CN106535659A - 用于通过紫外光照射来净化液体的设备 - Google Patents

用于通过紫外光照射来净化液体的设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于净化液体的设备，所述设备包括基本上管状的照射室(100)和多个UV‑LED(110)，所述UV‑LED(110)投射紫外线照射至所述照射室中以便照射正通过所述照射室的液体流(106)，其中所述UV‑LED(110)中的每一个设置在所述照射室(100)上使得其由所述多个UV‑LED(110)中的至少另一个照亮。

Description

用于通过紫外光照射来净化液体的设备
技术领域
本发明涉及用于通过紫外光照射来净化水的设备，以及包括所述设备的分配设备。
背景技术
本发明整体涉及用于净化水的设备，以及涉及包括所述设备的饮料分配器。
净化用于饮用的液体(如水)的最基本的工作之一是消毒，以确保水中存在的任何病原微生物(例如细菌、病毒和原生动物)不会在任何饮水的人中引起疾病。通过紫外线(UV)照射方法进行该消毒是已知的，在该方法中，用紫外线形式的高能辐射轰击一定体积的待处理的水。紫外线损害病原微生物的DNA和RNA，破坏它们的繁殖能力并且有效地消除它们引起疾病的能力。
由于这种系统使用光线进行消毒，在天然不透明的或者未经过滤去除悬浮固形物的液体上，这种系统的有效性下降。出于本文档的目的，“净化”的范围因此应被理解为涵盖其中浊度极小的液体的消毒。
传统的紫外线液体净化系统采用了气体放电灯特别是汞蒸气灯作为紫外线来源。最近，越来越普遍的是采用紫外线发光二极管(UV-LED)作为照射用紫外光的来源。UV-LED具有许多益处，吸引人们将其用于紫外线液体净化系统，值得注意的益处是其尺寸紧凑、可靠并且没有常规灯具中存在的有毒组分(如汞蒸气)。UV-LED的固态特性还使其能够立即接通和切断，这是相对于常规的气体放电灯的又一个优点。
应当注意，在本文档中，术语“紫外发光二极管”缩写成“UV-LED”，并且每当使用后一术语时不应理解为别的意思。
然而，不同于传统的气体放电灯，UV-LED往往发射锥形场型的UV照射，其中UV光的漫射比传统的气体放电灯所发生的漫射少很多。因此，将系统配置成使用UV-LED将存在一定的困难度，因为UV-LED的发射场型使得正确地照亮照射室的整个体积并且实现对其中的液体的完整照射变得困难很多，从而减小液体通过照射室的最大流速。
因此，可能在照射装置内产生接收不到明显紫外线照射的所谓的“死区”。这继而迫使用户减小液体通过照射装置的流量，以使得整个流动体积被照射至足够程度。
在现有技术中，已知某些系统在尝试解决这个问题。文档KR 2010-0093259描述了一种系统，其中将UV-LED阵列设置在延伸穿过照射室的管中；这实现了对流过照射室的水的灭菌，但是该系统要求大量的UV-LED来起作用，这使得该系统的建造和操作变得昂贵。文档WO 2012/078476公开了一系列挡板状反射器，这些反射器从照射室的侧面突出至液体流中并且将UV光反射至照射室的所有部分中。类似地，文档KR 2012-003719公开了一种杀菌设备，其中棒状光导突出至照射室中并在其中漫射来自设置在腔室外部的光源的UV光。这些装置将UV光成功地引导至照射室的所有部分中，但是它们的突出性质中断液体流，并且它们的表面可变成淤塞有矿物和/或生物累积物，从而降低设备的有效性并且对其用户增加维护负担。
因此，本发明的目的在于提供解决上述问题中的至少一些的水净化设备。
发明内容
因此，根据第一方面，本发明涉及用于净化液体的设备，该设备包括：基本上管状的照射室，其适于引导液体流从中通过；和多个UV-LED，其设置在所述照射室上并且被配置成将紫外线照射投射至所述照射室中并由此照射所述液体流。
根据本发明，所述多个UV-LED被配置成使得所述UV-LED中的每一个直接由所述UV-LED中的至少另一个发射的紫外线照射来照亮。
这样，照射室内的死区的体积将被减小或甚至消除。更具体地说，由于每个UV-LED发射锥形场型的紫外线照射，所以将任何特定的UV-LED设置在至少另一个UV-LED的锥形照射场型内意味着该UV-LED的照射场型附近但不在其内的体积将被照射。
此外，以此方式设置UV-LED将使任何特定数目的UV-LED对照射室的照射体积最大化。因此，根据这个方面配置的液体净化设备可对于任何给定级别的功率消耗实现最大输出或反之亦然。
优选地，所述多个UV-LED以基本上均匀的线性间距沿着所述照射室的长度分布。
这样做的有利之处在于，使照射室中的液体被照射的部分的长度最大化。由于杀菌有效性部分地为照射时间的函数，所以被如此配置的设备将延长流过照射室的任何特定单位体积的液体的被照射的时间量，从而增加液体净化设备的有效性。这样，通过设备的流速可最大化而不增加其尺寸、UV-LED的数目或其功率消耗。
优选地，所述多个UV-LED以绕所述照射室的纵轴线基本上均匀的角间距沿着所述照射室的周界分布。
这样做的有利之处在于，紫外线照射被引导至液体体积中的角度将随着液体流过照射室而变化。这产生贯穿整个液体体积的彻底照射，而不迫使液体流沿不平行于整体流动方向的方向局部搅动、打旋或以其他方式流动。从而改善所述设备的整体效率和有效性。
根据优选的实施例，所述UV-LED中的每一个与所述UV-LED中的另一个正对地设置在照射室上，从而限定多个UV-LED对。
这样做的特别有利之处在于，围绕每个UV-LED的区域将被另一个UV-LED的最强的可能的紫外线照射照亮。此外，照射室直接介于它们之间的区域将被所述对中的两个UV-LED照射。从而使液体的净化的彻底性最大化。
优选地，UV-LED对以基本上均匀的线性间距沿着照射室的长度分布，并且以绕所述照射室的纵轴线基本上均匀的角间距沿着所述照射室的周界分布。
这样，所述照射室还将实现如上文关于本发明的其他实施例所述的优点。
在实际实施例中，任何两个相邻的UV-LED之间的沿着所述照射室的壁的距离小于或等于所述照射室的宽度乘以所述UV-LED发射角度的二分之一的正切值所得值的两倍。
这样，每个UV-LED的照射由至少一个相邻的UV-LED执行。从而使设备的可靠性最大化，这是因为当至少一些UV-LED将由多个其他UV-LED照亮时，单个UV-LED的失效不太可能导致液体流的不充分照射。
优选地，照射室具有基本上恒定的横截面。
这样做的有利之处在于，由于UV-LED、液体流和照射室之间的几何关系在照射室的长度上是恒定的，所以照射将具有基本上恒定的强度。基本上恒定的横截面的制造也较简单并且不太贵，诸如通过挤出或其他总所周知的技术。
优选地，所述横截面是基本上圆形的。
这样做的特别有利之处在于，照射室的横截面是对称的并且没有可能中断穿过其中的液体流的平坦表面和锐角。
在实际实施例中，UV-LED具有等于或大于90°的发射角度。
这样做的有利之处在于，在更宽的发射角度下，UV-LED可放置在照射室上更加远离彼此，同时仍然实现所需的共同照射。照射室的构造因此简化，并且包括该照射室的设备可以以更低的成本构造。
优选地，发射角度介于110°与130°之间，包括110°和130°在内，并且优选为120°。
在此范围内的发射角度是期望的，因为其将在照射室内产生宽的紫外线照射圆锥。这进一步确保照射室体积内的死区的消除。具有约120°发射角度的UV-LED在商业化的数量和功率输出方面一般也是可用的。
在实际实施例中，照射室的内表面的至少一部分充分地反射紫外线照射。
这确保由UV-LED发射的紫外光绕照射室均匀地分布，从而使任何死区的体积降低至绝对极小值。从而使照射室的有效性最大化。
优选地，所述照射室的内表面至少部分地涂敷充分反射紫外线照射的物质。
这样做的特别有利之处在于，这类涂层被容易并快速地施加，从而产生厚度和反射率一致的反射层。这也使得能够用对紫外光实质上透明的材料(例如，玻璃)来制造照射室，而涂层从照射室上UV-LED投射进照射室中的位置处移除或者说是不设置在所述位置处。照射室的构造由此可变得便宜很多、简单并且防泄漏。
在优选实施例中，所述多个UV-LED设置在照射室的外表面上。
这样做的有利之处在于，UV-LED完全设置在通过照射室的液体流的外部，并且除了任何入口和出口之外，照射室中没有任何开口或其他中断部。此外，将UV-LED设置在照射室外表面上简化了它们的电源布线的定位，并且有利于可能需要在UV-LED上执行的任何维护。
根据第二方面，本发明涉及一种饮料分配设备，该设备包括如上所述用于净化液体的设备。
这类饮料分配设备的有利之处在于，其在实际应用中实现如上所述的液体净化设备的优点。
附图说明
图1A和图1B分别是根据第一实施方案的用于净化液体的设备的纵向和侧向截面图；
图2A和图2B分别是根据第二实施方案的用于净化水的设备的侧视图和侧向截面图；以及
图3A和3B分别是根据第三实施方案的用于净化水的设备的侧视图和侧向截面图。
具体实施方式
为了完全理解本发明及其优点，参考对本发明的以下详细说明。
应理解，本发明的各实施方案可以与本发明的其他实施方案组合，并且仅是制备和使用本发明的具体方式的示例，当以权利要求书和以下详细说明进行考虑时并不限制本发明的范围。
此外，本文档描述了部件组，这些组用数字和字母两者指代，例如“小部件10A、10B、10C…”。当采用这类术语时，应当理解，部件组中的部件是基本上相同的；当使用数字和字母两者时，其应当被理解为指代部件组中的各个成员，而当仅使用数字时，其应当被理解为是指部件组的整体。
本说明书中使用的词语“包括”、“包含”和类似的词语，都不应被理解为具有排他性或穷举性的含义。换句话讲，这些词语用来指“包括但不限于”的意思。
不能将本说明书中对现有技术文献中的任何参考视为承认此类现有技术为众所周知的技术或构成本领域普遍常识的一部分。
现参考以下实施例进一步描述本发明。应当理解，受权利要求书保护的本发明并非旨在以任何方式限制于这些实施例。
首先阐述本发明的主要原理。
图1A和图1B分别是用于净化液体的装置的纵向和侧向截面图。在图1A中，装置由照射室100表示，该腔室是具有入口102和出口104的基本上管状的细长结构。入口102适于接收液体流106，该液体流被引导通过照射室的腔体108并引导出出口104。
当液体流106在照射室100的腔体108中时，液体流被UV-LED 110发射的紫外光照射。UV-LED设置在照射室100的外表面112上，该外表面在设置有UV-LED 110的地方对紫外光是透明的。这样，液体流106继而随着其流过照射室100而被每个UV-LED 110照射。
每个UV-LED 110发射圆锥发射场型114的紫外光，该光在UV-LED 110处具有它的光源点并且随着其穿过照射室100的腔体108传播而逐渐向外扩展。在图1A中，每个发射场型114被给定不同的交叉影线来图示它们的重叠性质。
在本实施方案中，UV-LED 110沿着照射室100设置，具有一致的线性间距，使得随着沿着照射室100的纵轴线116移动，相继的UV-LED 110相距1/2s，因而一侧上的相继UV-LED 110相距s。s的值依据照射室110的直径和每个发射圆锥114的角度来选择，使得，如在此处所描绘的，每个发射圆锥扩展至相对的UV-LED 110中的至少一个的边缘。这样，使UV-LED周围的任何死区最小化。
在大多数实施方案中，将有利的是确保照射室100的内表面118对紫外光是反射性的。这将进一步起到减小或甚至消除照射室110中的任何死区的作用，因为照射室100的体积不直接由一个UV-LED 110照亮的那些部分由反射光照射。
此外，该反射性质提高照射室100的杀菌效率，因为不直接照射病原微生物的UV光在从内表面118反射一次或多次之后仍然可照射病原微生物。
在实践中，该反射性质可通过将涂层120沉积在照射室100的内表面118上而实现，为了清晰起见此处对涂层仅作了部分描绘。该涂层可为例如聚合物(诸如聚四氟乙烯(PTFE))层、金属涂层(诸如金或银)或这些或其他合适的物质的某种组合。
施加该涂层所用的手段将取决于实施方案的具体情况。例如，照射室可作为透明玻璃提供，而涂层可通过在腔室的内表面上进行气相沉积而施加。
图1B对此提供了进一步图示，图示的形式为以图1A所示的剖面线截取的截面A-A。此处，可以看见，通过照射室100的流体流(未示出)将在其整个截面被照射，因为UV-LED110照亮其整个圆形横截面。因此，即使当死区无法从照射室100完全消除时，通过腔室的液体流也将确保完全照射。
图2A是根据第二实施方案的用于净化水的设备的侧视图。在本实施方案中，如在先前实施方案中那样，照射室200设有适于将液体流206引导通过照射室200的入口202和出口204。紫外线照射由UV-LED 210投射进照射室200的腔体208中。
UV-LED 210设置在照射室200上，在沿着纵轴线216的线性意义上和在绕所述纵轴线216的轴向意义上均具有基本上均匀的间距。UV-LED210因此以实现上文所述的优点的螺旋布置方式布置在照射室200上。
图2B是穿过图3A中所绘的剖面线B-B的照射室200的侧向截面图。在图2B中，可以看见，UV-LED 210绕纵轴线216的角间距(此处由符号φ标注)在每个UV-LED 210之间是基本上恒定的。此图还示出了宽角圆锥发射场型214。
因此，可以看见，在任何特定应用中，UV光在照射室内的传播可通过修改目前所描述的参数来控制，包括发射场型的角度、UV-LED之间的纵向间距、UV-LED的角间距、照射室的总的有效长度以及UV-LED的数目。
用户可因此使设备适于其目的应用的特定需求；例如，期望高程度的杀菌的应用(诸如婴儿配方食品的分配器)可设有具有紧密的线性和角间距的许多UV-LED，而杀菌需求并非那么严格的其他应用则可设有较少的UV-LED和较宽的间距。
图3A和图3B分别是根据第三实施方案的液体净化设备的侧视图和侧向截面图。如在上文论述的先前两个实施方案中一样，所述设备包括照射室300，照射室设有被配置成将液体流306引导通过照射室300的腔体308的入口302和出口304。照射室还设有多个UV-LED310，如在上文论述的两个实施方案中一样，这些UV-LED投射进照射室310中。
在本实施例中，UV-LED 310被布置成对350A、350B、350C和350D。每对350被设置成使得两个UV-LED对彼此投射，使得它们相对于纵轴线316处在相同的线性位置，但是绕所述纵轴线316具有180°角间距。每一对350中的UV-LED 310由此将相互照射彼此，从而消除它们周围的任何死区。
此外，UV-LED 310的对350以基本上恒定的线性间距沿着照射室300的长度，并且以基本上恒定的轴向间距绕照射室300的纵轴线316设置，基本上如关于两个先前实施方案所述的那样。该间距确保每一对350的UV-LED 310也以如上文所述的相同方式由另一对350的至少一个UV-LED 310照亮。
这样，实现了液体流306的彻底净化。此外，由于每个UV-LED 310既由在其自身的对350中的互补UV-LED 310照射也由另一对350中的UV-LED 310照亮，所以即使UV-LED 310中的一个失效，也实现冗余。这样，提高了系统的可靠性。
图3B是以如图3A描绘的剖面线C-C截取的照射室300的侧向截面图。此处，可以看见，对350B的UV-LED 310之间的角间距α为180°；即，对350B的UV-LED 310彼此在直径上相对。尽管出于清晰起见而未作描绘，但是该角度关系对于UV-LED 310的其他对350A、350D中的每对来说也是一样。
尽管以举例的方式对本发明进行了描述，但应当理解，在不脱离权利要求书中所限定的本发明范围的前提下，可作出变型和修改。此外，对于具体的特征如果存在已知的等同物，则应如同在本说明书中明确提到的那样来引入这些等同物。
在一般意义上，描述于前述公开内容中的元件不应当被视为限于前述示例性实施方案中所述的组合和配置。上文根据每个应用的细节所描述的元件的重新组合在不与本公开直接矛盾时应当被视为已经被设想到的。
具体地讲，应当认识到，尽管以上实施方案描述了恒定的液体流通过照射室的实施方案，但是本发明同样涉及所述流不恒定的实施方案，即，所谓的“静态”反应器。在这类实施方案中，可能的是，一定体积的液体流入照射室中，被照射，随后流出。因此，前述公开内容不应当被理解为限于恒定流设备，诸如上文所论述的实施方案。
同样，尽管设想到将根据本发明的设备整合进饮料分配设备中，但是同样可能在其他应用中采用这类设备，例如在商业、工业、医疗或寻求液体的可靠净化的其他此类应用中。具体地讲，可能有利的是，将这类设备并入诸如饮料自动销售机、咖啡或茶分配器或预制食品(诸如汤、谷类食品、婴儿配方食品等)用分配器等装置中。
因此，应当理解，对本文所述的目前优选实施方案作出的各种改变和修改对于本领域的技术人员将是显而易见的。可在不脱离本发明的精神和范围并且不减少所伴随的优点的情况下作出这些变化和修改。因此，希望随附的权利要求书被视为包括至少部分地从其获得的任何实施方案。

Claims (14)

1.一种用于净化液体的设备，包括：基本上管状的照射室(100、200、300)，其适于引导液体流(106、206、306)从中通过；和多个UV-LED(110、210、310)，其设置在所述照射室(100、200、300)上并且被配置成将紫外线照射投射至所述照射室(100、200、300)中并由此照射所述液体流(106、206、306)，其特征在于，所述多个UV-LED(110、210、310)被配置成使得所述UV-LED(110、210、310)中的每一个直接由所述UV-LED(110、210、310)中的至少另一个发射的紫外线照射来照亮。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个UV-LED(110、310)以基本上均匀的线性间距(s)沿着所述照射室(100、300)的长度分布。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述多个UV-LED(210)以绕所述照射室(200)的纵轴线(216)基本上均匀的角间距(φ)沿着所述照射室(200)的周界分布。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述UV-LED(310)中的每一个与所述UV-LED(310)中的另一个正对地设置在所述照射室(300)上，从而限定多个UV-LED对(350A、350B、350C、350D)。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述UV-LED对(350A、350B、350C、350D)以基本上均匀的线性间距沿着所述照射室(300)的长度分布，并且以绕所述照射室(300)的纵轴线(316)基本上均匀的角间距沿着所述照射室(300)的周界分布。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中任何两个相邻的UV-LED(110、210、310)之间的沿着所述照射室(100、200、300)的壁的距离小于或等于所述照射室(100、200、300)的宽度乘以所述UV-LED(110、210、310)的发射角度(θ)的二分之一的正切值所得值的两倍。
7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述照射室(100、200、300)具有基本上恒定的横截面。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述照射室(100、200、300)具有基本上圆形的横截面。
9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述UV-LED(110、210、310)具有等于或大于90°的发射角度(θ)。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述UV-LED(110、210、310)的发射角度(θ)介于110°与130°之间，包括110°和130°，并且优选为120°。
11.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述照射室(100、200、300)的内表面(118)的至少一部分充分地反射紫外线照射。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述照射室(100、200、300)的所述内表面(118)至少部分地涂敷充分反射紫外线照射的物质。
13.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述多个UV-LED(110、210、310)设置在所述照射室(100、200、300)的外表面(112)上。
14.一种饮料分配设备，包括根据前述权利要求中任一项所述的用于净化液体的设备。
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