CN116907017A - 一种基于杀菌空间和人员聚集空间重叠的空气消毒装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于杀菌空间和人员聚集空间重叠的空气消毒装置，包括：能够转动的紫外聚光单元和超声阵列单元，所述超声阵列单元与所述紫外聚光单元相邻设置，所述紫外聚光单元包括聚光模组和能够杀菌消毒的准分子灯，所述准分子灯设置于所述聚光模组内，所述准分子灯在所述聚光模组内发散全角不大于50度，所述超声阵列单元设置于所述聚光模组上并产生超声波随所述准分子灯照射的光线一同至目标区域，进而使得准分子灯在发光功率范围内，与灯源距离超过设定距离时，光强杀菌能力提高，从而保证远处光照高强度，提高了远处的杀菌效果。

Description

一种基于杀菌空间和人员聚集空间重叠的空气消毒装置

技术领域

本申请涉及空气消毒领域，尤其涉及一种基于杀菌空间和人员聚集空间重叠的空气消毒装置。

背景技术

防止呼吸传染流行病的发生，对人员聚焦的地方(例如，医院、厂房、公交、商场、家庭等场所)进行人机共存的空气消毒是必要的。为了杀灭微生物，人们提出了很多消毒手段，如紫外、微波、等离子、高温以及化学试剂等。因为这些消毒手段会危害人的健康，不能直接对人群活动区进行空气消毒。现有的空气消毒机都是把灭菌空间和人员聚集活动空间分开的。为了对人员聚集空间的空气消毒，需要通过抽运(一般采取循环风方式)将聚集区的空气抽运到机器的杀毒区，然后再把消毒空气送回人员活动区，对这种机器，实现一次完整消毒时间一般为小时级，但是呼吸疾病在人群中时间的时间为分钟级。从理论上，无法阻止呼吸疾病在人群中的传播，另外，空气抽运的气体流动还可能增大疾病传染风险，所以现在的空气消毒机对防止人群疾病传染的效果很不理想。

为了解决上述问题，有人提出采用短波长紫外光进行消毒，由于如222nm这样的短波长紫外光，对生物物质穿透能力弱，相较于其它长波长的紫外光，人体的表皮层对这种紫外光就是一个天然防护层，因此，这类紫外光辐照人体的每日安全剂量较其它更长波长紫外光的剂量高得多，222nm紫外光对皮肤辐照的每日安全剂量达到为478mJ/cm²，相较于254nm紫外光的10mJ/cm²，高出了近48倍，且很多实验显示，用222nm紫外光杀菌和254nm紫外光杀菌，很多情况效果相当。因此，具有这样高安全辐射剂量的紫外光，有可能用于直接对人群进行紫外空气消毒。

实验寂静证明：对高强度的短波长紫外光可在秒级水平杀灭微生物，它远小于呼吸疾病人传人时间(分钟级)，原理上，用这种紫外光直接对人消毒，可有效阻止疾病传播。

然而，222nm紫外光的高安全辐射剂量并不意味着可用紫外灯长期直接对人群进行消毒。实验已经证实高于安全剂量的辐射会危及人体健康，而在有照明光的情况下，低强度的紫外光(≦40μW/cm²)又会失去消毒能力。另外，现有222nm紫外光杀菌仪器的光源都是采用氯化氪准分子灯，这种灯的光谱为复色光谱，虽然222nm光占支配地位，但光能量中还有大约2.3％的257nm的紫外光，虽然其强度比222nm小得多，但它的安全辐照剂量小，危害最大。为了得到直接对人辐照的安全系统，必须采取相应的措施，保证在人群活动中，紫外辐照的安全性和空气消毒的有效性。

人群活动时，都要求一定的空间高度，按上平层紫外空气消毒机对人群活动区的空间高度要求，空气消毒仪器的活动区空间高度应保持在2m以上。现有的222nm灭菌装置，基本上都是一个带反射罩的准分子灯加一个滤光片系统，由于这种灯的强度按灯源距离平方成反比的规律衰减。在距离灯80cm处，如果光强为60μW/cm²，则在距灯源40cm处，则在240μW/cm²，此处的安全辐照时间不到40分钟左右。距离光源在98cm处，强度已经低于40μW/cm²。丧失了杀菌能力。显然这种灯的杀菌空间小，而安全剂量不易控制。

设计高效空气消毒机的关键问题是：如何利用深紫外光源的有限安全辐照剂量，在人群活动区内，实现持续、高效的杀灭不断产生的致病微生物。

由于呼吸疾病传染的时间一般是分钟量级，为了有效防止疾病传播，消毒机应该在分钟量级内完成一次全面的消毒。由于病源在人群聚集时间内会不断释放致病微生物，因而，消毒机的消毒应以分钟级的周期不断重复消毒。

对聚集人群进行消毒，控制辐射剂量是安全性的保证，由于人群聚集的空间高度超过2m，而人群中致病源的位置不能确定。如果光源在此区域内的光强不均匀，安全剂量和消毒效果都不易控制。为此我们系统的光源要求准直，这样光在整个光束内可以认为是等强度的。由于现有准分子灯的光源在长度方向准直是困难的。

因此，综上的现有各种方案无法解决人群活动时的安全空气消毒问题。

发明内容

本申请提供了一种基于杀菌空间和人员聚集空间重叠的空气消毒装置，以解决目前在紫外装置发光功率范围内，与灯源距离超过设定距离时，光强杀菌能力降低，导致远处的杀菌效果差。本申请提供了一种基于杀菌空间和人员聚集空间重叠的空气消毒装置，包括：能够转动的紫外聚光单元和超声阵列单元，所述超声阵列单元与所述紫外聚光单元相邻设置，所述紫外聚光单元包括聚光模组和能够杀菌消毒的准分子灯，所述准分子灯设置于所述聚光模组内，所述准分子灯在所述聚光模组内发散全角不大于50度，所述超声阵列单元设置于所述聚光模组上并产生超声波随所述准分子灯照射的光线一同至目标区域。

可选的，所述准分子灯在所述聚光模组内发散全角小于30度。

可选的，所述准分子灯扫描目标区域的光照强度剂量高于3000μJ/cm²。

可选的，所述准分子灯为反射式或透射式。

可选的，所述聚光模组包括转动件和聚光罩，所述转动件设置于所述聚光罩的外侧壁上，所述准分子灯设置于所述聚光罩内，所述超声阵列单元转动设置于所述聚光罩上，其中，且所述聚光罩在预设时间内通过所述转动件转动目标角度。

可选的，所述聚光罩的内侧壁为镜面；或，在所述聚光罩的内侧壁的反射面上添加均匀的散射颗粒。

可选的，所述聚光模组还包括固定件，所述固定件和所述转动件连接，其中，所述固定件能够设置在地面上或室内的天花板上。

可选的，所述聚光模组还包括柔性滤光片，所述柔性滤光片设置于所述聚光模组的出口上。

可选的，所述超声阵列单元包括能够产生空气超声的换能器和驱动器，所述换能器和所述驱动器连接，所述换能器和所述驱动器分别设置于所述聚光模组内，且所述换能器发出的声波能够与所述准分子灯发出光线垂直。

本申请通过准分子灯设置于聚光模组内，准分子灯在聚光模组内发散全角不大于50度，超声阵列单元设置于聚光模组上并产生超声波随准分子灯照射的光线一同至目标区域，进而使得当准分子灯在发光功率范围内，与灯源距离超过设定距离时，由于聚光模组内发散全角不大于50度，从而提升了光照强度和光照范围，使得光强杀菌能力提高，从而保证远处光照强度高，提高了远处的杀菌效果。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种基于杀菌空间和人员聚集空间重叠的空气消毒装置示意图；

以下为主要部件名称和标号：

1、准分子灯；2、聚光罩；3、转动件、4、换能器；5、驱动器；6、柔性滤光片；7、固定件。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，图1中射出聚光模组的线为准分子灯的光线在聚光单元内反射路线，当然，反射路线是准分子灯的光线一部分，其他光线在此没有画出。本申请实施例提供了一种基于杀菌空间和人员聚集空间重叠的空气消毒装置，能够转动的紫外聚光单元和超声阵列单元，所述超声阵列单元与所述紫外聚光单元相邻设置，所述紫外聚光单元包括聚光模组和能够杀菌消毒的准分子灯1，所述准分子灯1设置于所述聚光模组内，所述准分子灯1在所述聚光模组内发散全角不大于50度，所述超声阵列单元设置于所述聚光模组上并产生超声波随所述准分子灯1照射的光线一同至目标区域。进而使得当准分子灯1在发光功率范围内，与灯源距离超过设定距离时，由于聚光模组内发散全角不大于50度，从而提升了光照强度和光照范围，使得杀菌能力提高，保证远处光照强度高，提高了远处的杀菌效果。另外，基于杀菌空间和人员聚集空间重叠为分钟级，人群活动空间高度1.5米以上的空气消毒装置。

可选的，准分子灯1为圆形或近似圆形的灯，此种形状灯的灯光照射长度方向准直简单。

可选的，所述超声阵列单元相对所述紫外聚光单元转动，即所述超声阵列单元相对聚光模组转动，使得超声阵列单元产生的超声波能够传播至各个方向，能够提高杀菌效果。

可选的，准分子灯1的光线照射至紫外聚光单元的内侧壁上并反射出的光线变为平行光线。本申请通过将传统的散射的杀菌光线转变为集中平行光线，能够将光线定向照射在房间上层，形成室内上部高效杀菌层。需要说明的是，在人群聚集的空间高度范围内，保证辐照安全和有效消毒，可以将准分子灯1(也可以使其它光源)通过紫外聚光单元(为了获得高的安全剂量，一般要采用滤光膜)，将准分子灯1光源的光束整形成近似平行的光束，得到均匀的光分布。从而避免了在活动空间内的高光强区造成的安全辐照时间降低的问题，也避免活动区低强度造成的消毒无效。

进一步的，当把准分子灯1的源光整形成平行光，它的辐射区域会变小，一般都在平方分米水平左右，为了对几十平方范围消毒，最经济的方式用平行光束进行空间扫描，由于扫描过程存在对同一位置必然存在着消毒间隙，为了有效的阻止人群呼吸疾病传播，需要控制间隙时间，需要控制扫描周期，最优的方式是使扫描周期小于疾病传播时间。因此，当空间过大时、人群密集度高时，需要增加空气消毒机的个数。保证扫描的辐照安全和消毒的有效性。

可选的，准分子灯1镀有柔性膜的氯化氪，准分子灯1还可以是深紫外LED灯，可具有柔性滤光膜的准分子灯1。需要说明的是，通过准分子准分子灯1和超声阵列单元能够实现高方向性的强紫外和强空气超声，使得准分子灯1的光线在远距离传播方向中灭活微生物内的光复活酶，防止微生物复活，同时通过旋转准分子准分子灯1和超声阵列单元实现灭活大范围空间的空气消毒，具体的，所述准分子灯1在所述聚光模组内发散全角不大于50度，从而能够增加实际照明光夹角，也即能够扩大光照距离和光照范围，进而增加了远处病毒的消杀效果。另外，为了保证人群聚集的辐照安全，对较长时间聚集的人群，准分子灯1(紫外照明灯源)需要设置滤光膜，以获得高的安全辐照阈值，为了充分利用光能，最好是采用柔性滤光膜，如果只需要短时间消毒，如人群的总辐照时间在在1小时以下，可不采用滤膜，如安全检测口或消毒门情况。

可选的，所述准分子灯1在所述聚光模组内发散全角小于30度。使得实际照明光夹角变大，从而降低光能损失，超过1m后的光强增加，能够实现远处的消杀。可选的，若在聚光模组出口上设有介质滤光片，为了与滤光片的输出角匹配，准直光角小于20度，才能实现光照分布均匀。

可选的，当所述准分子灯1的光强超过70μW/cm²,所述超声阵列单元的超声强度超过90dB时，所述准分子灯1的1分钟连续照射的杀菌率和分6次，间隔1分钟与所述准分子灯1每次20秒钟转动一周的照射的杀菌率相同。通过合理的设置照射频率，从而实现了对于远处空间的病毒进行有效消杀。可选的，为了有效消毒空气，需要控制扫描速度，太快的扫描速度可能造成微生物内的酶灭活不彻底。如消毒边界距离R灯源最远消毒处的光斑大小为d(在扫描方向上的光斑尺度,单位为cm)，且该处光强为IμW/cm²，若扫描周期T秒，实现杀毒的需要在M秒内完成，则总次数为M/T次，保证消毒要求的剂量为W，则转动角速度ω应有：

进而可保证有效杀菌。由于大空间的消毒是通过准分子灯1照射的光束空间扫描来完成，可采用的扫描方式很多，如像电扇将光源进行机械扫描，或光学扫描方式(振镜扫描)，也就是将准直后的光束进行空间旋转扫描，就可覆盖大的空间区域，实现大空间有效消毒。

可选的，所述准分子灯1扫描目标区域的光照强度剂量高于3000μJ/cm²。通过合理的设置照射强度剂量也能够实现对于远处空间的病毒进行有效消杀。可选的，由于不同的微生物消毒剂量不同，光照强度剂量高于3000μJ/cm²是对于大肠杆菌，为此，为了满足不同病毒的杀灭需要，公式中采用的剂量为W。对于大空间区域，可采用多个杀毒装置进行空间叠加，只要保证活动空间有效消毒即可。

具体的，在准分子灯1的灯源确定时，安全辐照阈值时间就确定了，为了保证辐照安全，人群聚集时受到的总辐射必须小于安全辐照时间，另外，为了防止疾病传播，对于具有光复活效应的致病微生物，由于光复活速度太快，有效消毒需要做到单周期有效杀灭，即每次每个消杀位置都需要高于最小消毒剂量。由于致病微生物在不断产生，消杀周期需要小于疾病传播时间(它和病种和人员密集度有关)，这些和扫描参数和超声波、紫外光参数有关。

如准分子灯1光源的安全辐照剂量ES(决定于光源光谱分布)，安全辐照时间T1、微生物消杀一次的剂量E1，T2是紫外光消杀一次的时间、紫外光强度I1、人群聚集时间T3，疾病传播的时间T4来决定(与人群密集度有关)，T是循环周期。其关系为：

人群聚焦时间T3＝T×n其中，n是扫描次数

扫描周期T可参照疾病传播时间T4确定，防止疾病的最佳效果是T≦T4这样可以防止疾病传播，T稍微大于T4它也有效，但效果差一些。T太大不能防止疾病传播。

为了有效消毒，微生物消杀一次的剂量E1大于或等于微生物灭火剂量的阈值E(根据微生物种类确定)，因此，一次辐照时间T2：T2＝E1/I1，安全辐照条件应满足扫描次数n

n≦ES/E1；

安全辐照时间T1根据准直后紫外光强度确定，T1＝ES/I1＝n×T2；

如果光束的截面积为Δs,单个人群聚集区面积为S，扫描周期T＝S/Δs。

对于没有光复活效应的微生物，则可以连续旋转方式，装置安装方式主要由三种：屋顶悬挂式，壁挂式和支架转动式，对于DNA损伤修复时间较长的微生物，只有紫外光的强度有杀菌能力，不需要每次每个消毒位置完全灭活，因此，可采用电扇式旋转扫描方式，从而降低扫描系统的成本。

可选的，所述准分子灯1为反射式或透射式。可选的，准分子灯1为222nm的紫外光，准分子灯1为条形的，也可以为圆形或圆球形的，形状不限，其灯源上可镀反射膜，直接产生小角度或准直光。需要说明的是，对圆形准分子灯，紫外光的聚光罩反射面为抛物面(镀铝，或其他对深紫外反射材料)，对条形准分子灯，反射面为抛物柱面，端面为平行反射面或一定夹角的反射平面，即根据光源形状匹配对应的聚光罩。转动的聚光模组可由一个平行光头(可附加超声)或几个平行光头组成，光的方向可以是平行的，也可以呈现一定夹角分布。旋转可以是两维转动也可以是三维转动。

其中，平行光(近平行光)的优势是可保证在人情况整个空间高度方向杀菌有效以及控制转动聚光模组的速度就可控制杀菌效率，也可控制安全辐照时间。

可选的，所述聚光模组包括转动件3和聚光罩2，所述转动件3设置于所述聚光罩2的外侧壁上，所述准分子灯1设置于所述聚光罩2内，所述超声阵列单元转动设置于聚光罩2上，其中，且所述聚光罩在预设时间内通过所述转动件转动至目标角度。通过转动件3带动聚光罩2转动，进而使准分子灯1能够转动至目标区域，使得准分子灯1能够照射所有区域，提升了杀毒效果。可选的，在聚光罩2内可设置叶风扇，在需要时使叶风扇转动。

可选的，所述聚光罩2的内侧壁为镜面；或，在所述聚光罩2的内侧壁的反射面上添加均匀的散射颗粒。通过在反射面上添加均匀的散射颗粒，形成漫反射，增加各方向散射光，从而使得准分子灯1的光线照射范围更广。

可选的，所述聚光模组还包括固定件7，所述固定件7和所述转动件3连接，其中，所述固定件7能够设置在地面上或室内的天花板上。通过固定件7将聚光罩2内的准分子灯1固定在目标区域，并且固定件7能够驱动转动件3转动进而使聚光罩2内的准分子灯1转动至目标区域。具体的，在转动件上设有控制件，用于控制转动件的转动速度。

可选的，所述聚光模组还包括柔性滤光片6，所述柔性滤光片6设置于所述聚光模组的出口上(也可以直接贴在灯管表面或镀在灯管表面,这样不改变灯源的光分布)。柔性滤光片6可不影响准分子灯1的光照分布，柔性滤光片6和准分子灯1的准直光束配合可在发散全角范围内50度得到均匀的光分布，避免了光能损失，实现远处的病毒消杀。

可选的，所述超声阵列单元包括能够产生空气超声的换能器4和驱动器5，所述换能器4和所述驱动器5连接，所述换能器4和所述驱动器5分别设置于所述聚光模组内，且所述换能器4发出的声波能够与所述准分子灯1发出光线垂直。由于换能器4能够产生空气超声波，能够很好的灭活空气中微生物的酶，另外，超声波可以使空气中的微生物发生机械运动，因此，准分子灯1可以和空气超声波结合，使高强度的紫外光更加有效的灭活酶和DNA。考虑到微生物中酶可能分布在微生物内任意位置，为有效彻底消杀，可利用声光偏转效应，即利用换能器4和聚光罩2的转动，消杀效果更好。由于空气中声波为纵波，为了达到显著的偏转效果，聚光模组能使超声波的方向不同，且声波传播方向与光束传播方向不同，让声波传播方向垂直于光束方向，使得灭活酶和DNA更加有效。

进一步的，由于空气超声对人安全(低于145dB)，辐照的安全性是由紫外光的辐照剂量决定。因为超声本身可以杀灭空气中的微生物，也还能降低有效消毒的紫外光强度，降低紫外光消毒的剂量，提高紫外辐照的安全性。而超声杀灭微生物主要取决于声压，对同一换能器，最好采用脉冲驱动，以得到高的超声波声压。为了增加在人群中空气消杀效果，除了一部分超声换能器与紫外光一起扫描外，还可以在扫描头外设置超声波换能器(脉冲超声和连续超声均可，优选脉冲超声)。

为了降低有效空气消杀时紫外光得强度，超声阵列单元的超声可以设置为两部分，一部分用于和紫外光协同增效，其声传播方向沿紫外光传播方向。另一部用于紫外光偏转，消除空气微生物的微观遮挡造成得紫外消杀盲区。该超声波的传播方向与紫外光传播方向不同，超声波的传播方向与紫外光传播方向垂直效果最好。

对于空气超声与紫外联合，可降低紫外光有效杀菌的强度，对222nm也是如此，在超声强度达到80dB左右，强度可降低20％，在90dB,可达到50％，到110dB，15μW/cm2也可以有效杀毒，该强度对纯的222nm紫外光可以连续照射8小时。另外，超声波联合可以降低杀菌需要得紫外光剂量，缩短紫外光得剂量，超声波越强，有效消毒得紫外杀菌剂量降低得越多，其降低量基本可以参照紫外光杀菌强度降低量计算。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种基于杀菌空间和人员聚集空间重叠的空气消毒装置，其特征在于，包括：能够转动的紫外聚光单元和超声阵列单元，所述超声阵列单元与所述紫外聚光单元相邻设置；

所述紫外聚光单元包括聚光模组和能够杀菌消毒的准分子灯，所述准分子灯设置于所述聚光模组内，所述准分子灯在所述聚光模组内发散全角不大于50度；

所述超声阵列单元设置于所述聚光模组上并产生超声波随所述准分子灯照射的光线一同至目标区域。

2.根据权利要求1所述的基于杀菌空间和人员聚集空间重叠的空气消毒装置，其特征在于，所述准分子灯在所述聚光模组内发散全角小于30度。

3.根据权利要求1所述的基于杀菌空间和人员聚集空间重叠的空气消毒装置，其特征在于，所述准分子灯扫描目标区域的光照强度剂量高于3000μJ/cm²。

4.根据权利要求1所述的基于杀菌空间和人员聚集空间重叠的空气消毒装置，其特征在于，所述准分子灯为反射式或透射式。

5.根据权利要求1所述的基于杀菌空间和人员聚集空间重叠的空气消毒装置，其特征在于，所述聚光模组包括转动件和聚光罩，所述转动件设置于所述聚光罩的外侧壁上，所述准分子灯设置于所述聚光罩内，所述超声阵列单元转动设置于所述聚光罩上，其中，且所述聚光罩在预设时间内通过所述转动件转动目标角度。

6.根据权利要求6所述的基于杀菌空间和人员聚集空间重叠的空气消毒装置，其特征在于，所述聚光罩的内侧壁为镜面；或，在所述聚光罩的内侧壁的反射面上添加均匀的散射颗粒。

7.根据权利要求6所述的基于杀菌空间和人员聚集空间重叠的空气消毒装置，其特征在于，所述聚光模组还包括固定件，所述固定件和所述转动件连接，其中，所述固定件能够设置在地面上或室内的天花板上。

8.根据权利要求1所述的基于杀菌空间和人员聚集空间重叠的空气消毒装置，其特征在于，所述聚光模组还包括柔性滤光片，所述柔性滤光片设置于所述聚光模组的出口上。

9.根据权利要求1所述的基于杀菌空间和人员聚集空间重叠的空气消毒装置，其特征在于，所述超声阵列单元包括能够产生空气超声的换能器和驱动器，所述换能器和所述驱动器连接，所述换能器和所述驱动器分别设置于所述聚光模组内，且所述换能器发出的声波能够与所述准分子灯发出光线垂直。