CN105307981A

CN105307981A - 基于发光二极管(led)的流体净化系统

Info

Publication number: CN105307981A
Application number: CN201480032785.9A
Authority: CN
Inventors: 奥拉·汉松; 肯尼思·M·佩尔松; 托德·温格伦; 拉尔斯·蒙德留斯
Original assignee: WATERSPRINT AB
Current assignee: WATERSPRINT AB
Priority date: 2013-04-15
Filing date: 2014-04-15
Publication date: 2016-02-03
Also published as: WO2014171886A1; SE1350473A1; EP2986566B1; US20160075568A1; HK1221452A1; US9586838B2; EP2986566A1

Abstract

本发明涉及一种用于净化流过管道的流体的基于发光二极管(LED)的系统，所述系统包括用于将该系统安装在管道上的装置、壳体、柔韧的载体结构，所述柔韧的载体结构包括被布置成与结构(8)的第一表面(7)齐平并且被配置为在UV范围内发射辐射的多个LED，其中，当系统被管道安装时，所述结构被可拆卸地布置在壳体内，且所述结构(8)在具有限定净化室(9)的所述第一表面的壳体内采用大体上管状的形状，其中所述净化室与管道流体连通，使得流过管道的流体在被分配之前穿过净化室，在此处，流体被暴露于被激励的LED的UV辐射。

Description

基于发光二极管(LED)的流体净化系统

技术领域

本公开涉及一种用于净化流过管道的流体的基于LED的系统。

背景

借助于紫外(UV)光去污是用于在用于净化流体的系统、特别是适合于提供饮用水的系统中使用的确立已久的和可靠的技术。这些系统是有效的，并且表现令人满意，而不使用化学品。传统地，杀菌的UV光用汞灯产生。这些灯是有效的，但体积大、相当脆弱、需要重大维护并且造成处置问题。

引用的缺点至少通过采用如以上种类的净化系统中的光源的发光二极管(LED)来缓解。这些系统的UVLED发射具有接近高斯曲线的强度图案的常规的光锥。采用具有该种类的LED的系统来攻击污染流体(典型地，水)的微生物的DNA，据此被发射的UV辐射破坏微生物的遗传信息，并且消除其生殖能力从而使其无害。

在该上下文中，并且如本领域中已知的，不同的微生物物种的形态和聚集性质变化很大。因此，大肠杆菌细菌(E.colli-bacteria)是棒状的，并且聚集成相对大的、不规则形状的簇。另一方面，葡萄球菌是大体上球形的，并且聚集成葡萄状的簇，而链球菌通常集合成对或成链。螺旋形细菌也是已知的。此外，存在于流动的流体中的细菌的簇在流体中被无规则地定向。此外，每种细菌物种在细胞中的特定位置中具有DNA串-这至少部分地由特定物种的形状来调节。发光器件(其目的是完全破坏代谢活性，主要是细菌或其它微生物的DNA)需要考虑上文来设计。

US2012/0138545公开了一种用于使用UVLED的流体净化的系统。包括至少一个LED的系统被预先安装在管道或水龙头中，即该系统被固定地附接到工厂的管道/水龙头的内表面。鉴于关于系统的可接入性的明显困难，考虑中的系统的更换是非常具有挑战性的任务，需要相当多的时间和努力。此外，将二极管本身放置在流体流内或从管道壁径向突出，致使各个二极管对外部环境更加敏感。更具体地，管道中升高的流体流可能引起支撑二极管(多个二极管)的平台的磨损或彻底打破平台。另外，由管道中正在流动的流体承载的导致浊度的颗粒可能弄脏暴露的二极管的发光区域，使得其功能丧失。

因此，本发明的目的是减少与现有技术相关联的缺点中的至少一些。

概述

以上陈述的目的借助于用于净化流过管道的流动的流体的基于LED的系统来实现。所述系统包括用于将所述系统安装在所述管道上的装置、壳体、柔韧的载体结构，所述柔韧的载体结构包括被布置成与所述结构的第一表面齐平并且被配置为在UV范围内发射辐射的多个LED，其中，当所述系统被管道安装时，所述结构被可拆卸地布置在所述壳体内，并且所述结构在所述壳体内采用大体上管状的形状且所述第一表面限定净化室，其中所述净化室与所述管道流体连通，使得流过所述管道的流体在被分配之前穿过所述净化室，在此处，所述流体被暴露于被激励的LED的UV辐射。

载体结构的可拆卸性展现关于系统作为整体的可用性的显著改进。更具体地说，在LED单元故障的情况下，载体结构是需要被更换的唯一部件。由于载体结构是容易地可接入的，这可以以快速且简单的方式来完成。

此外，并且结合上文，所述载体结构的柔韧性质使其能够采用合适的形状-典型地，这将是与系统被安装在其上的管道的轮廓相同的形状。两种形状的一致使消除或至少显著地减少管道中的压力损失成为可能。所实现的管道中压力损失的显著减少的另外的益处是，可以采用大体上无限数目的LED。基本上，流体管道的可用长度是在这方面的限制因素。这还意味着，从该组LED输出的总能量可以是非常高的。因此，可以获得能够处理甚至被极度污染的流体以及非常高的流量的系统。

此外，LED被布置在结构的平面中意味着，当该结构被管状地布置在安装系统中时，LED不正面暴露于流动的流体。明显地，这防止LED被弄脏和/或被由流体携带的颗粒损坏。

在相关的上下文中，通过将LED布置成与第一表面齐平，即在该结构的平面中，赋予对辐射过程的充分控制。更具体地，用该种类的布置，在光源和待被处理的流体之间不存在媒介。

该系统的另一个优点是其适合用于改装已经安装的流体管道，例如是常规的管道系统(plumbingsystem)的部分的那些流体管道。更具体地，唯一需要的步骤是移除现有管道的与系统的长度相当的部分以及随后将系统安装到两个管道端部上。明显地，该系统的通用性由此被增强。

在实施方案中，衍射光栅被设置在LED中的至少一个上。这给予根据光栅性质衍射发射光的可能性，即，光将在除仅大体上垂直于管道的壁外更多的方向上传播。因此，不能暴露于常规装置(如本文件中描述的属于现有技术的装置)中的UV光的微生物、特别是细菌的部分，现在可以由衍射的UV光到达。清楚地，将DNA串暴露于UV光的概率由此增加。另外，衍射光栅的使用展现正干扰-其中来自两种光源的衍射光在空间中的某些点中重叠的光学效应，即，在特定点中的光强度是在该点中的每种光源的光强度的总和。由此获得的辐射图案的大致形状类似于梳子。这在异常地大量的微生物的情况下和/或如果考虑中的微生物需要比由系统正常处理的那些剂量更高剂量的光时是有用的。另外的效应是，衍射图案取决于所使用的UV光的波长。这提供了使具有不同性质的光栅与在不同波长发射的UVLED组合的机会。由此，可以实现调整用于考虑中的情况的发光图案和光强度。结论是，系统的效率以及有用性通过将衍射光栅提供在LED中的至少一个上而增加。

当结合附图阅读以下详细描述时，实施方案的另外的优点和特征将变得明显。

附图简述

图1a和图1c分别是根据本发明的实施方案的管道安装系统、水龙头安装系统的示意性透视图，而图1b是图1a的管道安装系统的剖视图。

图2a和图2b是示出净化室的两个近视图，分别是其径向横截面图和轴向横截面图，当系统被管道安装时，净化室具有根据当前发明的一个实施方案的LED。

图3是其中LED以螺旋图案布置的柔韧的载体结构的顶视图。

图4示出设置有根据本发明的又另一实施方案的湍流产生装置的柔韧的载体结构的表面。

图5是具有根据本发明的另外的实施方案的LED的层状柔韧的载体结构的示意性透视侧视图。

优选实施方案的详细描述

现在将参照附图在下文中更充分地描述本发明，优选的实施方案在附图中被示出。然而，本发明可以以许多不同的形式来体现，并且不应被解释为限于本文陈述的实施方案；而是，提供这些实施方案使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分地传达本发明的范围。在附图中，相同的参考标记指代相同的元件。

在下面，术语管道将被解释为涵盖不同类型的横截面(例如圆形、矩形以及多边形)的流体导引件。类似地，与其密切相关的术语管状也将被解释为与管相关以用于具有不同类型的横截面的流体输送。在相同的环境下，术语管道安装的系统包括将系统安装在具有不同直径的规则管道上以及水龙头上。在该上下文中，考虑中的系统的典型、但肯定不是排他性的应用是在其中该系统被用来使水可饮用的常规的管道系统中。然而，待被净化的流体可以包括任何类型的流体，包括液体或气体。

现在转到附图，图1a和图1c分别是根据本发明的实施方案的管道安装的系统、水龙头安装的系统的示意性透视图，而图1b是图1a的管道安装的系统的剖视图。

更具体地，图1a示出当安装在常规的管道系统的管道上时用于净化流过管道(用箭头指示的流体方向)的流体的系统。该系统使用用于安装的装置来连接到管道。这些装置可以以不同的方式来实现。通过示例的方式，可以使用卡栓或凸缘耦合。作为备选，可以通过系统和管道的互补的螺纹部分来实现接合。如果需要，合适的适配器可以在安装系统之前安装到管道上。

系统的更敏感的部分由大体上圆柱形的壳体保护。该壳体可以设置有周边铰链(未示出)，其允许该壳体的上半部移位，从而使得能够容易进入内部部件。

至于辐射剂量的量，在优选的实施方案中，其基于若干参数并且由于以确保安全的方式实现足够程度的净化的目标是预先确定的。这些参数中最重要的是流体速度、管道尺寸、微生物伤亡率和预期的流体浊度。通过示例的方式，对于具有可预测的污染水平(即没有突然的污染峰)的常规家用管道系统(直径在5–10mm之间)的管道，UV辐射的递送剂量不应降到低于40mJ/cm2。

作为备选方案，系统可以设置有流量传感器和/或浊度传感器，以便精确地测量重要的工艺参数。

这些测量值随后可以作为输入设置到LED的驱动机构中，目的是适当地调整递送到流体中的辐射剂量的量。

在实施方案(未示出)中，例如借助于适当地定位的灯，该系统在视觉上指示管道安装的系统的LED何时发射辐射。关于相同的实施方案，所述视觉指示可能经历变化，例如，当LED的总能量输出下降到低于预先确定的值时，即当不能保证足够水平的净化时，灯的颜色可以转换。

图1b是图1a的管道安装的系统的横截面图。结合图5更详细地描述的柔韧的载体结构是可见的。其包括配置成在UV范围内发射辐射的多个LED。所述结构可拆卸地布置在管道安装的壳体内并且如可以看到的，其在壳体内采用大体上管状的形状。载体结构的可拆卸性展现关于系统作为整体的可用性的显著改进。更具体地，在LED单元故障的情况下，载体结构是需要被更换的唯一部件。由于载体结构是容易地可接入的，所以这可以以快速且简单的方式来完成。将结构可释放地固定在适当位置中的一种方式是将其夹紧在管道和壳体之间。该管状形状的内部界定净化室。该净化室与管道流体连通，使得流过管道的流体(典型地，水)在被分配用于使用或储存之前穿过净化室。

图1c是当安装在标准水龙头上时用于净化流过管道的流体的系统的示意性透视图。

图2a和图2b是示出净化室的两个近视图，分别是其径向横截面图和轴向横截面图，当系统被管道安装时，所述净化室具有根据当前发明的一个实施方案的LED。示出的净化室具有圆形横截面，但如上文所讨论的，其他形状是可设想的。特别地，非圆形横截面可以提供光的更有效的内部反射。所述载体结构的柔韧性质使其能够采用合适的形状-典型地，其将是与系统被安装在其上的管道的轮廓相同的形状。两个形状的一致使消除或至少显著地减少管道中的压力损失成为可能。为了大体上无缝的连接，净化室的内部尺寸与管道的内部尺寸匹配。然而，有时其可能是合意的，以为净化室设置尺寸，使得其内部尺寸不匹配管道的内部尺寸。在净化室中，流体变得暴露于被激励的LED的UV辐射。在该上下文中，如本领域中已知的，最大的杀菌效力在约260纳米的波长下实现。明显地，可以设想其它波长，这主要取决于污染的性质。为了进一步扩大系统的使用领域，可以采用可调谐二极管，即发射可变波长的辐射的二极管。作为增强系统的功能性的另外的方式，将光分裂并且衍射成在不同的方向行进的若干光束的衍射光栅(在图2a中示意性地示出)可以设置在LED中的至少一个上。如上文讨论的，衍射光栅的使用增加了暴露DNA串以用于UV光的概率以及展现正干扰–在异常大量的微生物的情况下和/或如果考虑中的微生物需要比由系统正常处理的那些剂量更高剂量的光是有用的。此外，通过将具有不同性质的光栅与在不同波长下发光的UV-LED组合，可以实现定制的发光图案和光强度。该系统还设置有用于激励(未示出)LED的装置。这些装置可以适于从电网供电。作为备选方案，在离网位置中，这些装置可以被体现为光生伏打太阳能电池板以及燃料电池或电池单元。作为另外的备选方案，还可以采用由流过管道的流体供以动力的微型涡轮机。

图3是其中LED以螺旋图案布置的柔韧的载体结构的俯视图。由此，可以防止源自各个LED的辐射直接撞击到另一LED的发光部分上。以这种方式，LED的寿命长度可以显著地延长。相同的效果通过布置LED使得其仅在净化室的轴向方向延伸来实现。此外，布置在该结构的平面中的LED意味着，当该结构管状地布置在安装系统中时，LED不正面暴露于流动的流体。明显地，这防止LED被弄脏和/或被由流体携带的颗粒损坏。另外的益处是，可以采用大体上无限数目的LED。基本上，流体管道的可用长度在这方面是限制因素。这也意味着，从该组LED输出的总能量可以是非常高的。因此，可以获得能够处理甚至被极度污染的流体和/或非常高的流动的系统。

图4示出柔韧的载体结构当被插入管道中时的第一表面，即面向流体的表面，所述结构设置有根据本发明的又另一实施方案的湍流产生装置。此处，所述湍流产生装置通过提供具有扰乱层流流体流动的脊的表面来实现。作为备选或补充，促进湍流的专用挡板(未示出)也可以设置在所述表面上。

在相同的情况下，所述第一表面可以设置有光活化涂层。通过示例的方式，该涂覆的表面可以在被源自LED的光击中时释放自由基到流体流中。释放的自由基降解存在于流体中的细菌。作为备选方案，涂层可以提供给表面水亲和性。然后致使涂覆的表面疏水或亲水。另外，为了进一步增加系统效率，可以想到用高度光反射性的材料涂覆柔韧的载体结构的面向流体的表面的至少一部分。

在实施方案中，该系统被配置成以脉冲模式激励所述多个LED。这允许LED在小于100％的占空因数(以某种频率的脉冲宽度)下进行操作，从而允许LED在超过其最大额定功率的值下进行操作，而同时降低消耗的总功率。该系统的整体性能由此被改进。此外，脉冲信号的使用还显著地改进处理效率，因为在脉冲信号的转变点期间产生的谐波提供另外的UV频率，这有助于破坏微生物。

图5是根据本发明的另外的实施方案的具有LED的分层的柔韧载体结构的示意性透视侧视图。还可以看到湍流产生装置。如上文讨论的，所述柔性结构适合于可拆卸地布置在用于安装在流体管道上的壳体内。图5的柔韧的载体结构(典型地，几mm厚)包括至少部分地以UV辐射透明的材料制成的第一层和包括多个LED的第二层，其中，在该结构被布置有壳体后，第二层邻接第一层并且第一层被布置成相对于第二层在壳体的远侧。该第一层可以以聚合物材料例如聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)制成，但其也可以以复合材料制成。无论作出的选择，所选择的材料需要是UV稳定的。第二层的多个LED被嵌入充当散热器的材料中，典型地金属，比如Al。常规的铜线可以被用于从电源向各个LED供电。在变体中，柔韧的载体结构可能还包括邻接第二层的第三层(未示出)，所述第三层被布置成相对于第二层在壳体的近侧。该第三层也可以以聚合物材料(PE、PP)或以复合材料制成。

在另一个实施方案中，该结构包括以UV辐射透明的材料制成的第一层。此外，配置成在UV范围内发射辐射的多个LED与所述UV辐射透明的材料的层相关联，使得由LED发射的辐射穿过所述部分。所述LED还以防液方式布置。LED可以嵌入充当散热器并且吸收LED发射辐射时形成的热的材料中。

应该理解的是，本发明的系统和载体结构在除用于处理被污染的水的那些应用外的其它应用中是可用的。通过示例的方式，本发明的系统可以用于航空器的通风系统中、优选地插入在空气循环回路中。

无论应用的领域，在考虑中的系统还适合于在已经安装的流体管道上进行改装。更具体地，唯一需要的步骤是移除现有管道的与系统的长度相称的部分并且随后将系统安装到两个管道端部上。系统的通用性由此显著地增强。

在附图和说明书中，已经存在本发明的公开的典型的优选实施方案，并且尽管采用特定术语，但其仅用于一般且描述意义并且不用于限制以下权利要求中陈述的本发明的范围的目的。

Claims

1.一种基于LED的系统(10)，其用于净化流过管道(5)的流体，所述系统包括：

-用于将所述系统安装在所述管道上的装置，

-壳体(2)，

-柔韧的载体结构(8)，其包括被布置成与所述结构(8)的第一表面(7)齐平并且被配置为在UV范围内发射辐射的多个LED(4)，

其中，当所述系统(10)安装于管道时，

所述结构(8)被可拆卸地布置在所述壳体(2)内，并且

所述结构(8)在所述壳体内采用大体上管状的形状且所述第一表面限定净化室(9)，其中

所述净化室(9)与所述管道(5)流体连通，使得流过所述管道的所述流体在被分配之前穿过所述净化室，在所述净化室处，所述流体被暴露于被激励的LED的UV辐射。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述LED(4)仅在所述净化室(9)的轴向方向延伸。

3.如权利要求1所述的系统，其中，所述LED(4)以螺旋图案延伸。

4.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述第一表面(7)的至少一部分设置有湍流产生装置(6)。

5.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中，衍射光栅(16)设置在所述LED(4)中的至少一个上。

6.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述第一表面(7)的至少一部分设置有光活化涂层。

7.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述第一表面(7)的至少一部分设置有涂层，所述涂覆的表面由此获得水亲和性。

8.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述净化室(9)的内部尺寸与所述管道的内部尺寸匹配。

9.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述柔韧的载体结构(8)还包括：

-第一层(12)，其至少部分地以UV辐射透明的材料制成，

-第二层(14)，其包括所述多个LED(4)，其中，所述第二层邻接所述第一层并且所述第一层被布置成相对于所述第二层在所述壳体(2)的远侧。

10.如权利要求9所述的系统，其中，所述第二层(14)的所述多个LED(4)被嵌入充当散热器的材料中。

11.如权利要求9或10所述的系统，其中，所述柔韧的载体结构(8)还包括邻接所述第二层的第三层，所述第三层被布置成相对于所述第二层在所述壳体的近侧。

12.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中，当安装于管道的所述系统(10)的LED(4)发射辐射时，提供视觉指示。

13.如权利要求12所述的系统，其中，当所述LED(4)的总能量输出下降到低于预先确定的值时，所述视觉指示经历变化。

14.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述系统被配置成以脉冲模式激励所述多个LED(4)。