CN113456849A - 脉冲氙气紫外灯管、用于密闭空间的除菌装置及除菌方法 - Google Patents

脉冲氙气紫外灯管、用于密闭空间的除菌装置及除菌方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供脉冲氙气紫外灯管、用于密闭空间的除菌、除味装置及方法，用于密闭空间杀菌、除味。能够发射包含200～230nm波长的紫外线，发射200～230nm波长的紫外线的能量占总输出能量的0.1％以上，发射的200～230nm波长的紫外线能够使氧气分子的共价键断裂并产生原子氧，发射的200～230nm波长的紫外线能够使水分子的H‑O键断裂并产生羟基自由基。本发明的好处是能够长期、有效对密闭空间进行除菌、除臭。

Description

脉冲氙气紫外灯管、用于密闭空间的除菌装置及除菌方法
技术领域
本发明属于除菌装置领域，特别涉及脉冲氙气紫外灯管、用于密闭空间的除菌装置及除菌方法。
背景技术
密闭空间除菌、除臭技术，例如冰箱和马桶的除菌、除臭，已经有数十年的发展历史，但是到目前为止，尚未见到一种能够长期、有效除菌的技术方法。
现有技术中，密闭空间除菌、除臭方法包括采用吸附剂、掩蔽剂、负离子、低压汞灯和臭氧。
其中，吸附剂包括活性炭、分子筛等多孔材料，部分产品表面负载了具有分解能力的氧化剂、催化剂等化学制剂，放置在冰箱内进行气味吸附。冰箱内的低工作温度和为保鲜设计的高湿度环境，造成冰箱中极易出现凝露现象，导致吸附材料“表面失效”进而失去作用，一般的有效期仅为数天至数周。另外，吸附材料的作用机理是“浓度极差扩散”作用，吸附性与被吸附气体的浓度分压密切相关，一旦平衡后，即失去作用，而气味气体多为“嗅觉阈值”极低的化合物，如硫化氢等，极低的浓度(>0.4ppb)即可嗅到，吸附材料难以去除低嗅觉阈值的臭味。
常见的气味掩蔽剂包括芳香剂等，不具有除菌作用。
产生负离子的方式为尖端放电，通过不同的发射-诱导电极组合、驱动波形控制，向空间输出负离子。由于高压电极裸露空气中导致的凝露、腐蚀、安全等问题，以及电能转化效率低、臭氧难以控制等因素，难以达到理论描述、特定条件测试下的稳定效果。
低压汞灯的254nm紫外线特征波长，具有显著的杀菌作用，用于冰箱，存在以下问题：含有剧毒金属汞，破碎可能导致食品污染；低压汞灯的理想工作环境温度为26～28度，冷藏冰箱内为2～7度，会造成转换效率严重下降；光线直射不能对遮光面产生除菌作用；254nm紫外线对冰箱内壁产生老化作用，使其发黄、表面粉化；
单颗深紫外线LED发光面积极小(<0.5mm2)，电能转化效率很低(<2％), 不适合冰箱使用。
采用臭氧除菌的问题包括，依据卫生部《臭氧消毒的技术规范》，臭氧消毒的起步浓度>1.5ppm，对密闭空间的杀菌要求为2.5～5ppm作用30分钟，这一浓度已经超出了环境安全浓度(<100ppb)，对环境有害。市场上最常见的产品，浓度在环境安全浓度以内，例如小于50ppb，但50ppb的臭氧仅仅比大气臭氧背景浓度高1～2倍，不具备杀菌作用。
马桶内的环境远比其它密闭环境恶劣，包括冲水过程中产生高浓度异味、溅射的水雾等。马桶垫圈、内壁是主要微生物寄居区域。定期的刷洗清洁、消毒是主要的除菌、除味方式，但无法消除多人次使用期间的微生物、气味的污染。
因此，现有技术有待改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有技术不能够长期、有效对密闭空间进行除菌、除臭的问题。
为了达到上述的目的，本发明的具体技术方案如下：
脉冲氙气紫外灯管，用于密闭空间杀菌，脉冲氙气灯管能够发射 200～1100nm波长的光线(包含200～230nm波长的紫外线)，其中200～230nm 波长紫外线(Far-UV)的光能量占总输出能量的0.1％以上，能够使得氧气分子的共价键断裂并产生原子氧，能够使得水分子的H-O键断裂并产生羟基自由基；所述脉冲氙气紫外灯管发射的200～280nm波长的紫外线的输出能量占总输出能量的1％以上。
作为上述技术方案的进一步改进，所述脉冲氙气紫外灯管包括内管、外管和管座，所述内管和外管的两端均与所述管座封装为一体；所述内管的内径为2～4mm，弧长20～60mm，所述内管的外表面设置触发电极；所述外管的外径为8～15mm；所述脉冲氙气紫外灯管对200nm波长的紫外线透过率大于30％，所述内管和外管中羟基含量小于5ppm。
作为上述技术方案的进一步改进，所述述内管和外管中羟基含量小于 2ppm。
用于密闭空间的除菌装置，包括上述的脉冲氙气紫外灯管，还包括蓄能电路和触发电路，所述蓄能电路和所述触发电路均与所述脉冲氙气紫外灯管电连接，所述蓄能电路和所述触发电路用于为所述脉冲氙气紫外灯管提供峰值电流，所述脉冲氙气紫外灯管中的峰值电流的电流密度能够达到 2000～20000A/cm2；进一步地，所述脉冲氙气紫外灯管中的峰值电流的电流密度能够达到7000～20000A/cm2。
所述蓄能电路中包括蓄能电容，所述蓄能电容为薄膜无极性电容或电解电容，所述蓄能电容的容量为20～200uF。
作为上述技术方案的进一步改进，所述蓄能电容为自愈合薄膜电容。
作为上述技术方案的进一步改进，还包括反光罩，所述反光罩用于反射所述脉冲氙气紫外灯管发出的光线，所述反光罩对230nm波长的紫外线的反射率大于30％，对260nm波长的紫外线的反射率大于50％；所述反光罩的反光面的材质为AL2O3、TiO2、真空镀膜AL或真空镀膜Au。
作为上述技术方案的进一步改进，还包括安全控制电路，所述安全控制电路包括光敏传感器、角度开关、接近传感器或定时器；还包括壳体，所述蓄能电路、触发电路和安全控制电路灌封于所述壳体中。
用于密闭空间的除菌方法，其特征在于，采用上述的用于密闭空间的除菌装置，所述用于密闭空间的除菌装置的工作状况为：为所述脉冲氙气紫外灯管提供电流2000～20000A/cm2的峰值电流，
220～280nm波长的紫外线总辐照剂量为1～500mJ/升/天或0.1～50mJ/升/ 次，200～230nm波长的紫外线辐照剂量为0.1～200mJ/升/天或0.01～20mJ/升/ 次。
本发明的有益效果在于：
一方面，脉冲氙气紫外灯管所发出的紫外线可以将密闭空间内的部分氧气分解为原子氧、部分水分子分解为羟基自由基，原子氧和羟基自由基在密闭空间内扩散，可氧化分解气味分子、杀灭微生物。同时，200～230nm的紫外线可以直接通过照射杀灭微生物，分解气味分子。
另一方面，通过设计蓄能电路和触发电路，可使得脉冲氙气紫外灯管产生辐照剂量可控的紫外线，从而使得利用脉冲氙气紫外灯管产生的200～230nm 波长的紫外线的能量占总输出能量的0.1％以上成为可能。而当脉冲氙气紫外灯管产生的200～230nm波长的紫外线的能量占总输出能量的0.1％以上时，经研究，用于密闭空间内，具有较好的用于密闭空间进行除菌、除味的效果。
同时，脉冲氙气紫外灯管产生的200～280nm波长UVC波段的高强度紫外线输出，可以以极强的穿透力快速、深层的直接杀灭微生物。
本发明能够长期、有效对密闭空间进行除菌、除臭。
附图说明
图1是本发明的脉冲氙气紫外灯管的示意图；
图2是本发明的脉冲氙气紫外灯管的爆炸图；
图3是本发明的用于密闭空间的除菌装置一种实施例的爆炸图；
图4是本发明的用于密闭空间的除菌装置的电路图；
图5是本发明的用于密闭空间的除菌装置的另一种实施例的爆炸图；
图6是本发明的脉冲氙气紫外灯管的波形图。
图中：1-脉冲氙气紫外灯管，11-内管，12-外管，13-管座，14-触发电极，2-蓄能电路，21-蓄能电容，3-触发电路，4-安全控制电路，5-反光罩， 6-壳体。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明创造作详细说明。
如图1-图2，以及图6，是本发明的脉冲氙气紫外灯管1的实施例；如图 3～图5，是本发明的用于密闭空间的除菌装置的实施例。图6中横坐标为波长 (nm)，纵坐标为辐照强度(uW/cm2)。
本发明的脉冲氙气紫外灯管1，用于密闭空间杀菌，脉冲氙气紫外(PX-UV) 灯管1能够发射包含200～230nm波长的Far-UV波段的紫外线，脉冲氙气紫外灯管1发射的200～230nm波长的紫外线的能量占总输出能量的0.1％以上，能够使得氧气分子的共价键断裂并产生原子氧，能够使得水分子的H-O键断裂并产生羟基自由基。
本发明的用于密闭空间的除菌装置，包括上述的脉冲氙气紫外灯管1，还包括蓄能电路2和触发电路3，蓄能电路2和触发电路3均与脉冲氙气紫外灯管1电连接，蓄能电路2和触发电路3用于为脉冲氙气紫外灯管1提供峰值电流，脉冲氙气紫外灯管1中的峰值电流的电流密度能够达到 2000～20000A/cm2。
本发明的脉冲氙气紫外灯管1以及用于密闭空间的除菌装置的原理是：一方面,紫外线波长范围在200～230nm，即便是230nm波长，具备的能量也达到520.8kJ/mol，这个能量足以使大多数化合物的分子键断裂，包括氧气分子的共价键(498kJ/mol)、水分子的H-O键(464kJ/mol)；氧气共价键断裂后生成原子氧，原子氧的氧化电位2.7V，水分子的H-O键断裂后，通过复杂的链式反应，能够生成活性更强的羟基自由基(·OH)，羟基自由基的氧化电位达2.85V，氧原子、羟基自由基几乎可以同任何其它分子发生氧化反应，进而达到杀灭微生物、分解气味的作用，包括冰箱内果蔬催熟气体乙烯，进而达到除菌、除味、保鲜的作用。进一步地，氧原子与水分子作用，生成具有强杀菌作用的H2O2，氧原子与氧气作用，生产具有除味、杀菌能力很强的O3，可以杀灭、去除光线不能直接照射区域的微生物、气味。吸附于微生物表面的水分子、氧气浓度远大于空气中的浓度，且微生物的吸收面积同样远大于空气中的水分子、氧气分子，经紫外线照射的微生物更容易被杀灭。
表1是波长范围在200～230nm的紫外线的参数特性。
表1
波长 频率 动能 能量 摩尔能
nm Hz eV J kJ/mol
200 1.50E+15 6.20 9.95E-19 598.9
205 1.46E+15 6.05 9.70E-19 584.3
210 1.43E+15 5.90 9.47E-19 570.4
215 1.40E+15 5.77 9.25E-19 557.1
220 1.36E+15 5.64 9.04E-19 544.5
225 1.33E+15 5.51 8.84E-19 532.4
230 1.30E+15 5.39 8.65E-19 520.8
另一方面，脉冲氙气紫外灯管1具有极强的瞬时功率，穿透很强，可以具备深层杀灭微生物的能力。紫外线具备的能量可以使气味分子直接分解去除，亦可直接使微生物的DNA断裂，进而杀灭微生物。同时，极短的作用时间不会产生热累积效应，杀灭微生物的同时几乎不会产生被辐照部件的老化。
通过适当的蓄能电路2和触发电路3，可使得脉冲氙气紫外灯管1产生辐照剂量可控的紫外线，从而使得利用脉冲氙气紫外灯管1产生的200～230nm 波长的紫外线的能量占总输出能量的0.1％以上成为可能。而当脉冲氙气紫外灯管1产生的200～230nm波长的紫外线的能量占总输出能量的0.1％以上时，经研究，具有较好的用于密闭空间进行除菌、除味的效果。
优选的脉冲氙气紫外灯管1的实施例中，脉冲氙气紫外灯管发射的 200～280nm波长的紫外线的输出能量占总输出能量的1％以上。
优选的脉冲氙气紫外灯管1的实施例中，脉冲氙气紫外灯管1包括内管 11、外管12和管座13，内管11和外管12的两端均与管座13封装为一体；内管11的内径为2～4mm，弧长20～60mm，内管11的外表面设置触发电极14；外管12的外径为8～15mm；脉冲氙气紫外灯管1对200nm波长的紫外线透过率大于30％，内管11和外管12中羟基含量小于5ppm。进一步地玻璃管1壳11 材料中羟基含量小于2ppm。内管11和外管12通常为玻璃材质，发明人研究发现内管11和外管12中的羟基含量会影响200nm波长的紫外线的透过率，降低内管11和外管12中羟基含量有利于提高紫外线光的透过率，从而提高脉冲氙气紫外灯管1的能量转化效率、延长使用寿命。
优选用于密闭空间的除菌装置的实施例中，蓄能电路2中包括蓄能电容 21，蓄能电容21为薄膜无极性电容或电解电容，蓄能电容2的容量为20～200uF。蓄能电容2的容量为20～200uF的情况下，能够使得内径为4～6mm，外径为 8～10mm，弧长为25～60mm范围的脉冲氙气紫外灯管中的峰值电流的电流密度能够达到2000～20000A/cm2。本领域技术人员可以根据本发明的启示，为其他尺寸范围的脉冲紫外氙灯1提供其他容量的蓄能电容21，以使脉冲紫外氙灯 1获得电流密度能够达到2000～20000A/cm2的电流密度。但本实施例的蓄能电容2的容量用于冰箱和马桶，具有功能优良和体积、成本不至于太高的好处。进一步地，蓄能电容21为自愈合薄膜电容。本发明的脉冲氙气紫外灯管1的峰值电流较高，因此优选采用自愈合薄膜电容，薄膜无极性电容具有频率特性良好，介质损失极低的好处。自愈合电容发生击穿时，击穿点能够自动恢复绝缘。
进一步优选的密闭空间的除菌装置的实施例中，还包括反光罩5，反光罩 5与脉冲氙气紫外灯管1连接，反光罩5用于反射脉冲氙气紫外灯管1发出的光线，反光罩5对230nm波长紫外线光的反射率大于30％，对260nm波长紫外线光的反射率大于50％。进一步地，反光罩5的反光面的材质为AL2O3、TiO2、真空镀膜AL或真空镀膜Au。
一些密闭空间的除菌装置的实施例中，还包括安全控制电路4，安全控制电路4包括光敏传感器、角度开关、接近传感器或定时器；还包括壳体6，蓄能电路2、触发电路3和安全电路灌封于壳体6中。
本发明还提供用于密闭空间的除菌方法，具体地，采用上述的用于密闭空间的除菌装置，用于密闭空间的除菌装置的工作状况为：为脉冲氙气紫外灯管1提供电流2000～20000A/cm2的峰值电流，220～280nm波长的紫外线总辐照剂量为1～500mJ/升/天或0.1～50mJ/升/次，200～230nm波长的紫外线辐照剂量为0.1～200mJ/升/天或0.01～20mJ/升/次。
以下是本发明的用于密闭空间的除菌方法的实施例1，用于冰箱除菌、除味：
采用内管11内径2～3mm，弧长38mm，外管12外径8mm的双层脉冲氙气紫外灯管，两端采用陶瓷管座13封装并引出电极与触发线。反光罩5的材质为铝，反光罩5表面为AL2O3膜，蓄能电容21为60uF的CBB电容，驱动脉冲峰值电流为7000～12000A/cm2。输出UVC能量为400～700mJ/次，Far-UV能量为100～200mJ/次；在冰箱门关闭后的暗环境下使用。将本实施例的用于密闭空间的除菌装置置于180升冰箱冷藏室的上部侧壁，控制工作方式为：连续闪光40次后，间隔8小时，再连续闪光40次，即每24小时输出120次，对应的能量输出为：UVC波段紫外线，267～467mJ/升/天，Far-UVC波段紫外线， 67～133mJ/升/天。每次开启冰箱门进行取放操作，关闭冰箱门后，进行闪光 1～10次，杀灭外部空气环境带入的微生物。
将葡萄、草莓分成两组，一组直接放置于冰箱内部的托板上，另外一组放置在透明塑料盒中(便于外部观测)，再置于托板上；每天观察一次，4天后，盒中放置的葡萄、草莓的果柄处已经开始出现霉斑，7天后，果体部分开始出现霉斑，直接放置组无明显变化。21天后，盒中放置的葡萄、草莓严重霉变、液化，直接放置组仅发生果体失水产生的表皮颜色变化，未发现霉斑，说明保鲜期延长了3～5倍。
试验时，将宽度20～100mm、长度60～150mm、厚度0.1～0.2mm的导光膜粘贴在本实施例的用于密闭空间的除菌装置上，导光膜外端嵌合粘结有机玻璃 (PMMA)条，用双面将机玻璃条胶粘结到冰箱门框侧壁上，并使有机玻璃条露出冰箱。当本实施例发明装置处于闪光工作状态时，内部光线经导光膜导出，并使有机玻璃条发光，这样，即可在外部观察到脉冲氙气紫外灯管是否处于工作状态。
以下是本发明的用于密闭空间的除菌方法的实施例2，用于马桶除菌、除味：
采用与实施例1相同的灯管、反光材料，蓄能电容为50uF的电解电容，驱动脉冲峰值电流为4000～8000A/cm2。输出UVC能量为100～300mJ/次，Far-UV 能量为20～100mJ/次。利用位置传感器件限定本用于密闭空间的除菌装置只可在马桶盖处于水平状态下使用。将用于密闭空间的除菌装置安装于马桶盖内侧上部的中心位置，面向下部照射，马桶盖下空气容积约为15升，控制工作方式为：冲水后，触发控制，每次触发连续闪光5次，完成一次消毒、除味操作，对应的能量输出为：UVC波段紫外线，33～100mJ/升，Far-UVC波段紫外线，6.7～33.5mJ/升。
对陶瓷、马桶垫圈材料表面分别进行杀菌消毒的前后微生物培养对比发现，采用并发明的用于密闭空间的除菌装置，可以杀灭去除表面微生物的98％以上，大大减少了微生物感染几率。
对马桶盖内空间的空气进行除味操作对比，采用“嗅袋法”进行常见恶臭气体评价，以β-甲基吲哚表达粪便臭味，明显改善评价>80％。
对于医疗场所、公共厕所采用本用于密闭空间的除菌装置，闪光次数调节为10次，将提供的UVC、Far-UV辐照强度提升一倍，以加强杀菌、除味效果。
在不冲突的情况下，上述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明创造的技术方案，而非对本发明创造保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明创造作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明创造的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明创造技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.脉冲氙气紫外灯管，其特征在于：用于密闭空间杀菌，所述脉冲氙气紫外灯管能够发射包含200～230nm波长的紫外线，所述脉冲氙气紫外灯管发射的200～230nm波长的紫外线的能量占总输出能量的0.1％以上，能够使得氧气分子的共价键断裂并产生原子氧，能够使得水分子的H-O键断裂并产生羟基自由基。
2.根据权利要求1脉冲氙气紫外灯管，其特征在于：所述脉冲氙气紫外灯管发射的200～280nm波长的紫外线的输出能量占总输出能量的1％以上。
3.根据权利要求1所述的脉冲氙气紫外灯管，其特征在于：所述脉冲氙气紫外灯管包括内管、外管和管座，所述内管和外管的两端均与所述管座封装为一体；所述内管的内径为2～4mm，弧长20～60mm，所述内管的外表面设置触发电极；所述外管的外径为8～15mm；所述脉冲氙气紫外灯管对200nm波长的紫外线透过率大于30％，所述内管和外管中羟基含量小于5ppm。
4.根据权利要求3所述的脉冲氙气紫外灯管，其特征在于：所述内管和外管中羟基含量小于2ppm。
5.用于密闭空间的除菌装置，其特征在于：包括如权利要求1-4中任一项所述的脉冲氙气紫外灯管，还包括蓄能电路和触发电路，所述蓄能电路和所述触发电路均与所述脉冲氙气紫外灯管电连接，所述蓄能电路和所述触发电路用于为所述脉冲氙气紫外灯管提供峰值电流，所述脉冲氙气紫外灯管中的峰值电流的电流密度能够达到2000～20000A/cm2。
6.根据权利要求5所述的用于密闭空间的除菌装置，其特征在于：所述蓄能电路中包括蓄能电容，所述蓄能电容为薄膜无极性电容或电解电容，所述蓄能电容的容量为20～200uF。
7.根据权利要求6所述的用于密闭空间的除菌装置，其特征在于：所述蓄能电容为自愈合薄膜电容。
8.根据权利要求5所述的用于密闭空间的除菌装置，其特征在于：还包括反光罩，所述反光罩用于反射所述脉冲氙气紫外灯管发出的光线，所述反光罩对230nm波长的紫外线的反射率大于30％，对260nm波长的紫外线的反射率大于50％；所述反光罩的反光面的材质为AL2O3、TiO2、真空镀膜AL或真空镀膜Au。
9.根据权利要求5所述的用于密闭空间的除菌装置，其特征在于：还包括安全控制电路，所述安全控制电路包括光敏传感器、角度开关、接近传感器或定时器；还包括壳体，所述蓄能电路、触发电路和安全控制电路灌封于所述壳体中。
10.用于密闭空间的除菌方法，其特征在于，采用如权利要5-9中任一种所述的用于密闭空间的除菌装置，所述用于密闭空间的除菌装置的工作状况为：为所述脉冲氙气紫外灯管提供电流2000～20000A/cm2的峰值电流，220～280nm波长的紫外线总辐照剂量为1～500mJ/升/天或0.1～50mJ/升/次，200～230nm波长的紫外线辐照剂量为0.1～200mJ/升/天或0.01～20mJ/升/次。
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