CN109585261B - 具有无电极灯泡的净化设备和操作方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及具有无电极灯泡的净化设备和操作方法。一种净化设备包括产生RF信号的射频(RF)信号源、第一和第二电极、以及管道。该第一电极接收该RF信号并将其转换成由该第一电极辐射的电磁能。该管道包括输入端口和输出端口以及腔室。该输入端口和该输出端口与该腔室流体连通，且该腔室被配置成收容无电极灯泡。该腔室由按小于该RF信号的波长的距离分离的第一边界与第二边界限定，使得该腔室是亚共振的。该第一电极物理上定位于该第一边界处，且该第二电极物理上定位于该第二边界处。该第一电极、该第二电极和该腔室形成将该电磁能电容耦合到该腔室内的无电极灯泡中的结构。

Description

具有无电极灯泡的净化设备和操作方法
技术领域
本文中所描述的主题的实施例大体上涉及净化设备，且更具体地说，涉及利用紫外光以杀灭病原体的液体或空气净化设备。
背景技术
在全世界，在可食用水中存在病原体(例如细菌、病毒、真菌和其它微生物)，从而潜在地致使食用未经处理水的人得病。一些常规净水系统利用杀伤性剂量的紫外(ultraviolet，UV)光来杀灭水中的病原体(例如高达160,000μs/cm2的最小杀伤性剂量)。
常规UV净水系统使用基于电极的灯和镇流器(例如高电压撞击源) 以产生UV光。此系统的不合期望的特性是基于电极的灯具有相对较短的使用寿命，范围介于10,000到20,000小时(50到100天)。因此，必须频繁替换基于电极的灯，从而增加系统的操作费用。另外，基于电极的灯内的电极在操作扩充之后开始劣化。灯的劣化会在灯泡内部产生黑色的膜，这会引起显著更低的UV光输出和有效性更差的净化。
另外，在此类系统中，镇流器已知在连续操作下加热，且此倾向在更热的环境中加剧。过量的镇流器加热会引起系统故障。另外，因为常规镇流器的特征在于启动到完全灯UV输出状态之间的定时间隙(例如 30秒或更多)，所以常规系统的另一不合期望的特性是慢启动时间。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种净化设备，包括：
射频(RF)信号源，其被配置成产生RF信号；
第一电极,其电耦合到所述RF信号源，其中所述第一电极被配置成接收所述RF信号并将所述RF信号转换成由所述第一电极辐射的电磁能；
第二电极；以及
管道,其包括输入端口、输出端口和腔室，其中所述输入端口和所述输出端口与所述腔室流体连通，且所述腔室被配置成收容无电极灯泡，且其中所述腔室由按小于所述RF信号的波长的距离分离的第一边界与第二边界限定,使得所述腔室是亚共振的，其中所述第一电极物理上定位于所述第一边界处，其中所述第二电极物理上定位于所述第二边界处，且其中所述第一电极、所述第二电极和所述腔室形成被配置成在所述无电极灯泡定位于所述腔室内时将所述电磁能电容耦合到所述无电极灯泡中的结构。
在一个或多个实施例中，所述距离小于所述RF信号的所述波长的一半。
在一个或多个实施例中，所述距离小于所述RF信号的所述波长的五十分之一。
在一个或多个实施例中，所述距离小于所述RF信号的所述波长的一百分之一。
在一个或多个实施例中，所述距离介于10厘米与3.0米之间的范围内。
在一个或多个实施例中，所述第一电极和所述第二电极各自具有平面导电结构。
在一个或多个实施例中，所述设备进一步包括：
可变共振电路，其电耦合于所述RF信号源的输出与所述第一电极之间；以及
系统控制器，其被配置成通过所述系统控制器发送给所述可变共振电路的控制信号建立并修改所述可变共振电路的共振频率。
在一个或多个实施例中，所述设备进一步包括：
电场传感器，其被配置成感测所述腔室内的电磁场强度,并向所述系统控制器发送指示所述电磁场强度的传感器信号，
其中所述系统控制器被配置成基于所述传感器信号中指示的所述电磁场强度而修改所述可变共振电路的所述共振频率。
在一个或多个实施例中，所述设备进一步包括：
辐射强度传感器，其被配置成感测所述腔室内的辐射强度,并向所述系统控制器发送指示所述辐射强度的传感器信号，
其中所述系统控制器被配置成基于所述传感器信号中指示的所述辐射强度而修改所述可变共振电路的所述共振频率。
在一个或多个实施例中，所述设备进一步包括：
发光强度传感器，其被配置成感测所述腔室内的发光强度,并向所述系统控制器发送指示所述发光强度的传感器信号，
其中所述系统控制器被配置成基于所述传感器信号中指示的所述发光强度而修改所述可变共振电路的所述共振频率。
在一个或多个实施例中，所述设备进一步包括：
污染传感器，其被配置成感测所述腔室内的污染水平,并向所述系统控制器发送指示污染水平的传感器信号，
其中所述系统控制器被配置成基于所述传感器信号中指示的所述污染水平而修改所述可变共振电路的所述共振频率。
在一个或多个实施例中，所述可变共振电路包括选自电感器、电容器和电阻器的一个或多个可变无源装置。
在一个或多个实施例中，所述RF信号具有介于从10兆赫兹(MHz) 到3.0吉赫兹(GHz)的范围内的频率。
在一个或多个实施例中，所述设备进一步包括：
与所述腔室流体连通的容器，其中所述容器被配置成滤除或收集通过所述腔室传输的介质中的死病原体。
在一个或多个实施例中，所述RF信号源被配置成产生所述RF信号,以产生跨越所述第一和第二电极的介于90伏到3000伏的范围内的电压。
在一个或多个实施例中，所述腔室被配置成收容多个无电极灯泡。
在一个或多个实施例中，所述系统选自：净水单元、废水处理系统、分配、过滤或利用水的电器、水池过滤系统、泵送系统、热水器、反渗透系统、冰箱、冷冻机、真空吸尘器、空调装置和空气净化系统。
根据本发明的第二方面，提供一种操作净化系统的方法，所述方法包括：
通过RF信号源产生RF信号；
将所述RF信号传送到灯激励管道的第一电极,所述灯激励管道包括所述第一电极、第二电极、输入端口、输出端口和内部腔室，所述内部腔室被配置成收容无电极灯泡，其中所述内部腔室由按小于所述RF信号的波长的距离分离的第一边界与第二边界限定,使得所述内部腔室是亚共振的，其中所述第一电极物理上定位于所述第一边界处，其中所述第二电极物理上定位于所述第二边界处，且其中所述第一电极、所述第二电极和所述内部腔室形成被配置成在所述无电极灯泡定位于所述内部腔室内时将所述电磁能电容耦合到所述无电极灯泡中的结构；
通过第一电极将所述RF信号转换成由所述第一电极辐射到所述内部腔室中的电磁能；以及
通过所述净化系统传输介质，其中所述介质进入所述输入端口、通过所述内部腔室并离开所述输出端口。
在一个或多个实施例中，所述方法进一步包括：
感测所述内部腔室内的电磁场强度、所述内部腔室内的发光强度、所述内部腔室内的辐射强度和所述介质中的污染水平中的一个或多个；
产生指示所述电磁场强度、所述发光强度、所述辐射强度或所述污染水平的传感器信号；以及
基于所述传感器信号而修改电耦合于所述RF信号源与所述第一电极之间的可变共振电路的共振频率。
在一个或多个实施例中，执行修改所述共振频率以提高所述电磁场强度、提高所述发光强度、提高所述辐射强度或降低污染水平。
本发明的这些和其它方面将根据下文中所描述的实施例显而易见，且参考这些实施例予以阐明。
附图说明
可以结合以下图式考虑，通过参考具体实施方式和权利要求书得到对主题的更完整理解，其中类似参考数字在各图中指代相似元件。
图1是根据示例实施例的液体净化设备的透视图；
图2是根据示例实施例的沿着图1的线2-2的液体净化系统的一部分的截面侧视图；
图3是根据示例实施例的沿着图1的线3-3的液体净化系统的一部分的截面侧视图；
图4是根据示例实施例的无电极灯泡的截面侧视图；
图5是根据示例实施例的液体净化系统的简化框图；
图6是根据示例实施例的可变共振电路的示意图；且
图7是根据示例实施例的操作液体净化系统的方法的流程图。
具体实施方式
以下详细描述本质上仅仅是说明性的，且并不意图限制主题的实施例或此类实施例的应用和使用。本文中所使用，词语“示例性”和“例子”意味着“充当例子、实例或说明”。本文中描述为示例性或例子的任何实施方案未必应被解释为比其它实施方案优选或有利。此外，不希望受先前技术领域、背景技术或以下详细描述中呈现的任何所表达或暗示的理论的限定。
本文中所描述的主题的实施例涉及液体净化系统，其中射频(radio frequency，RF)能量电容耦合到无电极灯泡中，从而致使该灯泡产生紫外(UV)光。无电极灯泡定位于管道中，穿过该管道传送液体。更具体地说，无电极灯泡定位于两个电极：“有源电极”(或阳极)与“接地电极”(或阴极)之间的管道中。有源电极和接地电极基本上充当电容器板，且管道中的液体加上无电极灯泡基本上充当电容器介电质。管道至少部分地由两个电极之间的距离限定，且那个距离小于系统的操作频率的范围的一个波长。因此，管道在操作频率范围内是半共振(或亚共振)的。
RF信号源将RF信号提供给有源电极。接地电极电耦合到接地或电耦合到除接地以外的电压参考。根据实施例，被提供给有源电极的RF 信号的频率明显低于用以激励常规系统中的无电极灯泡的频率。举例来说，为了激励无电极灯泡内的气体，常规系统可以1000兆赫兹((MHz) 和更高的频率辐射RF信号。相比之下，本文中所描述的液体净化系统的实施例可利用在300MHz或更小的频率下的RF信号，且通过上述系统配置，由于RF能量电容耦合到灯泡中，因此这些更低频率足以激励无电极灯泡内的气体。由于系统配置的实施例允许以相对较低操作频率使用RF信号，因此相较于利用常规系统的可能的效率，该系统可具有明显更高的效率。
实施例另外包括反馈和控制子系统和可变共振电路，并且可变共振电路耦合于RF信号源与有源电极之间。反馈和控制子系统可连续或定期地监视管道内的电场的强度(或发光/辐射强度或病原体水平)，并可动态地对可变共振电路进行重新配置以确保在整个系统操作中实现高效率操作(例如包括在系统启动过程期间，灯泡共振可明显改变)。更具体地说，基于指示管道内的电场强度(或发光/辐射强度或病原体水平)的反馈，系统控制器可改变可变共振电路内的无源组件值来更好地匹配灯泡的可变共振，其反过来可致使电场强度增大或减小，因此增大或减小由每个无电极灯管发射的光或辐射的强度。此适应性共振控制可使系统能够贯穿所有操作阶段实现最优性能(例如最高效率和/或最高发光/辐射输出)，并另外可便于减少系统启动时间。
如稍后将更详细描述，各种实施例可并入到多种不同类型的系统中来实现不同的结果。举例来说，本文中所论述的液体净化系统的实施例可并入到净水系统中，例如单独净水单元、废水处理系统和分配或利用水的设备(例如冰箱单元等等)。
图1是根据示例实施例的液体净化系统100的透视图。应结合图2 和图3来查看图1，图2和图3包括液体净化系统100的各种截面图。更具体地说，图2是沿图1的线2-2的液体净化系统100的一部分的截面侧视图，且图3是沿图1的线3-3的液体净化系统100的一部分的截面侧视图。
液体净化系统100包括RF信号源和控制器子系统170(在本文中被称作“RF子系统”)、灯密安全壳和激励管道160(在本文中被称作“灯管道”)和用户接口114。用户接口114可包括一个或多个按钮、拨号盘、按键、显示器、和/或使用户能够将关于系统操作参数的信息等等输入到系统中并提供使用户能够监测系统操作的用户可察觉信息等等的其它特征。
灯管道160包括输入端口166、输出端口168和内部腔室260。液体(例如水或其它液体)可流入输入端口166、流经内部腔室260并流出输出端口168。如下文将描述，由内部腔室260内的一个或多个无电极灯泡280产生的UV光可在液体经过一个或多个无电极灯泡280同时穿过灯管道160时净化该液体。更具体地说，UV光可杀灭液体中的病原体(例如细菌、病毒、真菌和其它微生物)。在实施例中，灯管道160 还可包括与内部腔室260流体连通的可拆除和/或可替换容器或过滤器 164，该容器或过滤器164用于滤除和/或收集通过内部腔室260传输的任何介质中的死病原体。
在内部腔室260内，灯激励管道160被配置成在固定物理位置中相对于彼此固持第一电极240与第二电极250。因此，电极240、250定位于内部腔室260的相对侧上。一个或多个无电极灯泡280在电极240、 250之间定位于内部腔室260内。举例来说，无电极灯泡280可通过沿着内部腔室260的长度安置的一个或多个支撑结构262固持在适当位置。举例来说，如图3中所描绘，灯支撑组件262可包括具有约等于无电极灯泡280的直径的内部直径的圆形夹钳。柱可物理上将夹钳连接到内部腔室260的壁。其它实施例可包括以不同方式配置的灯支撑组件。在一些实施例中，无电极灯泡280可由保护套管282(例如由石英或另一种合适的材料形成)覆盖，该保护套管282可保护灯泡280免受损坏，并可在灯泡280在操作期间破裂的情况下防止灯泡280内的材料泄漏到腔室260内的液体中。虽然图3中示出的示例实施例包括两个灯泡280，但替代性实施例可具有介于一个灯泡到50个灯泡或更多的范围内的任何数目个灯泡。
RF子系统170包括激励电路270(例如包括稍后结合图5的RF子系统510论述的组件)。在实施例中，激励电路270电耦合到第一电极 240，且第二电极250电耦合到电接地参考。根据实施例，第一电极240 和第二电极250中的每一个由细长导电组件形成，该细长导电组件在灯管道160的第一端162与第二端163之间延伸。每个电极240、250可包括例如至少部分地由长度242和宽度342限定的平面导电结构。期望的是，第一电极240和第二电极250具有与无电极灯泡280的长度(例如长度488，图4)大致一样长的长度242，使得每个无电极灯泡280的整个长度可在第一电极240与第二电极250正中间定位于内部腔室260中。在其它实施例中，无电极灯泡280可显著地长于或短于第一电极240和/ 或第二电极250中的任一个或两个。在各种实施例中，电极240、250 的长度242和/或无电极灯泡280的长度可介于约5厘米(cm)到约1.5 米的范围内，但是该长度还可以更小或更大。电极240、250的宽度342可介于约2cm到约1.0米的范围内，但是该宽度还可以更小或更大。举例来说，每个电极240、250可由均质导电材料(例如铜或另一种导电材料)形成。在其它实施例中，每个电极240、250可以是具有导电外表面的组合式结构。
第一电极240和第二电极250按距离362跨越内部腔室260分离，该距离362对应于内部腔室260的一个尺寸。基本上，第一电极240和第二电极250至少部分地限定内部腔室260，其中第一电极240的面对腔室的表面是一个边界，且第二电极250的面对腔室的表面是第二边界。在各种实施例中，距离362介于约0.10米到约1.0米的范围内，但是该距离还可以更小或更大。
激励电路270被配置成产生通过导体被传送到第一电极240的RF 信号。第一电极240被配置成响应于接收到RF信号而将电磁能辐射到内部腔室260中。因此，第一电极240产生延伸到内部腔室260中(并因此延伸穿过无电极灯泡280)来撞击到第二电极250上的电场。
在实施例中，激励电路270被配置成在介于约10MHz到约100MHz 的范围或介于约100MHz到约3.0吉赫兹(GHz)的范围内的操作频率下产生RF信号，但是在其它实施例中，操作频率的范围可以不同。如上文所论述，第一电极240与第二电极250按距离362跨越内部腔室260 分离。举例来说，距离362可介于约10厘米(cm)到约3.0米或更大的范围内。根据实施例，距离362小于由激励电路270产生的RF信号的波长。换句话说，内部腔室260是亚共振腔室。在一些实施例中，距离 362小于RF信号的波长的约一半。在其它实施例中，距离362小于RF 信号的波长的约四分之一。在再其它实施例中，距离362小于RF信号的波长约八分之一。在再其它实施例中，距离362小于RF信号的波长约五十分之一。在再其它实施例中，距离362小于RF信号的波长的约一百分之一。
一般来说，针对更低的操作频率(例如10MHz与100MHz之间的频率)而设计出的系统100可被设计成具有作为波长的更小分数的距离 362。举例来说，当系统100被设计成产生具有约10MHz的操作频率(对应于约30米的波长)的RF信号且距离362选择为约0.5米时，距离362 是RF信号波长的约六十分之一。相反，当针对约300MHz的操作频率 (对应于约1米的波长)设计出系统100且距离362选择为约0.5米时，距离362是RF信号波长的约二分之一。
伴以操作频率和选定来限定亚共振内部腔室260的电极240、250 之间的距离362，将由第一电极240辐射的电磁能电容耦合到无电极灯泡280。因此，第一电极240可类似于电容器的第一板，第二电极250 可类似于电容器的第二板，且内部腔室260加上无电极灯泡280内的液体可类似于电容器介电质。因此，第一电极240可替代性地在本文中被称作“阳极”或“有源电极”，且第二电极250可替代性地在本文中被称作“阴极”或“接地电极”。
基本上，跨第一电极240和第二电极250的电压实现对无电极灯泡 180的激活。根据各种实施例，激励电路270被配置成产生RF信号以跨越电极240、250产生介于约90伏到约3000伏的范围内的电压，但该系统还可被配置成跨越电极240、250产生更低或更高的电压。在相对低的电压下，每个无电极灯泡280可开始发射光/辐射，且随着电压增大，光 /辐射的强度也向上增大，直到无电极灯泡280饱和(即，发光/辐射强度到达平稳段并且不会随电压增大而增大)为止。
根据实施例，系统100还可包括反馈和控制子系统，该子系统包括可变共振电路(例如可变共振电路590、600，图5、6)、传感器292(例如电场和/或光/辐射传感器，例如传感器592，图5)和反馈电路(例如包括反馈路径594，图5)。如稍后将更详细地解释，电耦合于激励电路 270与第一电极240之间的可变共振电路被配置成在无电极灯泡280的共振处和附近共振，并提供激励电路270输出阻抗与第一电极240(加上内部腔室260和无电极灯泡280)的输入阻抗之间的阻抗转化。传感器292位于内部腔室260内或附近，且被配置成感测内部腔室260内的电场强度和/或由无电极灯泡280发射的光/辐射强度。反馈电路电耦合于传感器292与激励电路270之间，且被配置成向激励电路270传送指示感测到的强度的反馈信号。基于反馈信号，激励电路270内控制器(例如控制器512，图5)可改变被提供给第一电极240的RF信号的特性。举例来说，控制器可改变RF信号频率或振幅。另外或替代地，控制器可向可变共振电路发送改变可变共振电路的共振频率以更好地匹配灯泡 280的当前共振频率的控制信号。无电极灯泡280的共振频率可在系统启动和操作期间改变。根据实施例，且如稍后将结合图7更详细描述，反馈和控制子系统可使系统100能够通过基于感测到的电场和/或发光/ 辐射强度而改变可变共振电路的共振频率来贯穿所有操作阶段高效地操作。
图4是根据示例实施例的可适用于系统100的无电极灯泡480(例如图2的无电极灯泡280)的截面侧视图。无电极灯泡480是气体放电灯泡，其包括包围气体490的气密密封式中空透明的套管482(限定腔室484)。根据实施例，腔室484完全地密封且不含内部电极或其它组件。
举例来说，透明套管482可由石英、玻璃、结晶材料或其它合适的材料形成。可将一个或多个膜或涂层(未示出)安置于套管482的内表面和/或外表面上。套管482尺寸由外径486和长度488限定。举例来说，在各种实施例中，直径486可介于约1cm到约2.5cm的范围内，且长度488可介于约5cm到约1.5米的范围内。在其它实施例中，直径486 和/或长度488可大于和/或小于上文给出示例范围。另外，虽然图4中的套管482的实施例具有笔直管状形状，但套管482的形状还可不同。举例来说，套管的其它实施例可以是弯曲的，套管的直径可沿其长度改变，套管可具有环圈形状等等。
包含于套管482内的气体490可包括一种或多种离子化惰性气体 (例如氩气、氖气、氪气、氙气)，该气体被配置成在通过微波能量辐射时发射光(或辐射)。在各种实施例中，灯泡480内的气体490可被配置成输出紫外辐射。举例来说，当恰当地辐射时，气体490可介于约100 纳米(nm)到约400nm的范围内的波长下具有明显波谱输出强度。在此类实施例中，其内使用灯泡480的系统(例如系统100)可被配置成净化出现接近灯泡480或系统或与灯泡480或系统接触的空气、液体(例如水)、浆料或其它介质。
在启动期间挥发变成气体490的部分的一个或多个额外物质也可包含于套管482内。举例来说，此类额外材料可包括汞、钠、硫、镓、铁、铟、金属卤化物和/或其它合适的材料。额外材料可改变气体490的波谱输出。
图5是根据示例实施例的液体净化系统500(例如系统100，图1) 的简化框图。应理解，图5是出于解释和方便描述的目的的液体净化系统500的简化表示，且其实际实施例可包括其它装置和组件，以提供额外功能和特征，和/或液体净化系统500可以是更大的电气系统的部分。
液体净化系统500包括RF子系统510(例如RF子系统170，图1)、用户接口514(例如用户接口114，图1)和灯管道530(例如灯管道160，图1)。根据实施例，系统500还包括电耦合于RF子系统510的输出与灯管道530之间的可变共振电路590。另外，系统500可包括传感器592 和反馈路径594，该反馈路径594被配置成提供由RF子系统510使用的传感器信号来控制可变共振电路590。又另外，系统500可包括泵564，该泵564被配置成便于液体流经灯管道530。
用户接口514可对应于控制面板，该控制面板例如使用户能够激活系统500并提供关于操作参数(例如系统激活的持续时间、液体流速等等)的输入。另外，用户接口可被配置成提供指示系统的操作状态和其它信息的用户可察觉输出。
在实施例中，RF子系统510包括系统控制器512、RF信号源520、电力供应器和偏压电路526以及可变共振电路590。在替代性实施例中， RF子系统510可具有多个RF信号源和/或电力供应器和偏压电路。系统控制器512可包括一个或多个通用或专用处理器(例如微处理器、微控制器、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)等等)、易失性和/或非易失性存储器(例如随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、闪存、各种寄存器等等)、一个或多个通信总线、以及其它组件。根据实施例，系统控制器512耦合到用户接口514、RF信号源520、电力供应器和偏压电路526、可变共振电路590、传感器592(如果包括)和泵564(如果包括)。系统控制器512被配置成接收指示通过用户接口514接收的用户输入的信号，并从传感器592接收传感器信号。响应于接收到的信号和测量值，且如随后将更详细地描述，系统控制器512将控制信号提供给电力供应器和偏压电路526以及RF信号源520的RF信号产生器522。另外，系统控制器512(通过路径516)向可变共振电路590提供控制信号，该控制信号使电路590改变其状态或配置。最后，系统控制器512 可(通过路径596)向泵564提供控制信号，该控制信号使泵564按期望流速通过灯管道530泵吸液体。
灯激励管道530包括输入端口566(例如端口166，图1)、内部腔室560(例如内部腔室260，图2)和输出端口568(例如输出端口168，图1)。第一电极540和第二电极550(例如电极240、250，图1)相对于彼此以固定的物理关系定位于内部腔室560(例如内部腔室260，图2) 的任一侧上。一个或多个无电极灯泡580(例如灯泡280，图2)在电极 540、550之间定位于内部腔室560内。如先前所论述，电极540、550 之间的距离562使内部腔室560成为亚共振腔室。
RF子系统510的输出，且更具体地说RF信号源520的输出通过导电发射路径528和可变共振电路590电耦合到第一电极540。在实施例中，第二电极550电耦合到电接地参考。举例来说，电接地参考可耦合到第二电极550。
内部腔室560、定位于内部腔室560中的灯泡580和内部腔室560 内的任何液体或其它介质为由第一电极540辐射到内部腔室560中的电磁能(或RF功率)呈现累积负载。更具体地说，内部腔室560、灯泡 580和介质呈现对系统的阻抗，该阻抗在本文中被称作“管道输入阻抗”。当因为灯泡580的操作状态会改变时，管道输入阻抗在净化操作期间改变。另外，管道输入阻抗可随着内部腔室560内的任何介质(例如空气、水或其它介质)的特征改变而改变。根据实施例，传感器592通过反馈路径594向系统控制器512发送传感器信号，该传感器信号指示在内部腔室560内或附近感测到的电磁场强度和/或发光/辐射强度。响应于接收到传感器信号，系统控制器512可改变可变共振电路590的状态。更具体地说，系统控制器512可通过控制路径516将控制信号提供给可变共振电路590，该控制信号使致使可变共振电路590改变电路590内的一个或多个组件的电感、电容和/或电阻值，因此调整电路590的共振频率。调整共振频率来更好地匹配灯泡580的随后当前共振频率可增大内部腔室560内的发光/辐射强度。另外，系统500还可被配置成将频率和 /或相位调整提供给RF信号。
如上文提到，在实施例中，第一电极540通过共振电路590(例如共振电路600，图6)和发射路径528电耦合到RF信号源520。如将稍后更详细地描述，共振电路590被配置成在接近灯泡580的共振频率的频率下共振。在一实施例中，共振电路590包括无源组件(例如电感器、电容器、电阻器)的网络。在实施例中，共振电路590可被配置成具有在涵盖灯泡到灯泡的发光状态的共振频率的频率范围内的最大共振。举例来说，共振电路590可被配置成具有介于约10.0MHz到约100MHz 和/或约100MHz到约3.0GHz的范围内的可变最大共振，但最大共振还可在此范围外的频率下发生。
可变共振电路590可具有多种配置中的任一个。举例来说，在各种实施例中，电路590可包括选自电感/电容(inductance/capacitance，LC) 网络、串联电感网络、分流电感网络或者带通、高通和低通电路的组合的任何一个或多个电路。根据更多具体实施例，可变共振电路590包括可变电感网络(例如网络600，图6)。使用来自系统控制器512的控制信号来确定由可变共振电路590提供的电感、电容和/或电阻值，如将稍后更详细地描述，该电感、电容和/或电阻值又影响电路590的共振频率。在任何情况下，通过在净化操作过程内改变可变共振电路590的状态来动态地匹配不断改变的灯泡共振频率，系统效率可以保持在高水准下即使净化操作期间的灯泡共振频率变化。
根据实施例，RF信号源520包括RF信号产生器522和功率放大器 524(例如包括一个或多个功率放大器级)。响应于由系统控制器512提供的控制信号，RF信号产生器522被配置成产生具有工业、科学和医学 (industrial,scientific,and medical，ISM)频带内频率的振荡电信号，但系统也可进行修改以支持在其它频带内的操作。在各种实施例中，RF 信号产生器522可被控制以产生不同电力电平和/或不同频率的振荡信号。举例来说，RF信号产生器522可以产生在约10.0MHz到约100MHz 和/或约100MHz到约3.0GHz的范围内振荡的信号。一些合乎需要的频率可以是例如13.56MHz(+/-5％)、27.125MHz(+/-5％)、40.68MHz(+/-5％)和2.45GHz(+/-5％)。可替换的是，振荡频率和/或功率电平可比上文给出的范围或值更低或更高。
功率放大器524被配置成从RF信号产生器522接收振荡信号，且被配置成放大该信号以在功率放大器524的输出处产生显著更高功率的信号。举例来说，输出信号可具有介于约1瓦特到约1000瓦特或更高的范围内的电力电平。可通过将由电力供应器和偏压电路526提供的栅极偏压电压和/或漏极供应电压用于放大器524的每个级来控制由功率放大器524施加的增益。更具体地说，电力供应器和偏压电路526根据从系统控制器512接收到的控制信号而将偏压和供应电压提供给每个RF 放大级。
在实施例中，放大器524的每个级被实施为具有输入端(例如栅极或控制端)和两个载流端(例如源极和漏极端)的功率晶体管，例如场效应晶体管(field effecttransistor，FET)。在各种实施例中，阻抗匹配电路(未示出)可耦合到放大级中的一些或全部的输入(例如栅极)和/ 或输出(例如漏极端子)。在一实施例中，放大器级的每个晶体管包括横向扩散的金属氧化物半导体FET(laterally diffused metal oxidesemiconductor FET，LDMOSFET)晶体管。然而，应注意，晶体管并不意图受限于任何具体半导体技术，且在其它实施例中，每一晶体管可实现为氮化镓(gallium nitride，GaN)晶体管、另一类型的MOSFET晶体管、双极结晶体管(bipolar junction transistor，BJT)，或利用另一半导体技术的晶体管。
在图5中，功率放大器布置524描绘为包括以特定方式耦合到其它电路组件的一个放大器级。在其它实施例中，功率放大器布置524可包括其它放大器拓扑和/或放大器布置可包括两个或更多个放大器级。举例来说，功率放大器布置可包括单端放大器、双端放大器、推挽式放大器、杜赫放大器、开关模式功率放大器(Switch Mode Power Amplifier，SMPA) 或另一类型的放大器的各种实施例。
如上文所提及，系统500的一些实施例可包括电磁场传感器、紫外辐射传感器、发光强度传感器、病原体传感器和/或其它类型的传感器 592。传感器592可定位于使得能够在净化操作期间感测内部腔室560 内的电磁场强度和/或紫外辐射强度和/或发光强度和/或流体污染水平的位置中。当通过反馈路径594被提供给系统控制器512时，电磁场强度和/或发光/辐射强度信息和/或病原体水平信息使系统控制器512能够改变由RF信号源520供应的RF信号的功率(例如通过控制由电力供应器和偏压电路526提供的偏压和/或供应电压)和/或调整可变共振电路590 的状态。
如上文所论述，在各种实施例中，共振电路590可以是固定或可变共振电路，其用于匹配灯泡580的动态共振来尽可能地最大化由灯泡580 发射的光/辐射的强度。可能无法在净化操作的开始时准确得知灯泡580 的初始共振频率。另外，当灯泡580从完全停用状态转变到完全接通状态(例如在系统启动期间)时，灯泡580的共振频率在净化操作期间改变。根据实施例，共振电路590是可变共振电路，且系统控制器512可将致使修改可变共振电路590的状态的控制信号提供给可变共振电路 590。这使系统控制器512能够在初始操作开始时确定可变共振电路590 的初始状态(即，初始共振频率)并修改可变共振电路590的状态，使得可在整个初始操作中保持电路590与灯泡580共振之间的充分匹配，即使灯泡580的共振频率改变。
根据实施例，共振电路590可包括无源组件，例如电感器、电容器和电阻器网路，如上文所描述。在特定实施例中，电路590可包括可变电感器(例如固定或可变电感网络)和电容器(例如固定或可变电容器) 的网络。如本文中所使用，术语“电感器”意味着在不插入其它类型组件(例如电阻器或电容器)的情况下电耦合在一起的离散电感器或电感组件集合。类似地，术语「电容器」意味着离散电容器、由由介电质(例如空气、介电材料或另一种介电介质)、或在没有其它类型的介入组件(例如电阻器或电感器)的情况下电耦合在一起的电容组件集合分离的多个导电结构形成的电容性结构。
图6是根据示例实施例的可并入到液体净化系统(例如系统100、 500，图1、5)中的可变共振电路600的示意图。根据实施例，可变共振电路600包括可提供介于约20毫微亨(nH)到约400nH的范围内的电感的串联耦合的电感组件网络，但范围还可扩展到更低或更高的电感值。
网络600包括在输入节点630与输出节点623之间彼此串联耦合的输入节点630、输出节点632与一个或多个(例如1个、2个或多于2 个)离散电感器601、602。另外，网络600包括一个或多个(例如1个、 2个或多于2个)电容器611、612，其中每个电容器611、612在分流配置中耦合到接地参考。电感器601、602可以实施为离散电感器、实施为分布电感器(例如列印线圈)、实施为焊线或以其它方式实施。电容器 611、612可以实施为离散电容器，或可由空气或介电材料介质上的导电系统组件之间的电容耦合形成。当电感器601、602、电容器611、612 或这两者可变时，使用来自系统控制器(例如系统控制器512，图5)的控制信号来控制每个组件601、602、611、612的电感或电容值。举例来说，可通过控制路径(例如图5的路径516)来传送控制信号。
通过改变网络600的总电感和/或电容值，系统控制器可将网络600 的共振频率朝着或远离无电极灯泡(例如灯泡280、灯泡580，2、5)的共振频率移动。这可提高或降低共振频率匹配，其中提高或降低是通过额外电磁场强度和/或发光/辐射强度测量来证明的。在大多数状况下，系统控制器可力求在实现最大电磁场强度和/或最大发光/辐射强度的状态(即，可变共振电路的共振频率大体上等于灯泡的共振频率的状态) 下对网络600进行配置。
现已描述无电极净化系统的电和物理方面的实施例，现将结合图7 描述用于操作此类净化系统的方法的各种实施例。更具体地说，图7是根据示例实施例的操作液体净化系统(例如系统100、500，图1、5)的方法的流程图。
该方法可在框702中开始，此时系统控制器(例如系统控制器512，图5)接收净化操作应开始的指示。可在例如用户按压电源按钮(例如用户接口514，图5)后接收此指示。根据各种实施例，系统控制器视情况可接收额外输入，例如净化操作的期望持续时间的指示、期望激励强度(例如低、中或高强度)、期望液体流速、和与操作相关的其它输入。
在框704中，系统控制器将控制信号提供给可变共振电路(例如电路590，图5)来建立用于可变共振电路的初始配置或状态。如结合图5 和6详细描述，控制信号影响共振电路内的组件值(例如电感、电容和/ 或电阻)。举例来说，控制信号可影响电感器601、602和/或电容器611、 612(图6)的组件值。
通常，在净化操作的开始时，当灯泡开始“接通”并发射光或辐射时，灯泡的共振频率处于第一频率下。一旦灯泡完全“接通”，那么灯泡的共振频率处于可比第一频率更高或更低的第二频率下。根据实施例，且基于上述操作性共振频率特征，系统控制器最初将控制信号发送到在具有第一共振频率的状态下配置电路的可变共振电路，且系统控制器可将后续控制信号发送到随着灯泡的共振频率改变而增大或减小其共振频率的可变共振电路。
一旦确定了初始可变共振电路配置，那么在框706中，系统控制器可(例如向泵564，图5)发送开始使介质(例如水、废水、空气等等) 流过灯管道(例如灯管道130、530，图1、5)的控制信号。可通过从系统控制器到泵(例如泵564，图5)的控制信号控制流速。灯管道中的流速传感器(未示出)可提供使得系统控制器能够更精细地控制流速的反馈信号。
如先前所论述，待净化的介质从输入端口(例如端口166、566，图 1、5)流经内部腔室(例如内部腔室260、560，图2、5)并通过输出端口(例如端口168、568，图1、5)流出。当该介质流过内部腔室，且更具体地说在电极与灯泡之间的空间中流过灯泡时，由灯泡发射的UV光可通过杀灭介质中的病原体(例如细菌、病毒、真菌和其它微生物)来净化介质。
在净化操作期间，系统控制器可在必要时执行调整可变共振电路的配置以基于指示匹配质量的实际测量值而找到可接受或最佳匹配的过程 710。根据实施例，此过程包括在框712中致使RF信号源(例如RF信号源520)通过可变共振电路将RF信号供应给第一电极(例如第一电极 240、540，图2、5)。系统控制器可通过到电力供应器和偏压电路(例如电路526，图5)的控制信号控制RF信号功率电平，其中控制信号致使电力供应器和偏压电路将供应和偏压电压提供给放大器(例如放大器 524，图5)。
在框714中，电磁场强度和/或发光辐射强度和/或病原体传感器(例如传感器292、592，图2、5)接着测量内部腔室(例如内部腔室260、 560，图2、5)内的电磁场强度和/或发光/辐射强度和/或病原体水平并将那些测量值提供给系统控制器。系统控制器可接着确定由可变共振电路提供的匹配是否是可接受的(例如电磁场和/或发光/辐射强度足够高，或病原体水平足够低)。举例来说，系统控制器可确定感测到的电磁场强度是高于还是低于阈值，和/或可确定发光/辐射强度是高于还是低于阈值，和/或可确定一个或多个病原体的病原体水平是高于还是低于阈值。
当系统控制器确定匹配不可接受(例如电磁场和/或发光/辐射强度低于其相关联阈值，或病原体水平高于其相关联阈值)时，系统控制器可在框718中通过对可变共振电路进行重新配置来调整匹配。举例来说，这可通过将控制信号发送到可变共振电路来得以实现，其使得电路增大和/或减小电路内的电感或其它组件值。这反过来可将可变共振电路的共振频率理想地朝着灯泡的共振频率移位。在对可变共振电路进行重新配置之后，可迭代地执行框714、716和718，直到在框716中确定灯泡的共振频率与可变共振电路的共振频率之间的可接受匹配(或电磁场强度和/或发光/辐射强度足够高或病原体水平足够低)为止。
一旦确定了可接受匹配或电磁场和/或发光/辐射强度足够高或病原体水平足够低，那么系统可在框726中评估是否已发生退出条件。实际上，对是否已发生退出条件的确定可以是可能发生在照明过程期间的任意时刻的中断驱动过程。然而，为了将退出条件包括于图7的流程图中，该过程被示出为发生在框716之后。
举例来说，系统可在用户已按压指示用户将停止净化操作的按钮时确定已发生退出条件。替代地，系统可确定在由用户设定(例如通过用户接口514，图5)的定时器到时之后即刻已发生退出条件。
如果尚未发生退出条件，那么随后可通过迭代地执行方法710来继续净化操作。当已发生退出条件时，接着在框728中，系统控制器使RF 信号源中断供应RF信号。举例来说，系统控制器可停用RF信号产生器 (例如图5的RF信号产生器520)和/或可使电力供应器和偏压电路(例如电路526，图5)中断对供应电流的提供。方法可接着结束。
基于无电极灯的净化系统的各种实施例可并入到各种类型的液体净化或消毒系统中，包括但不限于单独净水单元、废水处理系统、水池过滤和泵送系统、热水器、逆渗透系统，和分配、过滤或以其它方式利用水的电气设备(例如冰箱、冷冻柜、吸尘器、空调单元等等)中。另外，虽然以上描述论述被配置成净化或对液体消毒的系统，但是可对该系统作出修改，使得该系统被配置成净化空气(即，杀灭空气中的病原体)。举例来说，系统的实施例可包括于空气净化或消毒系统中。在此类实施例中，泵(例如泵564，图5)可被风扇替换，且该风扇可用以迫使空气(或其它气体)穿过内部管道。
出于简洁起见，本文可不详细地描述涉及系统的共振器、放大器、偏压、阻抗匹配和其它功能方面(和系统的个别操作组件)的常规的技术。本文包含的各图中示出的连接线既定表示各种元件之间的示例性功能关系和/或物理连接。应注意，主题的实施例中可以存在许多替代或额外的功能关系或物理连接。此外，本文中还可仅出于参考的目的使用某些术语，且因此该术语并不意图为限制性的，并且除非上下文清楚地指示，否则指代结构的术语“第一”、“第二”和其它此类数值术语并不暗示顺序或次序。
如本文所使用，“节点”意味着任何内部或外部参考点、连接点、接合点、信号线、导电元件等等，在“节点”处存在给定信号、逻辑电平、电压、数据模式、电流或量。此外，两个或更多个节点可以通过一个物理元件实现(并且虽然在公共节点处接收或输出，但是仍然可以对两个或更多个信号进行多路复用、调制或另外区分)。
以上描述指元件或节点或特征“连接”或“耦合”在一起。如本文所使用，除非以其它方式明确地陈述，否则“连接”意味着一个元件直接接合到另一元件(或直接与另一元件连通)，且不一定以机械方式接合。类似地，除非以其它方式明确地陈述，否则“耦合”意味着一个元件直接或间接接合到另一元件(或直接或间接与另一元件通信)，且不必以机械方式接合。因此，虽然图中示出的示意图描绘元件的一个示例性布置，但是另外的介入元件、装置、特征或组件可存在于所描绘主题的实施例中。
一种净化设备包括产生RF信号的射频(RF)信号源、第一和第二电极、以及管道。该第一电极接收该RF信号并将其转换成由该第一电极辐射的电磁能。该管道包括输入端口和输出端口以及腔室。该输入端口和该输出端口与该腔室流体连通，且该腔室被配置成收容无电极灯泡。该腔室由按小于该RF信号的波长的距离分离的第一边界与第二边界限定，使得该腔室是亚共振的。该第一电极物理上定位于该第一边界处，且该第二电极物理上定位于该第二边界处。该第一电极、该第二电极和该腔室形成被配置成将该电磁能电容耦合到该腔室内的无电极灯泡中的结构。
一种操作净化系统的方法包括：通过RF信号源产生RF信号，并将该RF信号传送到包括第一电极、第二电极、输入端口、输出端口和内部腔室的灯激励管道的该第一电极，该内部腔室被配置成收容无电极灯泡。该内部腔室由按小于该RF信号的波长的距离分离的第一边界与第二边界限定，使得该内部腔室是亚共振的。该第一电极物理上定位于该第一边界处，且该第二电极物理上定位于该第二边界处。该第一电极、该第二电极和该内部腔室形成被配置成在该无电极灯泡定位于该内部腔室内时将该电磁能电容耦合到该无电极灯泡中的结构。该方法另外包括：通过第一电极将该RF信号转换成由该第一电极辐射到该内部腔室中的电磁能，并通过该净化系统传输介质。该介质进入该输入端口、通过该内部腔室并离开该输出端口。
虽然前述详细描述中已呈现至少一个示例性实施例，但是应了解，存在大量变化。还应了解，本文中所描述的一个或多个示例性实施例并不希望以任何方式限制所主张主题的范围、适用性或配置。实际上，以上详细描述将向本领域的技术人员提供用于实施所描述的一个或多个实施例的方便的指南。应理解，可在不脱离由权利要求书所限定的范围的情况下对元件的功能和布置作出各种改变，权利要求书所限定的范围包括于提交本专利申请案时的已知等效物和可预见的等效物。

Claims (10)

1.一种净化设备，其特征在于，包括：
射频(RF)信号源，其被配置成产生RF信号；
第一电极,其电耦合到所述RF信号源，其中所述第一电极被配置成接收所述RF信号并将所述RF信号转换成由所述第一电极辐射的电磁能；
第二电极，其中所述第二电极为接地电极；以及
管道,其包括输入端口、输出端口和腔室，其中所述输入端口和所述输出端口与所述腔室流体连通，且所述腔室被配置成收容无电极灯泡，且其中所述腔室由按小于所述RF信号的波长的距离分离的第一边界与第二边界限定,使得所述腔室是亚共振的，其中所述第一电极物理上定位于所述第一边界处，所述第一边界位于所述腔室的第一侧，当所述无电极灯泡位于所述腔室内部，所述第一电极在所述无电极灯泡之外，其中所述第二电极物理上定位于所述第二边界处，所述第二边界位于所述腔室的第二侧，所述第二侧与所述腔室的第一侧相对，当所述无电极灯泡位于所述腔室内部时，所述第二电极在所述无电极灯泡之外，并且所述无电极灯泡位于所述第一电极和所述第二电极之间从而第一电极和所述第二电极的任何一部分均不在所述无电极灯泡之内，且其中所述第一电极、所述第二电极和所述腔室形成被配置成在所述无电极灯泡定位于所述腔室内时将所述电磁能电容耦合到所述无电极灯泡中的结构。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述距离小于所述RF信号的所述波长的一半。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述距离介于10厘米与3.0米之间的范围内。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：
所述第一电极和所述第二电极各自具有平面导电结构。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括：
可变共振电路，其电耦合于所述RF信号源的输出与所述第一电极之间；以及
系统控制器，其被配置成通过所述系统控制器发送给所述可变共振电路的控制信号建立并修改所述可变共振电路的共振频率。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括：
与所述腔室流体连通的容器，其中所述容器被配置成滤除或收集通过所述腔室传输的介质中的死病原体。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述RF信号源被配置成产生所述RF信号,以产生跨越所述第一和第二电极的介于90伏到3000伏的范围内的电压。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述腔室被配置成收容多个无电极灯泡。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备选自：净水单元、废水处理系统、分配、过滤或利用水的电器、水池过滤系统、泵送系统、热水器、反渗透系统、冰箱、冷冻机、真空吸尘器、空调装置和空气净化系统。
10.一种操作净化系统的方法，其特征在于，所述方法包括：
通过RF信号源产生RF信号；
将所述RF信号传送到灯激励管道的第一电极,所述灯激励管道包括所述第一电极、第二电极、输入端口、输出端口和内部腔室，其中所述第二电极为接地电极，所述内部腔室被配置成收容无电极灯泡，其中所述内部腔室由按小于所述RF信号的波长的距离分离的第一边界与第二边界限定,使得所述内部腔室是亚共振的，其中所述第一电极物理上定位于所述第一边界处，所述第一边界位于所述腔室的第一侧，当所述无电极灯泡位于所述腔室内部，所述第一电极在所述无电极灯泡之外，其中所述第二电极物理上定位于所述第二边界处，所述第二边界位于所述腔室的第二侧，所述第二侧与所述腔室的第一侧相对，当所述无电极灯泡位于所述腔室内部时，所述第二电极在所述无电极灯泡之外，并且所述无电极灯泡位于所述第一电极和所述第二电极之间从而第一电极和所述第二电极均不在所述无电极灯泡之内，且其中所述第一电极、所述第二电极和所述内部腔室形成被配置成在所述无电极灯泡定位于所述内部腔室内时将电磁能电容耦合到所述无电极灯泡中的结构；
通过第一电极将所述RF信号转换成由所述第一电极辐射到所述内部腔室中的所述电磁能；以及
通过所述净化系统传输介质，其中所述介质进入所述输入端口、通过所述内部腔室并离开所述输出端口。
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