CN109689578A

CN109689578A - 水净化滤筒

Info

Publication number: CN109689578A
Application number: CN201780055318.1A
Authority: CN
Inventors: 拉基夫·迪曼; 贾斯廷·M·马佐尼; 迈克尔·E·格里芬; 赫曼·R·帕特尔
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: Shuwanuo Intellectual Property Co
Priority date: 2016-09-08
Filing date: 2017-08-28
Publication date: 2019-04-26
Anticipated expiration: 2037-08-28
Also published as: BR112019004606A2; AU2017322222B2; EP3509996B1; WO2018048654A1; KR20190041013A; US20190225509A1; US10961132B2; EP3509996A1; EP3509996A4; CN109689578B; CA3035887A1; AU2017322222A1

Abstract

本发明公开了一种UV处理滤筒，所述UV处理滤筒具有外部壳体和位于所述外部壳体内部的UV处理模块。所述UV处理模块具有用于对通过所述UV处理模块的流体进行UV处理的UVLED阵列。外部侧壁与模块侧壁之间的内部环形空间形成进入所述UV处理模块的进入流动路径，从而基本上平衡作用于所述模块侧壁内部和作用于所述模块侧壁外部的流体压力。

Description

水净化滤筒

背景技术

用后即弃型可更换的滤筒过滤器往往可互换地连接到过滤器歧管，所述过滤器歧管固定到需要流体过滤的器具或机器。一些歧管使用四分之一旋转过滤器滤筒，其中过滤器滤筒的大约90度旋转将过滤器滤筒与歧管接合以及使过滤器滤筒与歧管脱离。此类过滤器滤筒和歧管通常用于将使用地点处理的水供应给汽水或煮好的咖啡的饮料分配应用。

发明内容

可以使用水处理滤筒，其中多种处理介质包围在其内，诸如活性炭、离子交换介质、打褶或非打褶的过滤介质、多孔膜、多孔中空纤维等。基于辐射的消毒系统使用短波光子发射，例如紫外(UV)范围内的发射，诸如100nm至320nm，以减少流体(例如，饮用水)或表面上的微生物。由基于辐射的消毒系统的源发射的UV辐射扰乱微生物的生物功能并阻碍或阻止其繁殖。

然而，紧凑型UV可更换处理滤筒是不容易得到的。因此，为了杀死潜在的病原体，除了可更换的处理滤筒之外，还必须提供上游或下游的UV处理系统。具有可以容易地从歧管插入或移除的UV处理滤筒以提供该功能将是更加期望和灵活的。通常用于咖啡或汽水应用的经处理的水经历若干处理步骤(过滤、硬度控制、除氯等)，所述处理步骤由串行附接到共同歧管的一个以上可拆卸处理滤筒提供。因此，使UV处理滤筒容易地固定到相同的共用歧管将为水处理系统提供灵活性，降低安装成本，创建更紧凑的水处理系统，并为水处理系统的制造商提供规模经济。

因此，在一个方面，本发明涉及一种UV处理滤筒，所述UV处理滤筒具有外部壳体，所述外部壳体具有第一外端、第二外端以及连接第一外端和第二外端的外部侧壁。滤筒入口和滤筒出口位于外部壳体上。UV处理模块位于外部壳体内部。UV处理模块包括内部壳体，所述内部壳体具有模块第一端部、模块第二端部以及连接模块第一端部和模块第二端部并包围UV处理腔室的模块侧壁。UV光发射器阵列将UV光引导到UV处理腔室中。UV处理模块具有模块入口和模块出口。在外部侧壁和模块侧壁之间形成进入流动路径的内部环形空间将滤筒入口连接到模块入口，并且提供从模块出口到滤筒出口的离开流动路径。

附图说明

图1示出了水处理滤筒的一个实施方案的横截面图。

图2示出了水处理滤筒的另一个实施方案的横截面图。

图3示出了水处理滤筒的另一个实施方案的横截面图。

图4A示出了模块侧壁的横截面的实施方案。

图4B示出了模块侧壁的横截面的另一个实施方案。

图4C示出了模块侧壁的横截面的另一个实施方案。

图5示出了水处理滤筒的另一个实施方案的透视图。

图6示出了图5的实施方案的纵向横截面。

图7示出了图5的处理滤筒的底部的局部纵向横截面。

图8示出了UV阵列。

图9示出了用于UV发光二极管(UVLED)阵列的电路板图。

图10示出了水处理滤筒的另一个实施方案的纵向横截面。

图11示出了图10的处理滤筒的顶部的局部纵向横截面。

图12示出了以12-12截取的图11的实施方案中使用的UVLED壳体的横截面。

图13示出了图10的实施方案中使用的UVLED壳体的顶部。

图14示出用于测量UVLED水处理滤筒的微生物性能的实验设备。

图15示出了从UVLED水处理滤筒获得的微生物性能结果。

具体实施方式

现在参考图1、图2和图3，示出了具有外部壳体12的UV处理滤筒10，外部壳体12具有第一外端14、第二外端16和连接第一外端和第二外端的沿纵向延伸的外部侧壁20。

为了清楚起见，在每个图示中示出了中间纵向轴线21。提供滤筒流体入口22和滤筒流体出口24，其延伸穿过外部壳体12，以允许流体进入和离开UV处理滤筒。外部壳体包围单独的UV处理模块26。UV处理模块26包括内部壳体28，所述内部壳体具有模块第一端部30、模块第二端部32和连接模块第一端部30和模块第二端部32并包围UV处理腔室36的模块侧壁34。UV光发射器阵列38被定位成邻近模块第一端部或模块第二端部，将UV光引导到UV处理腔室36中。提供模块流体入口40和模块流体出口42以允许流体进入和离开UV处理模块26。UV处理滤筒还包括：内部环形空间44，其在外部侧壁20和模块侧壁34之间形成进入流动路径，将滤筒流体入口22流体地连接到模块流体入口40；以及流体离开流动路径46，其从模块流体出口42到滤筒流体出口24。在一些实施方案中，模块流体出口42和流体离开流动路径46延伸通过外部壳体12，形成滤筒流体出口24。

内部环形空间44提供了有用的功能，其中模块侧壁34不会经受显著的压差，因为加压流体存在于模块侧壁34的两侧上。环形空间不必为均匀的环形或圆形横截面(参见例如图2、图3和图10)，但应当允许横跨模块侧壁34的基本上平衡的压力。内部环形空间的横截面区域和/或形状可渐缩或变化。在本发明的各种实施方案中，模块侧壁上的压差小于20psi、小于10psi、小于5psi、小于2psi、小于1psi或0psi，或为大约相同的压力。因此，模块侧壁34可被设计成承受比外部侧壁20更低的压差，这通常可看到大于30psi、大于50psi、或甚至超过100psi的压差。因此，用于模块侧壁的合适材料不必经受高的压差，并且所选择的材料可具有比外部侧壁小很多的厚度。

优选的模块侧壁材料对UV光可为漫反射或镜面反射的，用于增强处理腔室内流体的抗微生物处理，其中镜面材料沿其表面以相同的反射角反射UV光，并且漫反射材料以多个方向和角度反射UV光。镜面UV材料可在100nm至320nm的范围内对UV光表现出至少30％、至少40％、至少50％、至少60％、至少75％或至少90％的镜面反射率。漫射UV材料可在100nm至320nm的范围内对UV光表现出至少30％、至少40％、至少50％、至少60％、至少75％或至少90％的漫射反射率。例如，抛光的铝可从高度抛光的铝表面表现出90％的镜面反射率，而更粗糙的铝表面涂饰剂可表现为对UV光漫射。在任何情况下，无论是镜面还是漫射，合适的模块侧壁材料可对UV光具有至少70％、至少80％、至少90％或至少100％的不透明度，使得UV处理模块内产生的UV光主要包含在UV处理模块内，并且不通过模块侧壁。因此，形成外部壳体的材料不一定必须是UV光稳定的，因为其可暴露于较低水平的UV光或无UV光。例如，形成一层模块侧壁表面的0.1mm厚的铝箔对UV光传输是不透明的。稍后关于图4讨论另外的合适的模块侧壁材料。

在一些实施方案中，UVLED阵列与待处理的液体流体密封而不接触，并且UV光穿过UV透明材料。UV透明材料在100nm至320nm的范围内对UV光基本上是透明的，并且可包括石英、熔融二氧化硅和蓝宝石。

外部壳体或内部壳体的横向横截面可为任何合适的几何形状，并且可彼此不同，但通常为圆形或椭圆形。如所见，比较图1、图2和图3，处理腔室36可沿纵向轴线渐缩，其在其一个端部处比在相对的端部上具有更大的横截面区域。在图1中，处理腔室36由模块侧壁34包围，模块侧壁34包括笔直圆筒，所述笔直圆筒具有穿过第一外端14中的滤筒流体出口24的出口杆。在另选的实施方案中，模块侧壁34可包括截头锥体，其中相对于重力，更小的端部向上取向，如图2中所见，并且模块内的液体流动是沿纵向轴线从更大的横截面区域到更小的横截面区域，或者相对于重力，截头锥体的更小端部可向下指向，如图3中所见，并且模块内的液体流动是沿纵向轴线从更小的横截面区域到更大的横截面区域。具有其中横截面区域沿纵向轴线减小的锥形处理腔室36可为图1的直壁圆筒提供若干优点。UV强度可更均匀地分布，并且可避免流体涡流和在与图1的UV阵列相对的圆筒端部处产生的死区。形成处理腔室需要较少的材料，这可更具成本效益。另外，图3的几何形状(其中相对于重力，UV阵列朝向处理腔室的顶部定位，使得重力不会导致颗粒沉积到UV阵列上)的优点在于，颗粒沉降较少以及UV阵列上的污垢较少，颗粒沉降和污垢可能具有减少流体的UV处理的不利效果。

如上所述，由于模块侧壁在相似的压力下在两侧上具有流体，因此模块侧壁和内部壳体不需要充当压力容器。如果UV处理模块未在外部壳体中使用，则内部壳体将需要对UV稳定且不透明并且能够承受压力容器的操作压力。这将需要使用更昂贵的侧壁材料诸如不锈钢。内部UV处理模块设计使这两个要求分离，并且外部壳体不必对UV光稳定且不透明。因此，外部壳体可由较不昂贵的聚合物材料制成，所述聚合物材料可适应流体处理滤筒的操作压力，但如果暴露于UV光，则可能随时间推移而降级。内部壳体也可以是聚合物，但不需要充当压力容器。因此，模块侧壁可由UV稳定材料制成，诸如PTFE，如果需要，其在外表面上具有附加的UV不透明层，或者由另一种聚合物材料制成，其在内表面上具有UV不透明层。优选地，这些层是UV反射的(镜面反射或漫反射)，其将具有附加的优点，即通过最小化壁中的UV吸收并且替代地将其朝向液体引导回而增加对液体的UV剂量。

在一些实施方案中，内部壳体和模块侧壁34可由单一材料制成。内部壳体和模块侧壁34可由薄壁金属材料(诸如不锈钢、镍和阳极化铝)制成，因为横跨模块侧壁的压差为低或零。这些材料具有这样的优点：对UV稳定且不透明，与饮用水相容，并且由于其高热导率而极好地用于UVLED冷却。

在一些实施方案中，内部壳体和模块侧壁34可为由如图4中所示分层的不同材料制成的复合材料或多层材料。在图4A中，UV不透明内层47形成模块侧壁的内部并且设置在形成模块侧壁外部的背衬层49上，而在图4B中，背衬层49是UV不透明的，并且内层47是UV透明的。

在图4A中，暴露于UV光的内层47为UV不透明材料，并且优选也为UV反射的。例如，内层47可为铝箔，并且其闪亮侧面向UV光。内层47也可由任何薄的金属材料片诸如不锈钢制成。背衬层49可由任何液体相容材料诸如聚氯乙烯(PVC)或聚丙烯(PP)制成，并且可比用于机械刚度和装配的内层更厚。合适的构造粘合剂可用于接合两个层。

图4B示出了可能的实施方案，其中模块侧壁的内层47由UV透明或UV漫射材料制成，诸如石英或PTFE。背衬层49可由金属材料制成，诸如不锈钢或铝或甚至聚合物，只要它们是UV稳定的，UV不透明的，并且不会对产品或处理过程引入任何不期望的特性。背衬层49优选也为UV反射的，例如，通过将其由铝箔或层压铝箔制成。合适的构造粘合剂可用于接合两个层。

模块侧壁34也可由多于两个层制成。一个实施方案示于图4C中，其中内层47为UV透明，中间层51为UV不透明并且优选为UV反射的，并且背衬层49被添加用于机械刚度和装配。因此，如果UV不透明的层不适于与液体直接接触，则其可夹置在适于与液体直接接触的两个其它层之间。合适的构造粘合剂可用于接合两个层。此类构造的一个示例为其中内层47为PTFE，中间层51为铝箔，并且背衬层49为PVC。在另选的实施方案中，铝箔中间层51的耐久性和液体相容性还可通过将其层压在两个含氟聚合物薄层(诸如PTFE，或四氟乙烯、六氟丙烯和偏二氟乙烯(THV)的聚合物)之间而增强。

在许多实施方案中，多层侧壁将包括至少一个不透明层和至少一个其它层，诸如用于机械强度的背衬层。在许多实施方案中，不透明层将被至少一个其它层覆盖在两侧上。在许多实施方案中，多层侧壁将包括至少一个UV透明层，并且该层可覆盖UV不透明层，并且优选地，UV不透明层对UV是反射的，为镜面反射或漫射反射。

在具体实施方案中，多层模块侧壁材料可包括0.025-0.125mm厚的铝箔，所述铝箔与0.025-0.25mm厚的THV膜共挤出或层压在每一侧上，并且所得组件胶合在合适的背衬层上，诸如1-6mm厚的PVC、聚碳酸酯或1-3mm不锈钢或阳极铝板。另一种多层侧壁材料为0.025-0.125mm厚的铝箔，其在每一侧上与0.025-0.125mm厚的PTFE膜层压在一起，并且所得组件胶合在合适的背衬层上，诸如1-6mm厚的PVC、聚碳酸酯或1-3mm不锈钢或阳极化铝板。另一种多层侧壁材料为1-6mm厚的PTFE片材，其中以上层压的或共挤出的层中的一者为背衬层。另一种多层侧壁材料为0.25-0.8mm厚的铝，其在每一侧上与0.025-0.125mm厚的PTFE膜层合而无任何背衬层。

现在参考图5至图8，示出了水净化滤筒的另一个实施方案。示出了具有外部壳体12的UV处理滤筒，所述外部壳体具有第一外端14、第二外端16和连接第一外端和第二外端的沿纵向延伸的外部侧壁20。为清楚起见，图6中示出了中间纵向轴线21。提供滤筒流体入口22和滤筒流体出口24，其延伸穿过外部壳体12，以允许流体进入和离开UV处理滤筒。外部壳体包围单独的UV处理模块26。UV处理模块26包括内部壳体28，所述内部壳体具有模块第一端部30、模块第二端部32和连接模块第一端部30和模块第二端部32并包围UV处理腔室36的模块侧壁34。模块第一端部30邻近第一外端14。UV光发射器阵列38被定位成邻近模块第一端部或模块第二端部，将UV光引导到UV处理腔室36中。提供了都延伸穿过内部壳体28的模块流体入口40和模块流体出口42，以允许流体进入和离开UV处理模块26。UV处理滤筒还包括：内部环形空间44，其在外部侧壁20和模块侧壁34之间形成进入流动路径，将滤筒流体入口22流体地连接到模块流体入口40；以及流体离开流动路径46，其从模块流体出口42到滤筒流体出口24。

处理滤筒是快速断开式，其允许手动安装到相容歧管，所述歧管连接到供水系统。处理滤筒的手动安装允许将处理滤筒移除和安装到相容的歧管中而无需使用任何工具，诸如将其安装到现有的供水系统中所需的任何工具。因此，处理滤筒包括免工具快速断开歧管接合构件50。歧管接合构件50可选自由以下各者组成的组：卡口连接；沿径向延伸的凸耳，诸如倾斜的凸耳、螺旋凸耳或Z形螺纹凸耳；沿纵向延伸的流体滤筒入口叉齿和沿纵向延伸的流体滤筒出口叉齿；杆，其从具有流体滤筒入口和流体滤筒出口的外部壳体延伸，所述杆可为圆形的、椭圆形的或其它形状；四分之一转连接；或具有弓形底部表面的凸耳，诸如半圆形圆形截面，其用作接合凸轮以将过滤器锁定到歧管上。如本领域技术人员已知，可使用其它免工具快速断开歧管接合构件。工具自由快速断开处理滤筒和歧管通常采用一个或多个O形环53以提供流体紧密密封，而不是采用凸缘、螺纹、垫圈或用于水连接的其它密封件，它们需要紧固件和工具来收紧它们以防止漏水。O形环可定位在歧管部分、处理滤筒部分或两者上。

在一个实施方案中，歧管接合构件50包括从第一外端14沿纵向延伸的杆52，所述杆在杆的一侧具有滤筒流体入口22并且在杆的端部上具有沿纵向延伸的滤筒流体出口24。在各种实施方案中，滤筒流体入口和滤筒流体出口均可沿径向取向到杆的侧中以实现平衡的流动力，或者一者可以沿径向取向而另一者纵向取向，或者两者都可纵向取向。杆52还包括两个沿径向延伸的凸耳54，凸耳54具有下凸轮表面56，所述下凸轮表面接合相应歧管中的相容斜面，用于通过手动地使处理滤筒围绕纵向轴线旋转大约四分之一转而将处理滤筒快速断开联接到歧管。

在许多实施方案中，诸如图6或图10，第一外端14是一体式模制件，其包括顶盖，所述顶盖具有从顶盖延伸的杆52，所述杆具有歧管接合构件50、滤筒流体入口22和滤筒流体出口24。顶盖通常被旋转焊接或粘合地粘结到贮槽，所述贮槽包括第二外端16和外部侧壁20的一体式模制件。UV处理模块26可插入贮槽中，然后顶盖可以定位并粘结到贮槽，如图6和图10中最佳所见。

现在参考图7和图8，UV LED光发射器阵列38可可选地设置在UVLED壳体58中。UVLED壳体58通常可以是类似于冰球的圆柱形。UVLED壳体58的主要部件是下壳体60；上壳体62；石英或UV透明盘64；以及具有驱动器的电路板66，所述驱动器具有UV LED光发射器阵列38。

下壳体60可包含围绕下壳体60的周边设置的多个模块流体入口40。可选的导流板68可附接到下壳体60，以在导流板和下壳体之间形成模块入口流动路径70。导流板68使流体进入导流板68的中间附近，然后在旋转90度进入多个模块流体入口40之前平行于下壳体60流动。该切向流动路径有助于冷却下壳体60，下壳体60用作UV LED光发射器阵列38的散热器。下壳体60还包括电导管72或开口，所述电导管或开口将UVLED壳体连接到外部壳体12并且通过外部壳体和内部壳体将电源线和/或数据通信线通到电路板66。

在进入多个模块流体入口40之后的流体大致平行于纵向轴线通过，然后通过多个沿径向成角度的旋流端口74离开UVLED壳体58。相对于穿过纵向轴线和旋流端口的中间的线，旋流端口74成角度，并且被设计成施加向流体的径向流动分量，使得当其进入UV处理腔室36时，其围绕纵向轴线旋转和混合。这有助于确保所有进入的流体经受UV LED光照，从而增强UV处理的消毒能力。旋流端口74还可以设计成最初沿石英盘64的表面切向地引导流动，以帮助从其表面去除碎屑并帮助保持石英盘64的表面清洁。另选地，其它流体端口可用于使流体进入UV处理腔室36。

图7中示出了UVLED附近的UV处理模块的放大横截面。UVLED在处理滤筒底端处安装到印刷电路板(PCB)上，所述处理滤筒具有免工具快速断开歧管接合构件。PCB与诸如下壳体60的散热器热接触，以将由UVLED产生的热量散发到待处理的流体。这是所希望的，以防止UVLED过热，这会不利影响其输出和寿命。下壳体60可连接到螺纹管，所述螺纹管用作用于UVLED模块所需的布线的电导管72。由于UVLED安装在UVLED壳体内，并且由于UVLED壳体定位在UV处理模块的一端，因此它们的电隔离、热管理和布线比将UV灯均匀地定位在整个处理腔中简单得多。

UVLED壳体58通过使用流体密封的UVLED壳体来密封液体而使其与UV LED光发射器阵列38不接触，所述壳体具有定位在UVLED光发射器阵列38上方的石英盘64。可能优选的是使UVLED的顶部表面和石英盘的底部表面之间的气隙最小化，以使更多的UV光投射到被处理的液体中。如图7中所见，UVLED光发射器可接触石英盘的底部表面。当存在大的气隙时，从UVLED发射的一些UV光可能被石英盘反射回来并被吸收到电路板的表面或UVLED壳体58内的其它表面中，从而导致损失。另外，来自UV处理腔室36内的折射或反射的UV光可通过石英盘传递回并且也被电路板吸收。通过在面向UVLED阵列的石英盘表面上的UV透明含氟聚合物膜(诸如PTFE或THV)的帮助下使该气隙最小化，可以减少上述损失。此外，UV反射层(例如铝箔)可放置在UV透明膜下面，以将任何进入的UV朝向液体反射回。该反射膜可开孔到具有多个孔78的反射器76中，孔78的尺寸和图案与阵列UVLED的尺寸和图案匹配，以便允许从UVLED发射的UV光通过，如图8中所示。反射器放置在UVLED阵列上，其中每个UVLED定位在所述孔中的一个内。

另外，石英盘64的与液体接触的表面可覆盖有含氟聚合物层，诸如PTFE或THV。该层可为涂层或薄膜的形式。据信，此类构造提供了两个关键的好处：1.含氟聚合物可具有低表面能，其减少由于例如水垢形成而引起的表面污垢，表面污垢吸收UV光并降低输送到液体的UV能量；以及2.由于其光漫射性质，PTFE从其表面产生均匀的UV发射分布，从而更有效地处理液体。

通常希望为UVLED提供恒定电流驱动器和平衡芯片以实现最佳操作。恒定电流源有助于确保UVLED的一致光输出和可预测的UV剂量水平，同时最小化由于电压或热效应引起的可变性。对于一种电路变化，电流平衡电路可用于简化进出腔室的布线，并保持每个LED串或灯组之间的所需电流比。使用此方法对UVLED通电允许提高系统的可扩展性。在该类型的设计中，改变单个LED驱动器的电流影响该电路中的所有UVLED。但是，改变UVLED的数量不会改变UVLED的任何一个电路串中的电流。另外，如果一个UVLED发射器串失效或开路，则到另一个(一个或多个)UVLED发射器串的电流进行补偿，使得总光输出将大致相同。

参考图9，示出了用于操作UVLED阵列的电路。所需的驱动器65和平衡芯片67的数量尤其取决于电源电压。示出了具有48VDC电源电压69的一种可能布置。在该示例中，总共有26个UVLED形成UVLED阵列38，分成七个不同的串或组，每个串或组以从单个LED驱动器65和具有七个输出的单个平衡芯片67驱动的300mA的电流运行。

在一些实施方案中，UVLED可充当形成系统的UV光的发射器和检测器两者。所述系统包括配置成以辐射发射模式和辐射检测模式操作的多个装置。所述装置中的每一个在与适当的电路结合使用时，发射和检测波长和强度均具有杀菌作用的辐射。所述系统包括至少一个驱动源，其中所述多个装置中的每一个在以正向偏置配置连接到驱动源时以发射模式操作，并且在与驱动源断开时或在以反向偏置配置连接到驱动源时以检测模式操作。切换电路耦合至所述装置中的每一个并耦合至驱动源。循环电路产生一系列控制信号，所述控制信号控制开关电路在一个循环中改变装置与驱动源的连接，在所述循环中，多个装置中的一个或多个被切换到检测模式并且感测由同时以发射模式操作的多个装置中的一个或多个发射的辐射。以检测模式操作的每个装置响应于所感测的辐射产生信号。检测电路检测以检测模式操作的装置的信号，并响应于检测到的信号产生检测输出。关于UVLED的该操作模式的进一步信息包括在2016年12月19日提交的名称为“利用性能监测的消毒系统(Disinfecting System with Performance Monitoring)”的PCT申请号PCT/US2016/067442中，并且该申请通过引用的方式并入本文中。

现在参考图10至图13，示出了水净化滤筒的另一个实施方案。示出了具有外部壳体12的UV处理滤筒，所述外部壳体具有第一外端14、第二外端16和连接第一外端和第二外端的沿纵向延伸的外部侧壁20。为清楚起见，图10中示出了中间纵向轴线21。提供滤筒流体入口22和滤筒流体出口24，其延伸穿过外部壳体12，以允许流体进入和离开UV处理滤筒。外部壳体包围单独的UV处理模块26。UV处理模块26包括内部壳体28，所述内部壳体具有模块第一端部30、模块第二端部32和连接模块第一端部30和模块第二端部32并包围UV处理腔室36的模块侧壁34。模块第一端部30与第一外端14相邻，并且可选的入口腔室70存在于UV处理模块26和滤筒流体入口24之间，并且与杆52中的内部通道流体地连接到流体滤筒入口22。入口腔室70供给多个内部入口狭槽73，所述内部入口狭槽位于UVLED壳体58的顶部周边周围，以分布方式供给内部环形空间44。UVLED壳体58将入口腔室70与内部环形空间44分开，如图11中最佳所见。

UV光发射器阵列38被定位成邻近模块第一端部30，将UV光引导到UV处理腔室36中。在这个实施方案中，UV处理腔室渐缩，使得横截面在被定位成邻近第二外端16的模块第二端部32附近更小，并且横截面在模块第一端部30附近更大，从而形成渐缩的锥形。据信图10的渐缩的锥形UV处理腔室与图6的UV处理腔室相比提供以下优点：(a)UV处理腔室内部的UV光更均匀地分布，(b)通过消除与流动横截面的突然变化相关的“死区”来增强流体流动力，产生窄的停留时间分布。总之，这些优点有助于实现对病原体的窄的UV剂量分布，从而增加滤筒的微生物性能(即LRV-对数下降值)。

在操作中，优选的是，处理滤筒12取向成使得相对于重力，纵向轴线21基本上与重力对齐和/或第一外端14高于第二外端16，如图10中所示。这具有以下优点：存在的任何颗粒或碎屑不会沉积在石英或UV透明盘64的表面上并且不会阻挡或减少UV光透射到处理腔室36中。

提供了都延伸穿过内部壳体28的模块流体入口40和模块流体出口42，以允许流体进入和离开UV处理模块26。在该实施方案中，止回阀74位于模块流体入口40和UV处理腔室36之间，使得存在于UV处理腔室中的流体不会流回到内部环形空间44中。止回阀可与本文讨论的任何实施方案一起使用。这允许在不需要水时在UV处理腔室中处理水之后关闭UVLED，而没有被存在于内部环形空间44中尚未处理的水污染的风险。当需要水时，可立即从处理腔室输送水而没有任何延迟。UVLED可再次通电并处理任何新的进入处理腔室的水。

UV处理滤筒还包括：内部环形空间44，其在外部侧壁20和模块侧壁34之间形成进入流动路径，将滤筒流体入口22流体地连接到模块流体入口40；以及流体离开流动路径46，其从模块流体出口42到滤筒流体出口24。

处理滤筒是快速断开式，其允许手动安装到相容歧管，所述歧管连接到供水系统。处理滤筒的手动安装允许将处理滤筒移除和安装到相容的歧管中而无需使用任何工具，诸如将其安装到现有的供水系统中所需的任何工具。因此，处理滤筒包括免工具快速断开歧管接合构件50，如先前针对图5的实施方案所讨论。

在一个实施方案中，歧管接合构件50包括从第一外端14沿纵向延伸的杆52，所述杆在杆的一侧具有滤筒流体入口22并且在杆的端部上具有沿纵向延伸的滤筒流体出口24。在各种实施方案中，滤筒流体入口和滤筒流体出口均可沿径向取向到杆的侧中以实现平衡的流动力，或者一者可沿径向取向而另一者纵向取向，或者两者都可纵向取向。杆52还包括两个沿径向延伸的凸耳54，凸耳54具有下凸轮表面56，所述下凸轮表面接合相应歧管中的相容斜面，用于通过手动地使处理滤筒围绕纵向轴线旋转大约四分之一转而将处理滤筒快速断开联接到歧管。

现在参考图11至图13，UV LED光发射器阵列38可可选地设置在UVLED壳体58中。UVLED壳体58可为大致圆柱形的。UVLED壳体58的主要部件是下壳体60；上壳体62；石英或UV透明盘64；以及具有驱动器的电路板66，所述驱动器具有UVLED光发射器阵列38。

下壳体60可包含多个模块流体出口42。在该实施方案中，模块流体出口包括在螺纹区段之后设置在下壳体60的底部周边周围的径向狭槽，所述螺纹区段用于附接内部锥形贮槽，所述内部锥形贮槽包括模块第二端部32、模块流体入口40、检查值74和锥形模块侧壁34。因此，UV处理模块26是内部锥形贮槽和UVLED壳体58的组件。

如图12至图13中最佳所见，流体流过石英或UV透明盘64，通过形成模块流体出口42的径向狭槽42引导，然后被引导到上壳体62上。上壳体62包括多个冷却翅片76。冷却翅片用作UVLED光发射器阵列38的散热器，其设置在流体到滤筒出口24的出口流动路径中。然后，流体移动通过流体离开流动路径46到滤筒出口24。上壳体62还包括电导管72或开口，所述电导管或开口将UVLED壳体连接到外部壳体12，以通过外部壳体和内部壳体两者将电源线和/或数据通信线通到电路板66。

UVLED壳体58通过使用流体密封的UVLED壳体来密封液体而使其与UVLED光发射器阵列38不接触，所述壳体具有定位在UV LED光发射器阵列38上方的石英或UV透明盘64。可能优选的是使UVLED的顶部表面和石英盘的底部表面之间的气隙最小化，以使更多的UV光投射到被处理的液体中。当存在大的气隙时，从UVLED发射的一些UV光可能被石英盘反射回来并被吸收到电路板的表面或LED壳体58内的其它表面中，从而导致损失。另外，来自UV处理腔室26内的折射或反射的UV光可通过石英盘传递回并且也可能被吸收。通过在UV透明含氟聚合物膜(诸如PTFE或THV)的帮助下使该气隙最小化，可以减少上述损失。此外，UV反射层(例如铝箔)可放置在UV透明膜下面，以将任何进入的UV朝向液体反射回。可选地，该反射膜可开孔，孔的尺寸和图案与阵列UVLED的尺寸和图案匹配，以便允许从UVLED发射的UV光通过。可选的反射器可放置在UVLED阵列上，其中每个UVLED定位在所述孔中的一个内。

另外，石英或UV透明盘64的与液体接触的表面可覆盖有含氟聚合物层，诸如PTFE或THV。该层可为涂层或薄膜的形式。据信，此类构造提供两个关键的好处：1.含氟聚合物可具有低表面能，其减少由于例如水垢形成而引起的表面污垢，表面污垢吸收UV光并降低输送到液体的UV能量；以及2.由于其光漫射性质，PTFE从其表面产生均匀的UV发射分布，从而更有效地处理液体。

通常希望为UVLED提供恒定电流驱动器和平衡芯片以实现最佳操作。恒定电流源有助于确保UVLED的一致光输出和可预测的UV剂量水平，同时最小化由于电压或热效应引起的可变性。对于一种电路变化，电流平衡电路可用于简化进出腔室的布线，并保持每个LED串或灯组之间的所需电流比。使用此方法对UVLED通电允许提高系统的可扩展性。在该类型的设计中，改变单个LED驱动器的电流影响该电路中的所有UVLED。但是，改变UVLED的数量不会改变UVLED的任何一个电路串中的电流。另外，如果一个UVLED发射器串失效或开路，则到另一个(一个或多个)UVLED发射器串的电流进行补偿，使得总光输出将大致相同。与图9所讨论的电路相同或类似的电路可用于对UVLED阵列通电。

在一些实施方案中，UVLED可充当形成系统的UV光的发射器和检测器两者。所述系统包括配置成以辐射发射模式和辐射检测模式操作的多个装置。所述装置中的每一个在与适当的电路结合使用时，发射和检测波长和强度均具有杀菌作用的辐射。所述系统包括至少一个驱动源，其中所述多个装置中的每一个在以正向偏置配置连接到驱动源时以发射模式操作，并且在与驱动源断开时或在以反向偏置配置连接到驱动源时以检测模式操作。切换电路耦合至所述装置中的每一个并耦合至驱动源。循环电路产生一系列控制信号，所述控制信号控制开关电路在一个循环中改变装置与驱动源的连接，在所述循环中，多个装置中的一个或多个被切换到检测模式并且感测由同时以发射模式操作的多个装置中的一个或多个发射的辐射。以检测模式操作的每个装置响应于所感测的辐射产生信号。检测电路检测以检测模式操作的装置的信号，并响应于检测到的信号产生检测输出。关于UVLED的该操作模式的进一步信息包括在2015年12月22日提交的名称为“利用性能监测的消毒系统(Disinfecting System with Performance Monitoring)”的US专利申请序列号62/270861中，并且该申请通过引用的方式并入本文中。

实施例1

构建类似于图5至图9的实施方案的原型。UVLED购自纽约州特洛伊的Crystal IS。每个UVLED的杀菌功率输出为约10mW，并且总共有26个UVLED。UVLED由制造商评定为高达300mA的正向电流。在UV光谱辐射计的帮助下测量UVLED的输出波长光谱，并且发现UVLED的峰值波长为约260nm，其接近DNA吸收为最大时的波长。

测试原型处理滤筒的微生物性能。测试水参数如下：pH＝7.4-8.0，浊度＝0.14-0.23NTU，TDS＝170-280ppm，游离氯<0.02ppm，UVT@260nm＝97％，并且温度＝20℃。测试用生物体为MS-2大肠杆菌，浓度范围在1.2×10⁵和4×10⁵PFU/mL之间。

使用的测试设备在图14中示出，其具有30加仑的测试用罐78，其中测试水与测试用微生物混合。旋转隔膜泵80有助于在流动回路中循环测试用的水。通过将回水管路中的针阀82调节到测试用罐78，可以获得0-2gpm之间的任何流量。在通过原型UV处理滤筒12之后，将水收集在第二30加仑的罐84中。在样品端口86处收集处理的样品。在关闭UVLED的情况下收集未处理的样品。当UVLED开启至少三倍于停留时间时，在相同的端口收集UV处理的样品，所述停留时间定义为处理腔室36的空隙体积除以水的流量。对于原型处理滤筒，在1gpm和0.5gpm的流量下停留时间分别为12秒和24秒。在每个流量下，进行五次重复，未处理的和处理的，以确定实验可变性。获得的对数下降值(LRV)定义为：LRV＝log₁₀(N_i/N_e)，其中N_i和N_e分别是未处理和UV处理的样品的微生物浓度。评估中还包括实验对照，以确保设备和方法正常运行。

图15示出了来自原型以及来自实验对照汞灯系统(可从3M净化有限公司(3MPurification)购得的APUV2)的作为水流量的函数的对数下降值(LRV)数据。所示的LRV值是五个样品的几何平均值，而误差棒示出在特定流量下获得的最大和最小LRV。可看出，原型在0.5和1.0gpm的流速下分别得到2.2和1.3的LRV。Song等人的研究(K.Song、M.Mohseni、F.Taghipour的水研究(Water Research)，94(2016年)第341-349K页)显示在255nm UVLED下，MS2的失活速率常数为0.038cm²mJ^-1的值。将该值作为估计值，由原型处理滤筒以0.5gpm的流量递送的UV剂量可计算为2.2/0.038＝58mJ cm^-2。类似地，在1gpm下，UV剂量等于1.3/0.038＝34mJ cm^-2。为了将这些UV剂量值置于上下文中，NSF 55A类标准要求UV剂量为40mJcm^-2，其中在254nm汞灯下获得的相应LRV区也示出在图中。证明了原型UV处理滤筒的有效病毒处理。

尽管本文已参照具体实施方案描述了本发明，但应当理解，这些实施方案仅仅例示了本发明的原理和应用。对于本领域的技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，可对本发明的方法和仪器作出各种修改和变型。因此，预期的是本发明包括在所附权利要求及其等同形式范围内的修改和变型。

Claims

1.一种UV流体处理滤筒，所述UV流体处理滤筒包括：

外部壳体，所述外部壳体具有第一外端、第二外端以及连接所述第一外端和所述第二外端的外部侧壁；

滤筒入口和滤筒出口，所述滤筒入口和所述滤筒出口位于所述外部壳体上；

UV处理模块，所述UV处理模块位于所述外部壳体的内部，所述UV处理模块包括：

内部壳体，所述内部壳体具有模块第一端部、模块第二端部以及连接所述模块第一端部和所述模块第二端部并包围UV处理腔室的模块侧壁；

UV光发射器阵列，所述UV光发射器阵列将UV光引导到所述UV处理腔室中；

模块入口和模块出口；以及

内部环形空间，所述内部环形空间在所述外部侧壁和所述模块侧壁之间形成进入流动路径，从而将所述滤筒入口流体连接到所述模块入口；以及

从所述模块出口到所述滤筒出口的离开流动路径。

2.根据权利要求1所述的UV处理滤筒，其中所述外部壳体包括歧管接合构件。

3.根据权利要求2所述的UV处理滤筒，其中所述歧管接合构件包括从所述第一外端沿纵向延伸的杆、和至少一个凸耳，并且其中所述滤筒入口和所述滤筒出口两者均位于所述杆上。

4.根据权利要求3所述的UV处理滤筒，其中所述模块第一端部包括具有所述模块出口的端盖和从所述端盖延伸而形成所述离开流动路径的出口管，所述出口管设置在所述杆内，在所述杆和所述出口管之间形成第二环形空间，从而将所述滤筒入口流体连接到所述内部环形空间。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的UV处理滤筒，包括穿过所述壳体的电端口。

6.根据权利要求5所述的UV处理滤筒，其中所述电端口位于所述第一外端或所述第二外端中。

7.根据权利要求6所述的UV处理滤筒，其中所述电端口从所述第一外端延伸到所述模块第一端部或者从所述第二外端延伸到所述模块第二端部。

8.根据权利要求1所述的UV处理模块，其中所述处理腔室沿纵向轴线渐缩，所述处理腔室在所述第一模块端部或所述第二模块端部处相对于相对的模块端部具有更大的横截面区域。

9.根据权利要求8所述的UV处理模块，其中所述模块侧壁包括截头锥体，并且所述横截面区域在朝向所述第二模块端部的方向上变得更小。

10.根据权利要求8所述的UV处理模块，其中所述模块侧壁包括截头锥体，并且所述横截面区域在朝向所述第一模块端部的方向上变得更小。

11.根据权利要求8、9或10所述的处理模块，其中所述UV光发射器阵列被定位成邻近所述处理腔室的所述更大横截面区域。

12.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或11所述的处理模块，其中所述UV光发射器阵列位于流体密封的UVLED壳体中，所述流体密封的UVLED壳体设置在所述外部壳体内。

13.根据权利要求12所述的UV处理模块，其中所述流体密封的UVLED壳体形成所述模块第一端部或所述模块第二端部。

14.根据权利要求12或13所述的UV处理模块，其中所述流体密封的UVLED壳体包括UVLED透明窗口和所述UVLED壳体内的电路板，所述电路板具有所述UV LED发射器阵列。

15.根据权利要求12、13或14所述的UV处理模块，包括被定位成邻近所述UVLED壳体的导流板，以引导所述导流板和所述流体密封的UVLED壳体之间的流体流动。

16.根据权利要求12、13或14所述的UV处理模块，包括从所述密封的UVLED壳体延伸的多个冷却翅片。

17.根据权利要求12、13、14、15或16所述的UV处理模块，包括多个沿径向成角度的涡流端口，所述涡流端口引导流体流出所述UVLED壳体并且进入所述处理腔室，从而施加围绕所述纵向轴线的涡流运动。

18.根据权利要求1、12、13、14、15、16或17所述的UV处理模块，其中所述UV光发射器阵列包括反射器，所述反射器具有定位成环绕所述UV光发射器中的每一个UV光发射器的多个孔。

19.根据权利要求1所述的UV处理模块，其中所述模块侧壁为包括UV不透明层和至少一个其它层的多层复合材料。

20.根据权利要求19所述的UV处理模块，其中所述UV不透明层包含铝并且所述至少一个其它层包含聚合物。

21.根据权利要求19所述的UV处理模块，其中所述多层复合材料包括三层：包含UV透明材料的内层、包含UV不透明材料的中间层以及包含聚合物的背衬层。