CN108698857A

CN108698857A - 流体净化系统和方法

Info

Publication number: CN108698857A
Application number: CN201780012119.2A
Authority: CN
Inventors: J·M·J·吉伯尔斯; M·A·P·M·简森
Original assignee: Koninklijke Philips NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2016-02-18
Filing date: 2017-02-16
Publication date: 2018-10-23
Anticipated expiration: 2037-02-16
Also published as: US20190047877A1; US10815133B2; WO2017140790A1; EP3416917A1; CN108698857B; EP3416917B1

Abstract

一种使用护套(26)的在线式流体净化系统，由UV透射材料形成的护套(26)包围流体通路(28)。护套(26)可以由UV反射材料(30)包围。UV辐射(20)耦合到护套(26)中，并且护套(26)在通路的整个横截面上分散并反射辐射。以此方式，可以确保流体通路(28)整个横截面上的UV照射。

Description

流体净化系统和方法

技术领域

本发明涉及流体消毒领域，并且更具体地，涉及紫外线(UV)流体消毒，例如使用UV-C辐射消毒。

背景技术

进行流体消毒以用于提供包含更少有害微生物的流体的重要性已经得到普遍认可。虽然UV辐射用于诸如空气的其它流体的消毒是众所周知的，但当所讨论的流体是例如为人类或动物消耗而准备的水时，这变得更加有先见之明。

当水在诸如水龙头的水分配系统中停滞时，不含活性微生物的水可能在大约几个小时或几天内被污染。微生物污染部分源于水分配点周围的环境空气，但也可能是由于触摸分配点造成的污染或者源于形成在表面的生物膜中的微生物。

在一些水分配系统中，偶尔加热分配头以杀死所有微生物。同时使用含有银离子的塑料可以用于防止生物膜在作为微生物污染源的塑料表面上生长。

用UV辐射进行流体消毒在20世纪60年代首次应用；与诸如氯化的其它方法相比，这种方法有许多益处，尤其是当流体是待消耗的水时。

流体消毒通过使微生物的DNA失活来实现。使用UV进行流体消毒的进一步优势在于安装简便、维护需求低并且具有空间效率。

使用UV处理水不需要使用化学过程，从而消除了在消毒已经完成后流体中具有化学气味或味道的风险。

目前的UV水消毒技术主要使用汞放电灯提供为水消毒的UV辐射。一般地，这些系统向流经该系统的流体提供UV辐射。消毒水平取决于水接收到的总UV剂量。剂量越高，消毒水平越高，或者剩余病原体的量越少。

紫外线辐射破坏微生物的DNA，并且由此防止其再生。不能再生的微生物对健康的威胁大大降低。

在100nm至280nm的短波长范围内的UV-C辐射作用于胸腺嘧啶，胸腺嘧啶是DNA中的四种碱基核苷酸之一。当UV光子被与DNA链内的另一胸腺嘧啶相邻的胸腺嘧啶分子吸收时，在分子之间可以产生共价键或二聚体，这与DNA的正常结构不同，其中碱基总是与相对DNA链上的相同配偶体配对。这会导致两个碱基之间发生凸起，该凸起防止酶“读取”和复制DNA，从而使微生物无法繁殖。

传统上，UV-C源体积较大，无法在分配点轻松在线。将UV-C源移动至更上游(例在如水槽下或水分配机器内)的劣势在于：UV-C系统与分配点之间的管道仍然容易被污染。

最近，已经可以使用UV-C LED。与汞灯相比，其UV-C输出功率仍然较低，但LED的优势在于体积小并且能够产生定向辐射。然而，输出功率低意味着不够均匀且没有足够强度的辐射可能无法穿过整个处理区域。

因此，需要一种紧凑的UV-C净化系统，其可以防止微生物通过分配点进入管道，并且在整个分配区域内有效。

发明内容

本发明由权利要求限定。

根据依照本发明一个方面的实施例，提供一种用于净化流体或流体流的在线式流体净化系统，包括：

护套，包围流体通路，由UV透射材料形成；

一个或多个UV LED，用于将UV辐射耦合至护套内，其中护套适用于围绕通路的整个外周来耦合来自UV LED的UV辐射。

在该系统中，护套用于围绕流体通路分散UV-C辐射并将UV-C辐射分散至流体通路中。耦合至流路内的流体中的辐射提供用于防止微生物从外部进入水管的屏障，从而保持无菌系统。

术语“净化”一般用于表示对流体进行处理。在实践中，净化包括消毒。

术语“护套”一般描述UV透射环、套筒、围绕物或外罩元件。其可以是散射元件或波导元件，例如，环形波导。护套可以围绕流体通路定位，也就是说，将流体通路限定在UV透射元件内。UV透射元件可以大体环绕流体通路的圆周。其可以是适配在靠近分配点的管内的套管，其中套管可以定位一个或多个LED。LED可以被配置为直接朝流体通路发射UV辐射，或者可以被配置为沿其它方向发射UV辐射，以使光在发射至流体通路中之前耦合至护套(作为光导或发散元件)中。这意味着一个LED能够大致发射围绕整个流体通路的UV LED。护套旨在作为优化光分布的光学构件，例如使得UV光围绕流体通路的周边均质化，或又例如，以下述方式发射UV光，使得流体通路的整个横截面被UV辐射而辐射。

由于成本原因，这可能证明是有利的，因为与标准可见光发射LED相比，UV LED仍然相对昂贵。另一个优势可能是降低热负荷，因为护套中包含的LED更少。UV发射LED的电光转化效率(WPE)比可见光发射二极管低。这意味着输入到LED中的能量中的作为光子发射的量更少，余量转化为需要消散的热量。另一个优势在于，由于护套中光的传播和散射特性，所需要的LED的数目更少，因此与包括包围流体通路的多个LED的设备相比，整个设备体积更小。护套可以被配置使得来自UV LED的辐射可以围绕护套穿过、至少到达在直径上与UVLED的位置相对的位置并继而进入通路。例如，护套的透射材料可以具有至少60％/cm的UV透射率，如至少70％/cm、80％/cm、90％/cm或甚至95％/cm的透射率。护套旨在通过使光束围绕流体通路的周边传播来优化UV辐射的分布。

护套可以发射UV辐射，从而使其大体环绕流体通路，例如，以确保经过通路的流体的整个横截面被UV辐射来辐射。与具有朝流体发射非重叠UV辐射区的多个分立LED的系统相比，这样可以允许流体以更高流量分配，同时仍然用所需UV辐射剂量来辐射。

发明人已经意识到，使用围绕流体周边的多个LED可能限制可用于流体流过的流体通路的通孔。相反地，单个LED可以扩大可用于流体流过的流体通路的通孔，但必须进行测量以确保UV辐射量(也称辐射剂量)足以提供可以接收的净化水平。

该系统可以用于净化流体流，例如诸如水的液体流。在这种情况下，对通常包括水的流动液体进行净化。这需要具有高UV输出的一个LED或具有低UV输出的多个LED。替代地，该系统可以用于净化停滞在通路内的流体的静态横截面。以此方式，通路内侧与外侧之间存在消毒屏障，并且可以由具有低UV输出的LED实现，该LED是市场上已经有的。静态横截面可以是诸如水的液体，但也可以是诸如空气的气体。

为了防止污染经由分配点进入流体供应，本发明能够同时提供小UV-C源及在分配点的整个表面上分散UV-C辐射的装置。通过使进入的微生物失活，分配系统更不容易受到微生物污染。这使得分配水中活性微生物含量更低，并且减少用于水分配设备的卫生工作。

在一个实施例中，护套包括UV散射材料。以此方式，UV辐射散射在通路的整个横截面上，并从各个侧面进入流路内的流体中，也就是说，由LED发射的UV光束由护套传播，从而使UV辐射具有优化分布。

UV散射材料可以包括多晶氧化铝、石英、UV透明玻璃或硅胶。

在另一实施例中，作为光学元件的护套包括环形波导，其中UVLED辐射输出至少部分地适于通过全内反射而围绕波导传输。该示例还提供辐射的优化分布，这种优化可以是辐射由光学元件传播。当波导功能被打断时，辐射进入通路。这例如可以发生在由护套外侧的反射涂层反射后。替代地，波导功能可以由流经波导的水路打断，从而减小临界角并允许辐射从波导逸出耦合。

替代地，波导功能可以由流体通路的壁上的光学逸出耦合结构打断。该逸出耦合结构可以是表面形变，如脊或图案，也可以是透镜，如微型光学透镜(MLO)，也可是喷涂点，或者可以是蚀刻在表面的图案。

系统可以包括单个UV LED。这样使低成本且紧凑的系统成为可能。

护套可以用于包围一个通路，或者例如在多个流体在分配点处混合的情况下，例如在分配前混合热水和冷水的混合水龙头，可以包围具有两个或者更多个通路的分配系统的更复杂点。

UV反射涂层可以围绕护套的外侧而设置，其中UV LED位于护套内，其可以被设想为在护套的外表面与设备所在的管的内表面之间的反射层。这样，通过避免因护套周围的材料(如水龙头的管)吸收而造成的辐射损失来提高系统效率。

反射涂层可以包括散热单元或者被连接至散热单元。这样，其可以执行两个功能，即将热量从UV LED分离，以及将UV辐射保持在通路内。

反射涂层例如可以齐平地适配在水龙头的管内，从而在护套与水龙头之间形成热耦合。以此方式，水龙头本身具有散热器的功能。水龙头中的流体流也执行散热功能。

本发明还提供一种水龙头，该水龙头包括安装在水龙头的流体通路内的上述系统。

根据本发明另一方面的示例提供一种用于净化流体或流体流的在线式流体净化方法，包括：

用由UV透射材料形成的护套包围流体通路，

将来UV LEDUV的辐射耦合至护套中，其中护套围绕整个外周通路耦合来自UV LED的UV辐射。

护套可以包括UV散射材料，例如多晶氧化铝。

方法可以包括用环形波导提供围绕通路的UV辐射。

方法可以包括用护套包围两个或更多个通路。

方法还可以包括将到达护套的外侧的UV辐射反射回到护套中。优选热量从护套的外侧消散。

附图说明

下面将结合附图详细描述本发明的示例。在附图中：

图1A至图1C示出非净化水龙头和用以净化水龙头的两种途径；

图2A至图2C以垂直于流方向的横截面示出三种水净化途径。

图3A至图3C以平行于流方向的横截面示出与图2A至图2C相对应的三种水净化途径；

图4示出水净化的另外的途径；以及

图5示出施加至水龙头的水净化系统。

具体实施方式

本发明提供一种使用护套的在线式流体净化系统，护套包围流体通路，由UV透射材料形成。护套可以被UV反射材料包围。UV辐射耦合到护套中，并且护套在通路的整个横截面上分散并反射辐射。以此方式，可以确保流体通路整个横截面上的UV照射。利用该设备，可以有利于增加可以辐射的液体的流量。流量增加要求缩短每单位(ml、liter、mm²、cm²、m²等)流体的处理时间。辐射的这种优化分布还意味着维持可接受流体流和处理率所需要的LED更少。

系统可以包括UV-C LED。然而，该途径也可以被用于其他UV波长，例如，继而在水中生成自由基的U V-A辐射与光催化剂的组合。

图1A示出通过工作面12安装、未经UV处理的水龙头10。因此，存在微生物污染13。图1B示出位于水龙头的喷嘴处的UV处理头14，并且图1C示出工作面12下方的在线式UV处理单元16。在工作面下方提供处理意味着在通往水龙头出口的管中仍然存在微生物污染13。因此，需要在水龙头出口处提供UV-C处理系统，但为了使此类系统在美学上是可接受的，该系统要紧凑。

使用UV-C LED使得能够提供小而紧凑的水处理单元。然而，为了照射水流的整个横截面，通常需要围绕水路的多个UV-C LED，这增加了成本并且需要很大空间，这将增加设备外直径或者减小被提供用于流体流过的通孔的尺寸。如果增加设备的外直径，设备所在的水龙头或管的物理尺寸必须相应增加。如果减小流体通路通孔的尺寸，将限制单位时间内可以通过设备的流体的量(流量)。

图2以垂直于沿通路的流方向的横截面示出UV-C处理系统的三个示例。图3示出在平行于流方向的平面中的相应横截面。

图2A和图3A示出安装在流体管内、用于辐射沿管流动的水流的UV-C LED 20。LED一般安装在管的内侧的外缘上，并且径向地朝向内侧。这提供对流体管22的横截面的照射，但存在UV辐射强度较低的区域24。

图2B和图3B示出根据本发明第一示例的布置。

护套26(也可以描述为环、套筒、围绕物或外罩)包围流体通路28。护套可以位于外管内，或者其本身可以限定外周。因此，护套本身限定并包围一个或多个流体通路。护套由UV透射材料形成，由此意味着UV-C辐射尤其能够穿过护套的材料并进而围绕护套传播，从而通过优化辐射分布来增强辐射分布。

UV-C辐射至少可以从护套的一侧向护套的另一侧传播，并且更优选地，在被吸收前可以围绕至少一个全圆周、或至少2个、5个或10个全圆周传播。以示例的方式，护套的透射材料可以具有至少60％/cm的UV透射率，例如至少70％/cm、80％/cm、90％/cm或甚至95％/cm的透射率。

此外，护套的内、外圆周边界处存在反射，从而即使是在仅从一个角位置提供UV-C辐射的情况下，UV-C辐射也能够围绕护套的整个周边传播。

护套的主要功能是为UV-C LED 20提供位置，以将UV-C辐射引导至通路28内的流体中并分散辐射，所以不存在黑点。如下文所述，在仅使用一个LED的多通路的情况下，护套还允许用于复杂分配点。

在护套外部设置有反射器，其保存原本将在护套外侧被吸收的辐射。

UV-C LED被设置在护套内，即位于通路边界处的径向内界面与护套的径向外表面之间。因此，护套将LED与通路内的流体隔离。特别地，护套可以是固体材料。可以从护套外侧对UV-C LED进行电连接。例如，护套可以包括模制防水固体。

护套将UV-C LED 20的UV-C辐射引导至停滞在通路内的水或空气中，或者引导至沿通路流动、马上要离开出口的水中。因此，流体可以是液体或气体。在净化停滞流体时，护套在通路外部与通路内部之间形成屏障。

以水龙头为例，当水龙头被关掉时，水龙头末端会有水或空气停滞，这主要取决于通路的直径、存在的毛细力以及水龙头通路指向的方向，可以看出例如倾斜出口前方设置有水平管的水龙头与流体通路简单地指向向下方向的水龙头相比，具有不同的流体保持特性。

在图2B和图3B所示的示例中，护套由UV-C散射材料形成。散射用于将UV-C LED的定向输出转变成更普遍的辐射图案。如图所示，UV-C LED径向向内地朝向通路28。一些UV辐射直接进入通路中，以部分或完全被水吸收。未吸收的辐射在相对侧到达护套，并且然后以随机角度散射。该随机角度散射使得整体辐射更均匀。初始被引导远离通路28的其它UV辐射由护套散射，并且朝通路28重新定向。

UV反射器30优选设置在护套的外周，从而将到达外周的任意UV-C辐射(无论有没有被散射)反射回到护套中。例如，反射器为至少部分漫反射的。

反射器例如由铝、铬或铝(氧化铝)形成。

热量从护套外侧消散。这可以通过水管本身实现。然而，护套本身的材料，诸如多晶氧化铝(PCA)，可以用作传热层，来将热量从UV-C LED转移至水。

护套可以包围并限定一个或多个通路。图2B和图3B示出具有两个通路28a、28b的第二示例。这些通路继而被连接至独立水管。

形成在护套内侧的通路可以与流体直接接触。然而，也可以在护套内连接有内部水管。延伸穿过护套的内部水管可以由UV透明材料形成，如石英、硅胶或UV-C透明玻璃。还可包含氟化乙烯丙烯(称为Teflon(商标)FEP)或乙烯四氟乙烯(ETFE)或聚四氟乙烯(PTFE)。

护套可以形成为模制部件。

在上述两个实施例中，护套的UV散射材料例如均包括多晶氧化铝(PCA)。PCA对于UV-C来说是半透明的，从而辐射可以被散射并反射。护套材料的其它示例包括UV-C透明材料，例如UV-C透明玻璃、石英(SiO₂)或硅胶。可以使用的其它材料再次包括：氟化乙烯丙烯(称为Teflon(商标)FEP)或乙烯四氟乙烯(ETFE)或聚四氟乙烯(PTFE)。

当这些材料为透明(而不是半透明)材料时，其可以通过添加诸如气泡的散射元件来向期望角度散射。

系统可以包括单个UV LED和护套。这样可以得到低成本且紧凑的系统。

上述示例利用散射介质。一个替代是使用如图4所示的波导途径，其中护套26由UV透明(且非散射)介质形成。

这种情况下，护套不一定具有散射性。可以使用围绕护套的漫反射器来根据需要使通路内的辐射更均质化。护套的可能材料再次包括诸如UV-C透明玻璃、石英(SiO₂)或硅胶的UV-C透明材料。

在该示例中，UV-C LED提供沿大致切线方向的UV辐射。在图4中，护套用作波导。外周存在反射，并且这可以是来自反射涂层的全内反射或镜面反射或漫反射。

UV辐射通过护套与通路内的流体之间的折射界面(其打断全内反射)进入通路。如果使用漫反射外涂层，辐射将以全角度入射的方式接近界面。可以再次在流体通路的表面上设置逸出耦合结构。该逸出耦合结构可以是诸如脊或图案的表面形变，也可以是诸如微型光学透镜(MLO)的透镜，也可是喷涂点，或者可以是蚀刻在表面的图案，例如激光蚀刻图案。

以示例的方式，LED模块40的相对方向上可以有两个UV-C LED20a、20b。也可以替代地只有单个UV-C LED。

如上所述，护套外侧可以具有反射涂层。反射涂层还可以执行散热功能。例如，其可以热耦合至水龙头主体。因此，涂层可以提供热传播。也可以替代的提供独立反射器层和热传播层。可以只有热传播层(从而由系统所安装的壳体执行反射)或者可以只有反射器(从而由系统所安装的壳体实施散热)。

图5示出水龙头出口50，其中上述系统(示为52)被设置在出口孔处。护套及其反射涂层(如果提供的话)继而被齐平地适配在水龙头的管内。水龙头管本身可以用作反射涂层。

系统可以是例如利用围绕该单元的O型圈密封而适配在如图5所示的另一流体管内的单元。然而，其也可以替代地利用在系统一侧或两侧的通路之间的管连接而以在线方式连接到在线流体管。

护套可以通过将模制材料烧结为期望形状而形成。

对于流入系统，净化系统可以响应于流体流方向或者基于流控制设备(即水龙头)在何时已由用户打开的检测而自动致动。也可以仅用于冷水并且对于可能不需要净化的热水而暂停净化。如果考虑热管理问题，也可以对热水实施净化。

在流体流前方提供净化的系统中，可以周期性地或连续操作UVLED，以维持防止微生物从外部进入的屏障。这意味着系统可以通过低功率LED而起作用，因为已经不再需要流入净化。

本发明所关注的是水龙头及其它水分配出口或机器。

在实践所要求保护的发明的过程中，通过学习附图、公开内容及所附权利要求，本领域技术人员对于所公开实施例的其它变型是可以理解并实现的。在权利要求中，“包括”一词不排除其它元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。某些措施被记载在相互不同的从属权利要求中的事实不指示这些措施的组合不能被用于获得优势。权利要求中的任意附图标记不应该被理解为限定其范围。

Claims

1.一种用于净化流体或流体流的在线式流体净化系统，包括：

护套，包围流体通路，由UV透射材料形成；

一个或多个UV LED，用于将UV辐射耦合至所述护套内，其中所述护套为光学元件，适于通过优化由所述一个或多个UV LED发射的UV辐射的分布、来围绕所述通路的外周耦合来自所述UV LED的UV辐射。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述护套包括UV散射材料。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述UV散射材料包括多晶氧化铝、石英、UV透明玻璃、硅胶、氟化乙烯丙烯、乙烯四氟乙烯或聚四氟乙烯。

4.根据前述任一项权利要求所述的系统，其中所述护套包括环形波导。

5.根据前述任一项权利要求所述的系统，包括：

单个UV LED；或者

多个UV LED。

6.根据前述任一项权利要求所述的系统，其中所述护套用于包围两个或者更多个通路。

7.根据前述任一项权利要求所述的系统，进一步包括：围绕所述护套的外侧的UV反射涂层，其中所述UV LED位于所述护套内，其中所述UV反射涂层例如是部分漫反射的。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述反射涂层包括散热单元或者被连接至散热单元。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述反射涂层用于齐平地适配在水龙头的管内，以用于热耦合至所述水龙头的管。

10.一种水龙头，包括根据前述任一项权利要求所述的系统，所述系统被安装在所述水龙头的流体通路内。

11.一种用于净化流体或流体流的在线式流体净化方法，包括：

用由UV透射材料形成的护套包围流体通路；

将来自UV LED的UV辐射耦合到所述护套中，其中所述护套为光学元件，适于通过优化由所述一个或多个UV LED发射的UV辐射的分布，来围绕整个外周通路耦合来自所述UV LED的UV辐射。

12.根据权利要求11所述的方法，包括用环形波导护套提供围绕所述通路的UV辐射。

13.根据权利要求11-12中任一项所述的方法，包括用所述护套包围两个或者更多个通路。

14.根据权利要求11-13中任一项所述的方法，包括将到达所述护套的外侧的UV辐射反射回到所述护套中。

15.根据权利要求11-14中任一项所述的方法，包括通过耦合至水龙头的管来将热量从所述护套的外侧消散。