[发明专利]紫外光均匀分布的流体处理的系统和方法

说明书

在各个实施例中，通过使流体流动通过流通室来处理流体，所述流通室具有(i)流体入口、(ii)流体出口、(iii)布置在流体入口和流体出口之间的处理区域，以及(iv)使紫外(UV)光发生反射的内表面，该内表面使得一个或多个UV光源发射的UV光发生漫反射以大致均匀地照射处理区域，从而处理流体。

相关申请

本申请要求2013年8月29日提交的美国临时专利申请No.61/871,630的权益和优先权，其全部内容通过引用包含在本文中。

技术领域

在各个实施例中，本发明涉及使用紫外(UV)辐射的流体处理。

背景技术

液体，包括水，通常用于许多生活和工业目的，例如饮用、食品制备、制造业、化学药品加工和清洗。通常，在液体使用之前需要对该液体进行净化。通常使用例如陶瓷过滤器的过滤器从液体去除颗粒和化学杂质。此外，液体可以暴露于UV辐射以抑制可能存在于液体中的微生物和有害病原体。暴露于短波长(例如100nm-320nm)UV辐射可以具有杀菌效果，即，辐射能够破坏许多细胞微生物的DNA—从而在实质上消灭它们或者使它们基本上无害。暴露于UV辐射还能够大致抑制可能存在于液体中的微生物的生长和/或繁殖。

UV辐射对流动液体的杀菌效果依赖于UV辐射的能量密度，即，辐射的通量，其则与辐射的功率和暴露的持续时间有关。辐射功率依赖于供应至辐射源的功率，而暴露持续时间依赖于液体的流速。然而，LED发射的UV光通常具有高斯分布的强度，其可能不近似于被消毒的流体的暴露体积。因此，具有这种LED的消毒系统常常具有非均匀分布的UV强度，这会导致无效的消毒。也就是说，可能需要过量的LED功率以在处理系统的整个截面内实现期望的辐射通量，即使这种提高的功率水平在系统的特定区域内导致远远超过了所需通量水平。

此外，消毒各种液体所需的功率可能需要在消毒系统中使用超过一个LED。虽然UVLED理论上可具有超过10,000小时或更多的寿命，但也不起作用，并且多LED系统中的一个设备的故障往往导致UV辐照度的更不均匀分布并因此使消毒无效和/或不足。

鉴于前述情况，需要一种使用UV LED进行消毒的流体处理系统，其有效地产生均匀水平的辐照度并且即使在LED故障的情况下也是稳健的。

发明内容

在本发明的多个实施例中，流动的流体暴露于足够的UV辐射以具有期望的杀菌效果，从而大致净化流体，但是不具有现有系统所表现的能量浪费。本发明的实施例提供流通室，在流通室中，流体暴露于具有大致均匀的强度分布(即，作为面积的函数)的UV辐射。以这种方式，处理功效在处理体积(即，流体流动通过的室)的整个截面区域内是大致均匀的。此外，大致均匀的强度分布确保流动通过室的大致所有液体被处理而不需要过量的功率来运行UV辐射源。也就是说，UV辐射源的辐照度可以被保持在恰好能够实现期望杀菌效果的大致均匀水平，而不是像在产生非均匀能量分布的传统系统中，过度暴露一些区域以使得其他区域接收到最小的杀菌能量剂量。

在本发明的优选实施中，UV辐射的大致均匀的能量分布能够通过使用一个或多个高漫反射表面有效地分布来自仅几个(甚至仅一个)例如LED和/或激光器的UV光源(例如点光源)的UV光来实现。一般地，UV光源通过高UV可透窗口将光射入流通室，并且来自光源的UV光被漫反射进入处理区域，从而产生高均匀度。因此，来自UV光源的光优选地至少最初在流通室内经由高漫反射发生反射，而不是通过例如镜面反射或全内反射(TIR)发生反射。因为漫反射使得来自UV光源的光以多个不同的角度发生反射，因此实现了UV光的有效分布，同时使得UV光源的数量最少化。一旦光最初在流通室装置内发生漫反射，它可以在流通室内(例如处理区域内)经由来自一个或多个其他表面的漫反射和/或镜面反射被进一步反射和/或分布。以这种方式，甚至可以使用发射高斯分布的辐射的UV光源(例如UV LED)产生作为处理区域的截面面积的函数的大致均匀的UV辐射强度。