包括紫外线照明装置的处理表面的系统的制作方法

1.本发明一般涉及一种用于处理表面的系统，包括一种紫外线(uv)照明装置，其被配置为在第一和第二波长范围内向所述表面发射uv光，以有效减少表面上的微生物。


背景技术：

2.使用主要发射波长约为254nm的低压汞灯(lp-hg灯)产生的紫外线(uv)对水、空气、表面或某些设备进行消毒的系统如今已被广泛使用。也可以在例如大型系统中使用中压和/或高压汞灯，例如用于水消毒，因为这些灯可以提供更高的功率输出。这些系统可以与颗粒过滤、反渗透(用于水消毒)和其他设备结合使用。uvc系统很受欢迎，因为其不使用任何化学物质(例如氯)，在许多方面具有优势，尤其是环境方面。
3.这些光源性能优秀，具有良好的能效(对于较大的低压汞灯，能效比约为30-35％)，并且其使用寿命远高于目前最好的产品的10000小时；其中最好的产品据称有16000小时使用寿命。也存在其他uv光源(例如准分子光源)，但据称其使用寿命很短(《500小时)或能效比很低(例如uvc-led通常在1-2％左右)。
4.lp-hg光源的一个严重缺点是该光源将细菌灭活(杀死)到一定水平之后看不到明显的减少。这种现象通常被称为“拖尾”。文献中对此有几种(有些不同)解释；其中最被接受的说法是，细菌会有一个自我修复的过程(也称为再活化、自动修复)。如果这种自我修复过程的速率与灭活过程的速率相同，那么最终结果将进入一个恒定状态。通常，在已进行的测试中，hg灯无法让用于此类测试和验证中常用微生物，即大肠杆菌(e.coli)，的菌落形成单位低于每毫升10
2-103个(cfu/ml)。此时，在消毒后仍然存活的剩余微生物将在所谓的滞后期(即观察不到繁殖的初始期)后再次开始繁殖。对于大肠杆菌来说，倍增率，也就是繁殖率，即细菌数量倍增所需的时间，通常可以认为在室温下大约为20分钟。该速率取决于许多其他参数，如温度、ph值、营养物的获取等。在已消毒的水中，营养物可能是例如失活的微生物。这所导致的负面后果是，经过消毒的水通常会在一段时间后再次含有细菌。
5.在us20190298879中公开了一种试图解决这个问题的解决方案，包括一种双光源解决方案，其中由基于汞的uv光源发射的光与由基于非汞场发射的uv光源发射的光组合。us20190298879中的解决方案专门用于处理容器中的流体，允许流体环绕光源。
6.尽管us20190298879在例如流体环绕两个光源时，可以减少流体中的微生物，人们仍然希望引入进一步的改进，即总体上希望尽量减少可能影响人类健康的区域中的微生物。


技术实现要素：

7.根据本发明的一个方面，一种用于处理表面的系统至少部分缓解了上述问题，该系统包括被配置为向表面发射uv光的uv照明装置、被配置为控制uv照明装置的操作的处理电路，其中所述uv照明装置在处理电路的控制下适于在第一和第二波长范围内发射uv光以有效减少表面处的微生物，所述第一波长范围的上限延伸至至少270nm，并且所述第二波长
范围的下限延伸至至少270nm，且上限延伸至至少320nm。
8.如上所述，根据本发明，提供了一种解决方案，其中uv照明装置适于在两个可能(例如，稍微)重叠的波长范围内发光，所述两个波长范围被定义为第一和第二波长范围，其中第一和第二波长范围在270nm附近有一个公共端点。因此，第一波长范围的下端点远低于270nm，第二波长范围的上端点远高于270nm，具体而言，其上限范围延伸至至少320nm；在可能的实施例中，第一波长范围向下延伸至至少250nm。
9.在涉及用于处理表面的uv光的一般现有技术解决方案中，重点一直是仅应用“uv-c波长”(特别是为254nm)，传统上称为杀菌uv；然而，通过本发明，还将在uv-a(320-400nm)和uv-b(280-320nm)波长范围内的uv光用于处理表面。本发明者已明确确定，约320nm的uv光对某些细菌(例如上述大肠杆菌)具有极大的有效性。
10.此外，通过在一个以上波长范围内应用uv光，如通过uv光照明装置(在第一和第二波长范围内发射uv光)实现的那样，已经证明可以大大减少光再活化，该过程可导致受损微生物的自我修复。原则上，我们知道可能会发生自修复过程(也称为再活化)。这个过程涉及受到比灭活过程更高波长损伤的蛋白质；拖尾的另一个理论是，一小部分微生物对uv辐射更具抵抗力，因此需要更大的uv剂量才能被去活；然而，从所进行的测量来看，至少对于测试的微生物大肠杆菌atcc8739，这似乎不具有大效果。
11.通过本发明，关于相关于表面的拖尾效应也可以减小，例如相关于可能与人直接或间接接触的表面；因此，本发明的总体优点是大大降低了涉及人类/人的死亡风险。
12.在本发明的上下文中，应当理解，uv照明装置不一定在所有第一和第二波长范围内发射光；相反，本发明的范围内，确保在每个波长范围内至少发射具有窄范围且因此具有峰值波长的uv光就可能足够。在一个可能的实施例中，例如可以将uv照明装置布置成发射峰值波长为260nm(即在第一波长范围内)的光和峰值波长为300nm(即在第二波长范围内)的光；在这样的实施例中，峰值波长可能是不同的，这意味着峰值波长处的强度比“围绕”峰值波长的波长处的强度高至少50％-70％。
13.还可以将uv照明装置布置成，例如，在第一波长范围内发射具有宽发射的光，并且在第二波长范围内发射具有明显窄带峰值波长的光。当然，相反的情况是可能的，在第一波长范围内具有窄带发射，而在第二波长范围内具有相对较宽的发射。在优选实施例中，所述uv照明装置包括适于在第一波长范围内发射uv光的第一uv光源和适于在第二波长范围内发射uv光的第二uv光源。可能地，第一光源可以被配置为发射在从大约240nm到至少270nm的波长范围内的辐射，并且第二uv光源可能被配置为在从大约270nm到至少320nm的波长范围内发射辐射。优选地，允许第一uv光源发射具有包括在265nm处发射uv辐射的波长间隔的光，该波长间隔是杀菌效果的可能峰值。在另一优选实施例中，单个光源适于在更宽的光谱中发射uv辐射，即使用单个设备覆盖两个波长范围。
14.在本发明的一个优选实施例中，第一uv光源包括例如多个uv(c)-led和/或基于不同技术的光源组合，以适应应用；uvc-led可以另外具有几个不同的波长峰值，以便更好地覆盖特定的波长范围。
15.此外，诸如场发射光源(fel)等主要由电子驱动单元控制的新兴技术可用于本发明，并提供毫秒量级的开启时间。相比之下，hg-lp灯通常需要几分钟的预热时间才能达到最大输出功率。uvc-led目前正在开发中，但据报告，目前其寿命较短，能效非常低。为了改
善这一点，巨大的努力正在付出，并且肯定会并最终取得成功；另一方面，场发射光源的寿命可能在1000-10000小时左右，具体取决于所需的功率密度，并且经过测量，已达到10％左右的效率，尽管在uvc区域为4-5％。
16.使用场发射光源作为第一uv光源的优势是，这种光源可以被配置为不是以254nm附近的明显峰值而是以在上述240-320nm范围内的更连续的光谱发射uv光；场发射uvc灯已证明能够持续进行消毒过程，且不会表现出任何明显的拖尾效应。
17.在一个实施例中，场发射光源可包括场发射阴极和导电阳极结构。场发射阴极通常包括在衬底上形成的多个纳米结构，而导电阳极结构包括布置成从阴极接收电子并发射uv光的光转换材料。光转换材料可以例如为选择lapo4:pr
3+
、lupo3:pr
3+
、lu2si2o7:pr
3+
、ybo3:pr
3+
或ypo4:bi
3+
中的至少一种或类似的光转换材料(也可以有其他材料)；作为替代方案，光转换材料通常可被视为磷光体材料。
18.优选地，所述纳米结构优选包含zno纳米结构和碳纳米管中的至少一种。多个zno纳米结构适于具有至少1μm的长度；在另一实施例中，纳米结构可有利地具有3-50μm范围内的长度和5-300nm范围内的直径。
19.优选地，所述场发射光源具有uv透光部分，所述uv透光部分包括石英、熔融石英、uv透明硼硅酸盐和uv透明软玻璃中的至少一种；这些材料因它们对uv光的固有透明度而适用。
20.通常，当材料/结构允许大量uv辐射通过时，该材料/结构被认为对特定波长的uv是“透明的”。在一个实施例中，uv透明结构由材料形成并且具有允许至少百分之十的uv辐射通过的厚度。
21.在场发射光源工作期间，在阴极和阳极之间施加比较高的电压；用于消费应用的电子能量应小于10kv，最好小于9kv，否则韧致辐射产生的软x射线将能够逃逸光源(否则会被阳极玻璃吸收)；然而，这些水平在一定程度上取决于玻璃厚度，因此，如果使用较厚的玻璃，则可以允许更高的电压。
22.另一方面，所述电子能量必须足够高才能有效地产生uv辐射；因此，消费应用的首选范围为4-9kv，工业应用的首选范围为7-15kv(其中，一些软x射线可以被接受)。
23.在一个实施例中，阴极和阳极布置在真空室中，其中真空室布置在部分真空下，使得从阴极发射的电子可以在仅与气体分子发生少量碰撞的情况下传输到阳极；通常，抽真空的空间可能会被抽空到小于1x10-4
torr的压力。
24.如上所述，该系统包括被配置为控制uv照明装置的操作的处理电路；在一些实施例中，处理电路可适于根据预定义时间表操作非汞基uv光源，其中预定义时间表例如可取决于到表面的距离、目标微生物或预期用户行为中的至少一个；进一步的时间表是可能的，并且在本发明的范围内；下文将结合具体实施方式，进一步阐述基于预定义时间表的系统操作。
25.所述系统可能还被希望布置为进一步包括反射部分，其中反射部分适于增加uv的量，该uv旨在用于使在可能影响例如人类健康的区域中的微生物最少化。由此，uv不会“逃逸”，而是会聚焦在待处理的表面上。
26.如本文所用，当一种材料/结构对特定波长的uv具有至少30％的uv反射系数时，该材料/结构被认为是对特定波长的uv光“反射”的；在更具体的实施例中，高uv反射材料/结
构具有至少80％的uv反射系数。
27.优选地，根据本发明的系统可以被布置为更大装置的组件，例如冰箱(或冷冻柜)、空气净化器、hvac单元或消毒柜；在某些应用中，通常存在空气过滤器，并且过滤器本身会受到uvc辐射；下面将进一步阐述符合本发明的示例性实施方式。
28.当研究所附权利要求和以下描述时，本发明的进一步特征和优点将变得显而易见；本领域技术人员认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以组合本发明的不同特征来创建除以下描述的实施例以外的实施例。
附图说明
29.本发明的各个方面，包括其特定特征和优点，将从以下具体实施方式和附图中容易理解，其中：
30.图1a和1b示出了根据本发明当前优选实施例的用于处理表面的系统的不同实施例，
31.图2a-2b示出了包括如图1所示的系统的示例性实施方式，
32.图3a-3b示出了汞光源的发射光谱及其相应的杀菌灭活曲线，
33.图4a-4f示出了由不同磷光体材料产生的不同发射光谱及其相应的杀菌灭活曲线，
34.图5示出了该系统的发射光谱的可能的实施例，以及
35.图6示出了具有和不具有再活化过程的数学模型的结果。
具体实施方式
36.下面将参考附图更全面地描述本发明，附图中示出了本发明的当前优选实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式体现，并且不应被解释为限于本文所述的实施例；相反，提供这些实施例是为了彻底性和完整性，并将本发明的范围充分传达给技术人员。相同的参考符号自始至终指代相同的元件。
37.现在参考附图，如图1所示用于处理表面102的系统100的实施例。系统100包括配置成向表面102发射uv光的uv照明装置104。uv照明装置104依次包括第一光源106和第二光源108。第一光源106适于在第一波长范围内发射uv光，其中第一波长范围具有延伸至至少270nm的上限。并且，第二uv光源108适于发射uv光，但第二uv光108被布置成发射第二波长范围内的光，其中第二波长范围具有延伸至至少270nm的下限。
38.在优选实施例中，第一106和第二108光源具有延伸至至少250nm至320nm之间的组合波长范围。
39.系统100还包括连接到uv照明装置104的驱动器110，驱动器110被布置为提供用于驱动uv照明装置104的光源的电源。该系统还包括处理电路112，处理电路112被布置成与驱动器110通信，并且被布置成控制驱动器110的整体操作，以控制uv照明装置104的光源。处理电路112和驱动器110可以集成到单个单元中。
40.第一光源106和第二光源108中的每一个被布置成如图1a所示的发射强度分布114的uv光(辐射)。如图所示，第一光源106和第二光源108的布置使得它们各自向表面102发射“锥形”c1、c2的光。典型的锥角可以例如选择在45度到60度之间。
41.此外，在图1a中，第一光源106和第二光源108的布置使得锥形c1、c2基本上重叠。因此，锥形重叠的表面102处的区域将适于接收第一和第二波长范围内的光。
42.容易理解地，可能需要允许uv照明装置104包括多个光源，以便用uv辐射覆盖表面102的整个区域。
43.还应注意，某些微生物可能需要接受特定剂量的uvc辐射，以便将表面上的微生物失活到特定水平。
44.该剂量d可表示为：
45.d＝i x t
46.其中i是辐射强度，例如以mw/cm2为单位的从光源(例如106/108)到表面，例如表面102的辐射强度，t是施加辐射的时间。
47.然后，表面上的辐射强度i可能表示为：
48.i＝i(o)/a
49.其中i(o)是与光源零距离时的辐射强度，a是表面102上的辐射分布区域。
50.该区域又可以表示为：
51.π x r252.其中r是半径，表示为r＝d x tan(v)，其中d是表面与uv光源之间的距离，v是上述定义的锥角。
53.在这个稍微简化的示例中，辐射强度在光束角度上被假设为是恒定的，并且忽略了uv光源和表面102之间介质对辐射的吸收。在本说明中完全可以有更精确且直白的计算，但这被认为是没有必要的。
54.此时，很容易认识到，增加的距离可以使单个uv光源(例如，第一106和第二108光源中的一个)在表面102上覆盖更大的区域。然而，这也将导致该表面上的辐射强度i降低，并且将相应增加达到所需剂量d的时间。
55.如图1a所示，使用两个单独的uv光源106、108，且每个光源都涵盖一个如上所述的特定波长范围，即两个不同的波长范围，以实现高水平的失活以及防止再活化和拖尾，确保受到来自两个uv光源中每一个的照射的区域重合是有利的。这可以通过例如使两个相邻的uv光源彼此稍微倾斜来实现，即，使得每个光源106、108彼此朝向表面的角度被布置的稍微不同。在一个实施例中，此角度根据表面102和每个光源106、108之间的距离来选择。
56.在替代实施例中，如图1b所示，与系统100'组成的照明装置104'包括替代uv光源106'，其中替代uv光源106'本身适于具有延伸至至少250nm至320nm之间的波长范围。在这样的实施例中，即如图1b所示，不需要考虑如图1a所示的重叠锥体。相反，呈现替代锥体c1’的替代uv光源106’将提供如关于图1a所讨论的两个波长范围。
57.图2a示出了第一示例性实施例，其中可以包括系统100或100
′
中的任一个。具体而言，图2a示出了基于本发明实施例的冰箱202的简化视图。可密封腔室204包括布置在至少一侧的门206，以允许进入腔室204。制冷回路(未明确示出)可被用于例如冷却腔室204的内部。
58.腔室204可以是绝缘的。腔室204的任何或所有内壁，包括顶壁、底壁和侧壁，可以是uv反射材料或覆盖uv反射材料，以便进一步分配uv能量。腔室204、门206、门206和腔室204之间的密封件等可通过本领域技术人员先前已知的任何形式的合适部件来提供。
59.根据本发明，系统100/100'可以被布置成使得系统100/100'所包括的多个光源在腔室204内发射uv光。如图2a中所示，六个uv照明装置104被安装为向例如布置在腔室204内的每个搁板208发射uv光。如上所述，每个uv照明装置104可以包括例如分别在第一和第二波长范围内发光的成对uv光源106/108。或者，uv照明装置104可以包括在至少延伸到250nm至320nm之间的组合波长范围内发光的uv光源106
′
。
60.当然，在本发明的范围内，可以在特定的隔间内布置特定的uv照明装置104(图2a中未明确示出)。
61.根据本发明，可以通过调整处理电路112，使得系统100/100'发射“足够”的uv光，以使腔室204内的微生物最少化。在一个实施例中，系统100/100'的激活取决于门206何时打开以及打开多长时间。另外或作为替代方案，一旦处理电路112接收到腔室204已被“填充”新食物的指示，例如在杂货店购物之后或者一旦剩余食物已被放入冰箱202中，系统100/100’可专门被激活。
62.在另一个实施例中，进一步参考图2b，系统100/100’由加热、通风和空调(hvac)单元220组成。如图2b所示的hvac单元220被高度简化。
63.如图所示，系统100/100’布置在hvac单元220的空气管道222中，其中hvac单元220还包括过滤器224，例如hepa过滤器。
64.当空气通过空气管道222并经过由多个uv照明装置104发射的uv光时，由此uv光破坏空气管道222和过滤器224表面上的细菌、酵母、霉菌孢子、病毒和其他生物污染物。
65.进一步的uv照明装置104可包括向过滤器224定期发射光。还可以包括传感器装置，用于控制何时操作系统100/100’，例如，传感器装置判断通过的空气中的污染物是否高于预定阈值。
66.还可以布置进一步的uv照明装置104，以向例如hvac单元220包括的hvac盘管(未示出)发射光。从uv照明装置104发射的向hvac盘管发光的uv光可用于消毒、消除或减少hvac盘管的霉菌，这可提高室内空气质量，并保持hvac盘管始终清洁，还在一些实施例中可在使用期间节省大量能源。
67.此外，根据本发明，可以相关于hvac单元220包括的排水盘(未示出)布置uv照明装置104。同样，这里由uv照明装置104发射的uv光可用于消除或减少霉菌、发霉和其他生物生长。
68.在另一个未示出的实施例中，系统100/100’可布置在消毒柜中。uv照明装置104在此以对应于图1a和1b的方式布置，使得来自uv照明装置104的uv向消毒柜内待消毒的物体发射。
69.现在转到图3a和3b、4a-4f。应注意，所有测得的灭活曲线都显示了相对减少量与uv剂量的函数关系，以便进行比较，因此纵轴显示了大肠杆菌剩余浓度(单位为每毫升菌落形成单位cfu/ml)-记为n-与辐照前初始浓度-记为no-之间的比例的对数，因此记为log(n/no)。
70.如图3a所示，lp-hg灯基本上会在254nm附近发出一个相对尖锐的强峰值。图3b显示了大肠杆菌(e.coli)在表面的相应失活。从中可以看出，e.coli到达某个水平后，在不会再减少，也即曲线在设定的水平上随时间变平。
71.现在转到图4a
–
4f，图中提供了图1a和1b中所示的用于灭活大肠杆菌的示例性消
毒系统的使用结果的例子，其中uv光在至少250nm至310nm的波长范围内发射。应注意，所有测得的灭活曲线都显示了相对减少量与uv剂量的函数关系，以便进行比较，因此纵轴显示了大肠杆菌剩余浓度(单位为每毫升菌落形成单位cfu/ml)-记为n-与辐照前初始浓度-记为no-之间的比例的对数，因此记为log(n/no)。
72.在图4a中，提供了来自配备有用于uv光发射的第一磷光体材料(轻粉)的uvc场发射光源的发射光谱。在图4a中，磷光体材料被选择为lupo4:pr
4+
磷光体材料(或等效物)。在图4b中，显示了用于水的消毒相应的灭活曲线，其中没有明显的拖尾可见。
73.在图4c中，使用lu2si2o7:pr
4+
磷光体材料形式的第二磷光体材料，并且图4d示出了相应的灭活曲线。可以看出，在图4d中，已实现近8个数量级的灭活，即99.999999％的细菌已被灭活。
74.转到图4e和4f，其中使用了lapo4:pr
4+
磷光体材料形式的第三磷光体材料，并分别示出了相应的灭活曲线。进一步公开的电子可激发uv发射材料ybo4:pr
4+
和ypo4:bi
4+
提供了类似的结果，即如图4a-4f所示。
75.最后转到图5，其示出了系统可能实现的发射光谱。具体而言，图5示出了根据本发明的表面处理系统的一个实施例，其中uv照明装置104被布置为包括两个单独的uv光源。具体地说，在图5中，两个不同的uv led被包括在uv照明装置104中，并且例示了它们各自的发射光谱502、504。光谱的量级被归一化为相等。在该实施方案中，选择第一个uv led具有以265nm为中心的发射峰值(此时杀菌效果可能最大)，并选择第二个uv led具有290nm的发射峰值，以防止再活化。应当理解，光源的量级不一定完全相等，并且可以根据手头的实施方式以其他方式选择发射峰值/中心波长。
76.在图6中，一个数学模型被用于描述抑制再活化(以及随后的再生)的效果。原则上，灭活概率和再活化概率是固定的。在这个例子中，再活化概率是灭活概率的0.001倍，为任意设置的数字，但其结果接近测量数据。进一步假设，uv只能对非灭活的生物体灭活，而再活化只能发生在灭活的生物体中。从图6中可以看出，这将产生一个稳定状态，并且会出现拖尾效应。
77.回顾已获得的测试结果(如图3b和4b所示)，该模型很明显能很好地解释该行为。虽然很可能存在有第二种效应，例如一部分微生物更耐uv，并需要更高剂量的uv，但从这些测试来看，这第二种效应至少不是主要的，实际上必须比再活化效应小得多。在图6中，参考标记602示出了具有再活化过程的灭活行为的数学建模，参考标记604示出了不具有再活化过程的去灭活行为的数学建模。
78.总之，本发明涉及一种用于处理表面的系统，包括配置为向表面发射uv光的uv照明装置、配置为控制uv照明装置的操作的处理电路，其中，在处理电路的控制下的uv照明装置适于在第一和第二波长范围内发射uv光，以有效减少表面上的微生物，第一波长范围的上限延伸至至少270nm，第二波长范围的下限延伸至至少270nm，上限范围延伸至至少320nm。如上所述，这些波长范围内的光发射不需要完全覆盖这些波长。
79.根据本发明，相关于表面的故障效应也可以减少，例如相关于可能与人直接或间接接触的表面。因此，本发明的优点在于涉及人/人的死亡风险的降低。
80.尽管附图可能示出了方法步骤的特定顺序，但这些步骤的顺序可能与所描述的不同。此外，两个或多个步骤可以同时执行或部分并发执行。这种变化将取决于所选择的软件
和硬件系统以及设计师的选择。所有此类变更均在本发明的范围内。同样，软件实现可以通过标准编程技术来完成，该技术具有基于规则的逻辑和其他逻辑，以完成各种连接步骤、处理步骤、比较步骤和决策步骤。此外，尽管已经参考本发明的具体示例性实施例描述了本发明，但对于本领域技术人员来说，许多不同的变更、修改等将变得显而易见。
81.通过对附图、本发明和所附权利要求的研究，本领域技术人员在实践要求保护的本发明时可以理解并实现对所公开实施例的变化。此外，在权利要求中，“包含”一词不排除其他元素或步骤，不定冠词“a”或“an”不排除复数形式。