一种室内专用新型紫外线净化仪的设计

陶培源

(深圳市智博世实业发展有限公司，广东 深圳 518000)

1 技术背景

紫外线杀菌属于光谱类杀菌消毒方式，其技术日益成熟，对细菌和病毒(如沙门氏菌属、肠道发烧菌属、葡萄球菌属、乙肝病毒等)均可产生杀灭作用，被照物DNA吸收紫外线后，其活性降低，结构受损，在特定波长紫外灯照射数秒后，一些微生物会变得无害。辐射时间、距离和能量是决定紫外线消毒杀菌效果的重要因素。与照明可见光谱一样，紫外线以辐射效率为基础，在具体使用中应根据实际情况有针对性地选择杀菌消毒产品。

远紫外光源一般使用氯化氪准分子灯，这种光源通常利用介质阻挡放电方式，对封闭的KrCl混合气体施加高频电压，产生远紫外光源，这种光源的光谱中心波长是222 nm，即所需的安全波段。

氯化氪准分子灯是双层、同轴石英套管结构，内层石英管的内/外径是14/16 mm，外层石英管的内/外径是37.6/40 mm，一般管长为400 mm。石英管表面的外电极是用不锈钢网包裹的，内层石英管内表面是厚度为0.05 mm的不锈钢片的内电极，高纯度的氪气和氯气填充在同轴石英管的环状间隙内。制造灯管采用无油真空系统，在波长222 nm处，石英管紫外线透过率为85.0%。

研究表明，波长为 222 nm 的远紫外线不能穿透泪膜层和人体表皮层，故其辐射对眼睛及人体表皮不会造成伤害。由于紫外灯不含有汞(水银)一类的有害材料，可做到环保消杀(如图1所示)。在对皮肤上的细菌进行杀菌消毒的实验中，222 nm 的远紫外光杀菌效果明显。

图1 222纳米远紫外线与传统紫外线对角质层和泪液层伤害对比Fig.1 Comparison of the harm of cuticle and tear layer from 222 nm far ultraviolet and traditional ultraviolet

研究表明，far-UVC 222 nm的紫外线可以杀死出现在空气飞沫中的逾99.9%的季节性冠状病毒。研究人员测试了C波段远紫外线对经空气传播的新型冠状病毒的效力，发现远紫外线灯对杀灭新型冠状病毒同样有效。不同波段紫外线对于细菌、病毒的杀灭效果是有差别的。对于杀菌消毒，真正最有效的是UVC。研究表明，紫外线杀菌和其他杀菌方式相比较，其突出优势表现为结束紫外灯管照射后其辐射立即终止，期间没有任何化学过程，也不产生任何化学污染。

2 引用标准

GB/T28172-2011嵌入式软件质量保证要求，EN6094752接近开关标准，JB∕T 11624-2013 热释电红外传感器标准，GBT 13584-2011 红外探测器参数测试方法，国家标准GB/T 1800.2-2009 《产品几何技术规范(GPS)极限与配合》，光源标准引用GB19258-2012紫外线杀菌灯国家标准，IEC478.2-1986、IEC478.3-1989直流电源相关标准。

3 结构设计

3.1 组成

针对紫外线消毒杀菌设备的不足，该新型室内专用紫外线净化仪设计了自动开关，按需工作，适时关闭，既能有效杀菌消毒，又能减少不必要的辐射，系统结构如图2。

图2 系统结构图Fig.2 System structure

新型紫外线净化仪由两个模块组成，即触动紫外灯管模块和遮光模块。遮光模块和触动紫外灯管发光模块均采取固定连接方式，其主体结构包括活动壳体和固定壳体两大部分，用于一定范围内人和物的实时感应，其中感应模块(如图3)用来对新型紫外线净化仪周围是否有人进行感应，红外距离传感器用来对于一定距离内的物体进行感应，红外热源传感器用来对一定范围内是否存在热源进行感应。通过红外热源传感器和红外距离传感器共同工作，以判断特定区域内是否有人，当感应模块感应判定有人时，活动壳体将在控制模块控制下产生闭合，遮住紫外灯管发射的光线，以减少人身伤害。当感应模块感应判断无人时，控制遮光模块将在控制模块控制下打开，这时射出的紫外线能够对特定区域的环境展开消毒杀菌，从而有效保障辐射范围内的卫生安全。活动壳体用来阻挡紫外灯管的杀菌光线，紫外灯管用来产生并发射消毒杀菌的紫外线，固定壳体用来保护内部的元器件，开关负责启动或停止紫外线净化仪。

图3 外部感知及触发模块Fig.3 External perception and trigger module

3.2 技术要求

原材料要求环保、耐高温，外壳为PC+ABS V0 防火等级材料，光源辐射波长为222 nm的紫外光源。整流电源为低压直流开关电源，直流输出24 V、12 V、5 V。

3.3 具体设计

外观圆滑、无锐角、无毛刺，规避安全隐患，采用整机机电一体集成化智能控制设计，使用条件为环境消毒，直接照射法。在室内无人条件下，可采取紫外线壁挂式直接照射，设备运行环境温度为-20℃～50℃，湿度≤75%。

动力传动阻尼保护机构。使用消毒灯管必须注重外部防护，室内裸露安装消毒灯具有诸多隐患，如破碎、掉落、常亮照射人体等，因此有效的自动开关防护罩机械结构必不可少。可采用的方案有齿轮机构、推杆机构、滑台机构，所有的结构都必须考虑过位保护机制，即防护罩开关到达需要的位置时应有机械部分的到位防护结构，以防因控制电路失效导致机械运转过位，造成设备体的物理损伤破碎等。

光源防护罩。自动开闭防护罩的设计不限方式，但应考虑材料的耐温性、防火性、环保性等，不允许使用非耐火材料及有有害物质挥发性材料。考虑漏电隐患，防护罩不建议采用金属外壳，若采用金属外壳需配备漏电保护插头及有效的接地电路。

防护罩的机械开闭限位保护。防护罩开闭盖机械结构要有机械限位功能，到达开盖位置后即使动力机构没有停止运转，也应在开盖正常位置停下来，不允许出现过位干涉，导致出现破碎、断裂等破坏性损伤。

防护罩的电气开闭限位保护。防护罩开闭盖要有电气限位模块，到达开闭盖位置后发出位置信息，发送给CPU进行智能化运算。限位模块可采用距离传感器、行程开关等方式。

人体感应检测方式。智能化消毒净化仪设备的人体检测方式可采用红外检测、距离检测、雷达监测等方式实现，做到反应灵敏，同时必须做检测模块的冗余设计，不可采用单一模块检测方式。

光源功率的选取范围。按室内空间面积，智能消毒净化仪光源的功率选择范围控制在18～40W，可分为带臭氧型和不带臭氧型灯管两种。

光源开启的最长时间。室内长时间无人时，紫外线净化仪应开启光源自动工作，但根据不同功率的灯管，消毒最长时间控制在120 min，时间到达后关闭光源，等待下一次的人员检测，重新初始化智能判断，保证实时消杀。

自动感应检测反应时间。当人员进入时，智能消毒净化仪应快速判断并迅速做出关灯及防护罩闭合运行，检测到人体运动时，关灯响应时间应≤500 ms，同时防护罩在3 s内闭合。

设备面板所必需的指示标识。设备面板应清晰设置电源、消毒、故障等指示灯，粘贴紫外线消毒警告标识贴。紫外线杀菌光源参照GB19258-2012。

4 试验方法

紫外线净化仪的表面质量。用目视法、尺量法、防火材质检验标准(GB8624-2012)检验。

动力阻尼及机械过位保护。采用剔除电气限位模块，人为制造过位方式检测机械结构的保护机制，到达位置后防护罩开闭停止，试验次数不低于10次，即为有效。

人体感应反应监测。去除设备内消毒灯管，换装普通灯管，在室内环境安装，以实际人员出入方式进行人体感应检测。面板标识的检测采用目视法。

效果检测。参照WS/T 367-2012 医疗机构消毒技术规范中紫外线消毒的效果检测；参照GB 19258-2003紫外线杀菌灯中紫外线辐射照度额定值，规定如下内容：要获取比较稳定的灯管紫外线强度测量值，需要保证开启紫外灯管5 min以上；新普通30 W直管型紫外线灯，辐照强度大于100 uW/cm2方为合格；使用中紫外线灯的辐照强度必须大于70 uW/cm2方为合格；紫外线杀菌灯的峰值波长为253.7 nm的紫外线灯管才具备杀菌功能；紫外线灯功率不同，紫外线辐射照度额定值不同。

5 具体实施方式

采用222 nm紫外线净化部件不会对人体造成伤害，包括但不限于电源模块、MCU部件、222 nm紫外灯管、外部感知及触发模块。

通电测试举例：情景一：222 nm紫外灯管接通电源后，电源指示灯常亮即进入工作状态，当紫外灯管工作时，激活紫外灯管工作指示灯常亮。当感应模块被人体触发后，激活感应指示灯，222 nm紫外灯管停止工作，紫外灯管工作指示灯灭。设置一段时间内无人体触发后紫外灯管再次被激活。紫外灯管工作指示灯常亮，完成消杀设置时间后，紫外灯管停止工作，紫外灯管工作指示灯灭直至再次被触发，如此反复。情景二：222 nm紫外灯管接通电源后，电源指示灯常亮即进入工作状态，当紫外灯管工作时，激活紫外灯管工作指示灯常亮，完成消杀设置时间后紫外灯管停止工作，紫外灯管工作指示灯灭直至再次被触发，如此反复。

遮光部件包括但不限于活动壳体、阻尼装置，配置灵敏的双探头检测，确保系统安全运行，活动壳体可以在固定壳体上开启和关闭，阻尼离合式齿传系统大大提高了设备运转的稳定性、安全性和耐用性，全智能单片机程序控制系统保证了产品的稳定性和可靠性。通电测试举例：情景一：紫外灯管正常工作时，当探头被人体触发后，激活阻尼装置联动活动壳体，活动壳体进入关闭动作直至完全关闭，此时紫外灯管也停止工作，紫外灯管工作指示灯灭，设置一段时间内无人体触发探头后，再次激活阻尼装置联动活动壳体，活动壳体进入开启动作直至完全开启，此时紫外灯管也开始工作，紫外灯管工作指示灯常亮，紫外灯管再次被激活，设置工作时间结束后紫外灯管工作指示灯灭，再次激活阻尼装置联动活动壳体，活动壳体进入关闭动作直至完全关闭，此时紫外灯管也停止工作，直至再次被触发，如此反复。情景二：紫外灯管正常工作时，当探头一直未被人体触发，设置工作时间结束后紫外灯管工作指示灯灭，再次激活阻尼装置联动活动壳体，活动壳体进入关闭动作直至完全关闭，此时紫外灯管也停止工作，直至定时再次被触发，如此反复。

6 衍生设计

结合目前主流的人脸识别、AI技术与大数据统计的计算方法，对消杀净化数据及人群进行分析。除了正常消杀净化外，当检测指标异常时，可回放室内空间追溯时间内进出的人员信息，提前预判或事后针对性地跟踪管理。

7 结语

设计的室内专用新型紫外线净化仪目前处于理论设计阶段，在室内空间环境中既具有消杀净化的作用，又避免了对人员造成不必要的影响，整个工作过程实现了无人化管理，仅需提供电源即可，具有实用价值。不足之处是样品制作还处于试验阶段，部分细节和部件还需要进一步完善，下一步考虑采用无极电机实现更稳定、更静音的轻量化优化设计。