CN114452431A - 对人体无害的紫外线-超声波联合杀毒灭菌装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对人体无害的紫外线‑超声波联合杀毒灭菌装置及方法，该发明利用空气超声波在空气中的物理化学效应，使空气超声波与对人安全的紫外光结合，形成空气超声波与对人安全的紫外光的联合杀毒灭菌，解决了对人安全的紫外光穿透能力差而导致其在实际环境中杀毒灭菌效率低的问题；针对现有对人安全的紫外光发生单元存在残余有害光紫外光的问题，该装置根据紫外光的频谱特征和空间传播特征，设计有效透过杀毒光、滤除有害光的吸收型滤波器，滤除光源发出的有害光，解决了大空间区域紫外灯辐照的在人安全问题。使得该装置不但保证了在人情况下杀毒灭菌的安全性，还提高了复杂环境中的杀毒灭菌效率，可有效的阻止人员聚焦环境中人传人疾病的传播。

Description

对人体无害的紫外线-超声波联合杀毒灭菌装置及方法

技术领域

本发明涉及一种对人体无害的紫外线-超声波联合杀毒灭菌装置及方法。

背景技术

目前的杀毒方法虽然很多，如：化学杀毒、等离子体杀毒、微波杀毒、紫外光杀毒、超声杀毒等。然而，除了超声杀毒外，其它杀毒过程都对人体会有不同程度的危害，均不适用于在有人的场所，但超声杀毒效率太低，单独使用难以有效的阻断冠状病毒传播。

波长小于280nm的短波深紫外光简称UVC，能够高效灭活对人体有害的细菌和病毒，具有相当强的杀菌杀毒能力，但是其对人体的皮肤和眼睛的危害也大，若裸露皮肤被紫外光长期照射，会出现灼伤皮肤，严重的甚至会引发皮肤癌。同时，人的眼睛被其长期照射后，也会致使结膜和角膜发炎，严重的甚至会引发白内障。因此，传统的深紫外杀毒装置的应用十分有限，无法在人员密集的公共场所进行杀毒作业，不能够切实有效地抑制呼吸道类疾病的传染和扩散。

虽然目前也有试验已证明，在实验条件下，采用波长为220nm～230nm的紫外光可以有效的杀灭病毒和细菌，用这种光对人长期照射，也不会对人体造成损伤；但是实验中使用的病菌一般是裸露的，病菌的体积本身很小，故很容易被穿透能力小的紫外线杀灭；并且，实验条件下的光源辐照区域很小，很容易得到传播方向相同的均匀照射的纯的波长为220nm～230nm的紫外光。但是，实际传播中的病菌经常会附着在其他物质上，并通常被其他物质(如气溶胶、微尘颗粒)包裹或覆盖；根据光的直线传播原理，病菌就很容易被遮挡，使得紫外光难以到直接作用于病菌，从而造成实际运用中的病菌消杀困难，实际难以有效阻断病菌传播。

另外，虽然有很多光源可发射222nm附近的紫外，但目前实际可用于杀毒的主要是准分子激光和氯化氪准分子灯，然而准分子激光的价格昂贵，故很少采用。而氯化氪准分子灯除了发射222nm附近的紫外光，还发射对人体有害的波长在230nm～300nm的光波，因此必须滤除。但由于准分子光源的面积一般较大，发出光波的在空间的传播方向分布复杂，滤除这种光源的有害光波是很困难的，专利号为US20200234941的专利公开了一种紫外线杀菌装置，其为了在用紫外光对皮肤(手)杀毒时，消除氯化氪准分子灯发出的附加有害光，采用了非常复杂的滤光装置，使其输出光的为准直光，然后再利用222nm的干涉滤光片滤除附加有害光，该结构不但复杂，光损耗大，且由于准直困难，只能对小范围区域进行杀毒。星际光(上海)实业有限公司，公开了一种广谱消杀消毒系统，其公开了其通过百层纳米光学干涉镀膜(即采用干涉法进行滤光)对准分子灯的有害紫外光进行过滤，希望得到纯粹无害的222纳米紫外线，然而由于干涉滤光片的滤光性能随入射角变化而变化，这种滤光片只能对单一角度的有害光进行过滤，由于准分子灯源发出的紫外光向各个方向传播，分布在很大的角度范围，星际光公司直接采用干涉滤光片过滤，不但不能有效过滤有害光目的，而且还降低了杀毒光的强度，影响了杀毒效率。要直接滤除这种光源的有害光，透过杀毒光，只能采取吸收原理制成的滤光片。但要找到能够透过无害的杀毒光，滤除掉有害光的滤光片使非常困难的，它需要解决三个问题：1、如何选择透过杀毒光的基底材料。2、如何选择对有害光吸收，而由不影响杀毒光的透过的吸收材料。3、如何将选择的基底材料和选择的吸收材料结合，形成性能稳定的吸收滤光片。

专利号为CN202010229777.0的专利申请还公开了一种防气溶胶病毒中央空调杀菌装置及空调系统，其提出了采用空气超声和紫外光联合应用于中央空调内的冠状病毒杀灭，但它的杀毒场景是无人的密闭通道内，由于不需要考虑紫外光波辐照引起的健康危害，因此它们的声源可包含穿透能力强的紫外光。同时，由于光波和声波都处在密闭腔内，都有很强的多次反射波存在，它们在通道内容易形成均衡的声波长和光波场，在杀毒时可很容易实现紫外光和空气超声的强耦合作用。但在人情况属于开放空间，由于光波和声波都没有强的反射波，只能在光波和声波重叠的区域产生耦合，由于杀毒光波对物质的穿透能力弱，它和声波的耦合只产生在物质表面，因而需要表面效应更显著的声波，因此，使用声波的频率应该更低。目前也没有关于如何使开放空间的紫外光和空气超声实现有效耦合的相关讨论。

综上所述，目前还没有一种适用于有人在的空间，并同时还能提高杀毒效果的杀毒灭菌毒装置，因此，如何实现在有人情况下对开放空间的进行高效杀毒灭菌是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种对人体无害的紫外线-超声波联合杀毒灭菌装置及方法，以解决目前的杀毒灭菌装置不能在保证人安全的前提下，对有人所在区域进行有效地杀毒灭菌的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种对人体无害的紫外线-超声波联合杀毒灭菌装置，该装置包括超声波发生单元、紫外光发生单元和滤光单元；超声波发生单元，用于在空气中产生超声波；

紫外光发生单元，用于产生紫外光；

滤光单元，用于滤除所述紫外光发生单元向各个方向传播的对人体有害的紫外光，只允许对人体无害且能杀菌的紫外光通过；

所述经滤光单元过滤处理后的紫外光的照射区域与超声波发生单元产生的超声波共同作用于同一区域。

进一步地，所述滤光单元为设置在紫外光发生单元发出的紫外光传播路径上的紫外光吸收滤光片，所述紫外光吸收滤光片用于在透过波长为 180nm～230nm的紫外光的同时对波长高于230nm的有害紫外光进行吸收。

进一步地，所述紫外光吸收滤光片包括能够透射紫外光的基底和浸入所述基底内的紫外光吸收材料；所述基底为石英玻璃、多孔石英玻璃或能够透射紫外光的塑料制成；所述紫外光吸收材料在230nm～350nm的光谱区有吸收带，在 180nm～230nm的光谱区无吸收带。

进一步地，所述紫外光吸收滤光片包括呈透明状的透明基体以及覆盖在所述透明基体上的紫外吸收膜。

进一步地，所述紫外线光源为准分子激光或氯化氪准分子灯。

进一步地，所述超声波发生单元为大功率发射型空气超声换能器，超声波发生单元的输出声源频率为20000Hz～0.1MHz。

进一步地，当单一超声波发生单元的超声辐照面积或超声波强度小于要求时，该装置采用多个超声波发生单元与紫外线光源组合共同作用于同一区域。

进一步地，该装置还包括用于将所述紫外线光源发出的紫外光进行导向的反射板或反射罩。

进一步地，该装置还包括供电电源、控制系统以及分别与所述供电电源和紫外线光源连接的第一驱动电路以及分别与所述供电电源和超声波发生单元连接的第二驱动电路。

此外，本发明还提供了一种利用上述对人体无害的紫外线-超声波联合杀毒灭菌装置进行空气杀毒灭菌的方法，该方法包括以下步骤：

S1：利用超声波发生单元产生空气超声波；

S2：利用紫外光发生单元产生紫外光，并通过滤光单元滤滤除所述紫外光发生单元向各个方向传播的对人体有害的紫外光，只允许对人体无害且能杀菌的紫外光通过；

S3：经滤光单元过滤处理后的紫外光的照射区域与超声波发生单元产生的超声波覆盖区域至少部分重叠，共同作用于同一区域。

本发明的有益效果为：通过利用超声波将空气中或附着在物体表面的病毒和细菌从被包裹的物质中脱离出来，然后利用空气超声波的一系列物理化学效应与对人安全、但能进行有效杀毒灭菌的紫外光对开放的空间进行杀毒灭菌处理，形成空气超声波和对人安全的紫外光联合杀毒灭菌作用，解决了由于对人安全的紫外光穿透能力差而导致其在实际环境中杀毒灭菌效率低的问题，该装置不但保证了在人情况下杀毒灭菌的安全性，同时还极大地提高了复杂环境中的杀毒灭菌效率，可有效的阻止人员聚焦环境中人传人疾病的传播。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明一个实施例的原理图。

图2为本发明另一个实施例的原理图。

图3为本发明一个实施例的紫外光吸收滤光片的紫外光吸收特性曲线图。

具体实施方式

如图1和图2所示的对人体无害的紫外线-超声波联合杀毒灭菌装置，该装置包括超声波发生单元、紫外光发生单元和滤光单元；所述紫外线光源用于产生紫外光；所述滤光单元用于滤除所述紫外光发生单元向各个方向传播的对人体有害的紫外光，只允许对人体无害且能杀菌的紫外光通过；所述超声波发生单元用于在空气中产生超声波；经滤光单元过滤处理后的紫外光的照射区域与超声波发生单元产生的超声波覆盖区域至少部分重叠，共同作用于同一区域。

该装置通过利用超声波发生单元产生的超声波使空气中的微粒实现快速裂解、脱水，旋转等效应，还能够使吸附在物体表面上的微粒产生跳跃、移动等现象，可使被气溶胶及其他物质包裹、遮盖的病毒或细菌直接暴露在空气中，通过利用超声波将空气中或附着在物体表面的病毒和细菌从被包裹的物质中脱离出来，然后利用空气超声波的一系列物理化学效应与对人安全、但能进行有效杀毒灭菌的紫外光对开放的空间进行杀毒灭菌处理，形成空气超声波和对人安全的紫外光联合杀毒灭菌作用，解决了由于对人安全的紫外光穿透能力差而导致其在实际环境中杀毒灭菌效率低的问题，该装置不但保证了在人情况下杀毒灭菌的安全性，同时还极大地提高了复杂环境中的杀毒灭菌效率，可有效的阻止人员聚焦环境中人传人疾病的传播。该装置能够对有人在的场所，进行快速杀灭细菌和病毒，可应用于办公室、医院、教室、会议室、餐厅、幼儿园、汽车、火车、公共交通等人员流动场所，能够有效的阻断病毒和细菌的传播。

根据本申请的一个实施例，所述有害紫外光为除波长为200nm-230nm以外的紫外光。紫外线杀毒灭菌是利用其波长，能够使微生物机体(细菌、病毒、芽孢等病原体)细胞中的DNA或RNA分子结构中的键和链的断裂、股间交联和形成光化产物等，从而损伤和破坏核酸的功能，使微生物自身不能复制，造成生长性细胞死亡和(或)再生性细胞死亡，达到杀毒灭菌的效果。本申请通过采用200nm-230nm波长的紫外光，能有效的杀灭病毒和细菌的同时，不会对皮肤和眼睛产生不良影响而威胁人体安全。

根据本申请的一个实施例，所述滤光单元为设置在紫外光发生单元发出的紫外光传播路径上的紫外光吸收滤光片，所述紫外光吸收滤光片用于在透过波长为180nm～230nm的紫外光的同时对波长高于230nm的紫外光进行吸收。针对现有对人安全的紫外光源存在残余有害光紫外光的问题，该装置根据该紫外光的频谱特征和空间传播特征，设计有效透过杀毒光，滤除有害光的吸收型滤波器，直接滤除光源发出的有害光，保证了大空间区域的安全杀毒。不但保证了在人情况下杀毒灭菌的安全性，还提高了复杂环境中的杀毒灭菌效率。

根据本申请的一个实施例，由于杀毒光的波长很短，一般的玻璃材料在该波段处吸收都很强，难以透射杀毒光波，只有选用特殊的材料，如石英玻璃、特种玻璃。有一些塑料也对该紫外光也有很好的透射，比如：光学塑料、聚乙烯塑料等，也可用于做为吸收滤光片的基底材料。所述紫外光吸收滤光片包括能够透射紫外光的基底和浸入所述基底内的紫外光吸收材料；所述基底为石英玻璃、多孔石英玻璃或能够透射紫外光的塑料等材料制成；所述紫外光吸收材料在高于230nm～350nm的光谱区有吸收带，在180nm～230nm的光谱区无吸收带，其紫外光吸收特性如图3所示。具体来说，紫外光吸收滤光片可采用多孔二氧化硅(多孔石英玻璃)为基体，将对波长为230nm以上的紫外光有强烈吸收的有机紫外光吸收材料，浸入多孔玻璃基体中。吸收滤光片中的吸收材料可以是有机吸声材料也可是无极吸收材料，他们对对波长为230nm～300nm的紫外光进行吸收，而对222nm附近的光没有吸收峰(吸收较小)，从而实现滤除有害紫外光的作用；其中，有机紫外光吸收材料可采用2'～(2'～羟基～3'～叔丁基～5'～甲基苯基)～5～氯苯并三唑、2～羟基～4～N～辛氧基二苯甲酮等有机材料或稀土无极紫外光吸收材料，该有机紫外光吸收材料在有害区有很高的吸收，在短波区，吸收峰应距离222nm很远，在波长长于222nm后应吸收曲线快速增高。

根据本申请的一个实施例，所述紫外光吸收滤光片包括呈透明状的透明基体以及覆盖在所述透明基体上的紫外吸收膜。除了前述结构外，紫光吸收滤光片的基体除了多孔石英玻璃外，还可采用透紫外的其他石英玻璃以及掺有吸收 230～340nm材料的有机薄膜。例如：可把用吸收物质结合紫外透明粘合剂涂覆在选定的紫外透明材料上，或者将选定的吸收物质掺入透明塑料中，压延产生满足滤光特性的吸收膜或滤光片。

根据本申请的一个实施例，所述紫外线光源为准分子激光或氯化氪准分子灯。准分子激光或氯化氪准分子灯能够发出大功率的波长为222nm附近的强紫外光源；当然在实际运用过程中，也可以采用氯化氪准分子激光、UVC LED光，高压汞灯、低压汞灯、氯化氪准分子灯等。

根据本申请的一个实施例，所述超声波发生单元为大功率发射型空气超声换能器，超声波发生单元的输出声源频率为20000Hz～0.1MHz。可用于在人情况下的超声紫外联合杀菌系统中的超声声源的声源很，例如，多动圈式、电容式、压电式、电磁式、电离子式和气动式喇叭等，优选为大功率发射型空气超声换能器。为了避免对听觉的干扰，需选择输出频率高于20000Hz的声源，考虑到高频超声在空气中的衰减很大，换能器的频率不应太高，一般采用小于 0.1MHz以下的超声波，为了防止驱动超声换能器时产生附加的可听声输出，同时产生强的超声波，在输出功率强的频率处驱动。

根据本申请的一个实施例，当超声辐照面积或超声声强小于要求时，可以用多个换能器通过辐照面拼接或声波叠加而成，以保证该装置的杀菌效率。

根据本申请的一个实施例，该装置还包括用于将所述紫外线光源发出的紫外光进行导向的反射板或反射罩。通过设置反射板或反射罩可将紫外线光源发出的紫外光进行导向，例如将向远离杀毒灭菌作用区域的一侧紫外光统一反射至杀毒灭菌作用区域，不仅可以提高紫外光的利用率，还可便于后续设置滤光器。当然，实际实用过程中，也可以选择不使用反射罩(如图2)，此时，则滤光片应包围整个灯，或至少需使从灯源发出的可能较长时间照射人体的光经滤光片才能到达人。其中，所述反射板或反射罩为铝板，通过对铝板进行轧延、打磨等处理后，使铝板表面呈现镜面效果，从而实现对紫外光的高反射率。所述反射板或反射罩还可为表面镀有铝反射膜的板体或罩体。通过采用在板体或罩体表面镀铝反射膜的结构，可以节约成本。

根据本申请的一个实施例，该装置还包括供电电源、控制系统以及分别与所述供电电源和紫外线光源连接的第一驱动电路以及分别与所述供电电源和空气换能器连接的第二驱动电路。通过在供电电源与第一驱动电路和第二驱动电路之间设置控制系统，可以通过开关电路控制第一驱动电路和第二驱动电路驱动紫外线光源和空气换能器工作，所述控制系统为开关电路。

此外，本发明还提供了一种利用上述对人体无害的紫外线-超声波联合杀毒灭菌装置进行空气杀毒灭菌的方法，该方法包括以下步骤：

S1：利用超声波发生单元产生空气超声波；

S2：利用紫外光发生单元产生紫外光，并通过滤光单元滤滤除所述紫外光发生单元向各个方向传播的对人体有害的紫外光，只允许对人体无害且能杀菌的紫外光通过；

S3：经滤光单元过滤处理后的紫外光的照射区域与超声波发生单元产生的超声波覆盖区域至少部分重叠，共同作用于同一区域。

根据本申请的一个实施例，步骤是S3中，经过滤处理后的所述紫外光的照射区域与所述超声波的辐射区域相重叠，即使紫外光发生单元发出的紫外光与超声波发生单元产生的超声波能够重叠耦合；而要实现紫外光和空气超声的有效耦合，需要保证在杀毒区光波和声波的重叠，紫外光虽然看不见，现在的紫外灯源一般都伴随着可见光的发射，因此它的照射区域是可以确定的。主要是空气超声的辐射区，由于超声波在空气中波长大约10-20MM，因此它的方向性已经很明显，需要根据主瓣宽度确定覆盖区域，如一个矩形换能器，它的长度为d，空气中波长为λ，辐射面距离换能器中心为L，则辐射面是以换能器中心线与辐射面的交点为中心，则辐射的矩形区域面积S为：

对圆形换能器，如半径为a，其它参数与前面相同，则照射的圆形区域面积S为：

对其他形状的换能器，可根据对应主瓣发散角得到辐照面上相应方向的尺度，从而得到辐射面积。如果超声辐射面积小于要求面积，可以用多个换能器辐射面接拼接而成。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种对人体无害的紫外线-超声波联合杀毒灭菌装置，其特征在于，包括

超声波发生单元，用于在空气中产生超声波；

紫外光发生单元，用于产生紫外光；

滤光单元，用于滤除所述紫外光发生单元向各个方向传播的对人体有害的紫外光，只允许对人体无害且能杀菌的紫外光通过；

所述经滤光单元过滤处理后的紫外光的照射区域与超声波发生单元产生的超声波共同作用于同一区域。

2.根据权利要求1所述的杀毒灭菌装置，其特征在于，所述滤光单元为设置在紫外光发生单元发出的紫外光传播路径上的紫外光吸收滤光片，所述紫外光吸收滤光片用于在透过波长为180nm～230nm的紫外光的同时对波长高于230nm的有害紫外光进行吸收。

3.根据权利要求2所述的杀毒灭菌装置，其特征在于，所述紫外光吸收滤光片包括能够透射紫外光的基底和浸入所述基底内的紫外光吸收材料；所述基底为石英玻璃、多孔石英玻璃或能够透射紫外光的塑料制成；所述紫外光吸收材料在230nm～350nm的光谱区有吸收带，在180nm～230nm的光谱区无吸收带。

4.根据权利要求3所述的杀毒灭菌装置，其特征在于，所述紫外光吸收滤光片包括呈透明状的透明基体以及覆盖在所述透明基体上的紫外吸收膜。

5.根据权利要求1或所述的杀毒灭菌装置，其特征在于，所述紫外线光源为准分子激光或氯化氪准分子灯。

6.根据权利要求1所述的杀毒灭菌装置，其特征在于，所述超声波发生单元为大功率发射型空气超声换能器，超声波发生单元的输出声源频率为20000Hz～0.1MHz。

7.根据权利要求1或7所述的杀毒灭菌装置，其特征在于，当单一超声波发生单元的超声辐照面积或超声波强度小于要求时，该装置采用多个超声波发生单元与紫外线光源组合共同作用于同一区域。

8.根据权利要求1所述的杀毒灭菌装置，其特征在于，该装置还包括用于将所述紫外线光源发出的紫外光进行导向的反射板或反射罩。

9.根据权利要求1所述的杀毒灭菌装置，其特征在于，该装置还包括供电电源、控制系统以及分别与所述供电电源和紫外线光源连接的第一驱动电路以及分别与所述供电电源和超声波发生单元连接的第二驱动电路。

10.一种利用权利要求1-9任一所述对人体无害的紫外线-超声波联合杀毒灭菌装置进行空气杀毒灭菌的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：利用超声波发生单元产生空气超声波；

S2：利用紫外光发生单元产生紫外光，并通过滤光单元滤滤除所述紫外光发生单元向各个方向传播的对人体有害的紫外光，只允许对人体无害且能杀菌的紫外光通过；

S3：经滤光单元过滤处理后的紫外光的照射区域与超声波发生单元产生的超声波覆盖区域至少部分重叠，共同作用于同一区域。

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