UVC LED消毒水杯設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)分享

作者 | 發(fā)布日期 2019 年 07 月 12 日 15:38 | 分類 UV LED

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(ài)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(mén)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(kāi)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(jiàn)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(kāi)孔率和透光率成正比,市面水杯濾網(wǎng)開(kāi)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(kāi)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(mén)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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