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UVC LED消毒水杯设计实战经验分享

来源:LEDinside 时间:2019-07-12 15:38 [编辑:JamesWen] 【字体: 】 我来说两句

水杯是日常生活中必不可少的物品之一,尤其是学生、旅行者、户外运动爱好者以及探险科考人员常常会随身携带水杯。然而水杯里的水长时间储存后容易滋生病菌,即使喝完水后水杯内的潮湿环境也是细菌繁殖的温床,这些都直接影响到饮用者的健康。

UVC-LED作为热门的新型深紫外光源,其释放的波长260-280nm的深紫外线能直接破坏细菌和病毒的DNA或RNA,起到快速、安全无副作用的杀菌效果。

随着UVC-LED技术的不断成熟,越来越多的日常用品中开始出现它的身影,其中搭载UVC-LED消毒技术的水杯就是一个需求巨大的潜力产品。设计这样一款水杯新型需要注意哪些问题呢?下面分享的内容就是UVC-LED杀菌水杯方案设计实战中的几个关键点,望能抛砖引玉,与君共勉。

一、应用场景

同样是消毒水杯,家用与户外应用在产品设计上有着本质的区别。

日常家用、日常的外出携带,这些场景中的水源是相对干净的,存水时间一般少于24小时,简单归纳就是要对洁净水以及无水时的潮湿环境进行持续抑菌;而户外应用、科考探险甚至行军作战中携带的水杯往往需要直接取野外水源,经过滤、杀菌后才能供人饮用,简单归纳就是对有菌水进行杀菌。

抑菌和杀菌这两个功能上的区别,直接影响方案中的UVC-LED的选型、布局,以及对应的散热设计和供电设计,在产品设计之前就要进行明确的定位。

杀菌与抑菌场景的方案设计对比

二、光源模组的形状

目前市面常见的UVC-LED光源模组,石英灯罩形状分为平面与球面两种,模组的使用环境分为水上与水中两种。下表以一颗3535封装,近朗伯光型的UVC-LED为例,对比在不同情况下的出光情况:

不同灯罩形状与使用环境下的出光对比

对比可以看出球面灯罩的模组在不同环境下,出光效率与光照范围均大幅领先于平面灯罩模组。①③两种情况,UVC-LED模组通常位于瓶盖位置,出于安全性考虑,建议用平面灯罩①。而②④两种情况建议选择球面灯罩④以降低UVC-LED成本。

三、光源模组的位置

在水杯中,UVC-LED光源模块的摆放位置有杯盖和杯底两种,需针对具体情况进行灵活选择。结合国内外的同行的实验数据以及本人的实操经验,总结如下:

1.抑菌场景

光路无遮挡,水面照射好;光路有遮挡,水底照射好。

对于洁净水的抑菌应用,在UVC辐射功率、容器形状、水量均相同且光照无遮挡的情况下,光源从水面照射的抑菌效果要好于水底照射。原因是洁净水的细菌来源是空气和水的接触面,也就是水位线。水面照射的方式离“防线”更近,辐射强度更高,抑菌效果更好。

抑菌效果的实验模型与测试数据

实际设计中,部分水杯的过滤网会遮挡紫外光路。滤网的开孔率和透光率成正比,市面水杯滤网开孔率在20~50%范围,意味着过滤网对紫外光的损耗有50~80%,同时还影响光均匀性。对于水杯中配置有滤网或者其他遮光结构的情况,光源从水底照射的抑菌效果反而更好。

光照情况对比(左为有过滤网遮挡)

滤网开孔率与紫外光透过率的关系

2. 杀菌场景

球面灯罩,水底照射好。平面灯罩,水面照射好。

水体的杀菌效果取决于水体内的UVC辐射剂量以及照射范围。当水体中存在明显照射死角时,即使加长照射时间也无法使杀菌率进一步提升。

球面灯罩的模组无论是在水底还是水面,照射范围基本一致,此时水底照射能使整个水体获得更高的辐射强度,杀菌效果更好。

平面灯罩的模组,在水底照射时光照范围小,存在大范围死角,以至于盖过了其光照距离近的优势,整体而言杀菌效果差。

球面灯罩,水面照射与水体照射效果示意

平面灯罩,水面照射与水体照射效果示意

四、内壁材料

传统水杯的内壁材料多为食品级塑胶、玻璃、不锈钢,然而这三者对于UVC的反射效率都很低。普通塑胶和玻璃对于UVC几乎全部吸收,不锈钢的UVC反射率也只有20-28%。目前最理想的水杯内壁材料是聚四氟乙烯,UVC反射率达到95%,且材料满足食品级要求。

不同材料的UVC反射率

水杯内壁的材料的紫外反射率影响紫外光的穿透性,杯子越深,杯口越小,内壁材料的反射率影响越大。

以两个材料分别为聚四氟乙烯和不锈钢,尺寸均为Φ31mm×150mm的圆筒为例,均在单边使用辐射功率10mw的UVC光源进行照射,圆筒中心截面的辐射强度分别为0.72mw/cm2与0.19mw/cm2。

换句话说使用聚四氟乙烯作为内壁材料后,UVC辐射功率仅需1/3就可以达到消毒效果,在综合考虑UVC-LED价格、聚四氟乙烯和不锈钢的用量以及差价、散热及电路(电池)成本后,UVC-LED光源模块的成本可降低20%以上,体积也可以更小。

内壁反射对比实验的模型及光分布图(左为聚四氟乙烯,右为不锈钢)

五、续航评估

抑菌场景

整个模组使用一颗辐射功率2mw的UVC-LED光源,工作模式为循环工作,每小时点亮2.5min。针对300ml容积的水杯(满水),实测可实现长效抑菌效果。搭载蓝牙以及显示模块后,整个模组的耗电情况如下表:

抑菌场景的模组耗电情况

内置可充电锂电池容量按照500mAh计算,充电一次可以续航7.4天,可以满足日常需求。

杀菌场景

整个模组使用2颗辐射功率10mw的UVC-LED光源,工作模式为触发后持续工作1分钟然后关闭。针对300ml容积的水杯(满水),实测单次工作即可实现杀菌率>99.9%(测试菌液为大肠杆菌、绿脓杆菌、肠炎沙门氏菌、枯草芽孢杆菌混合液)。耗电情况如下表:

杀菌场景的模组耗电情况

内置可充电锂电池容量按照500mAh计算,充电一次电可以使用5.7天(按照每天使用10次,总饮水量3000ml计算),可以满足长时间的户外应用要求。

以上就是本人对于UVC-LED消毒水杯的实战解读,掌握关键之后就是方案优化、工业设计、营销渠道的比拼了,祝大家都能做出畅销的产品。(作者:Boat)

 

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