CN110143642A - 一种过流式水杀菌装置及净水设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种过流式水杀菌装置及净水设备，所述过流式水杀菌装置包括入水口、杀菌腔体、UVC‑LED光源组件和出水口，所述入水口位于杀菌腔体的入口端，所述UVC‑LED光源组件位于杀菌腔体的出口端，所述出水口与杀菌腔体的出口端连接；所述杀菌腔体包括反射套管和腔体外壳，所述反射套管与腔体外壳之间设有间隙，所述间隙内填充有空气；所述UVC‑LED光源组件包括固定座，所述固定座内设有光学透镜和UVC‑LED光源模块，所述光学透镜与杀菌腔体连接，将固定座与杀菌腔体的水隔离。采用本发明的技术方案，具有更好的杀菌效果，深紫外光利用率高，杀菌率稳定，使用UVC‑LED作为光源且无需外加散热器。
Description
技术领域
本发明涉及动态水杀菌消毒技术领域，尤其涉及一种过流式水杀菌装置及净水设备。
背景技术
深紫外线，是指波长为200nm-300nm的光线，又称为UVC。深紫外线可以穿透微生物的细胞膜和细胞核，破坏DNA、RNA等遗传物质，起到灭杀微生物的效果。深紫外线可以灭杀细菌繁殖体、芽胞、病毒、真菌等，作为一种广谱高效的灭菌手段，广泛应用于净水厂、医院、工厂等。
传统的人造深紫外光源为汞灯管，因其含有重金属汞，已被《水俣公约》列为需要逐步淘汰的制品。UVC-LED作为一种新型的人造深紫外光源，凭借其绿色环保、光谱集中、使用灵活、寿命长等优点，已成为替换传统汞灯管的理想选择。
中国专利201711319222.X公开了一种过流式水杀菌消毒装置及净水设备，以及中国专利201721198600.9公开了一种杀菌装置及液体杀菌设备，上述两个专利均采用UVC-LED光源对流经管道的水进行紫外杀菌。但是，上述方案存在以下缺点：
1、杀菌率不稳定。杀菌率取决于微生物接收到的紫外剂量。水体中的微生物运动轨迹由水流决定，水流越规则，流速越稳定，则微生物接收到的紫外剂量越稳定，杀菌率越稳定。现有方案中杀菌器内水流为湍流状态，水流不规则。导致水体中微生物接收到的紫外剂量不稳定，随机性大，杀菌率不稳定。
2、深紫外光利用率低。光利用率是起到杀菌作用的深紫外光功率与总入射光功率的比值。光照均匀性越高，光的准直性越好，则光的利用率越高。现有公开的杀菌器中的UVC-LED光源部分仅依靠UVC-LED封装本身的一次光学处理和光源排布，无法同时满足光均匀性与准直性要求，光利用率偏低。
3、光源散热能力不佳。现有方案中，UVC-LED封装的热量通过实心的散热结构传导到流动水中。从UVC-LED封装到触水表面的热传导距离长，水与散热结构热交换面积小。
发明内容
针对以上技术问题，本发明公开了一种过流式水杀菌装置及净水设备，具有更好的杀菌效果，深紫外光利用率高，使用UVC-LED作为光源且无需外加散热器。
对此，本发明采用的技术方案为：
一种过流式水杀菌装置，其包括入水口、杀菌腔体、UVC-LED光源组件和出水口，所述入水口位于杀菌腔体的入口端，所述UVC-LED光源组件位于杀菌腔体的出口端，所述出水口与杀菌腔体的出口端连接；
所述杀菌腔体包括反射套管和腔体外壳，所述反射套管与腔体外壳之间设有间隙，所述间隙内填充有空气；
所述UVC-LED光源组件包括固定座，所述固定座内设有光学透镜和UVC-LED光源模块，所述UVC-LED光源模块的光照方向朝着杀菌腔体内，所述光学透镜位于UVC-LED光源模块的光照出射方向；所述光学透镜与杀菌腔体连接，将固定座与杀菌腔体的水隔离；
水从入水口进入，流经整流模块整流后，进入杀菌腔体内，UVC-LED光源组件发射的光对水进行杀菌，然后水从出水口流出。
采用此技术方案，UVC-LED光源组件经过二次光学设计，通过加装光学透镜，使从UVC-LED光源模块射出的深紫外光经过透镜或透镜组后，光线沿杀菌腔体截面均匀分布，光束接近准直。同时杀菌腔体内置的反射套管形成全反射效果，减小光线沿杀菌腔体传播过程中的损耗。反射套管和腔体外壳存在空气间隙，使得反射套管成为一个对于深紫外光而言的全反射层。
作为本发明的进一步改进，所述过流式水杀菌装置包括整流模块，所述入水口与整流模块连接，所述整流模块与杀菌腔体的入口端连接。采用此技术方案，通过加装整流模块，使水体流经整流模块后在整个杀菌腔体截面均匀分布，流线与杀菌腔体管道延伸方向平行，流体近似为匀速直线运动。这样使得微生物接收的紫外剂量稳定，杀菌率稳定。
作为本发明的进一步改进，所述整流模块包括至少一个整流构件，可以为1个、2个或2个以上。所述整流构件通过不同方向的挡板、开孔，对水流进行控制，使得经过整流模块后的水流稳定。
进一步的，所述整流构件的形状为平片状、碗状或凹槽状。所述整流构件设有导流孔，所述导流孔的形状为圆形或多边形。
进一步的，所述导流孔的排列结构为矩阵排列、等边三角形排列、或圆周阵列。
进一步的，所述整流构件包括不同方向的挡板。
进一步的，所述导流孔的方向可以与光照方向平行、垂直、或者其他夹角。
作为本发明的进一步改进，所述间隙的上、下端分别设有密封结构。
作为本发明的进一步改进，所述反射套管的材质为熔融石英玻璃、氟化钙玻璃、或是其他在深紫外波段透过率良好的材质。
作为本发明的进一步改进，所述整流构件包括第一整流构件和第二整流构件，所述第二整流构件位于第一整流构件的下方，所述第一整流构件为凹槽形状，所述第一整流构件与入水口同轴心；所述第二整流构件为多孔板，所述多孔板的中间开孔疏、边缘开孔密。采用此技术方案，把水流流动方向从垂直于管路方向调整为与管路一致，且整个截面各位置的水流速度保持一致，这样有利于增加杀菌时间，以及杀菌稳定性。
进一步的，整流构件的导流孔的排布可以通过流体软件模拟设计。
作为本发明的进一步改进，所述光学透镜的材料可为熔融石英玻璃、氟化钙玻璃、或是其他在深紫外波段透过率良好的材质。
作为本发明的进一步改进，所述光学透镜的数量可为1个、2个或2个以上。
进一步的，所述光学透镜为平面透镜、球面透镜、非球面透镜或至少两种的组合透镜组。
作为本发明的进一步改进，UVC-LED光源模块的辐射波长在265-285nm之间，封装数量可为1颗或多颗阵列。
作为本发明的进一步改进，所述光学透镜包括第一光学透镜和第二光学透镜，所述第二光学透镜位于第一光学透镜的上方，所述第一光学透镜为非球面透镜，所述第二光学透镜为平面透镜，所述第二光学透镜位于UVC-LED光源模块的上方，所述第一光学透镜和第二光学透镜之间设有空气介质；所述第二光学透镜与杀菌腔体连接。
所述第二光学透镜的目的是透光与隔水，维持光学透镜第一光学透镜和第二光学透镜之间的空气介质，提供第一光学透镜上表面的折射环境，因为深紫外光在石英玻璃中的折射率与水中的折射率很接近，若第一光学透镜的上表面直接与水接触，其对光线的控制作用将被极大削弱。
作为本发明的进一步改进，所述过流式水杀菌装置包括光源管，所述光源管的一端与杀菌腔体的出口端连接，所述光源管的另一端与出水口连接，所述UVC-LED光源组件位于光源管内。
作为本发明的进一步改进，所述UVC-LED光源组件包括电路板，所述UVC-LED光源模块与电路板电连接。
作为本发明的进一步改进，所述UVC-LED光源模块的背部或侧壁设有散热流道，所述散热流道与光源管连通。利用被杀菌水体带走光源发出的热量，不需外加其它散热装置；散热流道与光源距离短，同时多条散热流道增加了水体与散热器的换热面积，光源散热效果好。
作为本发明的进一步改进，所述散热流道位于UVC-LED光源模块的背部，所述散热流道为至少一条，所述散热流道的截面形状为圆形或多边形。
作为本发明的进一步改进，所述散热流道覆盖UVC-LED光源模块背部50%以上的区域。
作为本发明的进一步改进，所述散热流道的流道方向可与UVC-LED光源模块的焊接平面平行或呈一定角度。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
采用本发明的技术方案，通过加装透镜组将UVC-LED光源射出的深紫外光线进行准直，将大部分深紫外光线垂直照射在杀菌腔体内，少部分散射出去的光经反射套管反射回杀菌腔体，最大程度地提高光利用率。
进一步的，通过加装整流结构部件使水流均匀，流经杀菌腔体的水体能得到充分的深紫外光照射，杀菌性能稳定。
进一步的，使用散热流道，利用被杀菌水体带走UVC-LED光源散发出的热量，节能高效，延长UVC-LED光源寿命。
本发明还公开了一种净水设备，其包括如上任意一项所述的过流式水杀菌装置。
附图说明
图1是本发明一种过流式水杀菌装置的结构示意图。
图2是本发明一种过流式水杀菌装置的整流部分的结构示意图。
图3是本发明一种过流式水杀菌装置的杀菌部分的结构示意图。
图4是本发明一种过流式水杀菌装置的散热部分的结构示意图。
附图标记包括：
1-入水口，2-整流模块，21-第一整流构件，22-第二整流构件，3-杀菌腔体，31-反射套管，32-腔体外壳，4-UVC-LED光源组件，41-第一光学透镜，42-第二光学透镜，43-UVC-LED光源模块，44-散热流道，5-出水口，6-光源管。
具体实施方式
下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
实施例1
如图1所示，一种过流式水杀菌装置，其包括入水口1、整流模块2、杀菌腔体3、UVC-LED光源组件4、光源管6和出水口5，所述入水口1与整流模块2连接，所述整流模块2与杀菌腔体3的入口端连接，所述UVC-LED光源组件4位于光源管6内、且位于杀菌腔体3的出口端，所述与杀菌腔体3的出口端与光源管6连接；所述光源管6与出水口5连接；所述杀菌腔体3包括反射套管31和腔体外壳32，所述反射套管与腔体外壳32之间设有间隙，所述间隙内填充有空气，所述间隙的上端和下端用密封圈进行防水。
所述UVC-LED光源组件4包括固定座，所述固定座内设有光学透镜和UVC-LED光源模块43，所述UVC-LED光源模块43的光照方向朝着杀菌腔体3内，所述光学透镜位于UVC-LED光源模块43的光照出射方向；所述光学透镜与杀菌腔体3连接，将固定座与杀菌腔体3的水隔离。
水从入水口1进入，流经整流模块2整流后，进入杀菌腔体3内，UVC-LED光源组件4发射的光对水进行杀菌，然后水从出水口5流出。
进一步的，所述整流模块2包括至少一个整流构件，所述整流构件的形状为平片状、碗状或凹槽状，所述整流构件设有导流孔，所述导流孔的形状为圆形或多边形；所述导流孔的排列结构为矩阵排列、等边三角形排列、或圆周阵列。
进一步的，所述光学透镜为平面透镜、球面透镜、非球面透镜或至少两种的组合透镜组。
进一步的，所述UVC-LED光源模块43的背部或侧壁设有散热流道44，所述散热流道44与光源管6体连通。
实施例2
如图1和图2所示，在实施例1的基础上，所述整流构件包括第一整流构件21和第二整流构件22，所述第二整流构件22位于第一整流构件21的下方，所述第一整流构件21为凹槽形状的圆形结构件，所述第一整流构件21与入水口1同轴心，第一整流构件21上开数个孔导流。第一整流构件21对入口处的高速水流进行阻挡缓冲，同时引导水流散布开来，进入第二整流构件22。所述第二整流构件22为圆形的多孔板，所述多孔板的中间开孔疏、边缘开孔密，作用是把水流流动方向从垂直于管路方向调整为与管路一致，且整个截面各位置的水流速度保持一致；有利于增加杀菌时间，以及杀菌稳定性。进一步的，所述第二整流构件22的导流孔的排布通过流体软件模拟设计。
实施例3
如图1和图3所示，在实施例2的基础上，所述光学透镜包括第一光学透镜41和第二光学透镜42，所述第二光学透镜42位于第一光学透镜41的上方，所述第一光学透镜41为两面均为非球面的熔融石英透镜，所述第二光学透镜42为双平面熔融石英透镜，所述第二光学透镜42位于UVC-LED光源模块43的上方，所述第一光学透镜41和第二光学透镜42之间设有空气介质。UVC-LED光源模块43与第一光学透镜41的距离尽可能短，以提升光利用率。进一步的，光经第一光学透镜41后，出射光线的光束角在10°以内，截面光均匀度在90%以上。
所述第二光学透镜42目的是透光与隔水，维持第一光学透镜41与第二光学透镜42之间的空气介质，提供第一光学透镜41上表面的折射环境。
所述反射套管31的材质为熔融石英玻璃。其内部充满水体，其外部与腔体外壳32存在空气间隙，使得反射套管31成为一个对于深紫外光而言的全反射层。通过第二光学透镜42后，进入杀菌腔体3的光线中，未准直的散射光照射到反射套管31后被全反射会水体中继续向前传播，减少了深紫外光的在杀菌腔体3中传输的沿程损耗。
实施例4
如图1和图4所示，在实施例3的基础上，所述散热流道44位于UVC-LED光源模块43的背部的贯通型通道，所述散热流道44为三条（不限于三条）。所述散热流道44的截面形状为圆形。圆形上端到UVC-LED光源模块43底部的距离尽可能小，以减小热传导路径。同时三条散热流道44覆盖了光源基板下部50%以上的截面区域，与水的换热面积大，进一步提升了散热性能。
采用该过流式水杀菌装置，输出波长为250-280nm的 LED，LED电功率为4W，水的流量为2升每分钟时，经过测试，出水口的水的大肠杆菌的杀菌率达99.9999%。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种过流式水杀菌装置，其特征在于：其包括入水口、杀菌腔体、UVC-LED光源组件和出水口，所述入水口位于杀菌腔体的入口端，所述UVC-LED光源组件位于杀菌腔体的出口端，所述出水口与杀菌腔体的出口端连接；
所述杀菌腔体包括反射套管和腔体外壳，所述反射套管与腔体外壳之间设有间隙，所述间隙内填充有空气；
所述UVC-LED光源组件包括固定座，所述固定座内设有光学透镜和UVC-LED光源模块，所述UVC-LED光源模块的光照方向朝着杀菌腔体内，所述光学透镜位于UVC-LED光源模块的光照出射方向；所述光学透镜与杀菌腔体连接，将固定座与杀菌腔体的水隔离；
水从入水口进入，流经整流模块整流后，进入杀菌腔体内，UVC-LED光源组件发射的光对水进行杀菌，然后水从出水口流出。
2.根据权利要求1所述的过流式水杀菌装置，其特征在于：其包括整流模块，所述入水口与整流模块连接，所述整流模块与杀菌腔体的入口端连接；
所述整流模块包括至少一个整流构件，所述整流构件的形状为平片状、碗状或凹槽状，所述整流构件设有导流孔，所述导流孔的形状为圆形或多边形；所述导流孔的排列结构为矩阵排列、等边三角形排列、或圆周阵列。
3.根据权利要求1所述的过流式水杀菌装置，其特征在于：所述间隙的上、下端分别设有密封结构，所述反射套管的材质为熔融石英玻璃或氟化钙玻璃。
4.根据权利要求2所述的过流式水杀菌装置，其特征在于：所述整流构件包括第一整流构件和第二整流构件，所述第二整流构件位于第一整流构件的下方，所述第一整流构件为凹槽形状，所述第一整流构件与入水口同轴心；所述第二整流构件为多孔板，所述多孔板的中间开孔疏、边缘开孔密。
5.根据权利要求1所述的过流式水杀菌装置，其特征在于：所述光学透镜为平面透镜、球面透镜、非球面透镜或至少两种的组合透镜组。
6.根据权利要求5所述的过流式水杀菌装置，其特征在于：所述光学透镜包括第一光学透镜和第二光学透镜，所述第二光学透镜位于第一光学透镜的上方，所述第一光学透镜为非球面透镜，所述第二光学透镜为平面透镜，所述第二光学透镜位于UVC-LED光源模块的上方，所述第一光学透镜和第二光学透镜之间设有空气介质。
7.根据权利要求1~6任意一项所述的过流式水杀菌装置，其特征在于：其包括光源管，所述光源管的一端与杀菌腔体的出口端连接，所述光源管的另一端与出水口连接，所述UVC-LED光源组件位于光源管内。
8.根据权利要求7所述的过流式水杀菌装置，其特征在于：所述UVC-LED光源模块的背部或侧壁设有散热流道，所述散热流道与光源管连通。
9.根据权利要求8所述的过流式水杀菌装置，其特征在于：所述散热流道位于UVC-LED光源模块的背部，所述散热流道为至少一条，所述散热流道的截面形状为圆形或多边形。
10.一种净水设备，其特征在于：其包括如权利要求1~9任意一项所述的过流式水杀菌装置。
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