CN105164056A - 用于通过从发光二极管发射的光进行液体消毒的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种紫外线(UV)液体处理装置。所述装置可包括导管，其具有接收待处理液体的入口和排放处理后的流体的出口，所述导管限定入口和出口之间的多个液体流动路径。所述装置可进一步包括UV发光二极管(LED)模块阵列以照射液体，其中UV？LED模块阵列包括布置在阵列支架的弯曲表面上的多个UV？LED模块，该UV？LED模块阵列被配置为用于在导管内产生匹配液体流动路径的定制的空间光通量分布，以便获得期望的UV剂量分布。

Description

用于通过从发光二极管发射的光进行液体消毒的方法和装置
背景
长期以来，紫外线(UV)液体消毒系统为众所周知，其利用UV光灭活微生物。以较高UV剂量值来实现较高的灭活水平。发光二极管(LED)以具有高发光效率和以作为高可靠性光源而被熟知。LED模块或LED芯片还因为它们的高切换率而被熟知，这意味着LED模块可被立即点亮和被立即关闭。每个LED元件包括半导体晶片掺杂的模块(即芯片或管芯)以形成被设计成用于当供电时发光的多个二极管。从LED发射的光的波长取决于包括在LED模块中的半导体晶体。各种LED模块可发射波长从红外至紫外(200nm-850nm)的光。UVLED模块无汞，这使得它们适于处理饮用水。
由于相对于其它光源，如中压UV灯，大多数LED模块具有低发光强度并且需要低量的能量，所以这使得有利于在单一发光设备中使用尽可能多的模块。例如，在UV杀菌光谱(200-320nm)范围中的LED模块，通常以LED阵列的形式聚集在一起。之前使用LED作为光源的消毒水的尝试只是部分地成功。由于LED模块受限的发光强度，基于UVLED的商用消毒系统受限于消毒少量的水。
附图简述
在说明书的结论部分特别地指出且清楚地申明了关于本发明的主题。然而，当通过参考下面详细的描述并参阅随附附图时，可最好地理解本发明关于操作的组织和方法，连同其中的目的、特征和优点，其中：
图1为根据本发明一些实施例的、示例性UV液体处理装置的高水平示意图；
图2A为根据本发明一些实施例的、示例性UV液体处理装置的示意图；
图2B为根据本发明一些实施例的、与图2A的装置相关的液体流动模型的示意图；
图3A-3C示出的是根据本发明一些实施例的、示例性LED模块阵列支架(holder)的俯视图、透视图和侧视图；
图3D为根据本发明一些实施例的、与图2A的装置相关的空间光通量分布示意图；
图4A-4C为根据本发明一些实施例的、示例性UV液体处理装置的示意图；
图4D为根据本发明一些实施例的、与图4A的装置相关的液体流动模型的示意图；
图5A示出的是根据本发明一些实施例的、示例性UV液体处理装置；
图5B为根据本发明一些实施例的、与图5A的装置相关的液体流动模型的示意图；
图6A为根据本发明一些实施例的、用于UVLED模块阵列的阵列支架的示意图；
图6B为根据本发明一些实施例的、与图5A的装置相关的空间光通量分布示意图；
图6B为展示全内反射且帮助理解本发明的实施例的示意图；
图7为根据本发明一些实施例的、示例性UV液体处理装置的示意图；
图8A和8B为根据本发明一些实施例的模拟UV-剂量分布图；以及
图9A和9B为根据本发明一些实施例的模拟UV-剂量分布图。
将要理解的是，为了说明的简洁和清楚，附图所示的元件并不一定是按比例绘制的。例如，出于清楚的目的，一些元件的尺寸可能相对其它元件被放大。此外，在认为适当的地方，在附图之间参考数字可能被重复，以指示相应的元件或类似的元件。
一些实施方式的详细描述
在下面详细的描述中，阐述了许多具体细节，以便提供本发明彻底的理解。然而，本领域技术人员将理解的是，可不需这些具体细节而实践本发明。在其它情况下，并未详细描述公知的方法、程序和部件，以便不与本发明混淆。
在一些实施例中，待处理的液体可保存在贮存器中，例如市政供水系统的贮存器、水净化槽等。贮存器中的液体(例如，水)可由于液体在贮存器中保存时间的二次污染而被污染。
根据本发明一些实施例，液体消毒和/或处理过程可包括灭活或移除如下物质：有机体、细菌、微生物、生物、动物、微菌、致病菌、病毒、有机污染物、非有机污染物、可氧化毒剂或污染物；生物或化学来源的累积有害物种、氧化颗粒、碎片或元素，例如，过氧化氢或二氧化钛，被认为是氧化污染物和/或类似物。本发明的一些示范实施例，可以指使用紫外(UV)光来消毒液体和/或氧化液体内颗粒。
在液体消毒中，可能有必要的是施用处于能够灭活微生物的波长(例如，200nm-320nm)的光以立即照射液体，例如，当水在打开水龙头时开始在管或导管中流动时。一个任选的解决方案可以是连续地操作发光源，例如，UV灯。然而，连续模式的操作在能量方面低效率，并且可增大沉淀(例如，污染)在导管内表面上形成的速率，其可导致副产物的排放，如转化NO3为NO2。另一个选择可以是，使用可立即被激活的光源，例如，发光二极管(LED)。
根据本发明实施例，一个或多个LED模块可以被用作用于液体消毒的光源，并且可以被包括在UV液体处理装置中。每个UVLED模块(在本技术领域中也称之为“管芯”)可包括多个布置在位于半导体晶片上的阵列中的LED。LED模块可布置在一个或多个被定制用于增大液体消毒过程的效率的阵列中。一些LED模块被配置用于发射能够灭活微生物的波长的光。例如，包括氮化铝(AlN)和氮化镓(GaN)晶体的LED模块(例如，半导体晶片)可发射波长处于杀菌范围(例如，200-320nm左右)的UV光。每个LED模块可连接至标准TO-3半导体封装。LED模块可被安装成，使得LED模块中的每一个被连接至独立的电源。另外或可选地，LED模块的阵列可被安装成，使得单个电源可供给一个以上的LED模块。
LED模块可设置在携带液体的导管或容器外部。可选地，LED模块可设置在导管内。UVLED模块阵列可布置在阵列支架的表面上。在一些实施例中，阵列支架的表面可以是弯曲的。在一些实施例中，LED模块可放置在弯曲的表面上或位于弯曲的表面上，使得在导管内产生定制的空间光通量分布。定制的空间光通量分布可产生具有期望的剂量分布函数的UV剂量，以提高导管中液体的UV消毒处理的效率。
参考图1，其为根据本发明一些示范实施例的示例性UV液体处理装置的示意图。装置10可包括用于携带液体的导管11、接收待处理的液体的入口12和排放处理后的流体的出口13。导管11可被设计用于限定入口12和出口13之间的多个液体流动路径。装置10可进一步包括UVLED模块阵列15，其包括多个UV发光二极管(LED)模块16。UVLED模块阵列15可布置在阵列支架18的弯曲表面17上，以在导管内产生定制的空间光通量分布，其产生具有期望剂量分布函数的UV剂量，。
导管11可包含任何适于携带液体的材料，例如，不锈钢、石英、各种聚合物等。在一些实施例中，导管11可包含对UV光透明的材料或至少部分地涂覆有反射UV光的涂层。根据本发明导管11可具有被设计成用于支撑入口12和出口13之间的、限定的多个液体流动路径的任何横截面、尺寸和几何形状。
UVLED模块阵列15可包括两个或两个以上的UVLED模块16。模块16中的每一个可包括多个(例如，一阵列)位于半导体晶片上的发光二极管(LED)。模块16可以位于阵列支架18的弯曲表面17上预定的阵列处。弯曲表面17可为，例如，凹表面或凸表面、圆形或圆锥形。在一些实施例中，表面17可为另一类型的非平坦表面，例如锥体表面。在可选的实施例中，UVLED模块阵列15可设置在阵列支架的基本上平面的或平坦的表面上。可确定每个模块16在表面17上的位置，使得在导管11内可产生定制的空间光通量分布，以产生具有期望剂量分布的UV剂量。另外或可选地，可根据定制空间光通量分布，确定弯曲表面17的尺寸。
现在参考展示一些示例性实施例的图2-4，其中消毒装置包括传递从位于导管外的LED模块阵列发射的光至导管内液体的窗口。窗口可位于导管的一端。
图2A概念性地示出了根据本发明一些示范实施例的UV液体处理装置。装置100可包括用于携带液体的导管110、接收待处理的液体的入口120和排放处理后的流体的出口125。导管110可被设计成用于限定入口120和出口125之间的多个液体流动路径。装置100可进一步包括UVLED模块205的阵列以照射液体。UVLED模块阵列205可布置在阵列支架200的弯曲表面235上，以在导管内，产生定制的空间光通量分布，其产生具有期望剂量分布函数的UV剂量。装置100可进一步包括在阵列205和导管110中的液体之间的光学窗口210。
导管110可包括设置在导管110内的内部入口管111和导管端部112。液体可从液体入口120进入入口管111。液体可经过内管111流向支架200并且然后经过管111和导管110之间形成的间隙流向液体出口125。在一些实施例中，导管110和管子111可为圆柱形的同心管。在一些实施例中，导管110和内管111子可为光学透明的，例如，对UV光透明。可选地，导管110可至少部分地涂覆有反射涂层，例如包括出口125和入口120的导管端部112可涂覆有反射涂层。导管110和内管111可包含光学透明的材料，例如，石英或聚四氟乙烯。可选地，导管110可位于外管或外壳(未示出)内。外壳可包含适于保护导管110的任何材料，例如，外部外壳可包含各种金属和合金、陶瓷材料和其它。在导管110和外壳之间可形成空气间隙。
导管100可被设计用于限定入口120和出口125之间的多个液体流动路径。例如，待处理的液体可经过液体入口120进入内管111并且可流向窗口210。然后，液体可沿反方向流动并且可经过液体出口125退出导管。在图2B中示出了装置100内液体的示例性流动路径的计算机模拟。液体流动模型在内管内基本上稳定。靠近窗口210流动可减缓并且在转向前流向出口125。在转向期间流动速度降低，因此更大体积的液体可吸收更多来自UVLED模块阵列205的光。此外，在毗邻窗口210的区域中流动模型是对称的。
窗口210可将UVLED模块阵列205与导管110内流动的液体分离。窗口210可被包括在支架200中，如图2B和图2C所示。可选地，例如，窗口210可被包括在导管110中，使得窗口210和导管110可由相同透明材料制成，任选作为一个部分。例如，导管110和窗口210可由石英制成为在一端开口且在另一端由窗口210封闭的单一管子。
窗口210可包括至少一个透镜或任何合适的光学元件，用于通过以期望的入射角引导从LED模块阵列205发射的大部分光线，在导管内产生定制的空间光通量分布。例如，期望的入射角可为这样的，即使从LED阵列205发射的光线将能够以大于全内反射的临界角的角度碰撞导管110的内部表面。在一些实施例中，导管110的外表面的部分可覆盖有反射材料，使得碰撞被涂覆部分的内表面的光线将利用后表面反射镜效应反射回液体。窗口210可被设计用于确保从LED模块阵列205发射的50％以上的光将在导管110中完全内反射。
根据本发明的实施例，LED阵列可被设计且定制成用于在导管内产生定制的空间光通量分布，例如，根据导管的几何特征和任选地根据液体流动路径的特征，以产生具有期望剂量分布的UV剂量。示例性LED阵列205可包括设置在面向窗口210的支架表面上的两个或两个以上的LED模块。例如，在示例性LED阵列205中示出十一(11)个LED模块。
图3A-图3C示出示例性阵列支架的俯视图、透视图和侧视图，如根据本发明的示范实施例设计的携带LED模块阵列205的阵列支架200。LED模块阵列205可包括设置在板230的表面235上的多个LED模块115和116。如在图3B中所示，表面235可为平坦或非平坦表面(例如，弯曲的)。可选地，表面235可具有其它几何形状，例如锥状、带有阶梯等。表面235的几何形状可以是使得位于表面235上的LED模块115和116在X-Y平面中可具有清楚的方位和在Z方向上的倾斜。
每个LED模块在阵列中的位置(例如，LED阵列的构型)和表面235的几何形状(例如，曲率半径)可以被确定，使得从位于非平坦表面上的LED模块发射的UV光将在导管110内产生定制的空间光通量分布，这可产生具有期望剂量分布的UV剂量。例如，从UVLED阵列205发射的光可基本上通过全内反射和/或后表面镜面反射效应在导管110中传播。在一些实施例中，表面235可以是平坦的(平面)。LED模块115可相对于导管110的中心轴对称地放置，如图2B所示。可选地，LED模块115可以以非对称的方式在其它地方放置。
基于导管110的尺寸可确定LED支架200的尺寸，例如导管110的内径和/或外径可限定板230的直径。表面235可涂覆有反射材料。在图3A-图3C的示例性实施例中，十(10)个LED模块115以围绕中心LED模块116的圆形布置来布置。在该示例性实施例中，LED模块115中的每一个可位于面向导管110和内管111之间的间隙的表面235的外周区域。由于表面235的凹结构，LED模块115相对X-Y平面倾斜，以确保在可使光线能够从导管110的壁被反射回到液体的角度范围内，从LED模块115发射的大部分光将进入导管110和内管111之间的间隙。
中心LED模块116可基本上照射在内管111内的进入的液体流。可确定每个LED模块115在表面235上的位置(例如，方位)，使得从每个LED模块115发射的光可基本上通过全内反射在导管110中传播。对于具有外反射涂层的透明导管，可确定每个LED模块115在表面235上的位置(例如，方位)，使得从每个LED模块115发射的光可利用后表面镜反射效应在导管110中传播。
如图3C所示，LED支架200可进一步包括的窗口210。窗口210可以是UV光透明。窗口210可以是平坦的或可包括用于引导从LED模块115和116发射的光的透镜。
图3D示出由从位于表面235上的LED模块115和116发射的UV光线形成的在导管110内的定制的空间光通量分布的计算机模拟示意图。模拟是使用BreaultResearchAPEXray-tracing软件来完成的。模拟示出的是，确定表面235的曲率半径和表面上阵列205中每个LED模块115的位置，使得从LED模块115发射的大部分光线将以高于全内反射(TIR)临界角的角度碰撞导管110的壁，以被反射回液体一次以上。如本领域技术人员将意识到的是，窗口210可不影响从LED模块115发射的光线的光路，或可选地，例如，当窗口210包括透镜时，可影响从LED115发射的光线的光路。因此，在一些实施例中，可基于此类模拟确定表面235的几何尺寸(例如，曲率半径)和包括在窗口210中的透镜的特征。
现在参考图4A和图4B，其示出另一个示例性的、带有外部LED阵列的基于紫外的液体处理装置。装置150可包括具有第一导管段152和第二导管段153的导管。第一段152包括入口并且第二段153包括出口，其可通过一个或多个管(例如两个管155)，连接在一起。管155和段152与153可包含光学透明材料。在一些实施例中，段152和/或153和/或管155可至少部分地涂覆有反射材料，例如，管155和段152与153可全部涂覆有反射材料。至少一个UVLED模块阵列支架，如支架200，可位于装置150的液体流动路径的外部。例如，阵列支架200可设置在毗邻液体流外部的管155的段152的一端或设置在毗邻液体流外部的管155的段153的一端。根据一些实施例，装置150可包括两个阵列支架，每个毗邻段152与153中的一个设置。段152与153中的每一个可包含透明材料。
段152与153可以是类似的(例如，由相同材料制成并且具有相同尺寸)或可以是不同的(例如，由不同材料制成和/或具有不同尺寸)。液体可从段152中的入口(见箭头)进入装置150并且可从段153中的出口(见箭头)退出装置150。液体可从段152通过管155流至段153。
在图4C中，示出了示例性的UV模块阵列支架。支架200可包括位于表面235上的UV模块阵列205。表面235可为任何非平坦表面，例如，弯曲表面。每个UV模块可位于表面235上，以在导管内产生定制的空间光通量分布，这产生具有期望剂量分布函数的UV剂量。支架200可进一步包括阵列205和液体之间的光线窗口。支架200可进一步包括用于管155的进口255。在一些实施例中，支架200可包括在支架200两个相对侧的两个进口255。
在图4D中，示出了装置150内的空间光通量分布的计算机模拟。模拟是使用FloWorks(Solifworks)CFD计算软件来完成的。液体可通过段152中的入口进入装置150并且流向位于段152端部的LED支架200A。靠近支架200A的窗口(例如，窗口210)，流动可减缓并且在两个管155之间分开。相对低的流动允许从LED阵列205A发射的光更好地被液体吸收。液体可进一步从管155进入段153。分开的流可碰撞以在LED支架200B的窗口附近形成单个流，因此可进一步被减缓，而由于流速和距光源的短距离，允许从LED阵列205B发射的光更好地被液体吸收。液体然后可通过段153中的出口退出。
支架200A可位于面向液体流的段152的一端。另外或可选地，支架200B可位于靠近管155的液体流的进口的段153的一端。位于支架200A和200B上的阵列205A和205B中的每一个LED模块的位置和构型，可在导管内产生定制的空间光通量分布，例如，使得从LED阵列发射的光线可基本上通过全内反射在段152和/或段153中传播。对于外部被涂覆的导管，可确定LED模块在支架上的位置(例如，方位)，使得从每个LED发射的光可利用后表面镜反射效应或后表面镜反射效应和TIR的组合在至少部分被涂覆的导管110中传播。
在图4B中示出了具有外部LED阵列的其他的示例性UV液体处理装置。待消毒的液体可通过导管162进入装置160并且流向LED支架，如LED支架200。在LED支架200的附近，液体的流动可减缓且分为可通过管165退出装置160的两股流。支架200上的每一个LED模块的位置和构型可在导管内产生定制的空间光通量分布，例如，使得从每一个LED发射的光可基本上通过全内反射在导管162中传播。对于外部被涂覆的导管，位于支架200上的每一个LED的位置和构型可为这样的，即使得从LED发射的光基本上通过利用后表面镜效应在导管162中传播。在一些实施例中，当液体通过至少一个管165进入装置160并且通过导管162退出装置160时，可实现类似的消毒效果。
现在参考图5A、图5B、图6A、图6B和图6C，其展示一些示例性实施例，其中阵列支架位于导管内，至少部分地浸没在液体中。阵列支架可包括第一和第二表面，其每个包括背对背、一对彼此设置的UVLED模块阵列。第一和第二表面可为弯曲表面。阵列支架可垂直于导管的纵向轴设置在导管内，使得设置在第一弯曲表面上的得第一UVLED模块阵列将照射导管的第一部分，以及设置在第二弯曲表面上的第二UVLED模块阵列将照射导管的第二部分。根据一些实施例，消毒装置可包括多个沿液体路径设置在导管内的LED支架，每个LED支架可包括一个或两个LED模块阵列。
现在参考图5A和图5B，其示出根据本发明的一些实施例的、示例性UV液体处理装置300的示意图。装置300可包括用于携带液体的导管310、接收待处理液体的液体入口320和排出处理后的液体的液体出口325。装置300可进一步包括UVLED模块阵列支架或保持单元400、具有多个UVLED模块的、布置在阵列支架400的一个或多个弯曲表面435上的一个或多个UVLED模块阵列405。
导管310可包括接合在一起或由阵列支架400限定的两个导管部分330和335。阵列支架400可从一侧连接至第一导管部分330并且从另一侧连接至第二导管部分335。导管310可包含适于保持液体的任何材料，例如，不锈钢、石英、各种聚合物等。示例性导管310可包含对UV光透明的材料。在一些实施例中，导管部分330和/或335可以是在其外表面上至少部分地涂覆有反射涂层的UV透明段。在一些实施例中，整个导管可外部地涂覆有反射涂层。
阵列支架400可包括外周元件440和承载一个或多个UVLED模块阵列(如阵列405和/或406)的位于导管310内的阵列载体410，。LED模块阵列405和/或406可背对背分别设置在表面435和/或436上(如图6B所示)。表面435和436可为平坦或非平坦的(例如，弯曲的)。UVLED模块阵列405可设置在第一表面435上以照射导管310的第一部分330，以及UVLED模块阵列406可设置在第二表面436上以照射导管310的第二部分335。
阵列载体410可垂直于导管的纵向轴且垂直于液体流动方向设置在导管310内。阵列载体410可通过任何合适的机构连接至外周元件440，前提条件为存在从入口320至出口325的至少一条液体路径408。在图5A的示例性实施例中，阵列载体410连接至具有4个形成用于液体流动的四个(4)通道408的分支接头的LED保持单元。
阵列支架400可进一步包括光学透明罩420(示于图6B)，每个覆盖表面435和436以便保护UVLED模块阵列。罩420可包括用于进一步引导从每个LED115和116(示于图6A)发射的光线的光学透镜。在一些实施例中，外周元件440可成形为连接导管310的导管段330和335的环440。外周元件440可涂覆有光学反射涂层。
导管310可包含光学透明材料，并且可进一步位于适于保护和/或支撑导管310的外壳(未示出)内。例如，外壳可包含各种金属和合金、陶瓷材料等。
在一些实施例中，阵列载体410可包括位于阵列载体410的第二表面436上的第二LED模块阵列406(示于图5B)，所述阵列载体410基本上被设置成垂直于X-Y平面中的导管310的纵向轴，并且垂直于液体流动方向，且面向第二部分335，以便发射光(例如，UV光)至导管310的第二部分335。第一LED模块阵列405和第二模块阵列406可背对背、彼此位于阵列载体410上，如图5B所示。
图5B为根据本发明一些实施例的装置300中液体流动路径的计算机模拟示意图。计算机模拟是使用FloWorks(Solifworks)CFD计算软件来完成的。液体可从入口320进入装置300并且可通过出口325退出装置。阵列载体410附近的液体流，很少被破坏。例如，图5B所示的层流可被保持，尽管液体可与阵列载体410相互作用。
现在参考图6A，其示出根据本发明的一些实施例的阵列支架(如包括外周元件如元件440的阵列支架400)、阵列载体(如阵列载体410)。阵列载体410可包括LED模块阵列405，其包括两个或两个以上的LED模块，如LED模块115和LED模块116。LED模块位于被包括在载体410中的表面435上。例如，阵列载体410可包括七个(7)LED模块。表面435可为平坦或非平坦的表面，例如，如图6A所示的弯曲状表面。表面435可具有与关于图3B所示的弯曲表面235公开的特性相同的特性。位于表面435上的LED模块115可在X-Y平面中具有清楚的方位或位置和沿Z方向的倾斜。支架400可进一步包括至少一条液体路径408，以允许液体从支架的一侧流向另一侧。
可确定阵列中每个LED模块的位置(例如，LED阵列的构型)和几何尺寸(例如，曲率半径)以在导管内产生匹配液体流动路径的定制的空间光通量分布，以便获得期望的UV剂量分布。例如，从位于非平坦表面435上的每个LED模块115或116发射的UV光可基本上通过全内反射和/或后表面镜反射效应在导管中传播。LED模块115可相对于导管310的纵向轴对称地放置，并且LED模块116可位于导管310的纵向轴，如图6A所示。阵列载体410可进一步包括放置在表面436上的第二阵列406，其相对(背对背)放置在表面435上的阵列405定位(如图6C所示)。表面436可为平坦表面或非平坦表面，例如所示的弯曲表面。
位于表面436上的LED模块数量与位于表面435上的LED模块的数量可以相同或可以不同，例如阵列406可不包括中心LED模块116。阵列406中每个LED模块115的位置和表面436的几何尺寸(例如，曲率半径)可在导管310的第一部分330和第二部分335中产生定制的空间光通量分布。表面436的尺寸与表面435可以相同或与表面435可以不同。阵列406中LED模块的数量和/或位置(在X、Y和Z方向上)与阵列405中LED模块的数量和它们的位置可以相同或可以不同。
图6B示出导管内定制的空间光通量分布的计算机模拟的示意图，其包括从位于表面435和436上的LED模块115和116发射的UV光线。模拟是使用BreaultResearchAPEXray-tracing软件完成的。模拟示出的是，确定表面435和436的曲率半径和每个LED模块在那些表面上的位置，使得从每个LED模块发射的大部分UV光线将以高于TIR临界角的角度碰撞导管310的表面并且可反射回液体。另外，模拟可包括保护罩420。例如如图6B和图6C所示的当罩的表面是平坦的时，保护罩420可不影响从LED模块115和116发射的光线的光路，或例如当保护罩420包括透镜时，保护罩420可影响从LED模块115和116发射的光线的光路。
图6C为三(3)个示例性UV光线470、475和480的光路和传播示意图。光线470和475示出从LED模块阵列406发射的且以高于TIR临界角的角度碰撞导管310表面的大部分光线。光线480为以高于TIR临界角的角度碰撞表面导管310且从导管逸出的光线的示例。LED阵列406与405和表面435与436可被设计用于最小化光线(如光线480)的数量。在一些实施例中，可预设计LED模块阵列405和406中每一个LED模块的位置，使得从每一个LED模块发射的光可基本上通过全内反射和/或后表面镜面效应在导管中传播。LED阵列可位于导管内或导管外。
对于外部被涂覆的UV透明导管(涂覆有反射涂层)，可预设计每一个LED模块在LED阵列中的位置，使得从每一个LED模块发射的光可基本上通过后表面镜面效应在导管中传播。支架、表面和导管的几何形状和LED模块在阵列相对彼此的位置可为这样的，即使得从每一个LED模块发射的大部分光线可以以各种角度碰撞涂覆有反射涂层的导管的内表面的至少一部分，以利用后表面镜面效应实现均匀剂量分布。
在一些实施例中，消毒装置，例如装置100、150、160或300可在使用点的附近安装，例如，在家庭水系统处。使用消毒系统的点可位于水槽下方(例如，厨房水槽)，作为水龙头的一部分或在沿水管的任何其它位置。在此类系统中，可需要消毒从管道至最终使用者的任何量的水，从而消毒装置应在打开水龙头时运行。本发明的一些实施例可包括被配置为在暴露于水流时关闭电路的开关。
导管可包含对光透明的材料，例如UV透明材料，如，例如，石英或聚四氟乙烯。透明材料可被定义为在200-320nm之间的光谱范围内传递超过50％的光的任何材料。导管可被保护外壳包围以保护石英导管。外壳可为管或管道的形式并且可吸收和/或反射光(例如，UV光)。对于外壳壁的非限制示例可包括金属壁，如，例如，不锈钢壁、非金属壁，如，例如，混凝土或塑料壁等。
可在外壳和导管之间形成空气间隙。根据一些实施例，在透明材料内流动的液体可充当波导并且至少部分的光，例如，至少一半的发射光强度(例如，UV强度)，可在光学透明导管和包围它的介质之间的界面全内反射。根据本发明的一些实施例，至少50％的发射光强度可在光学透明管套和包围它的介质之间的界面全内反射。
根据一些实施例，透明导管的外表面的部分可涂覆有反射涂层，以通过利用后表面镜面效应反射未进行全内反射的UV光线回水中。反射的涂层可覆盖导管选定的部分，例如，导管相对LED阵列的端侧，或具有任何期望宽度且位于沿导管的任何点的一个或更多反射涂层环。在一些实施例中，反射涂层可覆盖透明导管的整个外表面，使得光线可利用由反射涂层产生的后表面镜面效应在液体内传播。
在图7中示出了关于此类开关的示例的示意图。图7的开关是作为仅被水流激活的开关的示例给出的。本发明的实施例不限于任何特定开关的任何使用。图7为根据本发明一些实施例的、用于在水龙头附近消毒液体的示例性装置500的示意图。装置500可包括UV透明水导管510和外不透明管512。在一些实施例中，至少导管510的部分可被涂覆有反射涂层。可在导管510和管512之间形成间隙511。间隙511可使用垫圈508(如O形环)来密封水。水可从入口506进入装置500并且可从出口507退出。装置500可进一步包括LED阵列525，其包括第一开关528、第二开关530和电源或电源单元520，如DC电源。
LED模块阵列525可位于LED支架上，例如支架400或支架200。阵列525可电连接至开关528，其可为磁性开关。当暴露于水流时，阵列525中LED模块可由来自DC电源520的DC电流供电。DC电源520可与第一开关528和第二开关530电连接。第二开关530可包括柔性臂532(例如，弹簧)和磁体534。当水从入口506流向LED阵列525时，柔性臂532可沿流动方向弯曲并且可使磁体534与开关528电接触，关闭电路并且立即照射LED阵列525。柔性臂532可在一端安装至管512，例如如图5所示。任选地，柔性臂532可安装在柔性臂的两端的管512上。柔性臂532可包括任何柔性元件，例如，螺旋弹簧、悬臂弹簧、板弹簧等。柔性臂532可导电，或可包括导电元件，并且可与电源520电连接。
剂量分布模拟结果
使用数值模拟代码获得以[mJ/cm2]示出UV剂量分布的模拟结果。装置100和300的几何尺寸用作模拟的基础。对于每个装置，模拟两种LED阵列构型：商用平坦UVLED阵列和具有图2B和图4A所示的LED模块布置的、具有凹表面的UVLED阵列。每种阵列(商用和弯曲)中UVLED模块的数量和/或应用到水的UV功率的量对于每种模拟是相同的。另外，对于每种模拟，计算以[mJ/cm2]的平均剂量、轨道均匀系数(trackuniformityfactor)和DSL值。
可使用下面等式计算轨道平均系数(TUF)：
( 1 ) - - - T U F ≡ D e q D a v
其中Dav为轨道平均剂量而Deq可由等式(2)计算。
( 2 ) - - - D e q = - D 1 log · ln ( N M / N M - t o t a l ) a
其中D1log为实现一-log的灭活(特定微生物的)需要的剂量，NM为将在特定系统中被灭活的活性微生物的数量，NM-total为病原体/微生物的总(初始)数量，并且a＝ln(10)＝2.3。
TUF值范围为0至1。在一些实施例中，TUF值应尽可能高。DSL为限定最小剂量Dmin和平均剂量Dav之间差值的值。DSL值范围为0至1。在一些实施例中，DSL值可尽可能低。可使用等式(3)计算DSL。
( 3 ) - - - D S L ≡ D a v - D min D a v
图8A示出由用于具有位于平坦表面上的商用LED阵列的装置的计算模拟衍生的剂量分布图。图8B示出由根据本发明实施例的装置的计算模拟衍生的剂量分布图，该装置100包括位于支架200弯曲表面上的UVLED模块阵列205(如图2B所示)。两个LED阵列位于窗口210后的导管110外部。图8A所示的剂量分布模拟示出具有138-580[mJ/cm2]剂量值的宽分布。平均剂量为214[mJ/cm2]，然而由于宽分布，轨道均匀系数相对低0.77。分布越窄，轨道均匀系数越高，到流体的能量传递效率越好，即空间光通量分布使得导管的所有部分利用大约相同量的UV能量照射，从而具有相同的消毒。DSL为0.35。图8B所示的剂量分布模拟示出具有134-290[mJ/cm2]的剂量值的窄得多的分布。平均剂量为179[mJ/cm2]，然而轨道平均系数较高0.86并且DSL较低0.25。获得该结果是由于支架200的使用和每个LED元件在支架200的弯曲表面上的方位，使得从每个元件发射的光通过全内反射在导管110中传播。
图9A和图9B示出装置300的剂量分布图的模拟，装置300包括在导管310内背对背放置的两对LED阵列：a)分别位于支架400中心的一对商用LED阵列和位于支架400上的阵列405与406(如图5A、图5B和6A所示)。图9A所示的剂量分布模拟示出具有439[mJ/cm2]高平均剂量的、0.71中等轨道平均系数和0.3低DSL的剂量分布。根据本发明的一些实施例，高平均剂量可与LED阵列在导管水流中的位置有关，因此所有从LED模块发射的UV光转换进水中，而不管LED模块在阵列上的构型和位置。使用具有商用LED阵列的装置100，平均剂量约为传递至水的剂量的两倍，尽管传递至水中的UV功率的量约为相同的量。0.71的相对低的轨道平均系数可与LED模块在商用阵列中的非最优构型有关，所述商用阵列不支持导管中任何特定形式的光传播。图9B所示的剂量分布模拟示出具有428[mJ/cm2]高平均剂量、相对于图8A所示的分布的0.77的较高轨道平均系数，但0.35的稍高的DSL的剂量分布。再者，根据本发明的一些实施例，高平均剂量可与LED阵列在导管水流中的位置有关。0.77的较高轨道平均系数可与放置在支持全内反射的支架400上的LED模块的最优位置有关。可以得出结论，图9A和图9B所示的主要影响可与两种LED阵列在水流中的插入有关，使得位于水流内的第一UVLED阵列可沿面向水流的方向照射导管的第一部分和位于水流内的第二UVLED阵列可沿水流的方向照射导管的第二部分。
尽管本文已说明和描述了本发明的某些特征，但本领域普通技术人员可想到许多修改、替代、变化和等效体。因此，应当理解的是随附权利要求旨在涵盖落入本发明真实精神内的所有此类修改和变化。

Claims (16)

1.一种紫外线UV液体处理装置，包括：
导管，所述导管包括接收待处理液体的入口和排放处理后的流体的出口，所述导管限定在所述入口和所述出口之间的多个液体流动路径；以及
UV发光二极管LED模块阵列，所述UV发光二极管LED模块阵列照射所述液体，其中所述UVLED模块阵列包括布置在阵列支架的弯曲表面上的多个UVLED模块，
其中所述UVLED模块阵列被配置为在所述导管内产生匹配所述液体流动路径的定制的空间光通量分布，以便获得期望的UV剂量分布。
2.根据权利要求1所述的UV液体处理装置，其中，所述弯曲表面为凹状表面。
3.根据权利要求1所述的UV液体处理装置，其中，所述弯曲表面为圆锥状表面。
4.根据权利要求1所述的UV液体处理装置，其中，所述阵列支架的弯曲表面的尺寸是根据所述定制的空间光通量分布确定的。
5.根据权利要求1所述的UV液体处理装置，其中，所述阵列支架的弯曲表面的曲率半径是基于所述定制的空间光通量分布确定的。
6.根据权利要求1所述的UV液体处理装置，其中，所述阵列支架上的所述UVLED模块的位置是基于所述定制的空间光通量分布确定的。
7.根据权利要求1所述的UV液体处理装置，其中，所述导管的至少一部分对UV光透明，并且所述定制的空间光通量分布使得大部分所述UV光通过全内反射在所述导管中传播。
8.根据权利要求1所述的UV液体处理装置，其中，所述导管的至少一部分对UV光透明，并且所述定制的空间光通量分布使得大部分所述UV光线以大于全内反射的临界角的角度碰撞所述导管的内表面。
9.根据权利要求1所述的UV液体处理装置，其中，所述导管包括UV透明壁，并且所述UV透明壁的外表面涂覆有UV反射涂层。
10.根据权利要求1所述的UV液体处理装置，还包括：
电源，所述电源对所述UVLED模块阵列供电；以及
开关，所述开关通过液体流动激活，当所述液体在所述导管中流动时所述开关被激活，从而连接所述电源与所述UVLED模块阵列。
11.根据权利要求1所述的UV液体处理装置，其中，所述导管包括设置在所述导管内的内管，使得液体从所述导管的所述入口经过所述内管流至所述导管和所述内管之间的间隙。
12.根据权利要求11所述的UV液体处理装置，其中，所述入口设置在所述导管的一端，并且所述阵列支架设置在所述导管外部的所述导管的另一端，以及所述UVLED模块在所述阵列支架的弯曲表面上的位置使得所述定制的空间光通量分布覆盖所述内管中的液体流以及所述内管和所述导管之间的所述间隙两者。
13.根据权利要求1所述的UV液体处理装置，其中所述导管包括连接在一起的第一段和第二段，所述第一段包括所述入口并且所述第二段包括所述出口。
14.根据权利要求13所述的UV液体处理装置，其中所述UVLED模块阵列为第一UVLED模块阵列，并且所述阵列支架为第一阵列支架，以及所述装置还包括：
设置在所述导管的第二段的与所述出口相对的端部的第二阵列支架，
其中所述第一阵列支架设置在所述导管的第二段的与所述入口相对的端部。
15.根据权利要求1所述的UV液体处理装置，其中，所述阵列支架包括第一弯曲表面和第二弯曲表面，所述第一弯曲表面和所述第二弯曲表面中的每个表面包括背对背设置的UVLED模块阵列，所述阵列支架垂直于所述导管的纵向轴设置在所述导管内，使得设置在所述第一弯曲表面上的所述UVLED模块阵列照射所述导管的第一部分，并且设置在所述第二弯曲表面上的所述UVLED模块阵列照射所述导管的第二部分。
16.根据权利要求1所述的UV液体处理装置，其中，所述UVLED模块中的每一个UVLED模块包括多个UV发光二极管。
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