CN111920998A - 一种紫外激光和led光复合杀毒装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紫外激光和LED光复合杀毒装置及方法，包括激光发射装置、杀毒净化腔室，所述杀毒净化腔室的内部上方设有扫描振镜，所述扫描振镜下方设有LED光源，所述扫描振镜与LED光源之间形成杀毒净化区，所述激光发射装置出光进入所述杀毒净化腔室内，经由扫描振镜的反射，激光光束的方向改变形成覆盖所述杀毒净化腔室空间的线性光束，所述杀毒净化腔室设有入口和出口，用于被消毒物从所述入口进入杀毒净化腔室，所述被消毒物经过杀毒净化区后从所述出口排出。利用激光能量聚焦的LED照射面积广的特点，采用激光快速杀死介质中大部分微生物，同步通过LED大范围照射进一步将介质中微生物消除干净，从而提高系统处理速率和效能。
Description
技术领域
本发明涉及空气杀毒净化技术领域，尤其涉及一种紫外激光和LED光复合杀毒装置及方法。
背景技术
随着国内新冠肺炎疫情防控已成为常态化操作，人们对空气、饮用水、食品等的健康安全也逐渐重视起来，健康无害的空气和水是品质生活的首要保障。水中含有各种病毒、细菌、寄生虫以及其他病原体，因此饮用水必须经过消毒杀菌以确保卫生安全。常见的消毒杀菌主要有化学杀毒和物理杀毒等方法，化学杀毒方法易造成有害物质残留，副作用大，对人体健康有害处；物理杀毒方法如紫外线杀毒，不需增加任何物质，没有副作用，也可与其它消毒手段联合使用，提升杀毒效果。
紫外线单光子能量高，能致使细胞内遗传物质（DNA/RNA）结构破坏或是产生活性自由基影响细胞活性，从而达到杀毒灭菌作用。当水中的细菌、病毒等受到一定剂量的UVC照射后，其细胞内部结构将被破坏，导致细胞再生无法进行，从而达到消毒和净化的目的。
现有的消毒净化设备常采用低压紫外汞灯作为紫外光源，低汞蒸汽压（<10-2Pa）灯管被电激发之后产生波长为253.7nm和185nm两条谱线，灯管附近的紫外线辐射功率密度不超过数毫瓦每平方厘米；并且由于紫外灯发散角较大，随着照射距离增加功率密度下降严重，无法在短时间内达到高强度的紫外线辐照剂量，只能通过延长照射时间或增加循环次数提高杀菌消毒的作用，降低了系统效率，难以满足快速、大量消毒杀菌的需求。其次，汞属于有毒有害的重金属，一旦汞灯报废或发生泄漏，会对环境造成严重危害。
脉冲强光能瞬间产生高强度光，也被用于消毒杀菌上，中国专利CN106044935A公开了一种脉冲强光污水消毒装置，采用脉冲强光发生装置所发射出的瞬时高强度脉冲光消灭水中各类微生物，但脉冲强光谱段较宽（200nm-1100nm），大部分谱段光没应用到杀毒上，并未更好地利用光能量，实际使用价值有限。
所以提升光的利用率有着较为重要的作用，目前紫外光产生的其它方式有LED和紫外激光器两种，其中LED发散角大，小巧轻便，系统布局灵活，但光转化效率低，工作时发热量较大；激光器能控制波长线宽在±1nm，光转化效率高并且功率密度高，但光源发散角小。
综上所述，对于目前的杀毒净化领域中现有技术存在较多缺陷，是本领域技术人员亟待改进解决的技术问题。
发明内容
本发明针对现有技术存在的缺陷，提出一种紫外激光和LED光复合杀毒装置及方法，充分利用激光点光源的聚焦、高能量特性，配合LED面光源的发散性等优势，综合利用两者各自特点，相互弥补其中的不足，实现快速高效地对环境进行杀毒净化，具有适用范围广、实用性强等特点。
一种紫外激光和LED光复合杀毒装置，包括激光发射装置、杀毒净化腔室，所述杀毒净化腔室的内部上方设有扫描振镜，所述扫描振镜下方设有LED光源，所述扫描振镜与LED光源之间形成杀毒净化区，所述激光发射装置出光进入所述杀毒净化腔室内，经由扫描振镜的反射，激光光束的方向改变形成覆盖所述杀毒净化腔室空间的线性光束，所述杀毒净化腔室设有入口和出口，用于被消毒物从所述入口进入杀毒净化腔室，所述被消毒物经过杀毒净化区后从所述出口排出。
进一步地，所述LED光源包括导热隔板和LED模组，所述LED模组设于导热隔板上，所述导热隔板设于杀毒净化腔室的中部，所述导热隔板与杀毒净化腔室的底部形成导热室，所述导热隔板与杀毒净化腔室的第一端面内壁形成导流口，所述入口和出口设于杀毒净化腔室的第二端面，所述入口位于导热隔板上方，所述出口位于导热隔板下方，所述被消毒物由入口进入杀毒净化区后，再依次经由导流口、导热室、出口排出。
进一步地，所述LED光源还包括透明光窗，所述透明光窗安装于LED光源的LED模组上，所述透明光窗为球面镜。
具体地，所述透明光窗上设有密封圈和防水密封胶进行一体化水密封装。
进一步地，所述杀毒净化腔室的内部上方还设有直线滑台，所述扫描振镜通过连接支架安装于直线滑台上。
进一步地，所述激光发射装置包括紫外激光器、传输光路镜组，所述紫外激光器出光经传输光路镜组整形后至扫描振镜。
进一步具体地，所述紫外激光器为连续或脉冲体制，所述紫外激光器出光的紫外光波段为200-355nm。
更进一步地，还包括物理沉降室，所述物理沉降室通过管道与入口连通。
根据所述的装置用于紫外激光和LED光复合杀毒的方法，包括以下步骤：
S1、激光发射装置出光经由扫描振镜的反射，激光光束的方向改变形成覆盖所述杀毒净化腔室空间的线性光束，LED光源出光和线性光束完全覆盖于杀毒净化区；
S2、待消毒的液体或气体，通过入口进入杀毒净化区消毒后，由出口排出。
更进一步地，所述激光发射装置和LED光源的总功率不小于20W，所述杀毒净化腔室为矩形体或圆柱体结构，循环处理气体量不小于200m3/h。
进一步地，待消毒的液体或气体进入杀毒净化区消毒前，进行预处理。
优选地，所述杀毒净化腔室内表面为耐腐蚀的铝材，表面经镜面抛光处理。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明综合利用激光能量聚焦的LED照射面积广的特点，采用激光快速杀死介质中大部分微生物，同步通过LED大范围照射进一步将介质中微生物消除干净，从而提高系统处理速率和效能；特别地，应用于水体杀毒灭菌时，激光可以解决紫外光在水中衰减大造成的杀菌不彻底问题，底部紫外LED对激光照射光较弱区域补充照射，可以更好的穿透水体，实现全面、彻底的杀毒。
2、本发明利用高速扫描振镜和直线滑台相配合，一方面保证激光能量聚焦，能够更好的穿透介质达到深层次消毒灭菌的目的；另一方面可将激光器辐射出的点状光源整形成覆盖杀毒室的面状光阵，实现对介质（待消毒的液体或气体）中微生物全域覆盖消杀。
3、本发明用低热阻铝、铜等金属材料和透明光窗对LED模组进行封装，并作为净化腔室隔板置于流动介质中间，低热阻材料与流动介质充分接触能快速将LED模组产生热量带出，有效解决现有大功率LED模组发热量大的问题，延长LED模组的使用寿命，同时提升LED模组出光效率。
4、通过扫描振镜与LED光源对向设置，杀毒净化腔室内表面经镜面抛光处理，可进行二次反射消杀，避免激光光束穿透水体衰减造成消杀盲区，实现杀毒净化区可以全面覆盖，杀毒灭菌率可达到99%以上；同时应用于气体消杀时，具有较高的处理效率，处理气体量不小于200m3/h。
附图说明
图1为实施例1中紫外激光和LED光复合杀毒装置的结构示意图；
图2为实施例1中紫外激光和LED光复合杀毒装置的结构示意图。
其中，1-紫外激光器、2-LED模组、3-杀毒净化腔室、4-导热室、5-扩束镜组、6-扫描振镜、7-连接支架、8-直线滑台、9-透明光窗、10-导热隔板、11-入口、12-导流口、13-出口、14-激光发射装置、15-LED光源、16-杀毒净化区、17-第一端面、18-第二端面、19-管道、20-物理沉降室。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1、图2所示，一种紫外激光和LED光复合杀毒装置，包括激光发射装置、杀毒净化腔室，所述杀毒净化腔室的内部上方设有扫描振镜，所述扫描振镜下方设有LED光源，所述扫描振镜与LED光源之间形成杀毒净化区，所述激光发射装置出光进入所述杀毒净化腔室内，经由扫描振镜的反射，激光光束的方向改变形成覆盖所述杀毒净化腔室空间的线性光束，所述杀毒净化腔室设有入口和出口，用于被消毒物从所述入口进入杀毒净化腔室，所述被消毒物经过杀毒净化区后从所述出口排出。本实施例中，杀毒装置应用于水体的杀毒，经扫描振镜反射的线性光束与LED模组垂直，扫描范围形成垂直于LED模组的扫描面，实现激光光束由线到面的覆盖杀毒净化腔室，照射方向从上至下，同时底部的LED模组形成均匀发散的面光源从下至上照射待水体，完成二次补充杀毒，其中线性光束跟出光方向垂直只是改变光束的方向的其中一个方向。
所述LED光源包括导热隔板和LED模组，所述LED模组设于导热隔板上，LED模组采用热电分离工艺集成到导热隔板，LED模组包括多个LED发光芯片，呈点阵设置，所述导热隔板设于杀毒净化腔室的中部，所述导热隔板与杀毒净化腔室的底部形成导热室，所述导热隔板与杀毒净化腔室的第一端面内壁形成导流口，所述入口和出口设于杀毒净化腔室的第二端面，所述入口位于导热隔板上方，所述出口位于导热隔板下方，所述被消毒物由入口进入杀毒净化区后，再依次经由导流口、导热室、出口排出。导热隔板同时作为杀毒净化区和导热室的隔断层，流动的水体可以形成一个冷却循环系统，有效控制LED模组的温度。具体的本实施例中，导热隔板采用低热阻铝制备，表面做防腐蚀处理，与水体充分接触，能够快速把LED模组产生的热量带走，保证LED模组工作在最适温度。
所述LED光源还包括透明光窗，所述透明光窗安装于LED光源的LED模组上，所述透明光窗为球面镜，所述透明光窗上设有密封圈和防水密封胶进行一体化水密封装。
所述杀毒净化腔室的内部上方还设有直线滑台，所述扫描振镜通过连接支架安装于直线滑台上，直线滑台为螺杆式线性模组，具有刚性高、稳定性好的特点，通过伺服电机驱动，运动速率（可调）不大于2m/s，重复定位精度不大于±0.02mm；通过螺钉将扫描振镜固定安装于连接支架上，进而可带扫描动振镜水平方向稳定往复运动，保证激光光束完全覆盖杀毒净化腔室。
所述激光发射装置包括紫外激光器、传输光路镜组，所述紫外激光器出光经传输光路镜组整形后至扫描振镜，所述传输光路镜组包括扩束镜组、扩束准直镜组、光束匀化镜组，分别用于激光光束扩束、准直和光束均匀化处理，使激光光束具有高能量、高准直性能，对水介质处理时，避免紫外光在水中衰减大造成的杀菌不彻底问题，保证水介质杀毒处理的深度，同时底部LED模组对激光照射的较弱区域进一步照射，进而保证杀毒效果，将处理效率提升至99%以上。
所述紫外激光器为脉冲体制，所述紫外激光器出光的紫外光波段为275nm，LED模组为连续紫外光，发出紫外光波段为275nm-285nm，另一实施例中紫外激光器出光的紫外光波段为222nm，可用于杀菌但对人体眼睛和皮肤基本无害，适用于人群聚集场所。
还包括物理沉降室，所述物理沉降室通过管道与入口连通，待消毒的水体先经过物理沉降室沉降、过滤处理，避免水体中的杂质进入杀毒净化腔室，对消毒过程中光线穿透水体造成影响，同时避免杂质沉降LED模组影响出光。
根据所述的装置用于紫外激光和LED光复合杀毒的方法，包括以下步骤：
S1、激光发射装置出光经由扫描振镜的反射，激光光束的方向改变形成覆盖所述杀毒净化腔室空间的线性光束，LED光源出光和线性光束完全覆盖于杀毒净化区；
S2、待消毒的液体或气体，通过入口进入杀毒净化区消毒后，由出口排出，对于水体（液体）的消杀，需先对出口或导流口进行封闭，使水体由入口注满杀毒净化腔室内，再打开出口或导流口使水体流出，需持续流动消杀时，入口和出口的水体流动速率保持相同，即保证杀毒净化区内的水位稳定。
所述激光发射装置和LED光源的总功率为40W，所述杀毒净化腔室为矩形体结构，所述杀毒净化区宽度和高度为0.5m，长度0.6m，所述杀毒净化腔室内表面为耐腐蚀的铝材，表面经镜面抛光处理，扫描振镜位于杀毒净化腔室宽度方向的中部，向杀毒净化区反射线性光束进行杀毒，扫描至杀毒净化区宽度方向时，杀毒净化腔室内表面对线性光束进行镜面反射，对宽度方向的水体进行二次消杀，避免光束穿透水体过程中衰减造成杀毒不彻底，进而全面保证了杀毒效果。
实施例2
一种紫外激光和LED光复合杀毒装置，包括激光发射装置、杀毒净化腔室，所述杀毒净化腔室的内部上方设有扫描振镜，所述扫描振镜下方设有LED光源，所述扫描振镜与LED光源之间形成杀毒净化区，所述激光发射装置出光进入所述杀毒净化腔室内，经由扫描振镜的反射，激光光束的方向改变形成覆盖所述杀毒净化腔室空间的线性光束，所述杀毒净化腔室设有入口和出口，用于被消毒物从所述入口进入杀毒净化腔室，所述被消毒物经过杀毒净化区后从所述出口排出。
所述LED光源包括导热隔板和LED模组，所述LED模组设于导热隔板上，LED模组产生的热量传导至导热隔板，导热隔板采用铜材制备，具有较好的导热性能，所述导热隔板设于杀毒净化腔室的中部，所述导热隔板与杀毒净化腔室的底部形成导热室，所述导热隔板与杀毒净化腔室的第一端面内壁形成导流口，所述入口和出口设于杀毒净化腔室的第二端面，所述入口位于导热隔板上方，所述出口位于导热隔板下方，所述被消毒物由入口进入杀毒净化区后，再依次经由导流口、导热室、出口排出。本实施例中复合杀毒装置对空气进行消毒，空气流经导热室可带走导热隔板上较多的热量，保证LED模组工作于适宜的环境温度中。
所述LED光源还包括透明光窗，所述透明光窗安装于LED光源的LED模组上，所述透明光窗为球面镜，能将LED模组发射的光整形为平行光束。
所述紫外激光器选用脉冲体制，所述紫外激光器出光的紫外光波段为275nm，LED模组为连续紫外光，发出紫外光波段为275nm- 285nm。
根据所述的装置用于紫外激光和LED光复合杀毒的方法，包括以下步骤：
S1、激光发射装置出光经由扫描振镜的反射，激光光束的方向改变形成覆盖所述杀毒净化腔室空间的线性光束，经扫描的线性光束与水平方向的夹角为45°，扫描振镜持续快速将激光光束在与水平方向的夹角为45°的面上扫描，实现激光光束由线到面覆盖激光净化腔室，LED光源出光和线性光束完全覆盖于杀毒净化区；
S2、待消毒的气体，通过入口进入杀毒净化区消毒后，由出口排出。
所述激光发射装置和LED光源的总功率为25W，所述杀毒净化腔室为矩形体结构，水平方向长度和宽度为0.6m，高度为1m，循环处理气体量为230m3/h，杀毒灭菌率可达到99%以上，并且随杀毒净化腔室高度增加1倍处理风量成比例增加1倍，所述杀毒净化腔室内表面为耐腐蚀的铝材，表面经镜面抛光处理，有效降低空气流动阻力，本实施例中复合杀毒装置用于流动的空气场景中，通过空气自然的流动对其进行消毒处理。
实施例3
本实施例与实施例2的不同之处在于：
本施例中杀毒净化腔室为圆柱体结构，直径0.8m，长度0.8m，紫外激光器出光的紫外光波段为355nm，LED模组为连续紫外光，发出紫外光波段为275nm-285nm，同时在入口安装风扇，将待消毒的气体扇入杀毒净化腔室内，同时加装筛网，筛网上网孔直径0.6mm，孔间距2mm，用于滤除待消毒的气体中的杂质，避免灰尘或其他杂质沉降LED光源光源表面，对LED光源出光造成影响。
其余内容与实施例2相同。
Claims (10)
1.一种紫外激光和LED光复合杀毒装置，其特征在于包括激光发射装置、杀毒净化腔室，所述杀毒净化腔室的内部上方设有扫描振镜，所述扫描振镜下方设有LED光源，所述扫描振镜与LED光源之间形成杀毒净化区，所述激光发射装置出光进入所述杀毒净化腔室内，经由扫描振镜的反射，激光光束的方向改变形成覆盖所述杀毒净化腔室空间的线性光束，所述杀毒净化腔室设有入口和出口，用于被消毒物从所述入口进入杀毒净化腔室，所述被消毒物经过杀毒净化区后从所述出口排出。
2.根据权利要求1所述的紫外激光和LED光复合杀毒装置，其特征在于所述LED光源包括导热隔板和LED模组，所述LED模组设于导热隔板上，所述导热隔板设于杀毒净化腔室的中部，所述导热隔板与杀毒净化腔室的底部形成导热室，所述导热隔板与杀毒净化腔室的第一端面内壁形成导流口，所述入口和出口设于杀毒净化腔室的第二端面，所述入口位于导热隔板上方，所述出口位于导热隔板下方，所述被消毒物由入口进入杀毒净化区后，再依次经由导流口、导热室、出口排出。
3.根据权利要求1或2所述的紫外激光和LED光复合杀毒装置，其特征在于所述LED光源还包括透明光窗，所述透明光窗安装于LED光源的LED模组上，所述透明光窗为球面镜。
4.根据权利要求3所述的紫外激光和LED光复合杀毒装置，其特征在于所述杀毒净化腔室的内部上方还设有直线滑台，所述扫描振镜通过连接支架安装于直线滑台上。
5.根据权利要求4所述的紫外激光和LED光复合杀毒装置，其特征在于所述激光发射装置包括紫外激光器、传输光路镜组，所述紫外激光器出光经传输光路镜组整形后至扫描振镜。
6.根据权利要求5所述的紫外激光和LED光复合杀毒装置，其特征在于所述紫外激光器为连续或脉冲体制，所述紫外激光器出光的紫外光波段为200-355nm。
7.根据权利要求6所述的紫外激光和LED光复合杀毒装置，其特征在于还包括物理沉降室，所述物理沉降室通过水管与入口连通。
8.基于一种紫外激光和LED光复合杀毒装置的杀毒方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、激光发射装置出光经由扫描振镜的反射，激光光束的方向改变形成覆盖所述杀毒净化腔室空间的线性光束，LED光源出光和线性光束完全覆盖于杀毒净化区；
S2、待消毒的液体或气体，通过入口进入杀毒净化区消毒后，由出口排出。
9.根据权利要求8所述的紫外激光和LED光复合杀毒方法，其特征在于所述激光发射装置和LED光源的总功率不小于20W，所述杀毒净化腔室为矩形体或圆柱体结构，循环处理气体量不小于200m3/h。
10.根据权利要求9所述的紫外激光和LED光复合杀毒方法，其特征在于所述杀毒净化腔室内表面为耐腐蚀的铝材，表面经镜面抛光处理。
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