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好文分享 | UVC LED消毒水杯设计实战经验
发布时间：
2019-10-10 13:46
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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：
❶ 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
❷ 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
❶ 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。
❷ 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。
转载自：LEDinside
