紫外光均匀分布的流体处理的系统和方法
【专利说明】
[0001 ]相关申请
[0002] 本申请要求2013年8月29日提交的美国临时专利申请No.61/871,630的权益和优 先权，其全部内容通过引用包含在本文中。
技术领域
[0003] 在各个实施例中，本发明涉及使用紫外(uv)辐射的流体处理。
【背景技术】
[0004] 液体，包括水，通常用于许多生活和工业目的，例如饮用、食品制备、制造业、化学 药品加工和清洗。通常，在液体使用之前需要对该液体进行净化。通常使用例如陶瓷过滤器 的过滤器从液体去除颗粒和化学杂质。此外，液体可以暴露于UV辐射以抑制可能存在于液 体中的微生物和有害病原体。暴露于短波长(例如100nm-320nm)UV辐射可以具有杀菌效果， 即，辐射能够破坏许多细胞微生物的DNA-从而在实质上消灭它们或者使它们基本上无害。 暴露于UV辐射还能够大致抑制可能存在于液体中的微生物的生长和/或繁殖。
[0005] UV辐射对流动液体的杀菌效果依赖于UV辐射的能量密度，S卩，辐射的通量，其则与 辐射的功率和暴露的持续时间有关。辐射功率依赖于供应至辐射源的功率，而暴露持续时 间依赖于液体的流速。然而，LED发射的UV光通常具有高斯分布的强度，其可能不近似于被 消毒的流体的暴露体积。因此，具有这种LED的消毒系统常常具有非均匀分布的UV强度，这 会导致无效的消毒。也就是说，可能需要过量的LED功率以在处理系统的整个截面内实现期 望的辐射通量，即使这种提高的功率水平在系统的特定区域内导致远远超过了所需通量水 平。
[0006] 此外，消毒各种液体所需的功率可能需要在消毒系统中使用超过一个LED。虽然UV LED理论上可具有超过10,000小时或更多的寿命，但也不起作用，并且多LED系统中的一个 设备的故障往往导致UV辐照度的更不均匀分布并因此使消毒无效和/或不足。
[0007] 鉴于前述情况，需要一种使用UVLED进行消毒的流体处理系统，其有效地产生均 匀水平的辐照度并且即使在LED故障的情况下也是稳健的。
【发明内容】
[0008] 在本发明的多个实施例中，流动的流体暴露于足够的UV辐射以具有期望的杀菌效 果，从而大致净化流体，但是不具有现有系统所表现的能量浪费。本发明的实施例提供流通 室，在流通室中，流体暴露于具有大致均匀的强度分布（即，作为面积的函数）的UV辐射。以 这种方式，处理功效在处理体积（即，流体流动通过的室)的整个截面区域内是大致均匀的。 此外，大致均匀的强度分布确保流动通过室的大致所有液体被处理而不需要过量的功率来 运行UV辐射源。也就是说，UV辐射源的辐照度可以被保持在恰好能够实现期望杀菌效果的 大致均匀水平，而不是像在产生非均匀能量分布的传统系统中，过度暴露一些区域以使得 其他区域接收到最小的杀菌能量剂量。
[0009]在本发明的优选实施中，UV辐射的大致均匀的能量分布能够通过使用一个或多个 高漫反射表面有效地分布来自仅几个(甚至仅一个)例如LED和/或激光器的UV光源(例如点 光源）的UV光来实现。一般地，UV光源通过高UV可透窗口将光射入流通室，并且来自光源的 UV光被漫反射进入处理区域，从而产生高均匀度。因此，来自UV光源的光优选地至少最初在 流通室内经由高漫反射发生反射，而不是通过例如镜面反射或全内反射(TIR)发生反射。因 为漫反射使得来自UV光源的光以多个不同的角度发生反射，因此实现了UV光的有效分布， 同时使得UV光源的数量最少化。一旦光最初在流通室装置内发生漫反射，它可以在流通室 内（例如处理区域内）经由来自一个或多个其他表面的漫反射和/或镜面反射被进一步反射 和/或分布。以这种方式，甚至可以使用发射高斯分布的辐射的UV光源(例如UVLED)产生作 为处理区域的截面面积的函数的大致均匀的UV辐射强度。
[0010]因为uv光源本身通常被布置在uv可透窗口后面，而不是布置在处理区域本身内 部，所以有缺陷的或发生故障的UV光源的更换可以在不用拆卸整个流通室装置的情况下完 成。UV光源通常也被定位为使得它们的发射表面(至少大部分光从其发射的主要发射表面） 发射光而不会直接瞄准与其关联的任意其他UV光源和/或UV可透窗口。也就是说，从一个UV 光源射入流通室的大多数、甚至大致全部光在光的任意可察觉部分可能朝向另一UV光源的 UV可透窗口之前被至少一个表面漫反射。该配置因此最小化或大致消除了来自UV光源的UV 光的经由通过其他UV光源的UV可透窗口泄露至流通室外和/或经由其他UV光源本身的吸收 而产生的损失。一个或多个UV光源可以发射高斯能量分布的UV光。
[0011 ]如本文所使用的，"漫射性"材料和表面对于光特别是在大约100nm至大约320nm的 波长范围的至少一部分内的UV光所呈现的漫反射率为至少60%。优选的漫射性表面接近理 想的朗伯(Lambertian)反射（即，100 %的漫反射率)并且对于在大约100nm至大约320nm的 波长范围的至少一部分内的UV光所呈现的漫反射率为至少75 %、至少90 %、至少93%，甚至 至少98%。（类似地，"镜面反射"材料和表面，如本文所使用的，对于光特别是在大约100nm 至大约320nm的波长范围的至少一部分内的UV光所呈现的镜面反射率为至少60%、至少 75%，甚至至少90%;这些材料可以包括金属和/或金属涂层，例如铝）。漫射性材料可以是 多孔的或半多孔的，和/或可以具有粗糙表面，从而促进从其发生的漫反射。
[0012]漫射性材料（或至少其反射表面）可以包括例如聚四氟乙烯（PTFE)或者基本由 PTFE构成，PTFE例如是可以从德国Eningen的BerghofFluoroplasticTechnologyGmbH获 得的光学PTFE。虽然PTFE由于其化学和机械惰性已经用于传统的水卫生设备，但是这些传 统系统并没有使用UV光净化，也没有使用足够薄的PTFE组件以允许UV光通过组件本身。本 发明的优选实施例使用厚度足以防止净化UV光通过反射表面本身的漫反射器，从而经由漫 反射促进处理区域的大致均匀的照射，而UV光强度不会有任何实质性减小。例如，本发明的 实施例中所使用的PTFE组件通常具有1mm或更大、2mm或更大、甚至5mm或更大的厚度，而传 统的透射性PTFE组件具有零点几毫米或更小的厚度。因为漫反射材料使得流通室中使用的 UV光至少大致不可透过(并因此不透射UV光），所以流通室包含针对每个UV光源的UV可透窗 口以允许来自光源的光进入装置。这些窗口可以包含使得在大约l〇〇nm至大约320nm的波长 范围的至少一部分内的UV光大致透过的一种或多种材料，或者基本由其构成。这些材料的 示例包括石英石(quartz)、恪融石英(fusedsilica)或蓝宝石。
[0013] 本发明的实施例包含2010年6月10日提交的美国专利申请No. 12/813,293所描述 的各个特征，其全部内容通过引用包含在本文中。
[0014] 在一个方面，本发明的实施例提供一种流体处理系统，该流体处理系统包括或基 本由如下构成:在其内部包含流动的流体的流通室、布置在流通室的第一端的第一端盖、布 置在与流通室的第一端相对的流通室的第二端的第二端盖、布置在流通室和第一端盖之间 的第一窗口、布置在流通室和第二端盖之间的第二窗口、被定位为将UV光射入第一端盖的 一个或多个第一UV光源，以及被定位为将UV光射入第二端盖的一个或多个第二UV光源。所 述流通室具有（i)流体入口、（ii)流体出口、（iii)布置在流体入口和流体出口之间并且流 体地耦合至流体入口和流体出口的处理区域，以及(iv)使得紫外(UV)光发生漫反射的内表 面。第一端盖和第二端盖分别具有使得UV光发生漫反射的一个或多个侧壁。第一窗口大致 防止流体流入第一端盖并且使得UV光大致透过。第二窗口大致防止流体流入第二端盖并且 使得UV光大致透过。第一端盖的侧壁被配置(例如定尺寸、定形和/或定角度)为使得UV光的 至少