流体管道消毒器的制作方法

1.本公开涉及一种使用诸如杀菌紫外光线的消毒光来对流体进行消毒的流体管道消毒器。


背景技术：

2.越来越多的证据表明，空气传播的病毒是造成流行/大流行病爆发的原因。虽然最近关于covid-19爆发的传播机制仍在争论中，但根据纽约时报于2020年8月发布的一份报告，佛罗里达大学的研究小组成功地从与covid-19住院的患者相距7至16英尺远的地方收集到的气溶胶中分离出了活病毒。预计在未来必须对空气进行消毒，尤其是对诸如室内或运输车辆等密闭空间中的空气进行消毒，以消除诸如流感和covid-19的大流行病爆发。不同于表面和水消毒，空气消毒有自己的特点。最关键的一点是，可行的空气消毒技术需要处理大的空气流动速率，例如，从车辆的每分钟100升(lpm)到小房间的1000lpm、到家庭和公共室内空间的10,000lpm和更多。空气消毒的另一特点是，针对相同的失活率，空气消毒可能需要的临界剂量比表面和水消毒所需要的临界剂量低几个数量级。例如，哥伦比亚大学的最近研究报告表明，低至1.7mj/cm2的杀菌紫外光线(guv)剂量实现空气传播的人类冠状病毒(hcov-229e)的99.9％失活率，这是导致covid-19疾病的严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2(sars-cov-2)的安全替代物(参见:m.buonanno,d.welch,i.shuryak,and d.brenner,scientific reports,10(10285),2020)。hcov-229e的其他表面消毒测试(包括我们的)确定临界guv剂量为16mj/cm2，以实现99.99％失活率，即约12mj/cm2以实现99.9％失活率。令人鼓舞的区别可能来自以下事实：不同于表面上的病毒，空气传播的病毒对于guv光无处可藏。
3.过去，水银灯生成的guv已用于在医院中的室内空气消毒。水银灯的问题在于，不容易产生高强度的guv，如此，通过空气管道处理空气效率不高，这在有人类存在的空气消毒中是必不可少的。正如美国专利申请16/842,760指出的，线性光源(诸如水银灯)和指向性光源将剂量递送到空气，其中光吸收系数分别根据以下方程式可忽略不计：和其中j、p、g、r、r0和l是guv剂量、guv功率、空气流动速率、管道半径、线性光源半径和管道长度。注意，这些方程式忽略了guv空气吸收系数(约10-6
cm-2
)和guv在管道内壁的反射。从这些方程式可以看出，针对管道的正常几何形状(r、r0和l)，指向性光源始终以相同的guv功率和空气流动速率递送更多guv剂量。
4.指向性guv光源可以是深uv发光二极管(duv led)的组件，其由氮化物半导体(例如aln和algan)制成。这些duv led可以提供在uvc区域(即200-280nm)中的辐射，这些辐射是高度杀菌和杀病毒的。
5.本公开考虑到在管道的内表面上的光反射，公开了用于包括空气的流体的高效guv管道消毒器。


技术实现要素：

6.本公开的一方面提供了一种流体管道消毒器，包括：
7.管道，具有由管道的内表面限定的流体消毒通道，其中管道的内表面具有50％-99％的杀菌紫外线(guv)光反射率r；
8.guv光源，设置在流体消毒通道内，以用于沿流体消毒通道的轴向方向将guv光发射到流体消毒通道中；
9.电扇，用于迫使待消毒的流体流过流体消毒通道，以及
10.过滤器，用于从流体中过滤颗粒。
11.本公开的另一方面提供了一种流体管道消毒器，包括：
12.管道，具有由管道的内表面限定的流体消毒通道，该流体消毒通道包括第一部分、第二部分和第三部分，其中第一部分具有圆柱形形状以及第一直径，第三部分具有圆柱形形状以及大于第一直径的第三直径，第二部分具有截头圆锥形形状并且定位于第一部分与第三部分之间；
13.guv光源，设置在流体消毒通道的入口端处且在第一部分内，以用于沿流体消毒通道的轴向方向将guv光发射到流体消毒通道中；
14.反射器，设置在流体消毒通道的出口端处，以用于反射guv光；以及
15.喷淋头，设置在反射器下游的出口端处。
16.本公开的另一方面提供了一种流体管道消毒器，包括：
17.主管道，具有由主管道的内表面和两个内端面限定的流体消毒通道；
18.第一辅助管道，在流体消毒通道的入口端处连接到主管道的侧壁中，以用于将待消毒的流体引入到流体消毒通道中；
19.第一guv光源，设置在第一辅助管道中，以用于将guv光发射到流体消毒通道中；
20.第二辅助管道，在流体消毒通道的出口端处连接到主管道的侧壁中，以用于将流体从流体消毒通道排出；
21.第二guv光源，设置在第二辅助管道中，以用于将guv光发射到流体消毒通道中；
22.其中由第一辅助管道和第二辅助管道占据的内表面的面积与内表面和两个内端面的整个面积的比率小于0.1。
23.本公开的另一方面提供了一种流体管道消毒器，包括：
24.主管道，具有由主管道的内表面和内端面限定的流体消毒通道，该流体消毒通道包括第一部分、第二部分和第三部分，其中第一部分具有圆柱形形状以及第一直径，第三部分具有圆柱形形状以及大于第一直径的第三直径，第二部分具有截头圆锥形形状并且定位于第一部分与第三部分之间；
25.辅助管道，在流体消毒通道的入口端处连接到主管道的侧壁中，以用于将待消毒的流体引入到流体消毒通道中；
26.guv光源，设置在辅助管道中，以用于将guv光发射到流体消毒通道中；
27.反射器，设置在流体消毒通道的出口端处，以用于反射guv光；以及
28.喷淋头，设置在反射器下游的出口端处。
29.本公开的另一方面提供了一种流体管道消毒器，包括：
30.两个以上消毒单元，流体连通地串联连接，其中每个消毒单元具有两个流体消毒
通道，这些流体消毒通道并排布置并且用分离壁彼此分离，两个流体消毒通道在一端处合并，guv光源分别设置在另一端处的两个流体消毒通道中的每个流体消毒通道内，以用于将guv光发射到对应的流体消毒通道中，两个流体消毒通道中的每个流体消毒通道在合并端处具有倾斜的内表面，以用于将来自一个消毒通道的guv光朝向另一消毒通道反射，其中两个以上消毒单元并排布置并由分离壁分离。
31.本公开的另一方面提供了一种流体管道消毒器，包括：
32.管道，限定流体消毒通道，其中该流体消毒通道的内表面具有50％-99％的杀菌紫外线(guv)光反射率r，流体消毒通道具有横向尺寸d和长度l；
33.流体入口，用于将待消毒的流体引入流体消毒通道中，其中流体入口具有横向尺寸d；
34.guv光源，设置在流体入口内，以用于将guv光发射到流体消毒通道中；
35.电扇，设置在流体入口内；
36.过滤器，设置在流体入口内；以及
37.反射器，设置在流体消毒通道内并在出口的前面；
38.其中且
附图说明
39.附图提供对本公开的进一步的理解，并且构成本技术的一部分，这些附图示出了本技术的实施方式，并且与说明书一起来解释本公开的原理。在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件，层可表示相同功能关联的一组层。
40.图1示出了用以比较平行、垂直和倾斜束剂量递送方案的剂量递送效率的模型；
41.图2绘出了根据本公开的一个方面的垂直和平行剂量递送方案的剂量递送比率；
42.图3绘出了反射率对高度吸收性流体的垂直和平行剂量递送方案的剂量递送效率比率的影响；
43.图4示出了根据本公开实施例的流体管道消毒器的横截面示意图；
44.图5绘出了针对图4所示实施例的给定设计效率为90％和99％的作为反射率的函数所需的最小反射；
45.图6示出了根据本公开实施例的流体管道消毒器的横截面示意图；
46.图7示出了根据本公开实施例的流体管道消毒器的横截面示意图；
47.图8示出了根据本公开实施例的流体管道消毒器的横截面示意图；
48.图9示出了根据本公开实施例的流体管道消毒器的横截面示意图；
49.图10绘出了根据本公开实施例的管道消毒器的三种不同反射率的剂量和剂量递送效率与光入射角的函数关系；
50.图11绘出了根据本公开实施例的管道消毒器的三种不同反射率的剂量与光入射角的函数关系；
51.图12绘出了根据本公开实施例的管道消毒器的三种不同反射率的剂量与光入射角的函数关系；
52.图13绘出了根据本公开实施例的管道消毒器的不同流体guv吸收系数的剂量与光
入射角的函数关系；
53.图14绘出了根据本公开实施例的管道消毒器的四种不同反射率的剂量与光入射角的函数关系；
54.图15示出了根据本公开实施例的流体管道消毒器的立体图和分解图；
55.图16示出了根据本公开实施例的guv光源和电扇组件的立体图和分解图；
56.图17示出了根据本公开实施例的流体管道消毒器的立体图和分解图；
57.图18示出了根据本公开实施例的流体管道消毒器的横截面示意图；
58.图19示出了根据本公开实施例的流体管道消毒器的横截面示意图；
59.图20示出了根据本公开实施例的流体管道消毒器的横截面示意图；
60.图21示出了根据本公开实施例的流体管道消毒器的立体图和分解图；
61.图22示出了根据本公开实施例的流体管道消毒器的横截面示意图。
具体实施方式
62.在以下描述中，出于解释的目的，阐述了具体细节以便提供对本公开的理解。然而，对于本领域的技术人员而言显而易见的是可以在没有这些细节的情况下实践本公开。本领域的技术人员将认识到，下文所描述的本公开的实施例可以以各种方式和使用各种手段来执行。本领域的技术人员还将认识到，附加修改、应用和实施例在本公开的范围内，这是本公开可以提供实用性的附加领域。因此，下文所描述的实施例说明了本公开的具体实施例，并且意在避免使本公开晦涩难懂。
63.图1示出了用以比较平行、垂直和倾斜束剂量递送方案的剂量递送效率的模型。在平行剂量递送方案中，光束与流体流平行，因此递送的剂量j
||
是：
[0064][0065]
其中p0、α、g和l
x
分别是入射光功率、流体的光吸收系数、体积流动速率和平行光路长度。如方程式1所示，如果l
x
相当大，或更准确地说，如果αl
x
相当大，那么j
||
接近j
||∞
，其为
[0066][0067]
在本说明书中，方程式2称为平行光束极限。它计算平行剂量递送方案所允许的最大剂量。
[0068]
根据本公开的一个方面，αl
x
≥4.6，因此j
||
≥0.99j
||∞
在本说明书中被视为相当大。
[0069]
在垂直剂量递送方案中，光束垂直于流体流。假设垂直通道高度为lz，具有反射率r以维持无限反射，所以所递送的剂量j
⊥
∞
为：
[0070][0071]
将方程式3除以方程式2，可以获得理想的垂直剂量递送方案与平行剂量递送方案的剂量递送效率比率，即
[0072]
[0073]
在r≤1时，意味着垂直剂量递送方案始终比平行剂量递送方案效率低。为了图示说明这种情况，将r设定为0.9，并且在图2中针对不同光吸收系数α’s集合比较剂量递送比率因此，根据本公开的一个方面，针对在合理的垂直通道高度内的小的α’s(α≤10-2
cm-1
，这对于空气和清洁水消毒而言是正确的)，垂直剂量递送方案在剂量递送效率上比平行剂量递送方案差。针对大的α’s(α》10-2
cm-1
，这对于牛奶和果汁消毒而言是正确的)，由于强流体uv吸收，所以针对在合理的垂直通道高度内的垂直剂量递送方案和平行剂量递送方案，所递送的剂量汇聚。当对高度uv吸收性流体(如果汁和牛奶)进行消毒时，如图3所示，提高反射率可以降低垂直剂量递送方案的垂直通道高度，以与平行剂量递送方案竞争。
[0074]
更一般地，考虑倾斜束剂量递送情境，其中以倾斜角度(例如，相对于流体流动方向的入射角θ)照射光，如图1中所示出。在本说明书中，入射角θ定义为光线与其接收表面之间的角度。为了简单起见，假设图1中所示出的模型是方形管道，具有横截面积ly×
lz＝d2，并且具有guv光吸收系数α的流体在x方向上以体积流动速率g流动。考虑到，这是第n次反射与第(n 1)次反射之间的事件。在第n次反射之后，入射功率变为pn＝p0rne-αnd cscθ
。考虑了，pn具有竖直分量pnsinθ和水平分量pncosθ，它们分别垂直于和平行于方形管道内的流体流g入射。水平分量功率pncosθ垂直地入射在d2的横截面区域上，并且竖直分量pnsinθ垂直地入射在d2cscθ的区域上，如图1中所示。在第n次反射与第(n 1)次反射之间，流体流向guv的曝光时间是因此水平功率分量和竖直功率分量分别在第n次反射与第(n 1)次反射之间将剂量和递送到流体流。针对所有反射将j
n1
和j
n2
加总产生以下方程式(方程式5)。
[0075][0076]
当θ
→
0且α＞0时，方程式5符合平行光束极限，即方程式2。
[0077]
当α消失时，平行光束极限可以递送非常大的剂量(如在空气中：α约为10-6
cm-1
)。
[0078]
当n
→
∞且θ＞0时，针对无限反射，方程式5变为
[0079][0080]
当θ
→
90
°
时，方程式6与方程式3收敛。
[0081]
当α
→
0且θ＞0时，方程式5减少到
[0082][0083]
当n
→
∞时，方程式7变为
[0084][0085]
方程式5和方程式6是通用的并且适用于具有不可忽略的吸收系数的各种流体消毒，而方程式7和方程式8对于吸收系数可忽略不计的guv空气消毒器设计而言可能有用。进
一步地，请注意方程式7和方程式8是针对的撞击角θ的单调递减函数(也可见于图11和图12中)。
[0086]
比较方程式7和方程式8，如果空气管道消毒器没有被设计成保持用于无限反射，那么空气管道消毒器可以具有小于1的由方程式7除以8限定的设计效率ρ，即
[0087]
ρ＝1-r
n 1
(方程式9)，以及
[0088]
n(ρ，r)＝logr(1-ρ)-1(方程式10)
[0089]
其中n(ρ，r)是对于具有反射率r的空气管道消毒器而言具有设计效率ρ所需的最短反射次数。
[0090]
在图4中所图示的是根据本公开的一个方面的流体管道消毒器100(或空气管道消毒器100)(包括guv光源11和管道12)的横截面示意图。该流体管道消毒器还可以包括补充元件，诸如用于吸入/吹出空气的电扇13、用于保持管道12的内表面清洁的颗粒过滤器14以及围绕guv光源11以用于聚焦guv光源11的光束的反射器122。容纳长度l和横向尺寸(横截面宽度或直径)d的流体消毒通道121的管道12可以是圆形管、矩形或方形管或其他适合类型的管道。如图4中所示出的流体消毒通道121是直通道，其也可以是其他形状，诸如图9中所示出的z形。光源11放置在流体消毒通道121内，可选地在其轴线上并且在管道12的端部处。在流体消毒通道121或管道12的每一端处可以存在光源11，并且该光源可以是duv led或任何其他适合的guv光源。光源11发射guv光，其与管道12的内表面具有角度θ，在本说明书中定义为入射角，如图1和图4中所示出。管道12的内表面是反射性的，具有反射率r。例如，内表面可以是抛光铝或涂布有guv反射率为90％的铝薄膜，或可以是涂布有duv反射率为95％的聚四氟乙烯(特氟龙)，或可以是涂布有反射率为98-99％的微孔聚四氟乙烯。即使为清楚和简单起见，在图1中图示了镜面反射，反射可以是漫反射或镜面反射。
[0091]
在根据图4的实施例中，由于管道12的两个端部对于具有用于空气循环的过滤器14和电扇13可以是非反射性的，因此反射次数n受到限制，即，
[0092][0093]
根据方程式10和方程式11，因此，管道12的设计(即l、d和θ的选择)必须满足方程式12。
[0094][0095]
这表明，为了使用给定的消毒通道参数(即通道长度l、横向尺寸d和反射率r)的集合来获得目标设计效率ρ，光入射角θ必须不小于由不等式12定义的临界值。
[0096]
当guv光源11发射平行光束的光(诸如是具有非常窄的光束散射角(诸如小于20
°
)的guv激光器或guv led)时，很容易操纵入射角θ(诸如使光源相对于光接收表面倾斜角度θ)以满足方程式12。
[0097]
更实际地，guv光源11可以发射具有许多入射角的光，即，它可以以圆锥形或截头圆锥形形状以锥角2β递送光功率。针对位于消毒通道121的轴线处并且沿该轴线发射的具有光锥角2β的guv光源11，如图4中所图示，本公开的一个方面要求β满足方程式13：
[0098]
[0099]
此处，2β是由总发射光功率的至少50％组成的光锥的锥角。直角圆锥的锥角或孔径是两条母线之间的最大角度：即，如果母线与轴线成角度β，那么孔径为2β。当guv光源11由duv led制成时，附接到duv led的透镜可以修改光锥角。例如，半球透镜通常产生120
°‑
150
°
的大锥角。非球面透镜可以将光束聚焦成30
°‑
40
°
的较小锥角。抛物面形或球面形的反射器(诸如图4中所示出的反射器122)还可以修改光锥角。
[0100]
该选择规则在图5中以图形方式展示，其中针对90％和99％的给定设计效率，随反射率而变地绘制所需的最小反射。通过选择消毒通道长度l、横向尺寸(横截面宽度或直径)d和光入射角θ，针对任何给定设计效率ρ和内表面反射率r，根据本公开的一个方面的管道12必须适应不少于logr(1-ρ)-1的光反射次数。例如，如果导管内表面具有90％的反射率r，并且所需的设计效率ρ为90％，那么l、d和θ的选择必须满足如果r＝60％且ρ＝99％，那么l、d和θ的选择必须满足等等。
[0101]
另一方面，根据流体管道消毒器100制得的另一空气消毒器实施例可以通过使用guv反射过滤器14和电扇13来保持无限光反射。例如，过滤器14和电扇13的表面可以涂布有guv反射材料，例如涂布有具有90％的guv反射率的铝薄膜，或涂布有具有95％的duv反射率的聚四氟乙烯，或涂布有具有98-99％的反射率的微孔聚四氟乙烯。因此，l、d和θ的选择不必满足方程式12和方程式13。在这种无限光反射消毒器100中的剂量计算遵循方程式6或方程式8。
[0102]
根据本公开的另一方面，流体管道消毒器200具有图6中所示的横截面示意图，从而能够容纳无限光反射。由于管道22的两个反射端对于维持连续反射至关重要，因此远离流体消毒通道221取回了guv光源21、电扇23和过滤器24，以使得光可以在消毒通道221内连续地来回反弹。guv光源21、电扇23和过滤器24组装在另一管道25中，该管道以倾斜角度或垂直地与管道22接合，从而允许将流体引入管道22中或从该管道中抽出。将f定义为管道25(图6中示出其中两个)的交叉面积(管道25所占据的管道22的内表面的面积)与管道22的整个内表面面积的比率，本公开要求f小于10％，例如为1-5％。该布置由于在交叉区域上的吸收而允许光在消毒通道221内以最小损失维持无限反射。交叉区域可以将管道22的内表面的有效反射率从r减小到(1-f)r。可选地，在图6中所示出的实施例中，guv光源21向上或向下(相对于如图6中所示出的水平流体消毒通道221)发射guv光，从而递送具有大锥角(或在本说明书中称为发散角或孔径角)的光锥。这转化成相对于管道22的内表面的小的入射角θ。图6中的guv光源21的锥角可以定义为π-2θ。根据本公开的一个方面，针对管道消毒器200，入射角θ优选地在0
°
至30
°
的范围内。因此，guv光源21的锥角在120
°
至180
°
的范围内。guv光源21可以由duv led(诸如duv led)或duv led的阵列制成。为了进一步减小入射角θ，可以在管道22的内表面上放置凸面反射器(反射镜)222，凸面反射器通过消毒通道221直接面向guv光源21。凸面反射器222可以是抛物面形、球面形或非球面形形状，其直径大于guv光源21的直径，但小于管道25的直径。凸面反射器222可以由与如先前所描述的管道12的内表面相同的材料制成。
[0103]
根据本公开的另一方面，提供了一种流体管道消毒器300，其具有在图7中所示的横截面示意图。在消毒通道321的底部处放置了两个guv光源31(可选地具有自己的主动冷却系统，诸如冷却电扇)。流体通过侧管道35流入和流出消毒通道321。并且消毒通道321具
有分离壁3211，该分离壁将消毒通道分成左右两个通道(3212、3214)，从而使流体消毒通道长度加倍。容纳消毒通道321的管道32具有两个倾斜天花板323和325，以用于反射guv光，从而允许在消毒通道3212与消毒通道3214之间进行光交换。消毒通道3212和3214的内表面反射guv光，并且可以由与如先前所描述的管道12的内表面相同的材料制成。串联连接两个以上管道消毒器300可以形成新的管道消毒器800，如图18中所图示。
[0104]
根据本公开的又一方面，提供了一种流体管道消毒器400，其具有在图8中所示的横截面示意图。guv光源41、电扇43和过滤器44远离流体消毒通道421被取回，以使得光可以在流体消毒通道421内连续地来回反弹。guv光源41、电扇43和过滤器44组装在另一管道45中，该管道以倾斜角度或垂直地与管道42接合，从而允许将流体引入管道42中或从该管道中抽出。流体管道消毒器400的结构类似于流体管道消毒器200。主要区别在于，管道42的两端(即内端面427和内端面428)分别倾斜并面向guv光源41。例如，内端面427和内端面428可以是平面，并且与流体消毒通道421的轴线成45
°
角倾斜，并且可以由与如先前所描述的管道12的内表面相同的材料制成。
[0105]
根据本公开的再另一方面，提供了一种流体管道消毒器500，其具有在图9中所图示的横截面示意图。guv光源51、电扇53和过滤器54设置在管道55(在图9中示出了两个管道55)中，该管道以倾斜的角度(例如在20-50
°
之间)以对称的方式接合管道52，其中管道52的两个内端面垂直于管道52的轴线。管道52和管道55共同容纳流体消毒通道521。光和流体以“z形”路径在流体消毒通道521中传播，从而允许更多的剂量递送。流体消毒通道521的所有内表面反射guv光，并且可以由与如先前所描述的管道12的内表面相同的材料制成。
[0106]
示例：
[0107]
作为示例，根据管道消毒器100制得的圆柱形空气管道消毒器具有流体消毒通道长度l＝100cm，直径d＝10cm。由于流体消毒通道121的两个端部是非反射性的(由于管道消毒器100中的过滤器和电扇而引起)，因此针对不同的入射角，此处的设计效率ρ是不同的。假设空气流动速率g＝100lpm并且guv光功率为1200mw，图10绘出了(遵循方程式7)针对根据图4制得的管道消毒器的三种不同反射率的随光入射角而变的剂量和剂量递送效率。总体而言，反射率越高，递送的剂量越多。注意，由于消毒长度是固定的(100cm)并且两个端部不反射，因此入射角越小，反射发生的次数就越少(方程式11)，从而导致递送的剂量越小。为了减轻该问题，一种方法是增大光入射角，如同图10建议的一样。根据方程式11和方程式12，另一方法是增大消毒通道长度，从而允许针对较小入射角度产生更多的反射。进一步地，注意，针对该固定设计，如果选择实际反射率r＝90％和入射角θ＝75
°
，那么设备可以将约88mj/cm2递送到100lpm气流。如果用以灭活99.9％的sars-cov-2病毒的guv剂量为1.7mj/cm2，那么该管道消毒器可以对约5,000lpm的气流消毒。图10中所绘出的剂量递送效率反映了由于多次反射而引起的光损失。越小的入射角示出了越高的剂量递送效率，因为它们允许更少的反射次数，因此由于反射而引起的损失也更少。如果反射次数不受限制，则越小的入射角将递送越多的剂量。大体上，根据流体流动速率，流体消毒通道121的长度l和直径d可以分别在10-500cm和5-100cm的范围内，并且如果过滤器14和电扇13是guv非反射性的，那么优选地满足方程式13。根据所需的剂量，大体上，空气流动速率g可以在50-10,000lpm的范围内，而guv光功率可以在500-3000mw的范围内。
[0108]
根据流体管道消毒器200制得的用以收集无限反射的另一圆柱形空气管道消毒器
具有流体消毒通道长度l＝200cm、直径d＝20cm。针对住宅家用，处理后的空气流动速率为g＝60,000lpm，而guv光功率为50w。在图11中绘出了以不同的入射角递送到气流的剂量(遵循方程式8)。再次，反射率越高，剂量越多。此处，由于反射次数不受限制，因此显然，入射角越小，递送的剂量越大。根据本公开的一个方面，针对流体管道消毒器200，入射角θ优选地在0
°
至30
°
的范围内。选择实际反射率r＝90％和入射角θ＝15
°
，该设备将约40mj/cm2递送到60,000lpm气流。
[0109]
根据管道消毒器200制得的用以收集无限反射的再另一空气消毒器具有消毒通道长度l＝100cm、直径d＝10cm。处理后的空气流动速率为g＝100lpm，而guv光功率为1.2w。在图12中绘出了以不同的入射角递送到气流的剂量(遵循方程式8)。选择实际反射率r＝90％和入射角θ＝15
°
，该设备将约292mj/cm2递送到100lpm气流，这意味着它可以处理17,000lpm的气流以灭活99.9％的sars-cov-2病毒。
[0110]
根据管道消毒器200制得的用以收集无限反射的流体消毒器具有消毒通道长度l＝100cm、直径d＝10cm。处理后的流体可以是空气、水等，具有在10-5
到10-1
cm-1
的范围内的吸收系数α以及流动速率g＝100lpm和guv光功率1.2w。在图13中针对90％的反射率绘出了以不同的入射角递送到流体流的剂量(遵循方程式6)。如图所示，吸收系数越小，递送到流体的剂量越高。针对具有大吸收系数(≥10-1
cm-1
)的流体，剂量递送对光入射角的依赖性弱。针对较小的吸收系数，剂量递送在小入射角下更高效(平行递送最好)。同样，当入射角接近零时，针对中等至大的吸收系数(α≥10-3
cm-1
)，递送的剂量很容易与平行光束极限(方程式2)收敛，这些平行光束极限在图13中在y轴上标记为水平条。选择实际反射率r＝90％和入射角θ＝15
°
，该设备将约62mj/cm2递送到吸收系数α＝10-2
cm-1
的100lpm流体(净水)。作为参考，a级水消毒要求40mj/cm2的guv剂量。
[0111]
大体上，流体消毒通道221的长度l和直径d可以分别在10-500cm和5-500cm的范围内，并且递送到流体的剂量可以通过方程式6来计算。针对流体(诸如duv吸收系数可忽略不计的空气)，可以使用方程式8来计算递送的剂量。例如，出于一般消毒目的，空气流动速率g可以在60,000-6,000,000lpm的范围内，而guv光功率可以在1.0
–
100w的范围内。
[0112]
根据平行光束极限(方程式2)，本公开的另一方面是提供一种平行光束流体管道消毒器，其中消毒光束平行于流动流体而入射(即入射角θ＝0
°
)。该实施方式保证了设计的剂量递送，而与消毒通道的反射率无关。为了说明，根据流体管道消毒器100或200制得的再另一流体消毒器具有消毒通道长度l＝100cm、直径d＝10cm。研究消毒通道的反射率对剂量输送的影响，并将其绘制在图14中，其中吸收系数保持恒定在α＝10-2
cm-1
(针对净水)。如图所示，由于α是固定的，而与反射率无关，因此在平行光束极限处，根据方程式2递送的所有剂量收敛到单个点中，针对给定的参数(g＝100lpm，p0＝1200mw且α＝10-2
cm-1
)，该点为72mj/cm2。还应注意的是，当消毒通道的反射率受到损害时，优选较小的入射角，以便获得递送到流体的更多剂量。
[0113]
图15中所示出的是根据流体管道消毒器100制得的流体管道消毒器600的立体图和分解图。如图所示，流体管道消毒器600的主部件是圆柱形管道62和两个guv光源61，这些guv光源包括guv光模块611、散热器612和guv反射帽613。guv光源61的放大立体图和分解图在图16中呈现。如图所示，guv光模块611可以是duv led的阵列。散热器612由在外侧壁上具
有鳍状结构的金属制成，以高效地使用于guv光模块611的热量耗散。电扇63与guv光源61一起组装，从而将流体(诸如空气)通过鳍状散热器612泵送，提供用于消毒的流体并冷却散热器612。光模块611位于散热器612上，并且可选地被盖有guv光反射帽613。guv反射帽613的面向流体消毒通道的表面是guv光反射的，其可以由任何适合的guv光反射材料(诸如本说明书中先前所描述)制成。因此，仅光模块611的发光区域可以不是guv反射的。管道消毒器600还可以包含电源系统67、底座66和固定装置69。固定装置69固持guv光源61和电扇63以及过滤器64的组件。过滤器64和电扇63的表面可以涂布有guv反射材料，例如涂布有具有90％的guv反射率的铝薄膜，或涂布有具有95％的duv反射率的聚四氟乙烯，或涂布有具有98-99％的反射率的微孔聚四氟乙烯。
[0114]
图17中所示出的是根据流体管道消毒器200、流体管道消毒器400或流体管道消毒器500制得的另一流体管道消毒器700的立体图和分解图。远离流体消毒通道取回guv光源71、电扇73和过滤器74，以便光可以在圆柱形消毒通道721内连续地来回反弹。guv光源71、电扇73、过滤器74和固定装置79被组装在另一圆柱形管道75中，该另一圆柱形管道以倾斜的角度与圆柱形管道72接合。倾斜角度(其为圆柱形管道75的轴线与圆柱形管道72的轴线之间的角度)可以在30-60
°
的范围内。guv光源71的立体图和分解图类似于图16中所示的guv光源61。
[0115]
根据本公开的另一方面，流体管道消毒器900具有图19中所示的横截面示意图，从而能够容纳无限光反射。该流体管道消毒器是对管道消毒器200的修改，仅具有一套组装在流体入口管道95中的guv光源91、电扇93和过滤器94的集合，该流体入口管道垂直地或以倾斜的角度地与管道92接合。可选地，guv光源91以大发散角或孔径角(例如120
°‑
180
°
)向上发射guv光。为了进一步减小入射角θ，可以在管道92的内表面上放置凸面反射器922，该凸面反射器通过消毒通道921直接面向guv光源91。管道消毒器200与管道消毒器900之间最显著的区别在于，在管道消毒器900中，管道92包含三个部分，即管道92a、管道92b和管道92c。更接近guv光源91的管道92a的直径比更远离guv光源91的管道92c的直径更小，可选地显著更小。例如，针对圆柱形管道92a和圆柱形管道92c，管道92a的直径可以是管道92c的直径的10-30％。直径逐渐增大的管道92b连接管道92a和管道92c。管道92b的直径的梯度被设计成减小光束被反射回到管道92a的可能性，因此，它可以是逐渐的或突然的(意味着管道92b消失)。管道92a、管道92b和管道92c共同围成消毒通道921。该布置使得光束几乎不可能反弹回guv光源91。管道92c的端部设置有喷淋头955，以使消毒后的空气均匀地排出。喷淋头955的前面有反射器923，以反射光并将光限制在消毒通道921内。反射器923可以是平面的、抛物面的、球面形的或非球面形的。反射器923与喷淋头955之间的空间9213流体连通到消毒通道921(例如，经由反射器923中的通孔9231，如图19中所示)，从而在排出之前缓冲消毒后的空气。反射器923可以覆盖消毒通道921的整个横截面，在其上形成有通孔9231以允许流体通过，或反射器923仅覆盖消毒通道921的横截面的中心部分，在反射器923的边缘与如图20中所示出的消毒通道921的内侧壁之间形成有间隙，并且在该情况下，不需要形成通孔9231。反射器923面向消毒通道921的表面可以由任何适合的guv光反射材料(诸如本说明书先前所描述的材料)制成。管道92a的长度和直径可以分别在10-100cm和5-20cm的范围内。管道92c的长度和直径可以分别在10-100cm和20-200cm的范围内。管道92b的长度可以在0-30cm的范围内。进一步地，即使管道92c可以是圆柱形形状，它也可以是其他形状，诸如矩形
或球形形状。管道92a也可以是圆柱形或其他形状，诸如矩形或球形形状。
[0116]
根据本公开的再另一方面，流体管道消毒器1000具有图20中所示的横截面示意图，从而能够容纳无限光反射。管道消毒器1000是对管道消毒器900的修改，具有组装在管道102a中的guv光源101、电扇103和过滤器104的集合。管道102包含三个部分，即管道102a、管道102b和管道102c。同样容纳guv光源101的管道102a的直径比更远离guv光源101的管道102c的直径更小，可选地显著更小。例如，针对圆柱形管道102a和圆柱形管道102c，管道102a的直径可以是管道102c的直径的10-30％。直径逐渐增大的管道102b连接管道102a和管道102c。管道102b的直径的梯度被设计成减小光束被反射回到管道102a的可能性，因此，它可以是逐渐的或突然的(意味着管道102b消失)。管道102a、管道102b和管道102c共同围封消毒通道1021。该布置使得光束几乎不可能反弹回guv光源101。使管道102c的端部处于喷淋头1055中，以使消毒后的空气均匀地排出。喷淋头1055的前面有反射器1023，以反射光并将光限制在消毒通道1021内。反射器1023可以是平面的、抛物面的、球面形的或非球面形的。反射器1023与喷淋头1055之间的空间10213与消毒通道1021流体连接，以在排出之前缓冲消毒后的空气。反射器1023可以覆盖消毒通道1021的整个横截面，在其上形成有通孔以允许流体通过，或反射器1023仅覆盖消毒通道1021的横截面的中心部分，在反射器1023的边缘与消毒通道1021的内侧壁之间形成有间隙。反射器1023面向消毒通道1021的表面可以由任何适合的guv光反射材料(诸如本说明书先前所描述的材料)制成。管道102a的长度和直径可以分别在10-100cm和5-20cm的范围内。管道102c的长度和直径可以分别在10-100cm和20-200cm的范围内。管道102b的长度可以在0-30cm的范围内。进一步地，即使管道102c可以是圆柱形形状，它也可以是其他形状，诸如矩形或球形形状。管道102a也可以是圆柱形或其他形状，诸如矩形或球形形状。
[0117]
图21中所示出的是根据管道消毒器1000制得的流体管道消毒器1100的立体图和分解图。如图所示，管道消毒器1100的主部件是管道112(包括管道112a、管道112b和管道112c)和一个guv光源111，该guv光源包括guv光模块1111、散热器1112和guv反射帽1113。guv光源111的立体图和分解图类似于图16中所示的guv光源61。管道消毒器1100还具有电源供应系统117和固定装置119。固定装置119固持guv光源111和电扇113的组件以及过滤器114。
[0118]
进一步地，针对具有guv光吸收系数可忽略不计的流体并且能够容纳无限光反射的流体管道消毒器，从方程式7和方程式8中注意到，递送到流体的剂量与管道横向尺寸(或直径)d成比例。因此，优选大横向尺寸的管道消毒器。流体管道消毒器1200的横截面图根据本公开的该方面在图22中示出。如图所示，管道消毒器1200的主部件是管道122和一个guv光源121，该guv光源包括guv光模块、散热器和guv反射帽，类似于guv光源61。在流体出口122o的前面有反射器1223，以反射光并将光限制在消毒通道1221内。反射器1223可以具有平面形状、抛物面形状、球面形形状或非球面形形状。流体从入口122i通过被电扇123吸入过滤器124流入消毒通道1221中，并且消毒后的流体从出口122o排出，该出口可以包含喷淋头结构。反射器1223定位于出口122o的前面，并覆盖出口122o的整个横截面。如图22所示，在反射器1223与消毒通道1221的内端面之间存在间隙，以使流体从中流出。在其他实施方式中，反射器1223可以不覆盖出口122o的整个横截面，并且可以在反射器1223中形成通孔以供流体流过。管道消毒器1200的突出特征是其横向尺寸或直径d显著大于入口122i的横
向尺寸d1，并且可选地大于消毒通道1221的长度l。例如，并且出口122o的横向尺寸或直径d2可以是管道消毒器1200的横向尺寸或直径d的约50％-95％，以使得消毒后的空气以较小的速度均匀地从出口122o排出。d显著大于d1的要求是为了确保消毒通道1221内的无限光反射。d大于l的要求是为了节省管道消毒器1200的空间。在一个实施方式中，当guv光源121以入射角≤30
°
照射功率为2.5w的duv光时，d1＝10cm，d＝100cm，l＝20cm，并且如果消毒通道1221具有duv光反射率r＝90％，那么递送的guv剂量将大于45mj/cm2，以清洁7500lpm的气流，根据方程式8。该剂量足以在10分钟内彻底消毒75m3房间中的空气。
[0119]
已经使用示例性实施例描述了本公开。然而，应理解，本公开的范围不限于所公开的实施例。相反，本公开旨在涵盖本领域的技术人员无需创造性工作或过度实验即可获得的各种修改和类似布置或等效物。因此，权利要求书的范围应被赋予最宽泛的解释，以便包括所有这种修改以及类似的布置和等效物。

技术特征：
1.一种流体管道消毒器，包括：管道，具有由所述管道的内表面限定的流体消毒通道，其中所述管道的所述内表面具有50％-99％的杀菌紫外线(guv)光反射率r；guv光源，设置在所述流体消毒通道内，以用于沿所述流体消毒通道的轴向方向将guv光发射到所述流体消毒通道中；电扇，用于迫使待消毒的流体流过所述流体消毒通道，以及过滤器，用于从所述流体中过滤颗粒。2.根据权利要求1所述的流体管道消毒器，还包括设置在所述管道内的反射器，其中，所述反射器具有面向并围绕所述guv光源的倾斜的反射表面。3.根据权利要求1所述的流体管道消毒器，其中，所述管道的所述内表面由抛光铝制成，或涂布有guv反射率为80-90％的铝薄膜，或涂布有guv反射率为90-95％的聚四氟乙烯，或涂布有反射率为95-99％的微孔聚四氟乙烯。4.根据权利要求1所述的流体管道消毒器，其中，所述流体消毒通道为圆柱形形状，所述guv光源分别设置在所述流体消毒通道的两端，并且所述guv光源包括散热器、具有guv led阵列的guv光模块和guv反射帽。5.根据权利要求1所述的流体管道消毒器，其中，所述guv光源以具有锥角2β的光锥的形式向所述管道的所述内表面发射guv光，所述电扇和过滤器是guv非反射的，并且所述管道满足以下方程式：其中，l为所述流体消毒通道的长度，d为所述流体消毒通道的横向尺寸，2β为光锥的锥角，所述光锥中包含所述guv光源所发出的至少50％的总光功率，并且ρ为所述流体管道消毒器的设计效率且选自范围0.8-0.99，其中ρ＝1 r
n 1
，n为所述流体消毒通道内的光反射次数。6.根据权利要求1所述的流体管道消毒器，其中，所述流体消毒通道为z形。7.根据权利要求1所述的流体管道消毒器，其中，所述电扇和所述过滤器是guv光反射的。8.一种流体管道消毒器，包括：管道，具有由所述管道的内表面限定的流体消毒通道，所述流体消毒通道包括第一部分、第二部分和第三部分，其中所述第一部分具有圆柱形形状以及第一直径，所述第三部分具有圆柱形形状以及大于所述第一直径的第三直径，所述第二部分具有截头圆锥形形状并且定位于所述第一部分与所述第三部分之间；guv光源，设置在所述流体消毒通道的入口端处且在所述第一部分内，以用于沿所述流体消毒通道的轴向方向将guv光发射到所述流体消毒通道中；反射器，设置在所述流体消毒通道的出口端处，以用于反射所述guv光；以及喷淋头，设置在所述反射器下游的所述出口端处。9.根据权利要求8所述的流体管道消毒器，其中，所述反射器为平面的、抛物面的、球面形的或非球面形的形状并且覆盖所述流体消毒通道的整个横截面，在所述反射器上形成有通孔以使所述喷淋头与所述流体消毒通道流体连通，或者仅覆盖所述流体消毒通道的所述
横截面的中心部分，在所述反射器的边缘与所述内表面之间形成有间隙。10.一种流体管道消毒器，包括：主管道，具有由所述主管道的内表面和两个内端面限定的流体消毒通道；第一辅助管道，在所述流体消毒通道的入口端处连接到所述主管道的侧壁中，以用于将待消毒的流体引入到所述流体消毒通道中；第一guv光源，设置在所述第一辅助管道中，以用于将guv光发射到所述流体消毒通道中；第二辅助管道，在所述流体消毒通道的出口端处连接到所述主管道的所述侧壁中，以用于将所述流体从所述流体消毒通道排出；第二guv光源，设置在所述第二辅助管道中，以用于将guv光发射到所述流体消毒通道中；其中由所述第一辅助管道和所述第二辅助管道占据的所述内表面的面积与所述内表面和所述两个内端面的整个面积的比率小于0.1。11.根据权利要求10所述的流体管道消毒器，还包括：第一凸面反射器，设置在所述内表面并直接面向所述第一guv光源；以及第二凸面反射器，设置在所述内表面并直接面向所述第二guv光源。12.根据权利要求10所述的流体管道消毒器，其中，所述主管道的所述内表面和所述两个内端面由抛光铝制成，或涂布有guv反射率为80-90％的铝薄膜，或涂布有guv反射率为90-95％的聚四氟乙烯，或涂布有guv反射率为95-99％的微孔聚四氟乙烯。13.根据权利要求10所述的流体管道消毒器，其中，所述流体消毒通道为圆柱形形状，且所述第一guv光源和所述第二guv光源中的每个均包括散热器、具有duv led阵列的guv光模块。14.根据权利要求10所述的流体管道消毒器，其中，所述两个内端面是相对于所述流体消毒通道的轴线倾斜并分别面向所述第一guv光源和所述第二guv光源的倾斜平面。15.一种流体管道消毒器，包括：主管道，具有由所述主管道的内表面和内端面限定的流体消毒通道，所述流体消毒通道包括第一部分、第二部分和第三部分，其中所述第一部分具有圆柱形形状以及第一直径，所述第三部分具有圆柱形形状以及大于所述第一直径的第三直径，所述第二部分具有截头圆锥形形状并且定位于所述第一部分与所述第三部分之间；辅助管道，在所述流体消毒通道的入口端处连接到所述主管道的侧壁中，以用于将待消毒的流体引入到所述流体消毒通道中；guv光源，设置在所述辅助管道中，以用于将guv光发射到所述流体消毒通道中；反射器，设置在所述流体消毒通道的出口端处，以用于反射所述guv光；以及喷淋头，设置在所述反射器下游的所述出口端处。16.根据权利要求15所述的流体管道消毒器，其中，所述反射器为平面的、抛物面的、球面形的或非球面形的形状并且覆盖所述流体消毒通道的整个横截面，在所述反射器上形成有通孔以使所述喷淋头与所述流体消毒通道流体连通，或者仅覆盖所述流体消毒通道的所述横截面的中心部分，在所述反射器的边缘与所述内表面之间形成有间隙。17.根据权利要求15所述的流体管道消毒器，还包括凸面反射器，其设置在所述内表面
上并直接面向所述guv光源。18.一种流体消毒器，包括：两个以上消毒单元，流体连通地串联连接，其中每个消毒单元具有两个流体消毒通道，所述两个流体消毒通道并排布置并且用分离壁彼此分离，所述两个流体消毒通道在一端处合并，guv光源分别设置在另一端处的所述两个流体消毒通道中的每个流体消毒通道内，以用于将guv光发射到对应的所述流体消毒通道中，所述两个流体消毒通道中的每个流体消毒通道在合并端处具有倾斜的内表面，以用于反射guv光，其中所述两个以上消毒单元并排布置并由分离壁分离。19.根据权利要求18所述的流体消毒器，其中，流体入口设置在第一消毒单元的侧壁上，流体出口设置在最后一个消毒单元的侧壁上，并且所述流体消毒通道的另一端被密封。20.一种流体管道消毒器，包括：管道，限定流体消毒通道，其中所述流体消毒通道的内表面具有50％-99％的杀菌紫外线(guv)光反射率r，所述流体消毒通道具有横向尺寸d和长度l；流体入口，用于将待消毒的流体引入到所述流体消毒通道中，其中所述流体入口具有横向尺寸d；guv光源，设置在所述流体入口内，以用于将guv光发射到所述流体消毒通道中；电扇，设置在所述流体入口内；过滤器，设置在所述流体入口内；以及反射器，设置在所述流体消毒通道内并在出口的前面；其中且21.根据权利要求20所述的流体管道消毒器，其中，所述电扇和所述反射器是guv光反射的。

技术总结
一种流体管道消毒器，包括管道，其具有由管道的内表面限定的流体消毒通道，其中管道的内表面具有50％-99％的杀菌紫外线(GUV)光反射率R；GUV光源，用于将GUV光发射到流体消毒通道中；电扇，用于迫使待消毒的流体流过流体消毒通道；以及过滤器，用于从流体中过滤颗粒。该流体管道消毒通道可包括第一部分、第二部分和第三部分，其中第一部分具有圆柱形形状以及第一直径，第三部分具有圆柱形形状以及大于第一直径的第三直径，第二部分具有截头圆锥形形状并且定位于第一部分与第三部分之间。并且定位于第一部分与第三部分之间。并且定位于第一部分与第三部分之间。


技术研发人员：张剑平 周瓴 高英 邓华中 高登彼得 李承
受保护的技术使用者：博尔博公司
技术研发日：2021.06.18
技术公布日：2022/5/25