CN114904022A - 一种大面积深紫外固态面光源及杀菌装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大面积深紫外固态面光源及消杀装置，包含：水冷散热基板、大功率深紫外LED芯片阵列、嵌套在阵列上方的多孔状反射组件、覆盖在反射组件上方的石英窗片、驱动电源。其中多孔状反射组件的表面为铝材质，表面光滑；对应LED芯片的孔为喇叭状圆台形。本发明通过特定芯片阵列与优化倾角的圆台反射孔搭配，可实现对深紫外LED面阵朗伯出光角度的改善，获得光功率密度大、发散角小，辐照面无斑马纹现象、功率分布均匀的深紫外光束。光源所实现的低损耗、高均匀辐照光束特性，可满足细菌/病毒灭活所需的高光通量、高可靠性要求。

Description

一种大面积深紫外固态面光源及杀菌装置
技术领域
本发明涉及紫外杀菌技术领域,特别是一种大面积深紫外固态面光源及消杀装置。
背景技术
深紫外LED,通常指能够发射波长在300nm以下紫外线的发光二极管器件,深紫外线可以有效破坏细菌及病毒的遗传物质(DNA或RNA),使其无法复制和繁殖。深紫外LED作为消杀装置的光源,其体积小,但单颗芯片功率低,无法达到消杀需求。此外，由于深紫外芯片材料的高铝组分原因，其发散角通常≥120°。对于消杀工作而言，过大的发散角意味着紫外光线在长距离下工作时侧向功率损失严重，且不易形成强度均匀分布的辐射场，不利于细菌、病毒的可靠表面消杀。不仅如此，为了达到短时高效的表面消杀，通常需要较高的光功率密度，即在短时间内即可获得足够的辐照剂量。目前的深紫外LED芯片单颗光功率通常低于100mW，为了实现大面积的光源模组，阵列化集成是一种有效的方式。然而，同时采用阵列化集成与聚光的方法，固然提高了消杀可靠性，但若阵列化周期与聚光反射罩不能合理配合，则会导致光强在消杀表面分布不均的情况，即斑马纹现象。不均匀的光强分布会带来消杀表面病毒的残留，使得消杀可靠性大幅度下降。由此可见，基于深紫外LED阵列获得高光功率密度、辐照高度均匀的深紫外光辐射场是解决深紫外LED在秒级短时间高效、高可靠表面杀菌/杀毒应用的关键。
发明内容
本发明目的在于克服现有深紫外LED应用技术中的缺陷，提供一种大面积深紫外固态面光源及杀菌装置。
本发明目的通过以下技术方案来实现:
大面积深紫外固态面光源，包括主体基板、深紫外UV-LED阵列、反射组件、保护石英玻璃，和顶部固定板。其中，所述LED阵列按照方形或菱形排布，芯片之间间隔相同，保证出光均匀且中心对称，颗粒排列周期为8～15mm，单颗功率为5～150mW，发光波长为200～300nm；所述反射组件设有圆台形反射镜孔，圆台形孔的中心截面呈梯形，倾角在60°至65°之间，较小的一侧孔靠近LED芯片，较大的一侧孔靠近出光面；每一个孔对应于一颗LED芯片；反射镜孔的表面为铝材质，经镀膜，或机械、化学打磨抛光后对典型254nm波长的深紫外线镜面反射率在60％至95％范围内；
所述主体基板内部设置水冷管道。
该深紫外光源模组及其杀菌装置可采用5-150mW的深紫外LED芯片，按照方形或菱形排布，芯片之间间隔相同，保证出光均匀且中心对称，能够有效解决单颗芯片功率低的缺陷，确保输出紫外功率达到消杀要求，且辐射光场在二维平面内分布均匀，强度偏差小于10％。
该深紫外光源模组及其杀菌装置采用反射镜聚光原理，选用铝制反射层。反射组件设有圆台形凹槽反射镜孔，圆台形孔的截面呈梯形，倾角在60°至65°之间，较小的一侧孔靠近LED芯片，较大的一侧孔靠近出光面；每一个孔对应于一颗LED芯片；反射镜孔的表面为铝材质，经镀膜，或机械、化学打磨抛光后对典型254nm波长的深紫外线镜面反射率在60％至95％范围内。该表面材质对紫外光能够达到足够的反射率，且经过仿真验证，该尺寸可使得聚光效果极佳，将大部分光功率集中在出光角20°以内，得到近平行的紫外光，增强光能利用率，相较于未聚光时其在出光角40°内的光强可增强3至6倍，其中在20°出光角内光强可增强5-6倍；整体光束呈近单一方向性传播，且整个面内光强度分布均匀，能够有效消杀光源正前方的样品。
该深紫外消杀装置底板设有水冷管道，管道直径6～10mm，可外接水冷箱或其他冷却液体箱，管道能够覆盖整个LED阵列，水冷散热相比风冷散热效果更突出，使得模组工作时能保持正常的工作温度，延长LED芯片寿命。
本发明提出的一种大面积深紫外固态面光源及其消杀装置，在深紫外LED芯片阵列化集成的基础上，采用反射组件的聚光增强及出光角度调节的作用，对深紫外LED进行光学二次配光，使其由单个点光源转化成均匀平面光源。利用芯片阵列周期与反射组件倾角在60°～65°之间的调节搭配，一方面大大减少了侧向的光功率损失，达到高效光能利用，另一方，可在照射方向上获得面内光功率密度分布高度均匀的辐射面，避免出现斑马纹等光强分布不均现象，有效保障细菌，以及危害性大的多种病毒的可靠表面消杀。
相较于发明专利CN202010450976“深紫外LED封装及灯具”采用的芯片或芯片阵列外围单一围坝型聚光结构，本案采用单颗芯片配合单个反射孔，再组合成阵列的方式，具备以下优点：1)反射组件整体厚度薄、结构紧凑，利于模组集成；2)光效利用高，聚光效果佳，可实现发散角20°以内的控制；3)避免芯片阵列产生斑马纹效果，可保证均匀消杀。
本发明具有以下优点：1)通过LED芯片阵列的排布，结合特定倾角的圆台状反射孔，可获得阵列照射方向的高度一致，其光束发散角可降低至20度以内；距芯片阵列4-10cm范围内可获得辐射强度均匀分布的光场分布，等同于芯片阵列的投影区域典型不均匀度小于10％，有效避免光强分布不均带来的斑马纹现象，均匀的光场分布有利于细菌或病毒的可靠杀灭应用。2)得益于圆台反射孔侧壁的合适倾角，以及侧壁表面的高反射率，显著降低了出光发散角，LED芯片出射光的整体利用率也大幅度提升。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明俯视图；
图3为本发明底部结构图。
图4为单个反射组件反射镜孔与LED芯片。
图5为单个LED芯片未聚光出光效果图。
图6为单个LED芯片经聚光反射出光效果图。
图7为无反射组件的深紫外LED芯片阵列出光远场图。
图8为经反射聚光后的深紫外LED芯片阵列出光远场图。
图9为无反射组件的光源模组，在距离4.5cm下表面深紫外辐照分布图；
图10为经反射聚光后，在距离4.5cm下的表面深紫外辐照分布图；
图11为阵列周期增大，调整反射组件角度后，在距离4.5cm下的表面深紫外辐照分布图。
图中：1、深紫外光源模组装置底板；2、深紫外LED阵列基板；3、反射组件及其呈现的聚光孔；4、深紫外LED芯片；5、反射镜孔及其铝材质表面；6、水冷管道；7、水冷管外接口；8、石英保护层；9、顶部固定板。
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，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3，本发明一种大面积深紫外固态面光源，包括：大面积深紫外固态面光源装置底板1，作为器件支撑和安置水冷管道，俯视图基板呈正方形或长方形，材质为铝或铜，用以支撑模组装置，且内部设置水冷管道6；参见图3，水冷管道6为多个平行的直管部以及顺次连接直管端部的多个U形的弯曲部组成。水冷管道6具有两个外接口7，一个为进水口，另一个为出水口。
底板1上安装深紫外LED阵列基板2，俯视图为正方形或长方形，基板2上安装有深紫外LED芯片4，芯片阵列按照方形排布(或菱形排布)，芯片之间间隔相同，保证出光均匀且中心对称，周期为8-15mm，单颗功率为5-150mW；芯片阵列表面安装反射组件3，反射组件3表面采用铝材质，该反射组件3中设有圆台形凹槽反射镜孔5，与每颗深紫外LED芯片对应设于反射镜孔5中央底部。
作为本发明的一种实施方式，反射镜层组件尺寸使得每个反射镜孔有最佳的聚光效果，圆台形孔的截面(竖直方向)呈梯形，倾角在60°至65°之间，较小的一侧孔靠近LED芯片，较大的一侧孔靠近出光面；每一个孔对应于一颗LED芯片；反射镜孔的表面为铝材质，经镀膜、或机械、化学打磨抛光后对典型254nm波长的深紫外线镜面反射率在60％至95％范围内，其如图4所示。
作为本发明的一种实施方式，相邻的芯片之间和反射镜孔之间的间距相等。
此外，在反射镜层组件顶部覆盖石英保护层8，石英保护层8的四边用顶部固定板9固定。
使用时，还包括配套的驱动电路和冷却水循环装置。
本发明的工作原理：该装置在使用时，深紫外LED芯片4需外接驱动电路，水冷管道接口7外接水冷散热箱，经电源供电后深紫外LED芯片发射紫外线，紫外线通过反射镜层中的每个反射镜孔5聚光(LED芯片阵列周期13.5mm，反射底孔半径2.6mm、上孔半径6mm，反射组件总高度7mm，反射孔倾角64°)，可将光功率集中在发光角20°以内，得到近平行的深紫外光，如图5、图6远场对比图所示，可极大提高消杀效率，缩短消杀所需时间。消杀样品应置于深紫外LED芯片正下方4至10厘米处正中心，可达到最佳辐射吸收效果，可参照图9与图10的辐射强度分布与辐射吸收分布，在距离芯片4.5cm处的样品表面中心4.0cm2内可得到260W/m2的光功率，相较于未聚光模组中心180W/m2的光功率密度极大增强；此外，经反射组件的聚光后，辐射场核心区域整体均匀性大幅度提升。如果将阵列周期增大至15mm，则整体出光角将会增大，功率耗散也将增加，故可将反射凹槽尺寸调整与周期相互配合(保持反射底孔半径2.6mm不变、反射组件总高度7mm不变的情况下，反射孔上半径从6mm缩小到5.5mm，倾角从原先的64°增加至67.5°)，降低功率损失，如图11所示，调整后仍保持了均匀的辐照吸收效果。

Claims (10)

1.一种大面积深紫外固态面光源，包括主体基板、设于主体基板上的深紫外UV-LED阵列、覆盖在深紫外UV-LED阵列上的反射组件、设于反射组件上的石英保护层以及设于石英保护层上的顶部固定板，其中，所述LED阵列按照方形或菱形排布，芯片之间间隔相同，颗粒排列周期为8-15mm，单颗功率为5-150mW，发光波长为200-300nm；所述反射组件设有圆台形反射镜孔，圆台形孔的中心截面呈梯形，倾角在60°至65°之间，较小的一侧孔靠近LED芯片，较大的一侧孔靠近出光面；每一个孔对应于一颗LED芯片；反射镜孔的表面为铝材质，经镀膜，或机械、化学打磨抛光后对典型254nm波长的深紫外线镜面反射率在60％至95％范围内；
所述主体基板内部设置水冷管道。
2.根据权利要求1所述一种大面积深紫外固态面光源，其特征在于：所述主体基板呈正方形或长方形。
3.根据权利要求1所述一种大面积深紫外固态面光源，其特征在于：所述主体基板材质为铝或铜。
4.根据权利要求1所述一种大面积深紫外固态面光源，其特征在于：水冷管道为多个平行的直管部以及顺次连接直管端部的多个U形的弯曲部组成，水冷管道具有两个外接口，一个为进水口，另一个为出水口。
5.根据权利要求4所述一种大面积深紫外固态面光源，其特征在于：水冷管道连接水冷箱。
6.根据权利要求1所述一种大面积深紫外固态面光源，其特征在于：水冷管道的垂直投影面积为主体基板面积的40-60％。
7.根据权利要求1所述一种大面积深紫外固态面光源，其特征在于：所述反射组件的圆台形反射镜孔，可使孔内的单颗LED光源聚光后为近平行光，其出光发散角可调节至20°至40°，且中心光强增强；配合周期阵列的LED，可使距离LED阵列4～10cm处垂直照射区域的光强分布不均匀性＜10％。
8.根据权利要求1所述一种大面积深紫外固态面光源，其特征在于：还包括配套的驱动电路和冷却水循环装置。
9.根据权利要求1-8任一项所述一种大面积深紫外固态面光源在制备用于细菌及病毒的深紫外表面消杀装置中的应用。
10.一种深紫外表面消杀装置，其特征在于，具有权利要求1-8任一项所述的一种大面积深紫外固态面光源。
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