CN109395118A - 流动流体消毒方法和消毒器 - Google Patents

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Abstract

一种用于消毒流体的方法，包括：将待消毒流体形成流动流体柱，使得该流动流体柱被折射率更小的流体介质接触并包裹，沿流动流体柱轴向方向将紫外光发射到流动流体柱中。流动流体柱与包裹流体介质的折射率差导致的全内反射使得紫外光优选地在流动流体柱内传播。也提供了一种用于消毒流动流体的紫外消毒器。

Description

流动流体消毒方法和消毒器
技术领域
本发明一般地涉及流动流体消毒，更具体地，涉及一种采用深紫外光射线的流动流体消毒方法，以改进流体消毒效果，还涉及一种实现流动流体消毒的消毒器。
背景技术
由于杀菌化学品具有一定的健康问题，非化学流体消毒在食品、饮料和医药工业中是非常需要的。在现有技术中，低压汞灯因其254nm的UVC发射(100nm到280nm的光发射被划分为UVC波段，280nm到315nm的光发射被划分为UVB波段)具有高效的杀菌效果而有时被用于此目的。杀菌效果源于UVC光子对微生物DNA/RNA的损伤，由于严重受损的DNA/RNA不能自我复制，严重抑制甚至消除了微生物的繁殖。图1中所绘制的数据概述了一些现有技术UVC254nm线对一些常见微生物的杀菌有效剂量(在线数据源，例如http:// www.americanairandwater.com/uv-facts/uv-dosage.htm和http://www.clordisys.com/ pdfs/misc/UV％20Data％20Sheet.pdf及其参考文献)。可以看到，对于大多数这些微生物(例如，大肠杆菌和肠炎沙门氏菌等)，约10mJ/cm2的254nm紫外(UV)剂量可达到杀灭几乎所有微生物(五个对数级减少)的灭菌效果。将剂量增加到20mJ/cm2，甚至像藤黄八叠球菌一样顽强的细菌的繁殖也会被严重抑制。
现有技术的UV流体消毒技术和装置可以在许多专利及其参考文献中找到，例如US6,447,721、US7,601,960、US8,795,600和US20030089670等。
另一方面，采用来自固态半导体发光器的UVC光射线的新技术途径对于流体消毒是很有前景的。已知诸如AlInGaN等氮化物半导体，取决于其合金组分，能产生范围从410nm到大约200nm的紫外(UV)射线。这有助于最佳UV杀菌波长的选择，其通常出现在265nm到270nm处并对应微生物DNA的最大UV吸收。此外，固态AlInGaN UV发光器，例如发光二极管(LED)，本身是无毒且坚固耐用的，可提供快速光打开/关闭切换(截止频率高达200MHz)，以及很高的UVC光强度。固态器件固有的紧凑结构进一步开放了各种应用场景的设计多样性。这些优点使AlInGaN UVC LED成为理想的灭菌和消毒光源，尤其对于流体。
然而，除了其他缺点外，当前的流体消毒技术会因为待消毒流体和含有该流体的器件之间的固液界面而遭受UV能量损失。
发明内容
本发明提供了用于流动流体消毒/灭菌的方法和消毒器，其中，产生侧壁被流体介质包裹并与其接触的流动流体柱，并且沿着轴向方向将紫外光如UVC光发射到该流动流体柱中。通过除去待消毒流体和含有该流体的器件之间的固液界面，可减少UV能量损失，并且提高例如水、饮料或医用流体等流动流体的消毒效果。
本发明的一方面提供一种用于消毒流体的方法，该方法包括：
提供待消毒流体；
产生待消毒流体的流动流体柱，其中流动流体柱的侧壁被折射率比待消毒流体的折射率更低的流体介质接触并包裹；以及
沿着流动流体柱的轴向方向将紫外光发射到流动流体柱中。
可选地，流体介质可以是空气或真空，流动流体柱可以是层流柱。
该方法可进一步包括：
根据下面的方程，确定紫外光的光程，L
其中α为待消毒流体的紫外光吸收系数，G为流动流体柱的流量，P为基本上垂直于流动流体柱的横截面入射的紫外光功率，J为流动流体柱内流体所接受的紫外剂量；以及
根据紫外光的光程确定流动流体柱的长度。
可选地，流动流体柱的长度可等于或大于紫外光的光程。
可选地，当流动流体柱面对光源的另一端采用紫外反射镜时，流动流体柱的长度可等于或小于紫外光的光程。
可选地，紫外光源可以为基于AlGaN的UVB或UVC LED光源。
通常，流动流体柱的长度可在10cm到500cm的范围内。
本发明的另一方面提供了一种紫外消毒器。紫外消毒器包括：
紫外光源，以及层流喷射器；
所述层流喷射器包括用于容纳待消毒流体的壳体，壳体具有喷嘴，待消毒流体经喷嘴喷射形成流动流体柱；
其中层流喷射器的壳体含有入口，入口室，出口室和层流发生器；出口室与喷嘴相连，入口室与壳体的入口相连，层流发生器位于入口室和出口室之间，层流发生器用于生成层流流动流体柱；
其中紫外光源和层流喷射器被这样配置，在使用时，从紫外光源向流动流体柱中发射紫外光，并且紫外光沿着流动流体柱的轴向方向在流动流体柱内行进，流动流体柱优选为层流流体柱。
紫外光源可安装在层流喷射器的壳体中，紫外光源的发射面暴露在出口室并与喷嘴对准。
紫外消毒器可进一步包括具有用于接收流动流体柱的杀菌室的杀菌壳体，其中，在使用时，在杀菌壳体的内侧壁和流动流体柱的侧壁之间存在间隙。
紫外光源可安装在杀菌壳体中，并且在使用时，紫外光源的发射面暴露于并接触流动流体柱的一个远端面。
在杀菌壳体中安装了紫外反光镜，用于反射在流动流体柱内行进的紫外光，并且在使用时，紫外反光镜暴露于并接触流动流体柱的一个远端面。
其中所述紫外光源可以是UVB或UVC LED光源。
附图说明
附图提供对本发明的进一步的理解，并且构成本申请的一部分，这些附图示出了本发明的实施例，并且与说明书一起来解释本发明的原理。在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件，层可表示相同功能关联的一组层。
图1绘出了对一些常见微生物的254nm UVC杀菌剂量，灰色柱和黑色柱分别表示一个对数级和五个对数级减少。
图2示出了流动流体柱中UV剂量的计算。
图3绘出了对于给定的流速(10加仑/分钟)、UVC光功率(300mW)和光程(50cm)，UVC剂量相对于流体UVC吸收系数的函数。
图4绘出了对于给定的UVC吸收系数(0.004cm-1)和目标杀菌剂量(10、16、20、40mJ/cm2)，所需光程作为UVC光功率(1-100,000mW)和流体流量(1、10、100、1000加仑/分钟)的函数。
图5A示出了根据本发明实施例的流动流体UV消毒器模块的示意性截面图。
图5B示出了设置在图5A通道31中的UVC LED模块30的详细示意性截面图。
图6示出了根据本发明实施例的流动流体UV消毒器模块的示意性截面图。
图7示出了根据本发明实施例的流动流体UV消毒器模块的示意性截面图。
图8示出了根据本发明实施例的流动流体UV消毒器模块的示意性截面图。
图9示出了将UVC光完全限制在流动流体(水)柱内的UVC光入射角要求。
具体实施方式
如图1所示，对于大多数常见微生物，有效的杀菌/消毒/灭菌效果发生在约10mJ/cm2的UVC剂量处，顽强的细菌可能需要20 mJ/cm2以上的剂量，要注意的是，这些剂量数据是针对254nm的UVC光。至于265nm到270 nm的UVC光，所需紫外剂量甚至可以更低，这是因为265nm到270 nm的光具有比254nm的光更好的(40％到100％更好地)杀菌效果。一般而言，施加的UVC剂量越多，消毒效果越好。因为剂量是光功率强度与光持续时间的乘积，本发明控制剂量的方法是简单直接的。
设想一流动流体柱具有横截面积S，UVC吸收系数α，流量G和流速v，输入UVC光功率P均匀地垂直于横截面(即，紫外光的发射角β为零)并平行于流动方向(流动轴向)入射，如图2所示。流体所接受的紫外剂量为J，并且其中L为UVC光程。求解积分方程，得到由于G＝Sυ，因而得到，
方程#1，以及，
方程#2。
如果UVC光功率、光程、流体流量和流体UVC吸收系数是给定的，方程#1可计算UVC剂量。或者更有用地，如果目标剂量是设定的，并且UVC光功率、流体流量速和吸收系数是给定的，方程#2可确定光程。这对于设计流动流体UVC光消毒器是非常有用的，从下文以及图4中所绘制的数据可以看到。
图3绘出了对于给定的流速(10加仑/分钟)、UVC光功率(300mW)和光程(50cm)，UVC剂量相对于流体UVC吸收系数的函数。可以看到，一旦流体变得更能吸收UVC(α>0.01cm-1)，输送的UVC剂量会快速减少。然而，对于小于0.01cm-1的吸收系数，剂量变化相当小。
图4绘出了对于给定的UVC吸收系数(0.004 cm-1)和目标杀菌剂量(10、16、20、40mJ/cm2)，所需光程作为UVC光功率(1-100,000mW)和流体流量(1、10、100、1000加仑/分钟)的函数。可以看到，较大的流量需要更大的UVC光功率，以实现相同的UVC剂量。例如，对于相同的50cm光程，1加仑/分钟流量要获得10 mJ/cm2的剂量仅需要14mW的UVC光功率，而相同条件下10加仑/分钟流量需要140 mW的UVC光功率。此外，对于目标UVC剂量，光程越长，需要的UVC光输入功率越小。例如，对于20 mJ/cm2的目标剂量，280mW的UVC功率、50cm光程可以做到，同时，80mW的UVC功率、250cm光程可以做到。
请注意，美国国家卫生基金会(NSF)标准55-1991紫外线微生物水处理系统要求UVC水处理系统的A级系统NSF故障安全(failsafe)设定剂量为40 mJ/cm2，国际水护卫(International Water-Guard)同样设计其A级单位在40 mJ/cm2的最小剂量下运行。A级系统是被设计成用来消毒被细菌和病毒等微生物污染的水，而不是具有明显污染源(如未经处理的污水)的水，也不是用来将废水转化为安全的饮用水。B级系统旨在提供经卫生部门检测并被认为可供人消费的饮用水的补充处理。这些系统针对非致病生物和公害生物。B级系统的NSF剂量要求是16mJ/cm2。
例如，根据图4中给出的计算，为了设计具有1加仑/分钟流量的B级水处理系统，如果UVC光输出功率为50mW，则需要56.4cm的光程；为了设计具有1加仑/分钟流量的A级水处理系统，如果UVC光输出功率为100mW，则需要26.6cm的光程等。
图4中的计算曲线还教导，通常通过适当的设计，几十毫瓦(mW)的UVC功率能够消毒1加仑/分钟的流动流体；几百毫瓦的UVC功率能够消毒10加仑/分钟的流动流体；几瓦的UVC功率能够消毒100加仑/分钟的流动流体；几十瓦的UVC功率能够消毒1000加仑/分钟的流动流体。这意味着UVC LED能够消毒例如用于家庭、小型社区甚至工业应用的水等流动流体。一般而言，根据图4，紫外光功率和流动流体柱的流量可在以下范围内：所发射的紫外光的功率在30mW到70mW的范围内，流动流体柱的流量在0.5到1.5加仑/分钟的范围内；所发射的紫外光的功率在300mW到700mW的范围内，流动流体柱的流量在5到15加仑/分钟的范围内；或所发射的紫外光的功率在3到7瓦特的范围内，流动流体柱的流量在50到150加仑/分钟的范围内；或所发射的紫外光的功率在30到70瓦特的范围内，流动流体柱的流量在500到1500加仑/分钟的范围内。
为了得到理想的消毒曲线(例如如图4所示)并利用UVC杀菌效果的全部潜力，消毒装置应该最大化UVC光程，并最小化界面和微生物之外的物体吸收导致的光损失。
根据本发明的一个实施例，产生待消毒流体的流动流体柱，向流动流体柱内发射紫外光，紫外光沿其轴向方向行进。流动流体柱具有稳定的侧表面，侧表面被折射率比待消毒流体的折射率更低的介质接触并包裹。该介质可以是气体，诸如空气或任何其他适合的气体或其混合物，该气体可以处于高压、常压或低压，或者流动流体柱可在真空中产生。通过用这类介质包裹流动流体柱，并控制紫外光的入射角，可实现紫外光在流动流体柱内的全内反射，从而消除或显著减少界面对紫外光的吸收。理想地，流动流体柱可以是层流，但不限于层流。在一个实施例中，流动流体柱基本上沿直线流动。在另一个实施例中，流动流体柱沿着稍微弯曲的路径流动(例如，由于重力自然产生的)。颗粒或其他紫外吸收材料可以在形成流动流体柱之前从待消毒流体中滤除。流动流体柱可以垂直向下、水平地或以任何其他期望的方向流动。流动流体柱的下游端可以被诸如紫外反射镜、紫外反射膜或紫外光发射面等接收表面阻止，或者在达到所需光程的流动流体柱下游端不设置阻止物，超出该下游端，流动流体柱可以作为自由流继续流动。
紫外光源可以是任何传统的紫外光源，只要能够产生定向光束，例如LED、激光或低压汞灯。使用时，从紫外光源发射的光被调整为准直的或类似准直的光束等定向光束，定向紫外光沿着流动流体柱的轴向方向在流动流体柱内行进。理想地，紫外光线与流动流体柱的轴线之间的角度在0到(90-θc)的范围内，其中θc为临界入射角，θc＝arcsine(n1/n2)，n1为包裹流动流体柱的介质的折射率，n2为流动流体柱中流体的折射率。在这样的角度范围内，会发生全内反射。紫外光可从流动流体柱的上游端或下游端进入流动流体柱。
根据本发明实施例的消毒器包括用于产生流动流体柱的流体喷射器，如层流流体柱。紫外光源可安装在流体喷射器中，用于将紫外光发射到流动流体柱中。消毒器可包括位于流体喷射器下游的杀菌室，用于容纳流动流体柱和/或收集经消毒流体。在一个实施例中，在杀菌室处提供紫外光源，用于从流动流体柱下游端将紫外光发射到流动流体柱中。
图5A是根据本发明实施例设计成反映这些优点的流动流体紫外消毒器的示意性截面图。参考图5A，消毒器M1具有杀菌室20，流体层流喷射器10和UVC LED模块30。杀菌室20包括杀菌室壳体21、空气间隔部22、流体出口2。产生与UVC光耦合的层流流体柱302，将在下面详细讨论。流体层流喷射器10包括流体入口1、喷射室壳体11、入口室12、湍流消除器13、层流发生器14、出口室15、喷嘴16以及用于容纳UVC LED模块30的UVC LED模块通道31。流体层流喷射器10的目的是将入口流转换成在其中基本上没有湍流和气泡的层流。在图5A中从左至右，入口流体流通过流体入口1进入横截面积比流体入口1的横截面积大得多的入口室12，以便缓冲流体流并使流体被湍流消除器13粗略地过滤以去除颗粒，更重要的是去除或减少入口流中的湍流。为此，湍流消除器13可以是径向设置的一层或多层流体粗过滤器，流体粗过滤器可以是具有微网的沉积物过滤器或颗粒过滤器。然后，层流发生器14将入口流变成基本上没有湍流和气泡的层流。层流发生器14可以由长度远大于其截面尺寸的密集堆垒的多个直的平行小管制成，例如，管的长径比可以在10-100的范围内。图5A中所示的管具有圆柱形形状，管也可以具有例如矩形或正方形等其他形状的横截面。单个管的直径可以在0.05-0.3英寸的范围内，例如0.1英寸，其长度可以在0.6-6英寸的范围内，例如1、4或5英寸。在一个实施例中，管的直径是0.1英寸，管的长度是3英寸。有利地，所有管具有相同的截面形状和尺寸。管之间的空间(如果有的话)是密封的，以便没有流体从中流过。层流发生器14将流体流分成多个子流，并强制这些子流沿直线平行地流动，从而将流体转化为层流。然后层流在其通过喷嘴16射出以形成层流流体柱302之前，在出口室15中被缓冲。喷嘴16形成在喷射室壳体11上，位于出口室15的下游侧处。与出口室15中流体相接触的喷嘴孔确定流出流(例如，层流流体柱302)的横截面，并且该喷嘴孔沿流动方向快速且平滑地扩展(增大其开口半径)以减小层流流体柱302和喷嘴16的接触面积。这将有助于形成平滑和稳定的层流流体柱302。此外，喷嘴16的喷嘴孔径可以做成可调节的，并且具有与层流流体柱302接触的光滑接触表面。例如，可以有一组具有不同孔尺寸的喷嘴，通过旋转旋钮开关来选择不同的喷嘴。在这种情况下(图5A中未示出)，喷嘴16可以不在喷射室壳体11中形成，而是与喷射室壳体11分离，但是与喷射室壳体11流体密封连接，如水密连接。该特征在入口流体流量改变的情况下允许灵活地调节层流流体柱302的长度。在另一个实施例中，喷嘴孔也可以具有恒定的开口半径。有利地，层流流体柱302基本上没有气泡、湍流、喷雾和摇动，以便获得捕获在其中的UVC光的最大光程。假设流动流体柱302是非层流的，则在流动流体柱内行进的UVC光会由于湍流和气泡的存在而经历散射和损失。空气间隔部22将层流流体柱302与杀菌室壳体21分离。空气间隔部22包裹并直接接触层流流体柱302的侧壁，以防止层流流体柱302的侧壁接触杀菌室壳体21。
在图5A所示的实施例中，杀菌室壳体21与喷射室壳体11相连，用于接收流动流体柱302。杀菌室壳体21可以固定地或可拆卸地连接到喷射室壳体11，或者杀菌室壳体21和喷射室壳体11可以一体地形成。在其他实施例中，杀菌室壳体21可以不与喷射室壳体11相连。
UVC LED模块30被放置在被喷射室壳体11包裹的UVC LED模块通道31内。UVC LED模块30的发射面浸入在出口室15内的流体中面向喷嘴16，将UVC光发射耦合到层流流体柱302。UVC LED模块通道31容纳UVC LED模块30，并确保了将UVC发射到层流流体柱302的耦合，同时使其内部与喷射室壳体11内的流体电绝缘。通常，水密或气密等流体密封UVC透明窗，如石英窗，可确保此处讨论的光耦合和电绝缘。图5B示出了放置在图5A通道31中的UVCLED模块30的详细示意性截面图。如图所示，UVC LED模块30包括电路板和/或散热器301、含有发射UVB或UVC光的一个UV LED或UV LED列阵的UV LED光源3003、用于增强紫外光提取和改善光方向性的UV透镜307、用于进一步增强紫外光提取和改善光方向性的UV反射碗305，以及UV透明窗3011。UVC LED模块30可固定在UVC LED模块通道31的壁上，并且UV LED光源3003结合到电路板/散热器301上以实现电功能和热量排除。如果使用半球透镜作为UV透镜307，则UV光发射角可以在70°内。参考图9，这意味着角度β那里可以小于35°，在流动层流柱302是水柱并且空气间隔部22是空气的情况下，这对于全内反射是有利的。透镜307和透明窗3011可以由诸如石英、蓝宝石或AlN等UV透明材料制成。UV反射碗305可以是抛物面碗等，其内表面可以涂覆有UV反射材料，例如具有SiO2涂层保护的金属铝。透明窗3011与出口室15中的流体接触，并且将紫外光透射到出口室15和层流流体柱302中的流体。此外，透明窗3011通过被其紧压在UVC LED模块通道31的壁端口上的橡胶O形圈309，与UVC LED模块通道31流体密封连接，如水密连接，如图5B所示。透明窗3011和UVC LED模块通道31从而保证了UVC LED模块30与喷射室壳体11内的流体之间的光耦合和电绝缘。
如果来自UVC LED模块30的射线是相对定向的，层流流体柱302和空气间隔部22的折射率的差异会限制层流流体柱302内的UVC射线。此创新性设计最大化UVC光程并最小化UVC光损失。在图9中解释了层流流体柱302内的光限制的原理。如图所示，以水作为示例性流体，层流流体柱302将具有水的折射率(n2＝1.33)，并且周围的空气间隔部22具有等于1(n1＝1)的折射率。因此，如果入射到水/空气界面的入射角θ大于临界入射角θc，其中，θc＝arcsine(n1/n2)＝48.75°，光线会经历全内反射，导致将光线全部被限制在层流流体柱302内。为了满足入射角θ>θc＝48.75°，图9所示的光射线角β必须满足β<βc＝90-arcsine(n1/n2)＝41.25°，其中βc定义为紫外光射线临界角。这通过适当的UVC LED模块30的封装技术通常容易地实现，例如将半球透镜添加到用于UVC LED模块30的UVC LED。
此外，UVC LED模块30还可以包括流量传感器，以便在感测到流体流时开启模块30中的UVC LED 3003。例如，流量传感器可被放置在出口室15中，其通过导线流体密封地(如水密)电连接到电路板/散热器301，以信令UVC LED模块30开启/关闭。UVC LED模块30也可包括UV检测器，用来检测UVC辐射，并进行反馈以确保所需的UVC光强度。例如，UV检测器可被放置在出口室15中，其通过导线流体密封地(如水密)电连接到电路板/散热器301以信令UVC LED模块30来调整其输出功率。
现在我们来讨论一下不同的光发射角β的情况。参考图5和图9，如果光发射角β等于零，很明显，光会被完全限制在层流流体柱302内，光程会与层流柱302的长度相同。如果0<β<βc，UVC光仍然会被完全捕获在层流柱302内，但是光线将通过全内反射在相对的流体/空气界面之间弹跳，从而获得比在方程#2中计算的直线光程L放大倍的光程。以水柱为例，假设光发射角β＝40°，这将导致光程为方程#2中计算的直线光程L的1.3倍。根据图4给出的教导，该放大的光程会给流体输送更多的UVC剂量，并且产生更好的杀菌效果。当β＝0，对于流动流体柱302所接受的预设的UV剂量J，理论上流动流体柱302的长度应等于在方程#2中计算的光程L。如果流动流体柱的长度小于方程#2中计算的光程L，则UV剂量会小于预设的UV剂量。如果流动流体柱的长度大于方程#2中计算的光程L，则UV剂量会大于预设的UV剂量。在这种情况下，流动流体柱的长度可被设计成等于或大于方程#2中计算的光程L，以便实现期望的UV剂量。当0<β<βc，对于流动流体柱302所接受的预设的UV剂量J，光程变为L，流动流体柱302的长度可小于L，同时，由于放大的光程而增加的UV剂量的输送，仍能实现预设的UV剂量。对于β>βc，UVC光将不再被完全捕获在层流流体柱302内，而是离开流体/空气界面并进入空气间隔部22。在这种情况下，如果杀菌室壳体21的内表面涂覆有UVC反射镜或反射体(该反射镜在图5中未示出)，则光线将在杀菌室壳体21的相对的内表面之间弹跳。这种情况仍然有放大倍光程的潜力(如果β＝60°，则层流流体柱302内的光程会加倍；如果β＝80°，则为5.76倍！)，然而，因为实际上任何UVC反射镜只能反射90％-95％的入射光，所以会有很多UVC光功率被浪费，这使得这种情况在本发明中不是优选的(例如，对于90°％反射率的UVC反射镜，反弹20次会浪费原始入射UVC光功率的大约88％)。
如图5所示，杀菌室壳体21可以是透明的，如玻璃或透明塑料制成，或者具有透明窗，使得操作人员可以看到与UVC光耦合的层流流体柱302。另外，如上所述，通过方程#2计算的设计光程L可以等于或大于层流流体柱302的长度。喷嘴16的入口流量和最小孔横截面积(其确定层流流体柱302的横截面)可以用来调整层流流体柱302的长度。例如，如果入口流量为1加仑/分钟，层流流体柱302的直径为0.5英寸，则层流流体柱302中流体的流速为49.8厘米/秒；如果入口流量为10加仑/分钟，则层流流体柱302中流体的速度将为498厘米/秒。如5A图所示的消毒器M1可优选地垂直安装，使得层流流体柱302是垂直的，并且经消毒流体流出流体出口2以服务于各种目的。
概括而言，使用流体层流喷射器10来产生层流流体柱302，将来自UVC LED模块30的UVC光耦合到并且优选地完全被限制在层流流体柱302中，以最大限度地利用UVC光达到杀菌效果。杀菌室20的长度足够长以容纳层流流体柱302的设计光程，层流流体柱302的长度由流体层流喷射器10的流量和设计来确定。取决于所需的消毒流量，层流流体柱302的设计长度可以在10厘米至几百厘米内，例如10-500厘米，或20-400厘米，或50-300厘米。而且，根据所需的消毒流量，消毒器M1的其他尺寸可以被设计和微调。本发明的核心是：1)针对给定的消毒流量、UVC消毒功率、UVC吸收系数和目标UVC剂量(使用方程#2)来计算期望的光程；2)设计消毒器以形成期望长度的层流流动柱302，以及3)将UVC射线耦合到并限制在层流流体柱302中。
当水平安装时，层流流体柱302可能因重力而弯曲。在这种情况下，在图6中示出了消毒器M2。其中，流体出口2被移位以适应层流流体柱302的重力弯曲位移。此外，可以在杀菌室20增加排水口23。例如，如果入口流量是1加仑/分钟，并且层流流体柱302的直径为0.5英寸时，则层流流体柱302中流体的(水平)流速为49.8厘米/秒，这意味着，如果层流流体柱302的水平长度为49.8厘米，其因重力而垂直弯曲4.9米的距离。在这种小流量的情况下，消毒器优选垂直安装而不是水平安装。对于大流量，例如，如果入口流量为10加仑/分钟，层流流体柱302仍具有0.5英寸的直径，层流流体柱302中的(水平)流体速度则为498厘米/秒，这意味着，如果层流流体柱302的水平长度为49.8厘米，则其因重力仅垂直弯曲4.9厘米的距离。所以，基本上，大流量的消毒模块可以水平安装。
在另一个实施例中，光程L可以明显大于层流流体柱302的长度。这在图7中所示的消毒器M3中示出。UVC反射镜303被放置在杀菌室20的底部，垂直面向与UVC光耦合的层流流体柱302。流体会通过流体出口2流出，大量的UVC光将被反射回到层流流体柱302。该实施例进一步增强了杀菌效果。UVC反射镜303也可以由UVC反射膜代替。
UVC LED模块30也可以被放置在杀菌室20的底部，面对层流流体柱302，如图8示出的实施例所示。在图8示出的实施例中，因为UVC LED模块30可以水密/气密地被安装到杀菌室壳体21中，不用UVC LED模块通道31就实现了电绝缘。可选地，可以将UVC反射镜或UVC反射膜304设置在出口室15内并面对UVC LED模块30，以弹回UVC光来增加光程。
在根据本发明的实施例中，如果在UVC LED模块30(3011)的发光面以及UVC反射镜或UVC反射膜303、304上形成流体沉积物，则需要清洁这两个表面。其他表面不与UVC光接触，所以基本上是免维护的。
尽管使用示例性实施例对本发明进行了描述，然而应理解，本发明的范围不限于所公开的实施例。相反，本发明旨在涵盖本领域技术人员在没有创造性劳动或无需过度试验就能得到的各种改进和类似结构或等同物。因此，权利要求的范围应符合最广泛的解释，以便涵盖所有这些改进和类似结构或等同物。

Claims (10)

1.一种用于消毒流体的方法，包括：
提供待消毒流体；
产生所述待消毒流体的流动流体柱，其中所述流动流体柱的侧壁被折射率比所述待消毒流体的折射率更低的流体介质接触并包裹；以及
沿着所述流动流体柱的轴向方向将紫外光发射到所述流动流体柱中。
2.根据权利要求1所述的用于消毒流体的方法，其中所述流体介质是空气或真空。
3.根据权利要求1所述的用于消毒流体的方法，其中所述流动流体柱是层流柱。
4.根据权利要求1所述的用于消毒流体的方法，其中所述流动流体柱是向下流动产生的。
5.根据权利要求1所述的用于消毒流体的方法，进一步包括：
根据下面的方程，确定所述紫外光的光程，L
其中α为所述待消毒流体的紫外光吸收系数，G为所述流动流体柱的流量，P为基本上垂直于所述流动流体柱的横截面入射的紫外光功率，J为所述流动流体柱内流体所接受的紫外剂量；以及
根据所述紫外光的光程确定所述流动流体柱的长度。
6.根据权利要求5所述的用于消毒流体的方法，其中，当β＝0，其中β为所述紫外光的发射角，所述流动流体柱的长度等于或大于所述紫外光的光程；当0<β<βc，其中βc为所述紫外光发射临界角，所述紫外光的光程变成所述流动流体柱的长度等于或大于L。
7.根据权利要求1所述的用于消毒流体的方法，其中所述流体为水。
8.根据权利要求1所述的用于消毒流体的方法，其中所述紫外光源为基于AlGaN的UVB或UVC LED光源。
9.根据权利要求1所述的用于消毒流体的方法，其中所发射的紫外光的功率在30mW到70mW的范围内，所述流动流体柱的流量在0.5到1.5加仑/分钟的范围内；所发射的紫外光的功率在300mW到700mW的范围内，所述流动流体柱的流量在5到15加仑/分钟的范围内；或所发射的紫外光的功率在3到7瓦特的范围内，所述流动流体柱的流量在50到150加仑/分钟的范围内；或所发射的紫外光的功率在30到70瓦特的范围内，所述流动流体柱的流量在500到1500加仑/分钟的范围内。
10.一种紫外消毒器，包括：
紫外光源，以及层流喷射器；
所述层流喷射器包括用于容纳待消毒流体的壳体，所述壳体具有喷嘴，所述待消毒流体经所述喷嘴喷射形成流动流体柱；
其中所述层流喷射器的所述壳体含有入口，入口室，出口室和层流发生器；所述出口室与所述喷嘴相连，所述入口室与所述入口相连，所述层流发生器位于所述入口室与所述出口室之间，所述层流发生器用于生成层流流动流体柱；
其中所述紫外光源和所述层流喷射器被这样配置，在使用时，从所述紫外光源向所述流动流体柱中发射紫外光，并且紫外光沿着所述流动流体柱的轴向方向在所述流动流体柱内行进。
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