CN117105324A - 一种基于双焦定位腔的紫外消毒装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双焦定位腔的紫外消毒装置，所述紫外消毒装置至少包含：腔体，所述腔体的横截面为椭圆形；液流管，所述液流管位于所述腔体内，用于输入待消毒液体；紫外灯管，所述紫外灯管位于所述腔体内，用于对所述待消毒液体进行消毒；其中，所述液流管沿着所述腔体长度方向的横向轴线与所述腔体的第一焦点轴同轴；所述紫外灯管沿着所述腔体长度方向的横向轴线与所述腔体的第二焦点轴同轴；所述液流管与所述紫外灯管平行。紫外灯管发射的紫外光经过双焦定位腔的反射后，所有反射光线都会汇聚到液流管内，液流管内的光线强度可比紫外灯管的光线强度提高近10倍，达到数量级的提升，实现较短时间内快速高效消毒的效果。
Description
技术领域
本发明涉及紫外线消毒技术领域，具体涉及一种基于双焦定位腔的紫外消毒装置。
背景技术
紫外线杀菌是利用紫外波段高能光子辐照微生物以破坏其脱氧核糖核酸结构从而实现杀菌消毒功能，这类微生物包括细菌繁殖体、芽胞、分支杆菌、病毒、真菌、立克次体和支原体等。紫外线以253.7nm为最有效杀菌波长，可以实现广谱、高效杀菌。紫外线辐照剂量是辐照强度与辐照时间的乘积，灭杀不同微生物所需要的剂量不同，剂量越大即需要更高的紫外线强度或者更长的辐照时间。紫外线传输损耗高，穿透力弱，在某些含菌废液中，如生物组织废液、培养皿废液等，微生物会被悬浮粒子或者有机物遮挡保护，这就需要加大紫外线的辐照剂量。因此，为了提高灭菌时效，缩短时间，增加紫外线辐射强度是唯一的选择。
目前广泛应用的紫外消毒装置，包括应用于生活、医院、生物实验室的不同环境下，杀菌时间可达数分钟到几十分钟。在保证同等杀菌效果的情况下，如果要减少辐照时间到秒量级，则需要将紫外灯的辐照强度有数量级的提高，故要求紫外灯的输出功率有数量级的提高，但是在一定经济成本、使用空间限制下，难以实现。
发明内容
本发明的目的是克服现有针对液态物质进行消毒的紫外装置紫外线传输损耗高、紫外灯辐照剂量低、消毒时间长的缺陷。
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于双焦定位腔的紫外消毒装置，所述紫外消毒装置至少包含：腔体，所述腔体的横截面为椭圆形；液流管，所述液流管位于所述腔体内，用于输入待消毒液体；紫外灯管，所述紫外灯管位于所述腔体内，用于对所述待消毒液体进行消毒；其中，所述液流管沿着所述腔体长度方向的横向轴线与所述腔体的第一焦点轴同轴；所述紫外灯管沿着所述腔体长度方向的横向轴线与所述腔体的第二焦点轴同轴；所述液流管与所述紫外灯管平行。
较佳地，所述液流管包含一液体输入口和一液体输出口，所述液体输入口设于所述腔体的第一焦点轴一端，所述液体输出口设于所述腔体的第一焦点轴另一端。
较佳地，所述紫外灯管包含一紫外灯装夹端口一和紫外灯装夹端口二，所述紫外灯装夹端口一设于所述腔体的第二焦点轴一端，所述紫外灯装夹端口二设于所述腔体的第二焦点轴另一端。
较佳地，所述腔体的内表面镀有高反射率膜，所述液流管的外表面镀有高透射率膜。
较佳地，所述紫外灯管的外径记为R0，所述液流管的内径记为r0，R0大于r0。
较佳地，所述腔体的材质为玻璃、铝材中的任意一种。
较佳地，所述液流管还包含一内管，所述内管为螺旋形结构。
较佳地，所述待消毒液体为细菌病毒培养液、含菌生物组织废液、血液透析废液、药品加工用水、自来水中的任意一种。
较佳地，所述液流管还连接一待消毒液体储存设备。
较佳地，所述紫外灯管还连接一外接电源。
本发明的有益效果：
(1)本发明的腔体为具有两个焦点轴的椭圆腔体，液流管设置在双焦定位腔的第一焦点轴上，紫外灯管设置在双焦定位腔的第二焦点轴上，腔体内表面镀有紫外线高反射率膜，液流管外表面镀有紫外线高透射率膜，根据光的反射原理可知，在双焦定位腔内的紫外线经腔体内表面的反射全部向液流管中心轴线处汇聚，在液流管内形成极强的光场，该光场强度相较于紫外灯管表面的辐照强度可以达到数量级的提升，实现极短时间内快速高效消毒的效果；进一步的，本发明的紫外灯管的外径大于液流管的内径，紫外线辐照强度提高量更大，同等剂量所需要的辐照时间更短，大大提高了消毒装置的时效。
(2)紫外线被约束在内表面镀有高反射率膜的双焦定位腔内，在待消毒液体未能充分吸收紫外光的情况下，透射的紫外光经过腔体内表面多次反射后，不会散逸出去，大大提高了紫外线的利用效率。
(3)待消毒液体与紫外光源的非接触工作模式，避免了液体接触面结垢等问题造成的污染，提高了消毒装置的实用性，在紫外灯管使用寿命的时间内，除了更换液流管标准配件外，实现免维护运行。
附图说明
图1为本发明的一种基于双焦定位腔的紫外消毒装置正视图。
图2为本发明的一种基于双焦定位腔的紫外消毒装置俯视图。
图3为本发明的一种基于双焦定位腔的紫外消毒装置侧视图。
图4为本发明的一种基于双焦定位腔的紫外消毒装置的双焦点与线光源光线追迹示意图。
图5为本发明的一种基于双焦定位腔的紫外消毒装置的双焦点与轴对称面光源光线追迹示意图。
其中，1-双焦定位腔，2-紫外灯管，3-液流管，4-紫外灯装夹端口一，5-紫外灯装夹端口二，6-液体输入口，7-液体输出口，8-外接电源。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
现有的紫外消毒装置中，大多数紫外汞灯发射出的光是发散的，例如餐厅、教室等公共场所所悬挂的紫外汞灯，悬挂距离越远光线的强度越弱，因此需要长时间的照射才能达到杀菌消毒所需要的剂量，这一类消毒装置的紫外线无法全部照射到消毒目标上，大部分紫外线在传输过程中会损耗，因此会造成极大的浪费，也大大降低了消毒的效果。
目前针对液态物质的紫外消毒装置，多采用液体环绕紫外灯管的设计结构，这类装置的腔体内设有套管面板，套管面板内安装紫外灯管，液体环绕套管面板流动，从而实现消毒。但是这类装置的缺陷在于：(1)液体内的悬浮物会沉积到套管面板表面结垢，从而影响紫外线的传输，甚至导致已经失活的微生物因光修复作用而复活；(2)沿着光线传输的方向上，传输距离越大，辐照面积线性增加，腔体内的辐照强度低于光源表面发射光强度，结合液体吸收与散射损耗，紫外线的辐照强度在腔体横向尺度上是类指数衰减的分布特征，在腔体外侧附近的紫外线辐照强度将会大幅度下降，因此为保证灭菌率，只能通过增加辐照时间来提高辐照剂量，故限制了该类装置的消毒速度。
本发明提出一种非接触式的基于双焦定位腔的紫外消毒装置，利用光在双焦定位腔内的传输特征，将待消毒液体被束缚在液流管内，紫外灯发射出的发散的紫外线经过腔壁的反射，全部汇聚到液流管内，在液流管内形成的辐照强度较于紫外光源的发射强度可以实现数量级提高，大大降低紫外线的传输损耗，增强紫外线的辐照强度从而大幅度缩短了消毒所需要的时间。
定义：
第一焦点轴：本发明的第一焦点轴指的是椭圆形腔面上的第一焦点与另一相平行椭圆形腔面上的第一焦点之间的连线。
第二焦点轴：本发明的第二焦点轴指的是椭圆形腔面上的第二焦点与另一相平行椭圆形腔面上的第二焦点之间的连线。
如图1～3所示，本发明提供的一种基于双焦定位腔的紫外消毒装置包含双焦定位腔1，所述双焦定位腔1为椭圆柱体、液流管3、紫外灯管2，其中所述液流管3沿着所述双焦定位腔1长度方向的横向轴线与所述双焦定位腔1的第一焦点轴同轴，所述紫外灯管2沿着所述双焦定位腔1的第二焦点轴同轴，所述液流管3与所述紫外灯管2平行。所述液流管3包含一液体输入口6和一液体输出口7，所述液体输入口6定位于所述双焦定位腔1的第一焦点轴一端，即双焦定位腔1侧壁的第一焦点上，所述液体输出口7定位于所述双焦定位腔1的第一焦点轴另一端，即双焦定位腔1相对的另一侧壁的第一焦点上，所述液体输入口6和液体输出口7处均设有橡胶材质的装夹垫圈。所述紫外灯管2包含一紫外灯装夹端口一4和紫外灯装夹端口二5，所述紫外灯装夹端口一4设于所述双焦定位腔1的第二焦点轴一端，即双焦定位腔1侧壁的第二焦点上，所述紫外灯装夹端口二5设于所述双焦定位腔1的第二焦点轴另一端，即双焦定位腔1相对的另一侧壁的第二焦点上，所述紫外灯装夹端口一4与紫外灯装夹端口二5处均设有橡胶材质的装夹垫圈。
一些实施例中，所述双焦定位腔1的椭圆率较大，椭圆率越大，双焦定位腔1的腔体越趋于扁平结构，腔体越扁平，总体积越小，装置结构更加小型化，可以大大节约使用空间。
一些实施例中，所述双焦定位腔1的内表面的紫外线高反射率膜的材质为保护铝膜，保护铝膜的反射率对入射角度不敏感，在所有的入射角度上对应的反射效率均高达85％，有利于将尽可能多的紫外线汇聚于液流管内。所述双焦定位腔1的材质也可以为铝材，内表面经过打磨抛光后，可以对紫外线具有较高的反射率，采用铝材可以直接进行加工，内表面抛光后无需镀膜，即可具备紫外波段的高反射率，并且铝材的机械性能更优。
一些实施例中，所述液流管3的材质为融石英，融石英对紫外线损耗较小，所述液流管3的外表面镀有紫外线高透过率膜，镀膜成分为溶胶凝胶化学膜，透过率高达98％。所述液流管3易于拆卸，能够作为定期更换的标准配件。所述液流管3的内部还包含一内管，所述内管为螺旋形结构，螺旋形结构相较于长直内管流径更长，流速更慢，另一方面，在液体流动过程中，可以形成小空间尺度内的涡流，涡流会对液体产生“搅拌”效果，使得液体在各个区域都有机会被紫外线辐照到，从而可以提高消毒的效率。
所述液流管内的辐照强度分析如下：所述紫外灯管的外径记为R0，外表面发光强度记为I0，所述液流管的内径记为r0，内表面辐照强度记为It，液流管任意半径(液流管内部任意位置到其焦点轴的距离)记为r，r位置的辐照强度记为Ii。所述紫外灯管发射的紫外光经过双焦定位腔表面反射后向所述液流管汇聚，传输效率主要取决于腔体内表面紫外线反射率与液流管外表面紫外线透过率，综合传输效率记为η。数学分析可知，所述的液流管的内表面辐照强度可以表示为It＝η·I0·R0/r0，当R0≈10r0时，It较I0将达到数量级的提高。进一步的，经过内表面附近液体的吸收，设吸收系数为α，则在液流管内部任意半径r位置(r<r0)的辐照强度Ii由于辐照面积减小依旧维持在极高的水平，遵循Ii＝r0/r·It·exp[-α(r0-r)]，(r≠0)，也就是说，向心辐照的传输特征使得液流管内的光场横向分布较指数衰减模式因增加了r0/r的加权而更趋均匀，甚至如果吸收系数为α不太大，而r→0时，在液流管对称轴处可形成极高的辐照强度，这对于保持高杀菌率具有重要意义。其中，对于传统的指数衰减方式，一束平行光的传输符合公式：Ii＝It·exp[-α(r-r0)]......(r≥r0)；在一个维度上汇聚的光的传输，可以由平行光传输公式经过简单的推理获得：Ii＝r0/r·It·exp[-α(r0-r)]......(r≤r0)。因为紫外光汇聚传输到r的位置时，辐照面积比在r0的位置减小了r/r0倍，从而使得紫外光强度增加到r0/r倍，即加权r0/r。经过r0/r的加权，液流管内辐照强度的横向分布，不再是传统的指数衰减方式，相较于现有的紫外消毒装置可以实现更加均匀的辐照强度，大大提高消毒效果。
双焦定位腔消毒装置进行消毒的工作原理：双焦定位腔的横截面为椭圆，椭圆上有两个焦点，椭圆的基本特点是在一个焦点上发射出任意一条光线，经过椭圆壁的反射后，反射光线必然经过椭圆的另一个焦点；同理，双焦定位腔内一条焦点轴上发出的所有的光，经过腔壁的反射，反射光线必然会经过另一条焦点轴。因此，当外接电源接通后，紫外灯管发出的紫外线以紫外灯管的对称轴为中心向四周发散传输，极小的部分紫外线直接入射到液流管，但大部分紫外线经过双焦定位腔的反射向液流管的对称轴处汇聚，在液流管内部形成了辐照强度大于紫外灯管发射表面辐照强度的光场。如图4所示，位于一个焦点上的点光源20任意发射的三条光线22、23与24经过椭圆内表面的反射后，必然经过另一个焦点11。如图5所示，位于一个焦点上的面光源21表面发出的任意三条光线22、23、24，经过椭圆内表面反射后均向液流管轴对称中心焦点11汇聚。待消毒液体自液体输入口流入液流管中，液流管内紫外光场与其充分接触并对待消毒液体进行消毒，消毒结束后，液体从液体输出口流出，进入外接储液装置。
综上所述，本发明所述椭圆腔体的两个椭圆形腔面上分别具有两个焦点，椭圆的一个焦点上发出的光线经过椭圆的反射后，必然经过另外一个焦点，故在双焦定位腔内一条焦点轴上的线光源所发出的紫外光，经过腔体的反射后，必然汇聚于另外一条焦点轴上，除了点光源，还包含线光源、面光源，三类光源所发射出的光，经过双焦定位腔的腔壁反射后，所有的紫外光都会汇聚到液流管内，使得液流管内的光线强度比紫外灯管的光线强度提高近10倍，达到数量级的提升，在同等辐照剂量下实现10倍时间缩短，在极短的时间内快速达到高效消毒效果。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种基于双焦定位腔的紫外消毒装置，其特征在于，所述紫外消毒装置至少包含：
腔体，所述腔体的横截面为椭圆形；
液流管，所述液流管位于所述腔体内，用于输入待消毒液体；
紫外灯管，所述紫外灯管位于所述腔体内，用于对所述待消毒液体进行消毒；
其中，所述液流管沿着所述腔体长度方向的横向轴线与所述腔体的第一焦点轴同轴；所述紫外灯管沿着所述腔体长度方向的横向轴线与所述腔体的第二焦点轴同轴；所述液流管与所述紫外灯管平行。
2.如权利要求1所述的基于双焦定位腔的紫外消毒装置，其特征在于，所述液流管包含一液体输入口和一液体输出口，所述液体输入口设于所述腔体的第一焦点轴一端，所述液体输出口设于所述腔体的第一焦点轴另一端。
3.如权利要求1所述的基于双焦定位腔的紫外消毒装置，其特征在于，所述紫外灯管包含一紫外灯装夹端口一和紫外灯装夹端口二，所述紫外灯装夹端口一设于所述腔体的第二焦点轴一端，所述紫外灯装夹端口二设于所述腔体的第二焦点轴另一端。
4.如权利要求1所述的基于双焦定位腔的紫外消毒装置，其特征在于，所述腔体的内表面镀有高反射率膜，所述液流管的外表面镀有高透射率膜。
5.如权利要求1所述的基于双焦定位腔的紫外消毒装置，其特征在于，所述紫外灯管的外径记为R0，所述液流管的内径记为r0，R0大于r0。
6.如权利要求1所述的基于双焦定位腔的紫外消毒装置，其特征在于，所述腔体的材质为玻璃、铝材中的任意一种。
7.如权利要求1所述的基于双焦定位腔的紫外消毒装置，其特征在于，所述液流管还包含一内管，所述内管为螺旋形结构。
8.如权利要求1所述的基于双焦定位腔的紫外消毒装置，其特征在于，所述待消毒液体为细菌病毒培养液、含菌生物组织废液、血液透析废液、药品加工用水、自来水中的任意一种。
9.如权利要求1所述的基于双焦定位腔的紫外消毒装置，其特征在于，所述液流管还连接一待消毒液体储存设备。
10.如权利要求1所述的基于双焦定位腔的紫外消毒装置，其特征在于，所述紫外灯管还连接一外接电源。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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