专利名称：测定杀菌剂浓度的系统和方法
技术领域：
本发明总体上涉及杀菌和净化技术，并且更具体地说涉及在杀菌或净化系统中确定气态或蒸气相杀菌剂的浓度的系统。
背景技术：
杀菌方法的应用很是广泛，并且已经使用的杀菌剂(sterilant)也同样广泛。此处使用的术语“杀菌”指将所有的生物污染灭活，尤其是无生命物体上的生物污染。术语“消毒(disinfectant)”指将被认为致病的有机体灭活。
气态和蒸气杀菌/净化系统依赖于维持某些过程参数，从而实现预定的无菌或净化保证水平(decontamination assurance level)。对于过氧化氢蒸气杀菌/净化系统，所述参数包括过氧化氢蒸气的浓度、饱和度、温度和压力及曝露时间。通过控制这些参数，基本上可以成功地获得所需的杀菌保证水平，同时避免由于蒸气饱和而导致过氧化氢冷凝。
因为杀菌剂可能会分解，在杀菌或净化室内监控过氧化氢浓度对于确定杀菌剂浓度是否维持足够长的时间来实现室内物体的杀菌是重要的。
为了确保过氧化氢流到蒸发器中，已经公知使用压力开关来测量蒸发器注入管线中过氧化氢溶液的静压头压力，从而保证在注入管线中有杀菌剂。一些系统使用天平来测量注入到蒸发器中的杀菌剂的实际质量。在使用压力开关的系统中，当在灭活室中产生真空时，静压头的压力降低。所述真空可以引起压力开关产生错误的“无杀菌剂”报警。在使用天平测量杀菌剂流的情况中，不能保证杀菌剂实际加到蒸发器中。天平与蒸发器之间的破裂的管线或不连贯的管道可能导致对净化室中杀菌剂的错误判断。再另外，置于蒸发器前的任何系统，例如上述的压力开关或天平，都不能检测或保证杀菌剂实际上到达净化室。
还已经公知借助化学或生物指示剂来检测净化室中汽化过氧化氢(VHP)的存在。但是，在知道是否存在杀菌剂之前，生物指示剂必须培养几天，并且化学指示剂一般提供了视觉指示(典型地通过改变颜色)，从而如果化学指示剂没有提供存在杀菌剂的正面指示，需要操作者干预，以放弃杀菌/净化循环。生物和化学指示剂的另一个缺点是它们只能提供是否存在汽化过氧化氢(VHP)的指示，但是不能提供汽化过氧化氢(VHP)存在量的指示。
已经建议使用红外(IR)传感器来确定汽化过氧化氢(VHP)的实际存在浓度。但是IR传感器是昂贵的、精细和庞大的，这使得汽化过氧化氢(VHP)的精确测量变得困难。在这方面，随着杀菌过程进行实时测量是优选的。
本发明克服了这些和其它问题，并且提供了在杀菌/净化室中检测汽化过氧化氢浓度的系统。
发明内容
根据本发明优选的实施方案，提供了净化限定区域的蒸气净化系统。该系统包括限定特定区域的室和从过氧化氢和水的溶液中产生汽化过氧化氢的发生器。提供了一种闭环循环系统，用来将汽化过氧化氢供应到所述区域。分解器分解汽化过氧化氢，并且分解器下游的传感器用来检测系统中的湿度并且提供指示湿度的电信号。控制器基于来自传感器的所述电信号确定所述区域中汽化过氧化氢的存在。
根据本发明另一方面，提供了净化特定区域的净化系统。该系统具有用来产生汽化过氧化氢的发生器，以及用来将汽化过氧化氢供应到所述区域的闭环系统。提供了将汽化过氧化氢分解成水和氧气的分解器。传感器检测分解器下游的系统中的湿度，并且控制器基于来自所述传感器的数据确定所述区域中汽化过氧化氢的存在。
根据本发明的另一个方面，提供了一种确定特定区域中汽化过氧化氢(VHP)的存在的方法，其包括以下步骤提供具有入口和出口的可密封区域，以及一端与所述区域入口流动连接并且另一端与所述区域出口流动连接的闭环管道；使载气流再循环入、通过和流出所述区域并且环绕所述闭环管道；将汽化过氧化氢送入所述区域入口上游的再循环载气流中；在所述区域出口下游的第一个位置处分解所述汽化过氧化氢；在所述第一位置下游的第二个位置处监测温度和湿度；及基于所述第二个位置处的湿度读数来确定所述区域中汽化过氧化氢的存在。
根据本发明的再一个方面，提供了一种在具有入口和出口以及流动连接所述出口与入口的闭环管道的可密封的室或区域中进行蒸气相净化的闭环流通方法(closed loop，flow through method)，所述方法包括下列步骤使载气流再循环入、通过和流出所述室，并且通过所述闭环管道；将汽化过氧化氢供应入所述再循环载气流中；在所述出口下游的第一位置处分解所述汽化过氧化氢，形成水和氧气；在所述第一个位置处下游的第二个位置处监测相对湿度；及基于所述第二个位置处的相对湿度，估计所述区域中汽化过氧化氢的浓度。
根据本发明的再另一个方面，提供了一种闭环、流通蒸气相净化系统，其包括具有入口和出口的可密封的室。闭环管道系统具有与所述入口流动连接的一端和与所述出口流动连接的另一端。鼓风机与使载气流再循环入、通过和流出室的管道系统相连接。提供蒸发器将汽化过氧化氢送入所述入口上游的载气流中。位于所述出口下游的分解器将汽化过氧化氢转化成水和氧气。位于所述分解器下游的传感器检测湿度，并且处理单元监控所述分解器下游的湿度水平并且基于所述湿度水平确定所述室中的汽化过氧化氢的浓度。
本发明的优点在于确定封闭室中的汽化过氧化氢浓度的系统。
本发明的另一个优点在于上述可以在灭活循环期间确定汽化过氧化氢的浓度的传感器。
本发明的另一个优点在于上述不需要操作者干预的传感器。
结合附图和附加的权利要求，这些和其它优点将从下面优选实施方案的说明中变得明显。
本发明在某些部分和部分的安排中可以采取实物形态(physicalform)，其优选的实施方案将在本说明书中详细说明，并且在形成其一部分的附图中显示，附图中图1是汽化过氧化氢灭活系统的示意图；及图2是描述图1所示的灭活体系的工作循环的图。
具体实施例方式
下面参照只是为了阐述本发明优选实施方案而表示的附图，图1显示了汽化过氧化氢杀菌系统10，其显示了本发明的优选实施方案。系统10包括用于确定汽化过氧化氢(即两组分蒸气相杀菌剂)的存在和/或浓度的装置，并且借助特定的参考标记对其进行描述。当然，应当理解本发明可以有利地用于确定其它多组分蒸气相杀菌剂的浓度。
在所示实施方案中，系统10包括限定了内部杀菌/净化室或区域24的隔离装置或隔离室22。根据设计待杀菌或净化的物体可以放在隔离装置或隔离室22内。蒸发器32(本文也称作发生器)通过供应管道42与隔离室或隔离装置22的杀菌/净化室或区域24连接。供应管道42在室或区域24上限定出汽化过氧化氢(VHP)的入口44。蒸发器32通过进料管线54与液体杀菌剂供应52连接。为了测量供应到蒸发器32中的杀菌剂的实际质量，将传统上公知的天平装置56与杀菌剂供应52连接。
提供由马达64驱动的泵62来向采用传统上公知的方法汽化杀菌剂的蒸发器32中传送计量量的液体杀菌剂。在可选的实施方案中，泵62配备有允许监测计量入蒸发器32中的杀菌剂量的编码器(encoder)(未显示)。如果泵62配备有编码器，就不需要天平装置56了。在进料管线中提供压力开关72。在进料管线54中不存在特定的静压头压力的情况中，压力开关72可用于提供电信号。
隔离装置或隔离室22和蒸发器32是闭环系统的一部分，其包括将隔离装置或隔离室22(以及杀菌/净化室或区24)与蒸发器32连接的返回管道46。返回管道46在杀菌/净化室或区24限定出VHP出口48。在返回管道46内在隔离装置或隔离室22与蒸发器32之间安置由马达84驱动的鼓风机82。鼓风机82用于使杀菌剂和空气循环通过闭环系统。如图1所示，在返回管道46内在鼓风机82和隔离装置或隔离室22之间安置第一过滤器92和催化分解器94。第一过滤器92优选是HEPA过滤器并且用来除去流过系统10的污染物。如传统上所公知，催化分解器用来分解流过的过氧化氢(H2O2)。催化分解器94将过氧化氢(H2O2)转化成水和氧气。在返回管道46内在鼓风机82和蒸发器32之间安置空气干燥机112、过滤器114和加热器116。空气干燥机112用于从吹过所述闭环系统的空气中除去湿气。第二个过滤器114用于过滤由鼓风机82吹过返回管道46的空气。加热器116用于加热由鼓风机82吹过返回管道46的空气。在这方面，在空气进入蒸发器32前加热空气。
在返回管道46内在鼓风机82和催化分解器94之间安置湿度传感器122和温度探测器124。空气流传感器126安置介于鼓风机82和空气干燥机112之间的返回管道46中。湿度传感器122用于在催化分解器94以外(即下游)的位置处检测返回管道46内的相对湿度。温度探测器124用于在催化分解器94以外(即下游)的位置处检测流过返回管道46的空气流的温度。空气流传感器126用于检测通过返回管道46的空气流。
湿度传感器122、温度探测器124和空气流传感器126向图1示意显示的系统控制器132提供电信号。控制器132是借助程序控制系统10的操作的系统微处理器或微控制器。如图1所示，控制器132还与马达64、马达84、压力开关72和天平装置56连接。
现在将结合系统10的操作进一步说明本发明。典型的杀菌/净化循环包括干燥阶段、调节阶段、净化阶段和换气阶段。在启动杀菌/净化循环之前，向控制器132中输入关于杀菌剂溶液中过氧化氢百分含量的数据。如上所述，在优选的实施方案中，使用含有35％过氧化氢和65％水的杀菌剂溶液。但是，本发明涵盖其它浓度的过氧化氢和水。
隔离装置或隔离室22、供应管道42和返回管道46限定了闭环管道回路。当首次启动杀菌/净化循环时，控制器132引起鼓风机马达84驱动鼓风机82，从而使载气循环通过闭环回路。在干燥阶段期间，蒸发器32停止操作。空气干燥机112从通过闭环系统循环，通过供应管道42、返回管道46和杀菌/净化室或区24或隔离装置或隔离室22的空气中除去湿气，如图1的箭头所示。当空气已经被干燥至足够低的湿度水平时，干燥阶段结束。
然后，通过激活蒸发器32和杀菌剂供应马达64，向蒸发器32中提供杀菌剂来启动调节阶段。在本发明优选的实施方案中，杀菌剂是包含约35％过氧化氢和约65％水的过氧化氢溶液。还涵盖包含不同比例过氧化氢的杀菌剂溶液。在蒸发器32内，以传统上公知的方法，汽化液体杀菌剂，产生汽化过氧化氢(VHP)和水蒸气。汽化的杀菌剂被引入闭环管道回路中并且借助载气经供应管道42送入隔离装置或隔离室22内的杀菌/净化室或区24中。在调节阶段期间，以较高的速率将VHP注入杀菌/净化室或区24中，使过氧化氢水平在短时间内达到所需的水平。在调节阶段期间，鼓风机82使空气连续地循环通过闭环系统。在VHP从蒸发器32进入室或区域22中的同时时，也从室或区域22中取出VHP，并通过催化分解器94将其分解成水和氧气。
在完成调节阶段后，启动净化阶段。在净化阶段期间，降低将杀菌剂注到蒸发器32和杀菌/净化室或区24中的注入速率，维持过氧化氢浓度在所需的水平下。使净化阶段的运行持续预定的时间，优选在此其间将过氧化氢浓度保持在所需水平，所述预定的时间足以实现对杀菌/净化室或区24及其中物品的所需的杀菌或净化。
在净化阶段完成后，控制器132关闭蒸发器32，从而关闭汽化过氧化氢(VHP)向杀菌/净化室或区24的流动。
然后，运行换气阶段，使过氧化氢水平降低至可允许的阈值(约1ppm)。在这方面，可以理解鼓风机82继续将空气和杀菌剂循环通过闭环系统，从而继续由催化分解器94分解汽化过氧化氢。
贯穿各个操作阶段，湿度传感器122和温度探测器124分别在返回管道46内，在催化分解器94下游的某个位置监控相对湿度和温度，并且将指示返回管道46内的相对湿度和温度的电信号提供给控制器132。
根据本发明，控制器132借助程序，基于来自湿度传感器122和温度探测器124的湿度和温度数据，确定在杀菌/净化室或区24内VHP的存在和浓度。在这方面，在系统10操作期间，空气和杀菌剂流过闭环系统，如上所述。当杀菌/净化室或区24中存在VHP时，在催化分解器94中分解过氧化氢(H2O2)，在此H2O2转化成水和氧气。已知加入催化分解器94中的蒸气形式的H2O2质量的17分之9被转化成水并且余量转化成氧。使用来自湿度传感器122(测量相对湿度)的数据以及与来自温度探测器124(测量温度)的数据来计算在催化分解器94后的绝对水蒸气浓度。
应当指出在干燥循环完成后，系统10中水蒸气的唯一来源是通过蒸发器32引入的过氧化氢杀菌剂。在这方面，干燥循环后系统10内存在很小的湿度。因此，在调节阶段和净化阶段，湿度传感器122检测到的湿度是汽化过氧化氢(VHP)的分解产物和蒸发器32引入的水蒸气。控制器132经编程监测绝对湿度水平和温度，并且通过计算估计过氧化氢浓度。因为鼓风机82连续地使空气和杀菌剂循环流过闭环系统，所以基于所述湿度和温度的过氧化氢浓度的计算表示在通过催化分解器94前杀菌/净化室或区24内的过氧化氢量。
基于下面的计算来对控制器132进行编程。
(1)Ch＝(I/F)(P/100)其中Ch＝过氧化氢浓度(毫克/升)I＝杀菌剂注入速率(毫克/分钟)F＝气流(升/分钟)P＝杀菌剂中过氧化氢的百分浓度。
从下面的计算确定杀菌/净化室或区24中预期的水浓度(Cw)。
(2)Cw＝(I/F)(100-P)/100在通过催化分解器94后，由于过氧化氢的分解，水的浓度将增加。通过分解器后预期的水的浓度(Cwd)为(3)Cwd＝Cw+(9/17)(Ch)如果对上面的等式中的Ch求解，得出下面的结果(4)Ch＝(17/9)(Cwd-Cw)代入关于Cw的等式(2)，得到下面的等式(5)Ch＝(17/9)(Cwd-[(I/F)(100-P)/100])Cwd是控制器132使用测量的湿度水平和温度计算的值。通过气流传感器126和天平装置56测量注入速率和气流速率。如上所述，注入的过氧化物浓度百分数是在控制器132内输入和存储的值。
上面提到的计算用于蒸发器32是100％有效的情况。事实上，蒸发器32不能获得100％的效率。蒸发器32的效率不足可能引起一部分过氧化氢分解成水和氧气。由于效率不足，17分之9的过氧化氢分解转化成水，余量转化成氧。进行试验，通过测量实际的过氧化氢浓度并且将该值与理论的过氧化氢浓度比较，从而确定蒸发器32的效率。为此，使用下面的关系式可以确定蒸发器32的效率(6)E＝Chm/Ch其中E＝效率Chm＝测量的过氧化氢浓度(毫克/升)Ch＝理论过氧化氢浓度(毫克/升)考虑效率，使用下面的等式可以确定效率调节的所述室中的过氧化氢蒸气的浓度(Che)(变量定义如上给出)(7)Che＝(I/F)(P/100)E(毫克/升)使用下面等式可以确定效率调节的所述蒸发器的水蒸气浓度Cwhe(8)Cwhe＝(I/F)(P/100)(1-E)(9/17)(毫克/升)结合等式(2)和(8)可以得出效率调节的所述室中的水蒸气浓度(Cwe)。
(9)Cwe＝(I/F)((100-P)/100)+(I/F)(P/100)(1-E)(9/17)(毫克/升)使用下面等式可以确定效率调节的分解器后的水蒸气浓度Cwde(10)Cwde＝Cwe+(9/17)Che(毫克/升)结合上面的等式(9)和(10)，给出下面的等式(11)Cwde＝(I/F)((100-P)/100)+(I/F)(P/100)(1-E)(9/17)+(9/17)Che(毫克/升)使用湿度传感器确定了效率调节的分解器后的水浓度(Cwde)。将等式(11)对Che求解，得到所述室中过氧化氢气体的浓度。
(12)Che＝[Cwde-(I/F)((100-P)/100)-(I/F)(P/100)(1-E)(9/17)](17/9)(毫克/升)在大多数情况中，在较小的范围内，由H2O2半衰期引起的H2O2浓度的降低不会显著影响过氧化氢的水平。在H2O2长时期保留并且与催化性物质接触的大的范围或室中，必须考虑由H2O2半衰期引起的H2O2浓度的降低。
根据本发明的另一个方面，控制器132用于监测绝对湿度，确保在调节阶段期间湿度以所需的速度增加，或者在净化阶段期间保持相对稳定。如果控制器132判定绝对湿度水平没有增加(在调节阶段期间)或者在净化阶段期间没有保持稳定，其将提供错误指示。举例来说，操作者配备有可视显示，例如“缺乏杀菌剂”或“检查泄漏”，或者也可以发出表示不正常杀菌循环的报警。
现在参照图2，该图表示了杀菌/净化操作循环的不同阶段并且显示了系统10中相对湿度和过氧化氢浓度之间的关系。如图2所示，在干燥操作阶段，由虚线210表示的湿度传感器122检测出的相对湿度随着空气干燥机112从系统10内的空气中除去湿气而降低。当启动调节阶段时，向蒸发器32中注入过氧化氢产生由图2中线220表示的VHP，其被循环入杀菌/净化室或区24中。在调节阶段期间，与湿度传感器112检测的湿度水平一样，VHP的水平上升。在这方面，当汽化过氧化氢(VHP)通过出口48流出室或区24时，通过催化分解器94分解，从而产生由湿度传感器122检测到的湿气。因此，湿度传感器122检测到催化分解器94下游的返回管道46内湿度增加。
控制器132可以基于前面的等式计算杀菌/净化室或区24内的汽化过氧化氢(VHP)的量。如图2所示，在净化阶段期间，当汽化过氧化氢(VHP)的量维持在恒定的所需水平下时，湿度传感器122检测的相对湿度保持相当恒定。在净化阶段完成后，当鼓风机82连续地使空气和杀菌剂循环通过系统10，直至催化分解器94已经分解了VHP时，换气阶段降低了系统10中VHP的量，并且空气干燥机112最终从系统10中除去湿气。
在某些情况中，如果调节阶段设置太长，可能存在过调节情况，如图2所示。在此情况下，湿度水平降低直至H2O2和水的浓度稳定。为了允许这种情况，控制器132可以使用上面的等式(3)借助程序计算预期的湿度水平。如果湿度水平低于所述水平，控制器132引发上述“缺乏杀菌剂”或“检查泄漏”的警报。
因此，本发明提供了一种通过监测至少一种汽化过氧化氢分解组分来确定杀菌/净化室或区24内汽化过氧化氢的存在和浓度的简单但高效的方法。
前面的说明是本发明的具体实施方案。应当理解本实施方案只是举例说明，并且本领域技术人员可以实践大量的变通和改进而不背离本发明的精神和范围。本发明涵盖所有这些变通和改进，只要它们落入后附的权利要求或其等价物要求的本发明的范围内。
权利要求
1.一种用于净化限定区域的蒸气净化系统，所述系统包括具有限定区域的室；从过氧化氢和水的溶液中产生汽化过氧化氢的发生器；将所述汽化过氧化氢供应到所述区域的闭环循环系统；分解所述汽化过氧化氢的分解器；位于所述分解器下游的传感器，其用于检测所述系统中的湿度并提供指示湿度的电信号；和控制器，其用于基于所述传感器的所述电信号来确定所述区域中汽化过氧化氢的存在。
2.权利要求1的蒸气净化系统，其中所述传感器是湿度传感器。
3.权利要求1的蒸气净化系统，其中所述控制器用于基于所述传感器的所述电信号来确定所述区域中汽化过氧化氢的浓度。
4.权利要求1的蒸气净化系统，其中所述发生器是蒸发器。
5.权利要求1的蒸气净化系统，其还包括在所述闭环循环系统内的鼓风机，所述鼓风机用于在所述闭环循环系统内循环空气；位于所述闭环循环系统内在所述分解器和所述发生器之间的干燥器，所述干燥器用于从所述循环系统中除去湿气；和位于所述闭环循环系统内所述发生器上游的加热器，其用于加热流过所述循环系统的空气。
6.用于净化特定区域的净化系统，所述系统具有产生汽化过氧化氢的发生器；将所述汽化过氧化氢供应给所述区域的闭环系统和分解所述汽化过氧化氢的分解器；检测所述分解器下游所述系统中湿度的传感器；以及基于所述传感器的所述电信号来确定所述区域中汽化过氧化氢的存在的控制器。
7.权利要求6的净化系统，其中所述控制器用于确定所述区域中的过氧化氢浓度。
8.权利要求7的净化系统，其中所述传感器是湿度传感器。
9.一种确定区域中汽化过氧化氢(VHP)的存在的方法，其包括以下步骤提供具有入口和出口的可密封区域，以及一端与所述区域入口流动连接并且另一端与所述区域出口流动连接的闭环管道；使载气流再循环入、通过和流出所述区域并且环绕所述闭环管道；将汽化过氧化氢送入所述区域入口上游的再循环载气流中；在所述区域出口下游的第一个位置处分解所述汽化过氧化氢；在所述第一位置下游的第二个位置处监测温度和湿度；及基于所述第二个位置处的湿度读数来确定所述区域中汽化过氧化氢的存在。
10.权利要求9的方法，其中所述载气是空气。
11.权利要求9的方法，其中所述分解步骤包括将所述过氧化氢蒸气催化分解成水和氧气。
12.一种在具有入口和出口的可密封的室或区域以及流动连接所述出口与入口的闭环管道中进行蒸气相净化的闭环流通方法，所述方法包括下列步骤使载气流再循环入、通过和流出所述室，并且通过所述闭环管道；将汽化过氧化氢供应入所述再循环载气流中；在所述出口下游的第一位置处分解所述汽化过氧化氢，形成水和氧气；在所述第一个位置下游的第二个位置处监测相对湿度；及基于所述第二个位置处的相对湿度，估计所述区域中汽化过氧化氢的浓度。
13.权利要求12的闭环流通方法，其中所述载气是空气。
14.权利要求12的闭环流通方法，其中所述分解步骤包括将所述过氧化氢蒸气催化分解成水和氧气。
15.一种闭环流通的蒸气相净化系统，其包括具有入口和出口的可密封的室；一端与所述入口流动连接且另一端与所述出口流动连接的闭环管道系统；与所述管道系统连接用来使载气流再循环入、通过和流出所述室的鼓风机；将所述汽化过氧化氢送入所述入口上游的载气流中的蒸发器；位于所述出口的下游用来将汽化过氧化氢转化成水和氧气的分解器；位于所述分解器下游用来检测湿度的传感器；及监控所述分解器下游的湿度水平并基于所述湿度水平确定所述室中汽化过氧化氢的浓度的处理单元。
全文摘要
本发明公开了一种用来净化限定区域的蒸气净化系统。该系统包括限定特定区域的室和从过氧化氢和水的溶液产生汽化过氧化氢的发生器。提供了一种闭环循环系统，用来将汽化过氧化氢供应到所述区域。分解器(destroyer)分解汽化过氧化氢，并且位于所述分解器下游的传感器用于检测系统中的湿度并且提供指示湿度的电信号。控制器基于来自所述传感器的电信号来确定所述区域中汽化过氧化氢的存在。
文档编号B32B27/04GK1822862SQ200480020070
公开日2006年8月23日 申请日期2004年7月8日 优先权日2003年7月15日
发明者阿龙·L.·希尔, 莱斯莉·M.·洛格 申请人:斯特里斯公司