CN113412240A - 紫外光消毒系统 - Google Patents

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Abstract

一种UV光消毒系统，其中，UV光沿着高反射管的壁分布。在一些实施例中，UV光消毒系统是柔性的。在至少一个实施例中，UV光消毒系统包括至少一个UV‑LED，位于高反射管外部。在示例性实施例中，反射管包括多个开口，这些开口被布置成使每个开口与相应的UV‑LED位置相邻，使得相应UV‑LED产生的UV光能够穿过开口并进入反射管。UV光沿着反射管的长度散射，以防止或消除生物膜的存在，并对管内的细菌和病原体进行消毒、灭菌和净化。本公开亦提供了减缓水管中生物膜生长的方法。

Description

紫外光消毒系统
本发明总体上涉及紫外线消毒系统，更具体地涉及用于在流体系统中减少或消除生物膜和/或消灭病原体的应用中使用的内嵌紫外光消毒系统
背景技术
生物膜是微生物的结合体，其中微生物细胞在有生命或无生命的表面上相互粘附。细菌生物膜在自然界具有传染性，因此，在空气、水、食品和医疗卫生行业中，它们代表着相当大的卫生风险。例如，当累积的生物量对水管系统中的流量造成限制时，生物膜也可能造成经济损失。
众所周知，暴露于紫外线(UV)光，特别是对应于波长在约100nm到约400nm之间的电磁辐射之下，会导致多种材料的降解，包括生物材料。暴露在UV光下可以分解DNA，使细胞无法再生。此外，UV光可以降解毒素，这使得紫外线可以用于消毒或净化目的。因此，UV光在空气、水、食品、饮料和血液成分的消毒方面得到了应用。
此外，UV光可用于传统的水管和管道系统。然而，传统的UV处理不能提供整个管道的残余物消毒。UV光只能在其对病原体造成妨碍的地方进行消毒。因此，在并未暴露在UV光下的地方，水龙头、淋浴头、排水管和管道可能会受到感染。在水工业中，传统的、设计良好的处理系统将UV光源放置在尽可能靠近使用点的位置。但是，由于尺寸限制，传统的紫外线消毒系统通常不能直接安装在使用点出口。例如，在水龙头中，UV消毒系统通常安装在柜台下方。尽管这样的消毒系统可以有效地对流经UV消毒系统的水进行消毒，但UV光发光区之后的最后几英尺管道(例如水龙头本身)将无法被消毒。因此，存在在水离开水龙头之前，在管道和水龙头表面积聚生物膜的风险。
美国专利9,586,838公开了一种用于净化流经管道的流体的基于LED的系统，该系统包括用于将该系统安装在该管道上的装置；外壳；柔韧载体结构，该柔韧载体结构包括多个LED，该多个LED被布置为与该结构的第一表面齐平并且被配置为发射在UV范围内的辐射，其中，当该系统安装在管道上时，该结构可拆卸地布置在该外壳内，并且该结构在该外壳内呈大致管状，其中该第一表面界定有净化腔室，其中该净化腔室与该管道流体连通(fluid communication)，使得流经该管道的流体在被分配之前，穿过净化腔室，在该净化腔室中，流体暴露于通电LED的UV辐射。
美国公开2017/0281812描述了用紫外辐射处理流体输送导管的方法。一种光导单元，可操作地耦合到一组紫外辐射源上，包围流体输送导管。该光导单元将从紫外辐射源发射的紫外辐射引导向流体输送导管的外表面上的紫外透明节段。所发射的紫外辐射穿过紫外透明节段，穿透流体输送导管，并且照射内壁。一个控制单元调整紫外线辐射源的一组操作参数，作为从流体输送导管内壁清除污染物的机能之一。
因此，持续存在改进UV处理系统的需求，尤其是从表面去除生物膜的需求。
发明内容
本发明的一个目的是减轻或消除可能导致水系统中的水龙头、淋浴头、排水管和管道感染的生物膜的存在。另一目的是提供一种柔性且被成形(例如管状)使得能够安装在诸如鹅颈水龙头的狭窄空间内的UV光消毒系统。进一步的目的是提供一种可在两种模式下操作的UV光消毒系统：在介质流经管道时对病原体进行消毒的高功率模式；以及减轻管壁生物膜的生长的低功率模式。
附图说明
附图被包括以提供对本公开的进一步理解，并且附图被包含到本说明书中并构成本说明书的一部分，示出实施例，并且与说明一起用于解释本公开的原理。
图1是根据至少一个实施例的UV光消毒系统的侧截面图的示意图；
图2a是根据至少一个实施例的UV光消毒系统的圆形反射器的端部横截面图的示意图；
图2b是根据至少一个实施例的UV光消毒系统的方形反射器的端部横截面图的示意图；
图3是根据至少一个实施例的UV消毒管内光的强度分布的辐照度与距离的图形图示；
图4是根据至少一个实施例的UV消毒管内光的强度分布的对数图的图示；
图5a是描绘根据至少一个实施例的、具有彼此隔开一定距离(Δx)的两个LED的UV消毒管的图的示意图；
图5b是描绘根据至少一个实施例的、图5a所描绘的管道中90％和99％漫反射壁的光的强度分布对数图的图形图示；
图6a是描绘根据至少一个实施例的积分球内的UV光路径的示意图；
图6b是描绘根据至少一个实施例的从所有角度受到UV光照射的病原体的DNA的示意图；
图7是描绘根据至少一个实施例的来自各种PTFE材料的总漫反射率的图形图示；
图8是描绘根据至少一个实施例的具有集成UV-LED阵列的UV消毒管的示意图；
图9a是根据至少一个实施例的放置在反射器壁中的开口中并且被密封剂覆盖的UV-LED的侧截面图的示意图；
图9b是根据至少一个实施例的放置在反射器壁中的开口中并且用密封剂和按钮膜覆盖的UV-LED的侧截面图的示意图；
图10是描绘根据至少一个实施例的放置在反射器壁中的开口中的UV-LED的侧截面视图的示意图，该反射器壁被密封剂和内部透明管覆盖；
图11是根据至少一个实施例的放置在内部透明管的外部的UV-LED条和围绕定位在内部透明管上的UV-LED条的外部反射管的侧截面图的示意图；
图12是根据至少一个实施例的UV光消毒系统的侧截面图的示意图；
图13是描绘根据至少一个实施例的UV光消毒管内的UV光线路径的示意图；
图14是根据至少一个实施例的UV光消毒系统和形成透明窗的方法中的形成工具的侧截面图的示意图；
图15a是描绘根据至少一个实施例的用于形成具有圆形横截面的透明窗的形成工具的示意图；
图15b是描绘根据至少一个实施例的用于形成具有矩形横截面的透明窗的形成工具的示意图；
图16是根据至少一个实施例的UV光消毒系统的侧截面图的示意图；
图17是描绘根据至少一个实施例的具有集成UV-LED阵列的UV消毒管的示意图；
图18a是描绘根据至少一个实施例的用于测量穿过管直径的强度分布的装置的示意图；
图18b是根据至少一个实施例的、根据图18a的装置测量的强度分布，其示出均匀“顶帽”分布曲线；和
图19是描绘根据至少一个实施例的容纳UV消毒管的鹅颈龙头的侧截面图的示意图。
具体实施方式
本领域技术人员将容易理解，本公开的各个方面可以通过配置用来执行预期功能的任意数量的方法和装置来实现。还应注意，本文中提及的附图不一定按比例绘制，并且可能被夸大以说明本公开的各个方面，并且在这方面，附图不应被解释为限制性的。诸如“上”“下”“上”“左”“右”“前”和“后”等方向参考旨在指代组件和方向所参考的图(一个或多个图)中所示和描述的方向。
本发明提供一种UV光消毒系统，其中UV光沿着高反射管壁分布，以对流经管道的介质中的病原体进行消毒，并减轻管壁上生物膜的生长。可供选择地，该UV光消毒系统是柔性的。在至少一个实施例中，UV光消毒系统包括至少一个UV-LED，位于高反射管外部。在一些示例性实施例中，反射管包括多个开口，这些开口被布置成使每个开口与相应的UV-LED位置相邻，使得相应UV-LED产生的UV光能够穿过开口并进入反射管。在其他示例性实施例中，反射管包括多个透明窗口，这些窗口被布置成使每个窗口与相应的UV-LED位置相邻，使得相应UV-LED产生的UV光能够穿过窗口并进入反射管。UV光沿着反射管的长度散射，以防止或消除生物膜的存在，并对管内的细菌和病原体进行消毒、灭菌和净化。本公开亦提供了减缓水管中生物膜生长的方法。
示例的柔性UV光生成系统包括那些包含具有多个UV-LED的柔性电路的系统。柔性电路可以包括多个导体，其中每一个UV-LED被定位成与多个导体中的至少一个独立电气连通。应当理解，多个UV-LED可以被布置为阵列，并且如本公开中所使用的术语阵列可以对应于多个对象(诸如UV-LED和导体)的空间分布，其中对象中的一个或多个连接到和/或附接到阵列中的其他对象，诸如通过电气连接。UV-LED阵列可以是规则的或非规则的，这意味着对象可以是均匀分布的或非均匀分布的。示例阵列可以对应于带状电缆、柔性电路或扁平柔性电缆，其具有沿带状电缆、柔性电路或扁平柔性电缆的不同位置附接的UV-LED。
图1是根据至少一个实施例的UV光消毒系统的侧截面图的示意图。反射管2由由高反射性材料形成的管壁10和内径3限定。反射管2具有开放的内部区域。内径可以在约3/8英寸到约2英寸、或者从约1/8英寸到10英寸以上的范围内。在一些实施例中，高反射性材料主要是具有最小镜面反射的漫反射。方向箭头4指示水或空气在高反射管2中的流动。
至少一个UV-LED 5安装在反射管2的外表面上，使得从UV-LED 5发射的UV光穿过反射管2的外壁中的开口6并撞击反射管2的内壁18。之后，UV光沿着高反射管壁10反射和散射，如下文详细描述。UV消毒系统1的横截面如图2a所示。图1所示的管状系统的横截面通常为圆形。然而，应当理解反射管2并不限于圆柱体，并且实际上可以由任何几何形状形成。例如，图2b描绘了矩形横截面管11。还应理解，UV光消毒系统1本质上可以不是线性的，并且在高反射管2、11内可以包括曲线。并且，开口6可以由各种形状形成，包括圆形、椭圆形、三角形、正方形、矩形、菱形和其它类似形状。开口的大小也可以不同，但足以使来自UV-LED 5的光通过。
传统上，为了对流经水中的病原体进行消毒，需要约40mJ/cm2或40mW/sec·cm2的流量率。已经确定，通过使用本文所述的紫外光消毒系统，较低的辐照度水平(诸如约100nW/cm2或更高数量级)可以减轻或消除表面(诸如反射管2的内表面10)上生物膜的生长。也已经确定，可以通过使用反射管2来防止或消除生物膜，该反射管2包含可始终保持开启的UV-LED。例如，在一个实施例中，当水流动时，高功率模式打开。当水被切断，UV-LED保持打开，但处于较低的功率水平。因此，如果始终都是高反射管2，UV光则沿内壁18散射。可通过调节流经UV-LED的电流来实现两种操作模式(即高功率和低功率)之间的切换。这可以通过手动或自动电路来实现。
UV光消毒系统1的光分布是使用TracePro(一种商用光学光线跟踪软件包)建模的。图3是描绘当1mW输出功率点源安装在管的外表面时0.5”内径管在管壁10上的各种漫反射率下的光分布的图示。如图3所示，在总漫反射率为80％时，光仅延伸几厘米，而在漫反射率为99％时，则延伸几十厘米。
本发明的一个目的是减缓高反射管2的内壁10上生物膜的生长。UV光必须沿反射管2的内壁10延伸多远取决于防止生物膜生长所需的强度或辐照度。这取决于细菌的类型以及UV源的波长。Salters和Piola在他们的文章“UVC光防污”中指出，在表面处需要非常低的功率水平，约为1mW/m2，相当于100nW/cm2。
图4描绘了与图3所示相同的曲线图，但是是对数尺度。图4显示，在90％漫反射下，在辐照度下降到100nW/cm2之前，1mW点光源在每个方向上达到20cm，总跨度为40cm。在99％反射率下，总跨度为120cm。
图5a是根据至少一个实施例的UV光消毒系统的侧截面图的示意图；UV消毒系统12与图1中描绘的UV消毒系统1相同，只是两个UV-LED 5附接到高反射管2的外表面并且使得这两个UV-LED与开口6对准。应当理解，可以在沿着管2的长度的表面上安装两个以上的UV-LED，诸如使用UV-LED阵列。UV-LED 6彼此隔开一距离Δx。方向箭头4指示水或空气流过高反射管2中的流动，反射管2的直径由附图标记3表示。
图5b是图5b所示出的消毒系统12的光分布的图示，该光分布为UV-LED6之间的距离为25cm时的90％漫反射壁与UV-LED 6之间的距离为100cm时99％漫反射壁的光分布。在UV LED 6之间等距，光辐照度下降到最小强度水平，在这种情况下，约为2uW/cm2。高反射管表面壁上的最小强度水平需要高于防止生物膜生长所需的强度水平，在本示例中，该强度水平比防止生物膜形成所需的最小估计辐照度水平100nW/cm2高一个数量级。
为了使用UV光来防止在表面生长生物膜，UV光消毒系统的设计必需确保从UV-LED光源发射的光到达所有需要消毒的表面。实现这一目标的最有效方法是使用高漫反射材料。具有镜面反射的材料不会将UV光线分散到足以将UV光功率均匀分布到所有所需表面的程度。因此，使用镜面反射材料可以创建高光强度区域和低光强度区域(例如“热”点和“冷”点)。低光强度区域是生物膜可能生长的区域。
本发明的光学设计方法类似于使用高漫反射材料的光学积分球。图6a所示的示意图描绘了光14从一个球体或者圆柱体27的内壁16上的散射。在100％漫反射壁的理想情况下，每个微体积中都存在来自所有角度的相同光子通量，从而在球体或圆柱体27的整个体积中实现均匀的通量率。此外，球体或圆柱体27内部体积的所有表面也受到相同辐照度水平的光的撞击，因此不存在冷斑。这种方法也有利于在水或液体介质中对病原体进行消毒。图6b描绘了病原体20，其中紫外光22从各个角度撞击病原体20上，这比仅从一侧用UV光撞击病原体20更有效地灭活病原体中的DNA。
在至少一个实施例中，UV光消毒系统使用高反射性材料。例如，UV光消毒系统可以使用反射率大于80％或大于90％的材料，其中全反射的漫反射成分大于90％，镜面反射成分小于10％。例如，如果全反射为90％，则反射由最小81％漫反射或最大9％漫反射组成。
可以通过多种不同的方法制造漫反射UV反射率80％或者更高的反射管。一种示例性方法是以螺旋或纵向方式将具有高漫反射率的膜进行包裹以形成螺旋包裹管，如Donhowe等人的PCT专利申请号PCT/US2017/06559所讨论。形成反射管的另一示例性方法是通过挤压。通过挤压形成的聚四氟乙烯(PTFE)管的示例性实施例，在House等人的美国专利第5620763号中有描述。
形成光学管的第三示例性方法是通过静电纺丝。静电纺丝是指通过在表面上沉积小串聚合物来形成垫子、管子或其他形状的过程。生产过程使用带电的电学力熔化聚合物溶液，以生产亚纳米或纳米尺寸的纤维。所生产的纤维的特定排列可用于制造高漫反射材料，例如90％或更高。该高漫反射材料随后可被包裹成管状形状，如Donhowe等人的PCT专利申请号PCT/US2017/06559所描述。替代地，静电纺丝工艺可用于直接形成管，而不需要后续的包裹。Anneaux等人的美国专利第8178030号描述了以PTFE静电纺丝形成管的工艺。
可用于UV光消毒系统中的材料具有高反射系数，诸如大于约80％反射率、大于90％反射率或大于约98％反射率。在示例性实施例中，该材料在UV光辐射下也不表现出降解。许多聚合物在UV光下会降解，并表现出发黄和吸收增加。表现出低吸水性和疏水性的高漫反射材料亦为可取。
多种材料是用于构建UV光消毒系统的候选。适用于反射管中的聚合物包括但不限于氟聚合物、聚酰亚胺、聚烯烃、聚酯、聚氨酯、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯或其变体或组合。示例性聚合物包括但不限于聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚萘二甲酸乙二酯(PEN)、聚醚醚酮(PEEK)、环烯烃共聚物(COC)、聚碳酸酯(PC)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、氯丁橡胶、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氯乙烯(PVDC)，偏氯乙烯-氯乙烯共聚物、氯乙烯共聚物、偏氟乙烯聚合物、聚偏氟乙烯(PVDF)、氟化乙烯-丙烯(FEP)、全氟烷氧基烷烃(PFA)或聚四氟乙烯(PTFE)。
在一些实施例中，聚合物是膨胀聚四氟乙烯(ePTFE)。膨胀聚四氟乙烯(ePTFE)的优点在于其疏水性、低吸水性、在紫外光谱中的低光(例如波长在200nm到400nm之间的光)吸收，并且可以使其具有高漫反射系数。图7是描绘各种形式ePTFE的反射系数的图示。如图7所示，商用产品
Figure BDA0003202094210000081
DRP在紫外线(UV)光谱中表现出99％的总漫反射率。
在一些实施例中，反射管可以包含膨胀聚四氟乙烯ePTFE材料或由该材料形成。在一些实施例中，反射管包括薄金属膜。在一些实施例中，反射管是铝。铝是一种典型的金属，与其它金属相比，其在UV光谱中表现出更高的反射率。
在一些实例中，反射管是铝填充氟聚合物。在一些实施例中，反射管是铝填充PET。在一些实施例中，反射管是铝填充PVC。在一些实施例中，反射管是铝填充PVC。在一些实施例中，反射管是铝填充PC。
在一些实施例中，反射管是铝填充的ePTFE。
在一些实施例中，反射管壁包括电介质叠层。在一些实施例中，反射管包括多孔层。在一些实施例中，反射管可以是不同层的组合。在一个示例性实施例中，反射管是由铝箔层包围的ePTFE内层。
在本公开的一些实施例中，UV光消毒系统的构建包括在反射管的外表面上安装UV光源，诸如UV-LED(发光二极管)。图8描绘了示例性UV光消毒系统的示意图。如图所示，UV光消毒系统包括具有反射内表面10的反射管2、和位于反射管2外表面上的集成UV-LED阵列。由于管2的壁具有高反射系数，因此需要开口以使UV-LED发射的光能进入到管2的内部并且撞击到与UV-LED相对的壁上。反射管2中的开口可以通过诸如激光切割、冲模或钻孔等各种工艺在管2上切出开口来形成。或者，可以在包裹过程中形成开口，如Donhowe等人的PCT专利申请号PCT/US2017/065590中所描述。
UV光消毒系统中使用的UV-LED可安装在一条带上，该条带可包括为UV-LED供电所需的电路。该条带可以是柔性印刷电路板，或者，该条带可以是刚性的。此外，该条带可包括散热器以使该UV-LED得以冷却。UV-LED条带可包括一个或多个LED，诸如以阵列的形式。UV-LED之间的距离(ΔX)可以从数厘米到一米不等。UV-LED条带可以用粘合剂或者其它固定方法安装在反射管上，诸如在反射管和UV-LED条带或阵列周围包裹另一种材料。
UV-LED条带或阵列上的UV-LED之间的中距或间距、以及UV-LED所对齐的反射管壁中的相应开口是预先确定的，并且基于在整个高反射管中保持最小辐照度水平所需的光学设计，如图5a所示。UV光消毒系统的结构需要防水密封设计，一些应用要求在压力高达200psi时不漏水。一个潜在的泄漏点是UV-LED所在侧壁上的开口。在图9a中总体描绘的UV光消毒系统30的一个实施例中，反射管2中的开口填充有密封剂7。密封剂7可向UV-LED5提供防水性或其它环境保护。在一些实施例中，密封剂7粘附到开口的侧壁以及UV-LED 5上。密封剂7可由溶剂基材料或树脂形成。示例性封装材料包括氟化乙烯丙烯(FEP)、全氟烷氧基烷烃(PFA)、四氟乙烯、六氟丙烯和偏氟乙烯(THV)的三元共聚物、FEP和聚乙烯(EFEP)的共聚物以及硅酮。方向箭头4指示水或空气在高反射管2中的流动，反射管2的直径由附图标记3表示。
图9b中示出了UV光消毒系统的替代实施例。UV光消毒系统40包括反射管2、紫外光LED 5、密封剂7和透明膜按钮8。透明膜按钮8具有开口的形状和大小，并且放置在密封剂7和UV-LED 5与管开口之间。方向箭头4表示水或空气在高反射管2中的流动，反射管2的直径由附图标记3表示。
在实践中，将具有开口6的反射管2放置在临时心轴上，然后将按钮膜8和密封剂7添加到开口中。然后将UV-LED条带或阵列对准并放置在开口6上。在示例性实施例中，密封剂7填充开口6使得没有气穴存在。在其它实施例中，密封剂7粘附于透明按钮膜8、管2表面中的开口6和UV-LED 5。按钮膜8覆盖反射管2中的开口，并且位于反射管2的内表面18上。
另一种防止漏水的方法是在高反射管周围包裹一层薄膜，包括其中的开口。在一些实施例中，该薄膜具有光学透明性。然后将UV-LED条带与反射管2表面上的开口对准，并压在反射管2的表面上，使得UV-LED 5推压在透明膜上。在一些实施例中，透明膜是弹性的或具有某种弹性以符合UV-LED结构。示例性膜包括聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯(FEP)、全氟烷氧基烷烃(PFA)、四氟乙烯、六氟丙烯和偏氟乙烯(THV)的三元共聚物、FEP和聚乙烯(EFEP)的共聚物。
图10中描绘了UV光消毒系统的另一实施例。光学透明内管9用于形成密封管，该密封管也是阻挡层，以防止液体穿透反射管2的壁并损害UV LED5和相关电子器件。密封剂7可用于向UV-LED 5提供防水性或其它环境保护。透明内管9可具有至少80％或大于90％的对UV光的透射系数如本公开所讨论的，反射管2可以通过在心轴周围挤压或包裹膜来构造。可以使用氟聚物材料，如氟化乙烯丙烯(FEP)、六氟丙烯和偏氟乙烯(THV)、FEP和聚乙烯(EFEP)、全氟烷氧烷(PFA)或聚四氟乙烯(PTFE)的共聚物形成反射管2。在示例性实施例中，反射管2被构造成保持100psi或(在一些实施例中)200psi的最小内部水压。方向箭头4表示水或空气在高反射管2中的流动，反射管2的直径由附图标记3表示。
围绕透明内管9的是反射管2，其包含预定开口6，其中开口6之间的间距与UV LED5之间的间距匹配。具有开口6的反射管2可以使用前述的方法构造。反射管2可以用诸如氟化乙烯丙烯(FEP)、全氟烷氧基烷烃(PFA)、四氟乙烯、六氟丙烯和偏氟乙烯(THV)的三元共聚物、FEP和聚乙烯(EFEP)的共聚物以及硅酮等粘合剂附接到内部透明管9。另一种方法是通过热定型工艺连接两个管2、9。在此类过程中，两根管2、9在芯轴上对齐，然后芯轴被加热到外反射管2收缩到与内管9紧密配合的温度，或加热到至少一根管2、9开始软化的温度。另一种方法是将外反射管2滑动到内透射管9上，但不在两个管2、9之间使用粘合剂。然后，可以使用前面描述的任何附接方法将UV-LED阵列15附接到外反射管2。
图11中描绘了UV光消毒系统的另一实施例。在该实施例中，UV-LED阵列15附接到透明管9的外部。UV-LED阵列15包括支撑UV-LED 5并向其提供电源的基板10。基板的示例性实施例是柔性印刷电路板。基板10还可包括金属条(未描绘)以分散来自UV LED 5的热量。然后外反射管2在组合的内透明管9和UV-LED阵列15上滑动。在本实施例中，不需要反射管中的开口。方向箭头4表示水或空气在高反射管2中的流动。
在替代实施例中，UV-LED阵列15可安装在反射管2内或透明内管9与外反射管2的组合体内。在本实施例中，UV-LED 5和UV-LED阵列15与流经管2的水或空气接触。UV-LED阵列15可以用粘合剂附接到反射管2的内壁18。UV-LED条带可以自由浮动(例如，不附在管2的内壁上)，但可能需要固定在流体流的上游或下游以防止UV-LED阵列15移动。例如，UV-LED阵列15可以临时插入管道的壁内，以去除已开始生长的生物膜。
图12中示出了UV光消毒系统的另一替代实施例。UV光消毒系统50包括反射管2、UV-LED 5和反射管2内的透明窗口28。尽管图12描绘了一个透明窗口28，但是可以将任意数量的透明窗口28并入反射管2中。透明窗口28可以形成为各种形状，包括圆形、椭圆形、三角形、正方形、矩形、菱形和其他类似形状。透明窗28的尺寸也可以改变，只要透明窗28足以允许来自UV-LED 5的光穿过并撞击与UV-LED 5相对的壁，如图14所示。
透明窗口28消除了在系统50的构造过程中对反射管2的开口的切割，从而防止反射管2内的病原体或物质逸出。透明窗28可以形成在现有反射管2的壁内。例如，在示例性实施例中，透明窗口28的半透明性是通过以下工艺获得的，在该工艺中，反射管2的聚合物材料区域(即ePTFE)被选择性地压缩以消除其中的空气。在一些实施例中，这种工艺包括使用图14所描绘的加热/成形工具34向反射管2施加压力和热量。加热工具34包括与反射管2接触以施加热量和压力以形成透明窗的压缩形式36。在一些实施例中，压缩形式36具有圆形横截面144(如图15a所描绘)或矩形横截面146(如图15b所描绘)。在其它实施例中，压缩形式36可以具有任何其它形状或尺寸。
在一些实施例中，加热/成形工具34与反射管2内侧的支撑构件38一起使用，以在透明窗28将要位于的选定位置处同时加热和压缩反射管2的材料，如图14所描绘。例如，在示例性实施例中，成形工具和支撑构件向反射管2的选定位置施加1000psi到25000psi范围内的压力。在其它实施例中，施加到反射管2的选定位置的压力在5000psi到25000psi的范围内。在其它实施例中，施加到反射管2的选定位置的压力在9000psi到25000psi的范围内。在其它实施例中，施加到反射管2的选定位置的压力在10000psi到25000psi的范围内。在其它实施例中，施加到反射管2的选定位置的压力在12500psi到25000psi的范围内。在其它实施例中，施加到反射管2的选定位置的压力在15000psi到25000psi的范围内。在其它实施例中，施加到反射管2的选定位置的压力在17500psi到25000psi的范围内。在其它实施例中，施加到反射管2的选定位置的压力在20000psi到25000psi的范围内。在其它实施例中，施加到反射管2的选定位置的压力在22500psi到25000psi的范围内。
在其它实施例中，施加到反射管2的选定位置的压力在1000psi到22500psi的范围内。在其它实施例中，施加到反射管2的选定位置的压力在1000psi到18000psi的范围内。在其它实施例中，施加到反射管2的选定位置的压力在1000psi到15000psi的范围内。在其它实施例中，施加到反射管2的选定位置的压力在1000psi到10000psi的范围内。在其它实施例中，施加到反射管2的选定位置的压力在1000psi到7500psi的范围内。在其它实施例中，施加到反射管2的选定位置的压力在1000psi到5000psi的范围内。在其它实施例中，施加到反射管2的选定位置的压力在1000psi到2500psi的范围内。
在一些实施例中，施加到反射管2的选定位置的压力在6000psi到12500psi的范围内。在其它实施例中，施加到反射管2的选定位置的压力在7000psi到9000psi的范围内。在其它实施例中，施加到反射管2的选定位置的压力在8500psi到13000psi的范围内。在其它实施例中，施加到反射管2的选定位置的压力在12500psi到14000psi的范围内。在其它实施例中，施加到反射管2的选定位置的压力在18000psi到22000psi的范围内。在其它实施例中，施加到反射管2的选定位置的压力在5000psi到15000psi的范围内。
在一些实施例中，成形工具34向反射管2施加范围为100℃至300℃的热量。在其它实施例中，成形工具34向反射管2施加范围为100℃至250℃的热量。在其它实施例中，成形工具34向反射管2施加范围为100℃至200℃的热量。在其它实施例中，成形工具34向反射管2施加范围为100℃至150℃的热量。
在一些实施例中，成形工具34向反射管2施加范围为150℃至300℃的热量。在其它实施例中，成形工具34向反射管2施加范围为200℃至300℃的热量。在其它实施例中，成形工具34向反射管2施加范围为250℃至300℃的热量。
在一些实施例中，成形工具34向反射管2施加范围为150℃至250℃的热量。在其它实施例中，成形工具34向反射管2施加范围为200℃至250℃的热量。在其它实施例中，成形工具34向反射管2施加范围为150℃至200℃的热量。
对反射管2的所选位置的这种热压缩使反射管2的材料内的空气收缩，形成对UV光具有高透明度的区域，即透明窗口28。下表1描述了用于在ePTFE反射管2中实现不同UV透明度的示例性加热和压力条件。
Figure BDA0003202094210000131
Figure BDA0003202094210000141
表1：在265nm处实现UV透明度的示例性加热和压力条件
在一些实施例中，填充树脂还可以应用于反射管2的材料，伴随着热和压力，以形成透明窗口28。在示例性实施例中，待填充的反射管2的材料包括ePTFE。示例性填充树脂包括但不限于任何热塑性或聚合物基溶液，其用于填充反射管材料内的空隙以向材料提供透明度。在一些实施例中，填充树脂包括氟化乙烯(FEP)、全氟烷氧基烷烃(PFA)、THV、EFEP、乙烯的共聚物、PATT、PZM4、硅酮、氟硅酮、其他UV非光散射稳定填充树脂或其组合。
在一些实施例中，填充树脂包含聚四氟乙烯(PTFE)。
下表2描述了使用FEP树脂时在ePTFE反射管2中实现不同UV透明度所需的典型加热和压力条件。
Figure BDA0003202094210000142
表2：FEP树脂实现265nm下的UV透明的典型加热和压力条件
或者，在一些实施例中，聚合物基填充树脂可以在没有热量和压力的情况下，应用于反射管2的材料，以形成透明窗口28。在这些实施例中，通过W.L.Gore的美国专利第6451396号和第6737158号中所述的工艺，来优化填充树脂含量和反射管2的材料，以实现透明窗口。
在示例性实施例中，透明窗28具有非常低的光吸收(例如，小于10％、小于5％或小于1％)，使得非常高百分比的光通过透明窗28透射。在一些实施例中，对于波长在100nm和400nm之间的UV光，透明窗口28表现出70％或更大、75％或更大、80％或更大、90％或更大或95％或更大的透明度。在其它实施例中，对于波长在100nm到400nm之间的UV光，透明窗口28表现出70％到100％的透明度。在其它实施例中，对于波长在100nm到400nm之间的UV光，透明窗口28表现出80％到100％的透明度。在其它实施例中，对于波长在100nm到400nm之间的UV光，透明窗口28表现出90％到100％的透明度。在其它实施例中，对于波长在100nm到400nm之间的UV光，透明窗口28表现出95％到100％的透明度。
在一些实施例中，向反射管2施加压力和热量使反射管2的高反射性材料压缩，从而在反射管2内靠近透明窗口28形成腔室32，如图13-图14所示。在一些实施例中，示例性透明窗28具有5微米到250微米的厚度。在其它实施例中，透明窗口28具有50微米到250微米的厚度。在其它实施例中，透明窗口28具有75微米到250微米的厚度。在其它实施例中，透明窗口28具有125微米到250微米的厚度。在其它实施例中，透明窗口28具有175微米到250微米的厚度。在其它实施例中，透明窗口28具有225微米到250微米的厚度。
在其它实施例中，透明窗口28具有20微米到250微米的厚度。在其它实施例中，透明窗口28具有75微米到250微米的厚度。在其它实施例中，透明窗口28具有100微米到250微米的厚度。在其它实施例中，透明窗口28具有150微米到250微米的厚度。在其它实施例中，透明窗口28具有175微米到250微米的厚度。在其它实施例中，透明窗口28具有200微米到250微米的厚度。
在其它实施例中，透明窗口28具有50微米到200微米的厚度。在其它实施例中，透明窗口28具有80微米到160微米的厚度。在其它实施例中，透明窗口28具有100微米到200微米的厚度。在其它实施例中，透明窗口28具有150微米到175微米的厚度。
在一些实施例中，UV-LED 5随后可被定位在腔室32内或安装在反射管2的外表面上，使得UV-LED 5发射的光通过透明窗口28并进入反射管2以撞击与UV-LED 5相对的壁。
在图16总体描绘的UV光消毒系统50的一个实施例中，腔室32填充有粘合剂42。粘合剂42可向UV-LED 5提供防水性或其它环境保护。在一些实施例中，粘合剂42粘附到开口的侧壁以及UV-LED 5上。该粘合剂42可由溶剂基材料或树脂形成。示例性粘合剂包括氟化乙烯丙烯(FEP)、全氟烷氧基烷烃(PFA)、四氟乙烯、六氟丙烯和偏氟乙烯(THV)的三元共聚物、FEP和聚乙烯(EFEP)的共聚物以及硅酮。
透明窗28的图案可以是在反射管2内实现最佳功率要求所需的任何图案。例如，在一些实施例中，透明窗28以规则或不规则的间隔隔开，并且沿反射管2的长度均匀或不均匀地分布。在其他实施例中，透明窗口28以交错配置或平行配置布置，如图17所描绘。
在本公开的一些方面中，多个UV-LED被布置为UV-LED和导体的阵列，其中一个或多个UV-LED和导体通过例如电连接的方式连接和或附接到阵列中的其它UV-LED和导体。该UV-LED阵列可以是规则的或非规则的，这意味着该UV-LED可以是均匀分布的或非均匀分布的。示例阵列可对应于带状电缆、柔性电路或扁平柔性电缆，其具有沿带状电缆、柔性电路或扁平柔性电缆的各种位置连接的UV-LED。在使用UV-LED阵列的实施例中，透明窗口28可被定位为对应于UV-LED阵列，以便优化UV光向反射管2内部的透射。
本公开的一个目的是提供一种UV光消毒系统，该UV光消毒系统包括至少一个反射管2和至少一个UV-LED，该UV-LED将UV光发射到管2的内部空间，并且通过用恒定的UV光均匀地照射管2的内部空间来消毒病原体和防止生物膜生长。为了测试该目标，构建了一个97％漫反射管，在管2的表面上切割开口，并且在开口中插入UV-LED，如图18a所示。管2自UV-LED切下5厘米，并与帧捕获相机阵列的像素对接。图18b示出的结果显示了均匀的“顶帽”分布曲线，该分布曲线证实了穿过管2的直径3的均匀强度分布。
本公开的另一目的是提供一种管状和柔性的物品，以使其能够安装在管道装置内。图19中示出了非限制性示例，其描绘了UV线消毒鹅颈水龙头25。鹅颈管外管26内部装有UV光消毒系统。UV光消毒系统具有反射壁2，沿管2周期性地放置UV-LED 5。进一步的目的是提供一种管道装置，通过沿管道周期性地放置UV-LED来防止生物膜的生长，使得管道壁表面上的光辐照度至少为100nW/cm2。所需LED的数量取决于消毒管壁的电阻率，如图4和图5所示，但至少需要一个UV-LED，且UV-LED或UV-LED阵列的最大数量没有上限。
在操作过程中，UV-LED可能会不断开启，以防止生物膜在表面墙壁上生长。或者，可以周期性地开启UV-LED。在UV光消毒系统的构造中使用的UV-LED可以是低功率UV-LED，例如约为1mw的输出功率，并且仅用于防止生物膜生长。或者，所使用的UV-LED可以是高功率UV-LED，例如10mW或100mW输出功率，并且在流体流动时以该高功率驱动以消毒流体中的病原体；然后在流体不流动时以较低的电流水平驱动，来防止生物膜生长。在较低的电流水平下驱动UV-LED将节省能源和UV-LED寿命。液体通常是水，但也可以是其他需要消毒病原体的液体。UV-LED在紫外光范围内发射小于400nm、或在250nm到280nm范围内的波长。
本申请的发明已在前文进行了一般性地和基于特定实施例地描述。对本领域技术人员来说显而易见的是，可在不背离本公开的范围的情况下，可以在实施例中进行各种修改和变化。因此，本公开旨在使实施例涵盖本发明的多种修改和变化，只要这些修改和变化在所附权利要求书及其等效方案的范围内。

Claims (27)

1.一种UV光消毒系统，包括：
柔性反射管，其具有限定开放内部区域的外壁，所述反射管具有一个内反射表面和所述管的所述外壁中的至少一个特征，所述至少一个特征被配置为将UV光导入所述内部区域；以及
至少一个UV-LED，耦合到所述反射管并与所述至少一个特征对齐；以及
电子装置，为所述UV-LED供电，其中所述反射管的反射率大于80％；以及
其中，从所述UV-LED发射的UV光沿着所述反射管的长度散射以均匀地照射所述开放的内部区域。
2.如权利要求1所述的UV光消毒系统，其中所述至少一个特征包括至少一个开口。
3.如权利要求1-2中任一项所述的UV光消毒系统，其中所述UV-LED位于所述反射管的外部。
4.如权利要求2-3中任一项所述的UV光消毒系统，其中所述至少一个开口包括彼此间隔一定距离的多个开口，所述多个开口中的每个开口对应于所述至少一个UV-LED中的一个UV-LED。
5.如权利要求2-4中任一项所述的UV光消毒系统，还包括所述至少一个开口中的密封剂。
6.如权利要求2-5中任一项所述的UV光消毒系统，还包括覆盖所述至少一个开口的透明按钮膜。
7.如权利要求1-6中任一项所述的UV光消毒系统，还包括一个光学透明内管，位于所述反射管的所述开放内部区域内。
8.如权利要求7所述的UV光消毒系统，其中所述UV-LED附接到所述透明内管，使得所述UV-LED位于所述反射管和所述透明内管之间。
9.如权利要求1所述的UV光消毒系统，其中所述至少一个特征包括在所述反射管的外壁中的至少一个透明窗，其中所述至少一个透明窗被配置成允许所述UV-LED发射的UV光穿过，从所述UV-LED到达所述内部区域。
10.如权利要求9所述的UV光消毒系统，其中所述至少一个透明窗包括彼此间隔一定距离的多个透明窗，所述多个透明窗中的每一个对应于所述至少一个UV-LED中的一个。
11.如权利要求9或10所述的UV光消毒系统，其中所述至少一个透明窗包含填充树脂。
12.如权利要求9-11中任一项所述的UV光消毒系统，其中所述至少一个透明窗对于波长在100nm到400nm范围内的UV光具有70％到100％的透明度。
13.如权利要求9-12中任一项所述的UV光消毒系统，其中所述至少一个透明窗对于波长在100nm到400nm范围内的UV光具有大于90％的透明度。
14.如权利要求1-13中任一项所述的UV光消毒系统，其中所述UV光从所述UV-LED阵列持续发射，或者所述UV光从所述UV-LED阵列脉冲发射。
15.如权利要求1-14中任一项所述的UV光消毒系统，其中所述UV-LED阵列被配置为在至少两种电源模式之间切换。
16.如权利要求1-15中任一项所述的UV光消毒系统，其中所述UV-LED呈集成UV-LED阵列的形式。
17.一种使用权利要求1-16中任一项所述的UV光消毒系统对液体流进行消毒并减轻管道装置内生物膜形成的方法，其中所述UV光消毒系统插入管道装置内部，并且
电子装置在有介质流经管道时具有高UV能量通量率的主动模式和没有介质流动时具有低UV能量通量率的被动模式之间切换。
18.一种形成UV光消毒系统的方法，包括：
提供具有限定开放内部区域的外壁的柔性反射管；
在所述外壁中形成至少一个特征，所述特征被配置为将UV光导入所述内部区域；
在反射管上定位UV-LED，使得所述UV-LED和所述至少一个开口对齐。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述至少一个特征包括至少一个开口。
20.如权利要求18或19所述的方法，进一步包括将密封剂施加至所述至少一个开口，
其中，所述密封剂至少部分地覆盖所述UV-LED。
21.如权利要求18至20中任一项所述的方法，进一步包括在所述反射管的内表面上施加按钮膜以覆盖所述至少一个开口。
22.如权利要求18至20中任一项所述的方法，进一步包括：
提供具有限定开放内部区域的外壁的透明内管；
将所述UV-LED定位于所述透明内管的外侧，使得所述UV-LED位于所述反射管和所述透明内管之间，以通过所述透明内管照射所述开放内部区域。
23.如权利要求18所述的方法，其中所述至少一个特征包括至少一个透明窗。
24.如权利要求23所述的方法，进一步包括通过向所述外壁施加热量和压力从而在所述外壁中形成所述至少一个透明窗。
25.如权利要求23-24中任一项所述的方法，进一步包括将填充树脂施加到所述外壁上所述至少一个透明窗的位置处。
26.如权利要求23-25中任一项所述的方法，其中在所述至少一个透明窗附近形成有腔室。
27.如权利要求23-26中任一项所述的方法，进一步包括：
将所述UV-LED定位于所述腔室中；以及
用粘合剂填充所述腔室，以将所述UV-LED封装在所述腔室中。
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