一种深紫外LED杀菌装置的制作方法

一种深紫外led杀菌装置
技术领域
1.本发明涉及光线杀菌设备技术领域，具体为一种深紫外led杀菌装置。


背景技术：

2.紫外线具有对细菌病毒可以实现有效灭活的能量，是一种常见的杀菌手段。近年来铝镓氮材料为基础的紫外led的快速发展，相比于传统汞灯，紫外led有着体积小、无汞、相应速度快、低压固体光源等诸多有点，受到越来越多的关注，在表面杀菌、水杀菌、空气杀菌等领域中越来越多的被使用。
3.对水以及空气等流体进行照射从而实现对流体进行杀菌一直是紫外应用领域重要的一部分。在目前使用的大部分的紫外杀菌装置中，还是以汞灯管、氙气灯管为主，这是由于它们成熟的工艺、较低的成本以及较高的辐射效率。虽然近几年，紫外led也有被用于流动式的水杀菌，不过受限于目前紫外led 的发光效率，大部分使用仅限于低于5l/min流速的杀菌。而空气的流速更高，采用紫外led直接照射流动的空气往往难以实现有效杀菌，常用的方式是通过照射空调、空气净化器的蒸发器、滤网来实现对空气进行杀菌。
4.聚四氟乙烯(ptfe)是近年被广泛应用于流动式杀菌的反射材料。现有技术方案用，大多使用ptfe材料作为腔内侧面反射材料，ptfe在紫外波段具有良好的反射，在250～400纳米波段有70％～90％反射率，用于流动水杀菌装置可以有效的提高装置内部的紫外线照度并改善空间分布，获得较好的杀菌效果。行业内常以每毫瓦的紫外线能处理的水的流量，毫瓦每升每分钟(lpm/mw) 来衡量一个深紫外杀菌结构的杀菌能力。常见的流动式水杀菌的结构，杀菌能力大约在0.02～0.05lpm/mw，也就是说功率为100毫瓦的深紫外光源可以对 2～5升每分钟流速的水进行杀菌，但随着对处理的流量要求越来越高，对杀菌装置的体积要求越来越小，这样的处理能力已经不能够满足设计要求。
5.鉴于此，我们提出一种深紫外led杀菌装置。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种深紫外led杀菌装置，以解决上述背景技术中提出的问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种深紫外led 杀菌装置，包括反射腔、深紫外led光源、光源反射视窗、流体入口、流体出口和外壳，所述反射腔和所述光源反射视窗构成完整的杀菌腔，所述杀菌腔设于外壳内部，且杀菌腔的表面开设有流体入口和流体出口，外壳的内部设置有陶瓷及金属基板，所述深紫外led光源焊接于陶瓷及金属基板的焊盘上，所述光源反射视窗设置于深紫外led光源上。
7.优选的，所述流体入口和流体出口设置于杀菌腔的腔壁上，且流体入口和流体出口截面面积小于杀菌腔腔壁总面积的10％；
8.流体入口和流体出口截面面积小于杀菌腔腔壁总面积的5％，所述流体入口和流体出口位置设置反射结构。
9.优选的，所述反射腔采用紫外高反射材料的组合；
10.所述紫外高反射材料设为膨体聚四氟乙烯、聚四氟乙烯高分子材料中的一种。
11.优选的，所述深紫外led光源焊接在陶瓷及金属基板上，且陶瓷及金属基板上预置有电路，所述深紫外led光源通过电极与电路电气连接，且深紫外led光源设为多颗阵列。
12.优选的，所述光源反射视窗上设置有光学窗口，且光学窗口尺寸为紫外 led光源的1-5倍。
13.优选的，所述流体入口和流体出口位置设置反射结构的材料是紫外高反射的材料的组合，设为硫酸钡无机材料涂层。
14.优选的，所述所述外壳为若干层。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果：
16.本发明中，可以实现在紫外led辐射功率不变，杀菌装置外观尺寸不变的情况下，将反射腔内的照度提高几倍到几十倍，并改善照度均匀性，从而提高对通过腔体的流体的杀菌能力，可以将杀菌能力由传统的 0.02～0.05lpm/mw提高到0.1lpm/mw以上，实现较小体积、较大流量杀菌方案。
17.本发明中，通过反射结构和反射材料调整，改善杀菌装置内部反射模型，通过将光源发出的紫外线在反射腔内部多次反射，大幅提高装置内部紫外线照度和照度均匀性，改善并解决现有流动式杀菌结构在处理较大流量时杀菌能力不足的问题。
附图说明
18.图1为本发明中的侧面结构示意图；
19.图2为本发明对照例侧面结构示意图；
20.图3-图4为本发明实施例1中的结构示意图；
21.图5为本发明实施例1中腔内照度分布对比图-平均照度9.73mw/cm2；
22.图6为本发明实施例1中腔内照度分布对比图-平均照度16.0mw/cm2；
23.图7为本发明实施例1中腔内照度分布对比图-平均照度13.7mw/cm2；
24.图8为本发明实施例1中腔内照度分布对比图-平均照度47.6mw/cm2；
25.图9-图11为本发明实施例2中的结构示意图；
26.图12为本发明实施例2中的反射层的反射曲线图；
27.图13为本发明实施例2中的内部照度分布图-平均照度38mw/cm2；
28.图14为本发明实施例3中的结构示意图；
29.图15为本发明实施例3中的内部照度分布图-平均照度57.7mw/cm2。
30.图中：000、反射腔；100、深紫外led光源；200、光源反射视窗；201、石英片或蓝宝石片；300、支架及散热基座；400、流体入口；401、流体出口； 402、出入口反射层；500、外壳。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.实施例1：
33.图2是对比深紫外led杀菌结构侧面结构示意图，图中反射腔000采用圆筒形，与外壳500构成封闭空腔，流体从入口400流入，并在空腔内通过深紫外光源发出的紫外线进行杀菌，再由出口401流出，反射腔通常采用tpfe 棒材通过机械加工掏成管状，这种方式得到的ptfe材料，根据材料和制作工艺差异，对紫外线的反射率一般在70～90％之间，相比无反射结构的杀菌组件，对比结构内部具有一定的紫外反射率，可以将照射到腔壁的光线进行反射，一定程度上加强了腔内的紫外线照度并改善了照度均匀性，但由于常见材料的紫外反射率都较低，紫外线在腔内反射到底面及顶面时，大部分能量均被吸收，造成了对比方案杀菌能力整体不高。
34.图1、图3、图4所示，本实施例提供一种深紫外led杀菌装置，包括：反射腔000、深紫外led芯片或灯珠100、光源反射视窗200、石英片或蓝宝石片201、支架及散热基座300、流体入口400、流体出口500，为方便表述，示意图提供的是最为简便的示意方式，而非本发明所提供的产品结构的最终形式。
35.反射腔000的材料采用紫外高反射的材料的组合，例如膨体聚四氟乙烯 (eptfe)、聚四氟乙烯(ptfe)、也可以是eptfe和石英片、eptfe和蓝宝石片、ptfe和石英片、ptfe和蓝宝石片、镀光学反射膜的石英片、镀光学反射膜的蓝宝石片等，也可以是eptfe和ptfe与其他塑料pc、abs、ppo等的组合，空腔内部的对波长为250～340nm的紫外线反射率在90％以上，本实施例优选的采用制造成本较低，制作工艺简单，紫外线反射率大于95％的膨体铁氟龙(eptfe)，反射腔内径为30mm，腔内长度为70mm。
36.紫外光源100可以是深紫外led芯片也可以是深紫外led灯珠，本实施例优选的采用波长为275nm，辐射通量为100mw，尺寸为1毫米x1毫米的深紫外led芯片。
37.光源反射视窗200的反射层材料可以是ptfe、eptfe、dbr介质膜，本实施例优选的采用紫外线反射率大于95％的膨体铁氟龙(eptfe)，光源反射视窗200在紫外光源100处设置1.5毫米x1.5毫米的孔，使得紫外光线能够通过小孔。
38.光源反射视窗的材料201可以是高纯度的石英片、蓝宝石片等，本实施例优选的采用jgs1等级高纯石英片。
39.基板及散热基座300可以采用铜基板、铝基板、陶瓷基板安装在铜散热基座、不锈钢散热基座上，本实施例采用陶瓷基板安装在铜散热基座上，陶瓷基板上设置有电路，通过焊接工艺将芯片100焊接在基板上完成电路电气连接。
40.外壳500用于固定光源、光源反射视窗、反射腔；外壳可以为单层或多层或夹层结构，可以为单个也可以为多个组件，材料设为铝、不锈钢等金属材料或pp、pc、abs、pom、ptfe等有机材料，或以上材料的组合，本实施例优选的采用外壳为abs和pc混合塑料。
41.流体出入口400和401可以设置腔体的底面、顶面或者侧面，截面面积占内腔总面积的5％以内，本实施例优选的将流体入口为孔径为8毫米的圆孔设置在圆筒顶面，流体出口设置在侧面，孔径为8毫米的圆孔。需要说明的是，本实施例的入口及出口相互调换，并不会影响杀菌效果。
42.图5是对比案例腔内照度分布情况；
43.图8是本实施例腔内照度分布情况；
44.为了更好的说明本实施例结构及材料的明显优点，增加了图6和图7；
45.进行对比说明，其中：
46.图6，仍采用85％的反射材料，仅在结构才采用本实施例，
47.图7，仍采用对比案例的结构，仅在材料上采用本实施例的eptfe。
48.图5～图7四种情况下，腔内的平均照度分别为9.73mw/cm2、16mw/cm2、 13.7mw/cm2和47.6mw/cm2，可以看出，底部和顶部的反射，可以减少紫外线在内部反射损失，并且提高照度的均匀性。
49.采用反射率为85％的材料时，本实施例的结构与对比结构相比，平均照度由9.73mw/cm2提高到了16mw/cm2，提高了接近一倍；
50.采用反射率为95％的材料时，本实施例的结构与对比结构相比照度由 13.7mw/cm2提高到了47.6mw/cm2，提高了2.5倍。这是因为反射率越高，紫外线在腔内反射的次数就越多，对照度的增强效果就越明显；
51.而与对比案例和相比，本实施例腔内照度更是由9.74mw/cm2提高到了 47.6mw/cm2，提高了3.9倍。且本实施例在腔内有非常好的照度均匀性，这对杀菌也是十分有利的。本实施例特别适合用于对流动的水和其他对紫外线透明的液体进行杀菌。
52.为了展示实际的杀菌效果差异，分别对对比结构和本实施例的结构进行实际杀菌率检测。
53.杀菌率检测是使用浓度为3.0x104cfu/ml的大肠埃希氏菌8099溶液。该溶液以3.5l/min的流速从入口400流出，在腔内完成杀菌后从出口401流出。另取未流经杀菌装置的大肠埃希氏菌8099溶液作为阳性对照溶液。取经过杀菌的溶液和参照溶液和阳性对照溶液各100ul，均匀的涂抹于伊红美蓝琼脂表面后放入37℃恒温培养箱中进行培养。经过24～48小时后，观察和计算杀菌样品的菌落数和阳性对照样品的菌落数。杀菌率可以通过：
54.杀菌率＝(阳性对照菌落数-实验样品菌落数)/阳性对照菌落数x100％
55.杀菌率还有一种表述方式是用对数还原值logarithm reduction value (lrv)表示，lrv可以用公式计算得到：
56.lrv＝-log(实验样品菌落数/阳性对照菌落数)
57.下表列出了对比结构和本实施例结构的实际杀菌效果,菌落数单位为 (cfu/ml)：
[0058][0059]
通过对比结构和本实施例结构腔内的照度分布及杀菌效果的展示，可以看出本实施例的明显优点。
[0060]
实施例2：
[0061]
如图9～图13，本实施例提供一种深紫外led杀菌结构，包括反射腔000、深紫外led芯片或灯珠100、光学反射视窗200，支架及散热基座300、流体入口400、流体出口401、外壳500。为方便表述，示意图提供的是最为简便的示意方式，而非本发明所提供的产品结构的最终形式。本实施例特别适合用于对循环的空气进行杀菌。
[0062]
反射腔000的材料采用紫外高反射的材料的组合。本实施例优选的采用在石英片
上蒸镀分布式布拉格反射镜(dbr)反射膜。dbr采用高低折射率的介质交替，材料可选的有sio2、mgf2、si3n4、aln、zro2、al2o3等在紫外波段吸收系数低的介质。通过膜层厚度和层数调制，可以在250～340nm范围内获得高镜面反射率。本实施例采用sio2作为低折射率介质，以zro2作为高折射介质，在石英片上交替蒸镀sio2/zro2共28层。兼顾反射带宽、反射率以及大角度入射时的反射率，单层sio2厚度设定为48.25nm，单层zro2厚度设定为28.42nm。如图11所示，该膜系在250～340nm范围内镜面反射率达到99％以上。反射腔为方体，长宽高分别为200毫米、200毫米和100毫米。
[0063]
紫外光源100可以是深紫外led芯片也可以是深紫外led灯珠，本实施例优选的采用16颗波长为275nm，辐射通量为30mw，尺寸为3.5毫米x3.5 毫米的led灯珠，以4x4排列，灯珠与灯珠之间距离为50毫米。
[0064]
光源反射视窗200的反射层材料可以是ptfe、eptfe、dbr介质膜，本实施例优选的采用与反射腔一样的dbr介质膜。通过光刻及刻蚀工艺，预置掩膜，在反射膜与紫外光源100贴合的位置设置4毫米x4毫米的孔，使得紫外光线能够通过小孔。
[0065]
光源反射视窗的材料201可以是高纯度的石英片、蓝宝石片等，本实施例优选的采用蓝宝石片。
[0066]
基板及散热基座300可以采用铜基板、铝基板、陶瓷基板安装在铜散热基座、不锈钢散热基座或其他基座上，本实施例采用铜基板安装在铝散热基座上。铜基板上设置有电路，通过焊接工艺将灯珠100焊接在基板上完成电路电气连接。
[0067]
外壳500用于固定光源、光源反射视窗、反射腔；外壳可以为单层或多层或夹层结构，可以为单个也可以为多个组件，材料设为铝、不锈钢等金属材料或pp、pc、abs、pom、ptfe等有机材料，或以上材料的组合。本实施例优选的采用外壳为合金铝。
[0068]
流体出入口400和401可以设置腔体的侧面、底面和顶面，出入口可以是圆形、方形、长条形，也可以是花洒型、网格型、百叶窗型等。本实施例优选的在腔体侧面设置采用花洒型架构，在腔体两侧对称排布5x10的小孔，小孔孔径为5毫米。
[0069]
采用本实施例的结构，腔内中间水平位置的照度如图12所示，平均照度为38mw/cm2。常见的空气杀菌模组测试方式为，在30m3的空间内扬撒细菌，通过空气循环系统将室内空气通过杀菌结构进行杀菌，如此反复循环，待1 小时后测试空气中细菌的数量，并与初始值进行比照，测算杀菌率。在理想情况下，按照本实施例和上述测试方式，经过本杀菌结构的空气接收到的紫外线的辐射剂量为18.24mj/cm2，这个剂量可以实现对大部分细菌和病毒的 3log灭活(杀菌率99.9％)。
[0070]
实施例3：
[0071]
如图14～图15，本实施例提供一种深紫外led杀菌装置是在实施例2的基础上更近一步进行优化，在流体出入口后设置反射，减少出入口的紫外线损失。本实施例装置包括：反射腔000、深紫外led芯片或灯珠100、dbr介质膜反射层200，支架及散热基座300、流体入口400、流体出口401、出入口反射层402、外壳500。为方便表述，示意图提供的是最为简便的示意方式，而非本发明所提供的产品结构的最终形式。图14中dbr介质膜反射层200和出入口反射层402的距离只是为了便于展示，而非实际的距离比例，实际上在不影响流体流速的情况下，介质膜反射层200和出入口反射层402的距离越近，紫外线的损耗越小，本实施例设置距离为0.5mm。
[0072]
本实施例的优化结构可以减少紫外线在出入口位置的损耗，增加紫外线在杀菌腔内的反射次数，进一步提高腔内的紫外线照度。通过计算，本实施例照度由实施例2中的平均照度由38mw/cm2提高到了57.7mw/cm2。可以预见由此可以获得更好的杀菌效率。
[0073]
此外，采用光学镀膜方式制作dbr结构，通过材料和膜层厚度优化可以获得99％甚至更高的的反射率。例如当内部镜面反射率达到99.5％时，本实施例的结构的内部照度将达到77.5mw/cm2。反射率越接近100％，内部照度增加的幅度越大。这样就使得较短的时间对密闭空间内的空气或者大型风道进行杀菌成为现实。
[0074]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术工作人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。