측에 배열되고, 상기 보호 쉘(50)의 외부 표면 및 상기 하우징(40)의 내부 표면은 환형 채널(52)을 형성하고, 상기 보호 쉘(50)의 종축(51)은 바람직하게는 상기 하우징(40)의 종축(41)과 동일하거나 동축인 것을 특징으로 하는, 조명 디바이스.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 환형 채널(52)의 양쪽 단부들은 시일링 방식으로 상기 하우징(40)과 상기 보호 쉘(50)에 부착되는 커버(60)에 의해 폐쇄되는 것을 특징으로 하는, 조명 디바이스.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 하우징(40)은 상기 광원들(30)이 내부 표면에 부착되는 포지션들에서 상기 하우징(40)의 내부 표면과 외부 표면 사이의 상기 유동 채널들(46)을 관통하는 통과로들(passageways : 43)을 포함하고, 상기 통과로들(43)은 상기 유동 채널들(46)에 대해 시일링되는 것을 특징으로 하는, 조명 디바이스.
6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 하우징(40)은 상기 하우징(40)의 내부 표면과 외부 표면 사이의 상기 유동 채널들(46)에 블라인드 구멍들의 형태의 리셉터클들(49)을 포함하고, 상기 리셉터클들(49)은 상기 개별 광원들을 체결하기 위한 나사산을 제공하고 상기 유동 채널들(46)에 대해 시일링되는 것을 특징으로 하는, 조명 디바이스.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 하우징(40)은 8W/(m·K) 초과의 열전도도를 갖는 재료로 제조되고, 상기 재료는 바람직하게 니켈, 니켈 합금들, 스테인리스 강, 구리, 구리 합금들, 알루미늄 및 알루미늄 합금들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 조명 디바이스.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 컨포멀 냉각 통로는 상기 통로의 하나의 단부에 열 전달 유체를 위한 입구(44) 및 상기 통로의 다른 단부에 열 전달 유체를 위한 출구(45)를 갖는 상기 종축(41)을 따라 배향된 적어도 2개의 유동 채널들(46)을 포함하고, 상기 적어도 2개의 유동 채널들(46)은 유체 연결되는 것을 특징으로 하는, 조명 디바이스.
9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 컨포멀 냉각 통로는 상기 통로의 하나의 단부에 열 전달 유체를 위한 입구(44), 상기 통로의 다른 단부에서 상기 열 전달 유체를 위한 출구(45), 및 서로 평행한 상기 종축(41)을 따라 배향되는 적어도 2개의 유동 채널들(46)을 포함하고, 각각의 유동 채널(46)은 상기 열 전달 유체를 위한 상기 입구(44) 및 상기 출구(45)에 유체 연결되는 것을 특징으로 하는, 조명 디바이스.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 조명 디바이스 및 상기 조명 디바이스의 내측에 배열된 종축(21)을 갖는 적어도 하나의 튜브형 유동 채널(20)을 구비한 반응 챔버(10)를 포함하는 광반응기로서,
    상기 튜브형 유동 채널(20)은 상기 반응 챔버(10)의 외부 표면과 상기 조명 디바이스의 상기 하우징(40)의 내부 표면 사이에 갭(11)을 형성하고, 상기 유동 채널(20)의 상기 채널 벽(22)은 광원들(30)에 의해 방출된 광에 대해 투과성인 재료로 제조되고, 상기 개별 광원들(30)은 상기 유동 채널(20)의 상기 종축(21)에 대해 반경방향으로 상기 반응 챔버(10) 주위에 배열되는 발광 다이오드들(LED들)인, 광반응기.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 하우징(40)의 상기 종축(41)은 상기 유동 채널(20)의 상기 종축(21)과 동일하거나 동축인 것을 특징으로 하는, 광반응기.
12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 광원(30)에 의해 방출되는 광에 대해 투과성인 재료로 제조되고 종축(51)을 갖는 튜브형 보호 쉘(50)은 상기 갭(11)에 배열되어, 상기 갭(11)은 상기 반응 챔버(10)의 외부 표면과 상기 보호 쉘(50) 사이에 환형 채널을 형성하고, 상기 보호 쉘(50)의 종축(51)은 바람직하게는 상기 유동 채널(20)의 상기 종축(21)과 동일하거나 동축인 것을 특징으로 하는, 광반응기.
13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유동 채널(20)의 상기 종축(21)에 수직한 상기 하우징(40)의 내부 표면의 단면은 n각형의 형태를 갖고, n 은 내부 표면의 플랫형 단면들의 수이며, 수 n 은 3 내지 700, 보다 바람직하게는 6 내지 350 인 것을 특징으로 하는, 광반응기.
14. 제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 광반응기에서 광반응을 수행하기 위한 방법으로서,
    반응 챔버를 통해 적어도 하나의 반응물을 유동시키는 단계 및 광원들로부터 방출된 광에 의해 상기 반응물을 조사하는 단계를 포함하는, 광반응기에서 광반응을 수행하기 위한 방법.
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 광반응의 적어도 하나의 생성물은 비타민 A 인 것을 특징으로 하는, 광반응기에서 광반응을 수행하기 위한 방법.
    

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