水杯是日常生活中必不可少的物品之一，尤其是學(xué)生、旅行者、戶外運(yùn)動(dòng)愛好者以及探險(xiǎn)科考人員常常會(huì)隨身攜帶水杯。然而水杯里的水長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存后容易滋生病菌，即使喝完水后水杯內(nèi)的潮濕環(huán)境也是細(xì)菌繁殖的溫床，這些都直接影響到飲用者的健康。
UVC-LED作為熱門的新型深紫外光源，其釋放的波長(zhǎng)260-280nm的深紫外線能直接破壞細(xì)菌和病毒的DNA或RNA，起到快速、安全無(wú)副作用的殺菌效果。
隨著UVC-LED技術(shù)的不斷成熟，越來(lái)越多的日常用品中開始出現(xiàn)它的身影，其中搭載UVC-LED消毒技術(shù)的水杯就是一個(gè)需求巨大的潛力產(chǎn)品。設(shè)計(jì)這樣一款水杯新型需要注意哪些問(wèn)題呢？下面分享的內(nèi)容就是UVC-LED殺菌水杯方案設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)中的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，望能拋磚引玉，與君共勉。
一、應(yīng)用場(chǎng)景
同樣是消毒水杯，家用與戶外應(yīng)用在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上有著本質(zhì)的區(qū)別。
日常家用、日常的外出攜帶，這些場(chǎng)景中的水源是相對(duì)干凈的，存水時(shí)間一般少于24小時(shí)，簡(jiǎn)單歸納就是要對(duì)潔凈水以及無(wú)水時(shí)的潮濕環(huán)境進(jìn)行持續(xù)抑菌；而戶外應(yīng)用、科考探險(xiǎn)甚至行軍作戰(zhàn)中攜帶的水杯往往需要直接取野外水源，經(jīng)過(guò)濾、殺菌后才能供人飲用，簡(jiǎn)單歸納就是對(duì)有菌水進(jìn)行殺菌。
抑菌和殺菌這兩個(gè)功能上的區(qū)別，直接影響方案中的UVC-LED的選型、布局，以及對(duì)應(yīng)的散熱設(shè)計(jì)和供電設(shè)計(jì)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之前就要進(jìn)行明確的定位。
殺菌與抑菌場(chǎng)景的方案設(shè)計(jì)對(duì)比
二、光源模組的形狀
目前市面常見的UVC-LED光源模組，石英燈罩形狀分為平面與球面兩種，模組的使用環(huán)境分為水上與水中兩種。下表以一顆3535封裝，近朗伯光型的UVC-LED為例，對(duì)比在不同情況下的出光情況：
不同燈罩形狀與使用環(huán)境下的出光對(duì)比
對(duì)比可以看出球面燈罩的模組在不同環(huán)境下，出光效率與光照范圍均大幅領(lǐng)先于平面燈罩模組。①③兩種情況，UVC-LED模組通常位于瓶蓋位置，出于安全性考慮，建議用平面燈罩①。而②④兩種情況建議選擇球面燈罩④以降低UVC-LED成本。
三、光源模組的位置
在水杯中，UVC-LED光源模塊的擺放位置有杯蓋和杯底兩種，需針對(duì)具體情況進(jìn)行靈活選擇。結(jié)合國(guó)內(nèi)外的同行的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及本人的實(shí)操經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)如下：
1.抑菌場(chǎng)景
光路無(wú)遮擋，水面照射好；光路有遮擋，水底照射好。
對(duì)于潔凈水的抑菌應(yīng)用，在UVC輻射功率、容器形狀、水量均相同且光照無(wú)遮擋的情況下，光源從水面照射的抑菌效果要好于水底照射。原因是潔凈水的細(xì)菌來(lái)源是空氣和水的接觸面，也就是水位線。水面照射的方式離“防線”更近，輻射強(qiáng)度更高，抑菌效果更好。
抑菌效果的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c測(cè)試數(shù)據(jù)
實(shí)際設(shè)計(jì)中，部分水杯的過(guò)濾網(wǎng)會(huì)遮擋紫外光路。濾網(wǎng)的開孔率和透光率成正比，市面水杯濾網(wǎng)開孔率在20~50%范圍，意味著過(guò)濾網(wǎng)對(duì)紫外光的損耗有50~80%，同時(shí)還影響光均勻性。對(duì)于水杯中配置有濾網(wǎng)或者其他遮光結(jié)構(gòu)的情況，光源從水底照射的抑菌效果反而更好。
光照情況對(duì)比（左為有過(guò)濾網(wǎng)遮擋）
濾網(wǎng)開孔率與紫外光透過(guò)率的關(guān)系
2. 殺菌場(chǎng)景
球面燈罩，水底照射好。平面燈罩，水面照射好。
水體的殺菌效果取決于水體內(nèi)的UVC輻射劑量以及照射范圍。當(dāng)水體中存在明顯照射死角時(shí)，即使加長(zhǎng)照射時(shí)間也無(wú)法使殺菌率進(jìn)一步提升。
球面燈罩的模組無(wú)論是在水底還是水面，照射范圍基本一致，此時(shí)水底照射能使整個(gè)水體獲得更高的輻射強(qiáng)度，殺菌效果更好。
平面燈罩的模組，在水底照射時(shí)光照范圍小，存在大范圍死角，以至于蓋過(guò)了其光照距離近的優(yōu)勢(shì)，整體而言殺菌效果差。
球面燈罩，水面照射與水體照射效果示意
平面燈罩，水面照射與水體照射效果示意
四、內(nèi)壁材料
傳統(tǒng)水杯的內(nèi)壁材料多為食品級(jí)塑膠、玻璃、不銹鋼，然而這三者對(duì)于UVC的反射效率都很低。普通塑膠和玻璃對(duì)于UVC幾乎全部吸收，不銹鋼的UVC反射率也只有20-28%。目前最理想的水杯內(nèi)壁材料是聚四氟乙烯，UVC反射率達(dá)到95%，且材料滿足食品級(jí)要求。
不同材料的UVC反射率
水杯內(nèi)壁的材料的紫外反射率影響紫外光的穿透性，杯子越深，杯口越小，內(nèi)壁材料的反射率影響越大。
以兩個(gè)材料分別為聚四氟乙烯和不銹鋼，尺寸均為Φ31mm×150mm的圓筒為例，均在單邊使用輻射功率10mw的UVC光源進(jìn)行照射，圓筒中心截面的輻射強(qiáng)度分別為0.72mw/cm2與0.19mw/cm2。
換句話說(shuō)使用聚四氟乙烯作為內(nèi)壁材料后，UVC輻射功率僅需1/3就可以達(dá)到消毒效果，在綜合考慮UVC-LED價(jià)格、聚四氟乙烯和不銹鋼的用量以及差價(jià)、散熱及電路（電池）成本后，UVC-LED光源模塊的成本可降低20%以上，體積也可以更小。
內(nèi)壁反射對(duì)比實(shí)驗(yàn)的模型及光分布圖(左為聚四氟乙烯，右為不銹鋼)
五、續(xù)航評(píng)估
抑菌場(chǎng)景
整個(gè)模組使用一顆輻射功率2mw的UVC-LED光源，工作模式為循環(huán)工作，每小時(shí)點(diǎn)亮2.5min。針對(duì)300ml容積的水杯(滿水)，實(shí)測(cè)可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效抑菌效果。搭載藍(lán)牙以及顯示模塊后，整個(gè)模組的耗電情況如下表：
抑菌場(chǎng)景的模組耗電情況
內(nèi)置可充電鋰電池容量按照500mAh計(jì)算，充電一次可以續(xù)航7.4天，可以滿足日常需求。
殺菌場(chǎng)景
整個(gè)模組使用2顆輻射功率10mw的UVC-LED光源，工作模式為觸發(fā)后持續(xù)工作1分鐘然后關(guān)閉。針對(duì)300ml容積的水杯(滿水)，實(shí)測(cè)單次工作即可實(shí)現(xiàn)殺菌率＞99.9%（測(cè)試菌液為大腸桿菌、綠膿桿菌、腸炎沙門氏菌、枯草芽孢桿菌混合液）。耗電情況如下表：
殺菌場(chǎng)景的模組耗電情況
內(nèi)置可充電鋰電池容量按照500mAh計(jì)算，充電一次電可以使用5.7天（按照每天使用10次，總飲水量3000ml計(jì)算），可以滿足長(zhǎng)時(shí)間的戶外應(yīng)用要求。
以上就是本人對(duì)于UVC-LED消毒水杯的實(shí)戰(zhàn)解讀，掌握關(guān)鍵之后就是方案優(yōu)化、工業(yè)設(shè)計(jì)、營(yíng)銷渠道的比拼了，祝大家都能做出暢銷的產(chǎn)品。(作者：Boat）
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