CN107848841B

CN107848841B - 流体的紫外线处理系统

Info

Publication number: CN107848841B
Application number: CN201680037318.4A
Authority: CN
Inventors: 乔纳斯·迪伦
Original assignee: Optical Laboratory Sweden
Current assignee: Pulfiz Technology Co
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2016-06-20
Publication date: 2021-05-07
Anticipated expiration: 2036-06-20
Also published as: EP3317228B1; EP3317228A1; US10836655B2; CN107848841A; US20180179087A1; EP3317228A4; SE1550920A1; SE538796C2; WO2017003347A1

Abstract

本发明总体上涉及一种用于处理流体的系统，并且具体地涉及一种处理系统（200），配置为选择性地激活第一（206）和第二紫外线光源（104）。本发明的目的是减少用紫外线光处理流体的系统的有效能量消耗。本发明特别涉及克服汞灯光源不能立即启动的缺点。仅第二紫外线光源（104）是UV汞基的光源，并且电源配置为基于预定条件来选择性地关闭第一紫外线光源（206），预定条件基于第二光源的预热时间段。

Description

流体的紫外线处理系统

技术领域

本发明总体上涉及一种用于处理流体的系统，并且具体地涉及一种处理系统，配置为选择性地激活第一和第二紫外线光源。

背景技术

使用200-300nm范围内的紫外(UV)光对水、空气、表面或某些设备进行消毒的子系统目前是常用的。这些系统可以结合过滤、反渗透(用于水消毒)等。由于不使用任何化学物质(例如氯)，这种系统很受欢迎；化学物质在很多情况下都是有利的，但是环境也是重要的。

这些系统几乎全部使用各种汞光源(Hg光源)。这些光源工作良好，能源效率高，具有现今最好的产品的使用寿命，超过10000小时；据报道，最好的产品的使用寿命为16000小时。存在其它紫外线源(例如，准分子光源)，但据报道要么寿命非常短(<500小时)或者要么能量效率非常低(约1％)。

对于大型光源，Hg基的低压光源通常具有30％以上的能量效率，但是，当这些光源变小时，能量效率下降；小光源(<10cm长)通常可具有5-10％的能量效率。

Hg光源的一个严重缺点是光源不能立即完全打开，即UV范围内的光子通量在一段时间内缓慢增加，直到达到其稳定状态。这个启动(预热)时间通常可能在2-5分钟。

在启动时间期间，消毒系统不能完全运行，例如在水(或其他流体)消毒系统中，水不能被使用。对于空气净化来说，空气没有完全消毒。用于特殊胶水硬化的固化系统将无法使用。类似的明显效应适用于所有的应用，在这些系统经常打开和关闭，即仅仅需要间歇地消毒功能的情况下特别明显。因此，希望对这种消毒系统进行进一步的改进，特别是为了提高系统的整体可用性和降低系统的有效能耗。

发明内容

根据本发明的一个方面，通过用于处理流体的系统至少部分地减轻上述问题，系统包括：容器，布置为接收一定量的流体；第一紫外线光源，容纳在容器内；第二紫外线光源，容纳在容器内；以及电源，可操作第一和第二紫外线光源，电源布置为给紫外线光源提供电力，以使用第一和第二紫外线光源中的至少一个处理在腔室内所接收的一定量的流体，其中，仅第二紫外线光源是UV汞基的光源，电源配置为激活第一和第二紫外线光源，并且电源配置为基于预定条件选择性地关闭第一紫外线光源。

本发明基于这样的理解，即，例如由于其相对长的启动时间，并不总是优选单独使用汞基的紫外线光源。因此，通过本发明，包括附加的紫外线光源(即，第一紫外线光源)，其中附加的紫外线光源选择为专注于比较短的启动时间，而不是汞基的紫外线光源，这使得可以最大化整个系统的有效性和灵活性。在本发明的上下文中所使用的表述“汞(Hg)基的紫外线光源”应该广泛地解释，并且可以包括具有用于紫外线激发的一些形式的汞的任何类型的紫外线光源，例如，荧光紫外线光源，CFL UV光源，等。在本发明的上下文中所使用的表述“流体”也应该被广泛地解释，并且可以包括任何类型的需要消毒的流体，例如，水。

相比之下，例如当仅间歇性地需要消毒功能时，这可以根据现有技术方法例如以两种方式之一或者其组合来处理。在第一个现有技术的方法中，即使在不需要消毒功能的情况下，光源也始终保持启动。这相应地会导致整体能耗较高。另外，对于处理水的系统，当水不流动时，水首次打开时会变暖或甚至变烫。此外，系统的使用寿命将比若光源关闭，同时不需要消毒操作，即是当水不流动的情形下短得多。具有使用寿命为9000小时的光源若保持启动，通常将持续大约一年。举例来说，如果系统每天总共仅使用六个小时，那么与当仅在需要的时候使用光源的情形相比，它将消耗比实际需要多四倍(24/6)的能量，并且使用寿命缩短四倍。

在第二个现有技术方法中，直到上述提及的启动时间已经过去并且用户必须简单等待启动时间流逝，系统才能运行。这可能是不实际的，例如，用户不希望等待2-5分钟的时间来倒一杯水。在工业应用中，对生产率的影响可能同样严重。同样在这种情况下，启动阶段期间的能量被浪费，因为它不会产生所期望的消毒。使用寿命按比例减少(即，启动时间与运行时间的比例)，并且能量消耗也以相同的方式增加。此外，由于汞光源启动阶段的水不能使用，必须循环使用才能重新使用，否则用水量将相应地增加。

从上面可以理解，预定条件例如可以选择为例如基于预定的时间段，例如根据汞基紫外线光源的预热或者启动时间段来选择，例如，与当第一和第二紫外线光源同时被激活等相比较。然而，预定条件还可以与容器内所测量的紫外线强度水平相关，例如，使用所提供的传感器来测量。在这种情形下，可以允许第一紫外线光源被选择性地激活以产生一定量的紫外光，例如匹配由第二紫外线光源当前产生的紫外光的量和紫外光所期望的量之间的差异。

在本发明的一个优选实施例中，第一紫外线光源包括场发射光源(FEL)、UVC发光二极管(LED)或者准分子灯中的至少一种。可以理解的是，第一紫外线光源可以包括例如，多个LED和/或以适用于应用的基于不同技术的光源的组合。即是，诸如场发射光源(FEL)和UVC发光二极管(LEDs)等新兴技术提供了几毫秒级的启动时间，主要由电子驱动单元控制。UVC-LEDs目前正在开发中，但此时据报道展现出非常短的使用寿命和非常低的能源效率。正努力改善这点，并且可以确定最终将取得成功。根据所需的功率密度，场发射光源的使用寿命可能在2000-6000小时左右，并已经测量达到10％左右的效率，尽管UVC区域(这是杀菌应用的相关区域)只有4-5％。

因此，两种技术都不能提供与大型汞光源相同的基本生命周期或者基本能量效率，但正如下面所示，光源在几分之一秒内打开的事实对间歇性系统有这样的影响以致于这些内在特征变得不那么重要。另外，LED和FEL都可以被控制为可调光，这是可以进一步增加这些优点的特性，例如，关于补偿期望的UV光水平和当前由第二UV光源产生的水平之间的上述差异。

因此，通过本发明，可以激活第一UV光源(例如是FEL，UVC-LED或者准分子灯)，其中，第一UV光源与汞基UV光源相比迅速地激活。第二UV光源(即汞基UV光源)具有比第一光源更长的寿命和更高的能量效率。该系统被布置成使得当期望的消毒应该开始时，第一光源被打开，从而立即提供完全的消毒功能。同时，慢启动的Hg光源也开启，一旦该光源在开启时间后达到其全UV输出，则关闭第一光源。这样，系统立即开始运行，总体能耗显著降低，光源相关的系统寿命显著增加。

为了说明此，下面将使用两个实例，将使用Hg光源和FEL UV源的间歇系统和当今仅使用在较小的水消毒系统中使用的中型尺寸的典型低压Hg光源的系统进行比较。在后一种情况下，光源始终打开。使用FEL光源作为示例，但是(使用合适的数据)也可以是UV-LEDs或者准分子光源或者类似物。

在第一个例子中，汞光源是21厘米长的14瓦低压光源，能量效率为18％。它的水流量为9升/分钟，导致消毒比例为1：1 000 000，即只有一百万个中有一个细菌存活。这通常被称为“log 6”，即10⁶的对数。该消毒率因此是99.9999％。开启时间是3分钟。它的生命时间是9 000小时。

在这个组合系统中的FEL光源需要22.5W的功率，以保持9升/分钟的流量，和log6的消毒率。它的使用寿命是2000小时。该系统用于在10分钟内消毒水，每天24次(每小时一次)。描述本发明的优点的一些关键结果在下表中描述。

	Hg光源	Hg光源+瞬时开启的光源
			流量(升/分钟)	9	9
消毒时间(分钟)	10	10
			每天的消毒操作次数	24	24
每年的能量消耗(kWhrs)	123	30
			光源相关的系统寿命(年)	1,03	4,57

在第二个例子中，在40W，40升/分钟的流量下使用了更大和更高效(30-35％)的高效汞光源，并且实现了log6的消毒率。在该组合系统中的FEL光源需要用100W的电源供电，以保持40升/分钟的流量和log6的消毒率。其寿命假定为2000小时。下表显示了一个类似的比较。

	Hg光源	Hg光源+瞬时开启的光源
			流量(升/分钟)	40	40
消毒时间(分钟)	20	20
			每天的消毒操作次数	10	10
每年的能量消耗(kWhrs)	350	79
			光源相关的系统寿命(年)	1,03	6,58

从上面的例子，可以明显看出，结合瞬间开启的光源和常用的Hg光源的系统的整体能耗更低，并且显著地盐城了系统的使用寿命(假设除了光源以外的其他部分不损坏)。这反过来将需要更少的维护成本以及备用光源的成本。由于上面提及的附加优点，这样的系统可能是非常有用的和有益的。

当研究所附权利要求和以下描述时，本发明的进一步的特征和优点将变得显而易见。本领域技术人员认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以组合本发明的不同特征来创建除以下描述的实施例之外的实施例。

附图说明

根据以下详细描述和附图，将容易地理解本发明的各个方面，包括其特定特征和优点，其中：

图1概念性地示出用于处理流体的现有技术系统；

图2a提供了本发明的处理系统的第一个当前优选的实施例；图2b示出通过本发明的系统实现的紫外激发；以及

图3示出用于处理流体的本发明的系统的一个替代实施例。

具体实施方式

现在将参考附图在下文中更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的当前优选实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，并且不应被解释为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了彻底性和完整性，并且将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。相同的参考字符始终指代相同的元件。

以下描述了将通常使用的Hg光源与UVC光源组合的消毒系统用于流体消毒系统应用的实施例，所述UVC光源或多或少即时地达到完全的UVC功率输出，例如UVC-LED和FELs。其他应用如空气消毒，表面消毒，胶粘剂的固化等也是可能的，并且所描述的系统实施例同样有效。对于本领域技术人员来说显而易见的是，所描述的实施例的缩放和不同组合是直截了当的。举例来说，由于实际原因，这些图显示了相似尺寸和形状的光源，但实际上它们可能具有完全不同的尺寸以及不同的外形因素。更进一步地，在这样的系统中可能还有额外的光源。

现在参照附图并且特别参照图1，示出了现有技术的典型简单流体紫外线消毒系统100的横截面图。应该指出，整个系统通常可能包含不同类型的过滤器以及其他组件。这里仅描述紫外线消毒部分。

诸如水的流体通过入口102进入消毒管，进入布置为接收一定量的流体的容器。光源104，通常是汞(Hg)基UV光源，由电子驱动单元(镇流器)106接通并通电。灯104通常附加地由UV发射套筒(未示出，可应用于所有实施例)保护，以防止Hg光源断裂时汞进入水中。在一些实施例中，消毒管可以包括各种结构或装置以提供湍流以进一步确保所有生物体都经受尽可能大量的UV辐射，这些结构和装置也未示出。电子驱动单元106又连接到电源108，例如墙壁电源插座或类似物。电源可以进一步地与消毒管或光源集成为一体。水通过光源104并通过出口110离开。可以通过连接到电子驱动单元106的UV传感器112监测UV强度，该UV传感器112保证系统获得足够的UV强度以确保充分消毒。电子驱动单元106还可以控制可变阀门(未示出)，从而通过使用UV强度来控制流量以确定其最大值。另外的传感器可以包括温度和压力(这里未示出)。

现在转向图2a，示出了根据本发明的治疗系统200的第一个优选实施例。这个实施例是最直接了当的，由串联连接的两个类似的系统构成，一个具有Hg光源(即，上面定义的第二个UV光源)连接，另一个具有快速开启的光源(例如，直接地或者例如在几秒钟内)(即，上面定义的第一UV光源)。与图2a所示的相比，二者的顺序可以不同。应该指出的是，水消毒的第一阶段与上面图1中概述的相似，因此，不再进一步讨论。

水从出水口110排出到通向第二阶段的进水口204的连接管或软管202中。水通过附加的UV消毒光源206，并通过出水口208离开。Hg光源104和附加的UV光源206由电子驱动单元106供电，该电子驱动单元106可以集成或可以不集成为包含用于两个光源的驱动单元(如图所示)或者分开的(未示出)。电子驱动单元106可进一步以几种方式进行划分，包括部分地或者全部地与例如光源104，206集成。用于划分电子驱动单元106的其他可能性是多种的并且在本发明的范围内。附加的UV光源206的强度可以由附加的UV传感器210监测。强度被反馈到电子驱动单元106，其可以包括用于控制附加的UV光源206的强度的功能。

当处理系统200启动时(即，水开始流动)，电子信号(未示出)给到电子驱动单元，其将立即开启Hg光源104和附加的UV光源206。附加的UV光源206是与UV光源104相比，快速达到其全UV输出功率的类型。当Hg光源104已经达到其全UV功率输出时，例如，由UV传感器112所测量的，可以关掉附加的UV光源206。可选地，来自UV传感器112的传感信号被用于逐渐降低来自附加UV光源206的强度，UV传感器112用于监测慢启动Hg光源104的UV强度。来自附加UV光源206的强度通过UV传感器210监测。

如图2b所示，可以使用这两个传感器112，210的总和来维持整体上基本恒定的UV强度。由传感器112测量的UV强度被称为220，来自传感器210的UV强度被称为222，并且总的UV强度被称为224。由于用于附加UV光源206的功率逐渐减少，还有另外一个显著的节能和使用寿命的增加。

本发明的第二个优选实施例在图3中和下面的讨论中被概念化。在这种情况下，两个光源104和206被集成到一个消毒管/装置300中。这个实施例的成本较低，并且将实现“提升”功能，其中，在短时间内可以启用显著较高的流量(但是在操作模式中丧失了上述优点)。具体而言，水通过由入口阀304控制的入口102进入水处理装置300。一旦输入阀304打开，可以使用遥控设备306(有线或无线)驱动电子驱动单元106开启Hg光源104和附加的UV光源206。电子驱动单元106还将打开输出阀308，确保流体流过两个光源104，106，并通过出口310b离开消毒管。确保例如打开输出阀和输入阀之间的短暂延迟可能是有利的。慢启动的Hg光源104的UV强度可以通过连接到电子驱动单元106的UV传感器112监测。相应地，瞬时启动光源206的UV强度可以通过连接到电子驱动单元106的UV传感器210监测。

在上面图2的描述中概述的启动阶段期间的类似调整可以被调试。一旦慢启动的Hg光源104达到其全部强度，另一个阀门312可被打开，阀门308关闭，并且附加的UV光源206可被关闭。在该实施例中，同样可以使阀308打开而不打开阀312。然而，该实施例能够实现两个光源都运行并且阀308和312两者都打开的操作模式，因此，提供了明显更高的流体流量(如果需要这样的流量)，因为流体现在可以从出口310a和310b两者离开系统。

总之，本发明涉及一种用于处理流体的系统，包括布置为接收一定量流体的容器，容纳在容器内的第一UV光源，容纳在容器内的第二UV光源以及电源，所述电源可操作第一和第二紫外线光源，所述电源布置为向所述UV光源提供电力，以使用所述第一UV光源和所述第二UV光源中的至少一个处理在腔室内接收的流体的量，其中，仅第二UV光源是UV汞基的光源，电源配置为激活第一UV光源和第二UV光源，并且电源配置为基于预定的条件选择性地关闭第一UV光源。

通过本发明，可以优化汞基UV光源的使用，使得水处理的灵活性和能量消耗的整体改进。

尽管这些图可以显示方法步骤的具体顺序，但是，步骤的顺序可以不同于所描述的顺序。也可以同时执行或者部分同时执行两个或更多个步骤。这种变化将取决于所选择的软件和硬件系统以及设计者的选择。所有这些变化都在本公开的范围内。同样，软件实现可以用标准的编程技术用基于规则的逻辑和其他逻辑完成各种连接步骤，处理步骤，比较步骤和决定步骤来完成。另外，即使已经参考其特定的示例性实施例描述了本发明，但是对于本领域的技术人员来说许多不同的改变，修改等将变得明显。

本领域技术人员在实践要求保护的发明时，通过研究附图，公开内容和所附权利要求，可以理解和实现对所公开实施例的变型。此外，在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。

Claims

1.一种用于处理流体的系统，包括：

- 单个容器，布置为接收一定量的流体；

- 容纳在容器内的第一紫外线光源；

- 容纳在容器内的第二紫外线光源；以及

- 电子驱动单元，连接并布置为给第一和第二紫外线光源提供电力以使用第一和第二紫外线光源中的至少一个处理在腔室内所接收的一定量的流体，

其中：

- 仅第二紫外线光源是UV汞基的光源，

- 所述电子驱动单元配置为给第一和第二紫外线光源提供电力以激活第一和第二紫外线光源，并且

- 所述电子驱动单元配置为在第二个紫外线光源的预热期之后选择性地关闭第一紫外线光源以使得在第二紫外线光源的预热期之后，电子驱动单元向第二紫外线光源而不是第一紫外线光源提供电力。

2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，第一和第二紫外线光源同时被激活。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，预定条件为一个预定的时间段。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括一个用于测量容器内紫外线强度水平的传感器。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，预定条件与容器内所测量的紫外线强度水平有关。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，第一和第二紫外线光源至少部分地延伸入容器内所接收的一定量的流体中。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，第一紫外线光源包括：基于场发射的光源（FEL）、UVC发光二极管（LED）和准分子灯中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，容器被分成第一和第二部分，第一部分保持第一紫外线光源，第二部分保持第二紫外线光源。