一種室內專用新型紫外線凈化儀的設計

陶培源

(深圳市智博世實業發展有限公司，廣東 深圳 518000)

1 技術背景

紫外線殺菌屬于光譜類殺菌消毒方式，其技術日益成熟，對細菌和病毒(如沙門氏菌屬、腸道發燒菌屬、葡萄球菌屬、乙肝病毒等)均可產生殺滅作用，被照物DNA吸收紫外線后，其活性降低，結構受損，在特定波長紫外燈照射數秒后，一些微生物會變得無害。輻射時間、距離和能量是決定紫外線消毒殺菌效果的重要因素。與照明可見光譜一樣，紫外線以輻射效率為基礎，在具體使用中應根據實際情況有針對性地選擇殺菌消毒產品。

遠紫外光源一般使用氯化氪準分子燈，這種光源通常利用介質阻擋放電方式，對封閉的KrCl混合氣體施加高頻電壓，產生遠紫外光源，這種光源的光譜中心波長是222 nm，即所需的安全波段。

氯化氪準分子燈是雙層、同軸石英套管結構，內層石英管的內/外徑是14/16 mm，外層石英管的內/外徑是37.6/40 mm，一般管長為400 mm。石英管表面的外電極是用不銹鋼網包裹的，內層石英管內表面是厚度為0.05 mm的不銹鋼片的內電極，高純度的氪氣和氯氣填充在同軸石英管的環狀間隙內。制造燈管采用無油真空系統，在波長222 nm處，石英管紫外線透過率為85.0%。

研究表明，波長為 222 nm 的遠紫外線不能穿透淚膜層和人體表皮層，故其輻射對眼睛及人體表皮不會造成傷害。由于紫外燈不含有汞(水銀)一類的有害材料，可做到環保消殺(如圖1所示)。在對皮膚上的細菌進行殺菌消毒的實驗中，222 nm 的遠紫外光殺菌效果明顯。

圖1 222納米遠紫外線與傳統紫外線對角質層和淚液層傷害對比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的紫外線可以殺死出現在空氣飛沫中的逾99.9%的季節性冠狀病毒。研究人員測試了C波段遠紫外線對經空氣傳播的新型冠狀病毒的效力，發現遠紫外線燈對殺滅新型冠狀病毒同樣有效。不同波段紫外線對于細菌、病毒的殺滅效果是有差別的。對于殺菌消毒，真正最有效的是UVC。研究表明，紫外線殺菌和其他殺菌方式相比較，其突出優勢表現為結束紫外燈管照射后其輻射立即終止，期間沒有任何化學過程，也不產生任何化學污染。

2 引用標準

GB/T28172-2011嵌入式軟件質量保證要求，EN6094752接近開關標準，JB∕T 11624-2013 熱釋電紅外傳感器標準，GBT 13584-2011 紅外探測器參數測試方法，國家標準GB/T 1800.2-2009 《產品幾何技術規范(GPS)極限與配合》，光源標準引用GB19258-2012紫外線殺菌燈國家標準，IEC478.2-1986、IEC478.3-1989直流電源相關標準。

3 結構設計

3.1 組成

針對紫外線消毒殺菌設備的不足，該新型室內專用紫外線凈化儀設計了自動開關，按需工作，適時關閉，既能有效殺菌消毒，又能減少不必要的輻射，系統結構如圖2。

圖2 系統結構圖Fig.2 System structure

新型紫外線凈化儀由兩個模塊組成，即觸動紫外燈管模塊和遮光模塊。遮光模塊和觸動紫外燈管發光模塊均采取固定連接方式，其主體結構包括活動殼體和固定殼體兩大部分，用于一定范圍內人和物的實時感應，其中感應模塊(如圖3)用來對新型紫外線凈化儀周圍是否有人進行感應，紅外距離傳感器用來對于一定距離內的物體進行感應，紅外熱源傳感器用來對一定范圍內是否存在熱源進行感應。通過紅外熱源傳感器和紅外距離傳感器共同工作，以判斷特定區域內是否有人，當感應模塊感應判定有人時，活動殼體將在控制模塊控制下產生閉合，遮住紫外燈管發射的光線，以減少人身傷害。當感應模塊感應判斷無人時，控制遮光模塊將在控制模塊控制下打開，這時射出的紫外線能夠對特定區域的環境展開消毒殺菌，從而有效保障輻射范圍內的衛生安全。活動殼體用來阻擋紫外燈管的殺菌光線，紫外燈管用來產生并發射消毒殺菌的紫外線，固定殼體用來保護內部的元器件，開關負責啟動或停止紫外線凈化儀。

圖3 外部感知及觸發模塊Fig.3 External perception and trigger module

3.2 技術要求

原材料要求環保、耐高溫，外殼為PC+ABS V0 防火等級材料，光源輻射波長為222 nm的紫外光源。整流電源為低壓直流開關電源，直流輸出24 V、12 V、5 V。

3.3 具體設計

外觀圓滑、無銳角、無毛刺，規避安全隱患，采用整機機電一體集成化智能控制設計，使用條件為環境消毒，直接照射法。在室內無人條件下，可采取紫外線壁掛式直接照射，設備運行環境溫度為-20℃～50℃，濕度≤75%。

動力傳動阻尼保護機構。使用消毒燈管必須注重外部防護，室內裸露安裝消毒燈具有諸多隱患，如破碎、掉落、常亮照射人體等，因此有效的自動開關防護罩機械結構必不可少。可采用的方案有齒輪機構、推桿機構、滑臺機構，所有的結構都必須考慮過位保護機制，即防護罩開關到達需要的位置時應有機械部分的到位防護結構，以防因控制電路失效導致機械運轉過位，造成設備體的物理損傷破碎等。

光源防護罩。自動開閉防護罩的設計不限方式，但應考慮材料的耐溫性、防火性、環保性等，不允許使用非耐火材料及有有害物質揮發性材料。考慮漏電隱患，防護罩不建議采用金屬外殼，若采用金屬外殼需配備漏電保護插頭及有效的接地電路。

防護罩的機械開閉限位保護。防護罩開閉蓋機械結構要有機械限位功能，到達開蓋位置后即使動力機構沒有停止運轉，也應在開蓋正常位置停下來，不允許出現過位干涉，導致出現破碎、斷裂等破壞性損傷。

防護罩的電氣開閉限位保護。防護罩開閉蓋要有電氣限位模塊，到達開閉蓋位置后發出位置信息，發送給CPU進行智能化運算。限位模塊可采用距離傳感器、行程開關等方式。

人體感應檢測方式。智能化消毒凈化儀設備的人體檢測方式可采用紅外檢測、距離檢測、雷達監測等方式實現，做到反應靈敏，同時必須做檢測模塊的冗余設計，不可采用單一模塊檢測方式。

光源功率的選取范圍。按室內空間面積，智能消毒凈化儀光源的功率選擇范圍控制在18～40W，可分為帶臭氧型和不帶臭氧型燈管兩種。

光源開啟的最長時間。室內長時間無人時，紫外線凈化儀應開啟光源自動工作，但根據不同功率的燈管，消毒最長時間控制在120 min，時間到達后關閉光源，等待下一次的人員檢測，重新初始化智能判斷，保證實時消殺。

自動感應檢測反應時間。當人員進入時，智能消毒凈化儀應快速判斷并迅速做出關燈及防護罩閉合運行，檢測到人體運動時，關燈響應時間應≤500 ms，同時防護罩在3 s內閉合。

設備面板所必需的指示標識。設備面板應清晰設置電源、消毒、故障等指示燈，粘貼紫外線消毒警告標識貼。紫外線殺菌光源參照GB19258-2012。

4 試驗方法

紫外線凈化儀的表面質量。用目視法、尺量法、防火材質檢驗標準(GB8624-2012)檢驗。

動力阻尼及機械過位保護。采用剔除電氣限位模塊，人為制造過位方式檢測機械結構的保護機制，到達位置后防護罩開閉停止，試驗次數不低于10次，即為有效。

人體感應反應監測。去除設備內消毒燈管，換裝普通燈管，在室內環境安裝，以實際人員出入方式進行人體感應檢測。面板標識的檢測采用目視法。

效果檢測。參照WS/T 367-2012 醫療機構消毒技術規范中紫外線消毒的效果檢測；參照GB 19258-2003紫外線殺菌燈中紫外線輻射照度額定值，規定如下內容：要獲取比較穩定的燈管紫外線強度測量值，需要保證開啟紫外燈管5 min以上；新普通30 W直管型紫外線燈，輻照強度大于100 uW/cm2方為合格；使用中紫外線燈的輻照強度必須大于70 uW/cm2方為合格；紫外線殺菌燈的峰值波長為253.7 nm的紫外線燈管才具備殺菌功能；紫外線燈功率不同，紫外線輻射照度額定值不同。

5 具體實施方式

采用222 nm紫外線凈化部件不會對人體造成傷害，包括但不限于電源模塊、MCU部件、222 nm紫外燈管、外部感知及觸發模塊。

通電測試舉例：情景一：222 nm紫外燈管接通電源后，電源指示燈常亮即進入工作狀態，當紫外燈管工作時，激活紫外燈管工作指示燈常亮。當感應模塊被人體觸發后，激活感應指示燈，222 nm紫外燈管停止工作，紫外燈管工作指示燈滅。設置一段時間內無人體觸發后紫外燈管再次被激活。紫外燈管工作指示燈常亮，完成消殺設置時間后，紫外燈管停止工作，紫外燈管工作指示燈滅直至再次被觸發，如此反復。情景二：222 nm紫外燈管接通電源后，電源指示燈常亮即進入工作狀態，當紫外燈管工作時，激活紫外燈管工作指示燈常亮，完成消殺設置時間后紫外燈管停止工作，紫外燈管工作指示燈滅直至再次被觸發，如此反復。

遮光部件包括但不限于活動殼體、阻尼裝置，配置靈敏的雙探頭檢測，確保系統安全運行，活動殼體可以在固定殼體上開啟和關閉，阻尼離合式齒傳系統大大提高了設備運轉的穩定性、安全性和耐用性，全智能單片機程序控制系統保證了產品的穩定性和可靠性。通電測試舉例：情景一：紫外燈管正常工作時，當探頭被人體觸發后，激活阻尼裝置聯動活動殼體，活動殼體進入關閉動作直至完全關閉，此時紫外燈管也停止工作，紫外燈管工作指示燈滅，設置一段時間內無人體觸發探頭后，再次激活阻尼裝置聯動活動殼體，活動殼體進入開啟動作直至完全開啟，此時紫外燈管也開始工作，紫外燈管工作指示燈常亮，紫外燈管再次被激活，設置工作時間結束后紫外燈管工作指示燈滅，再次激活阻尼裝置聯動活動殼體，活動殼體進入關閉動作直至完全關閉，此時紫外燈管也停止工作，直至再次被觸發，如此反復。情景二：紫外燈管正常工作時，當探頭一直未被人體觸發，設置工作時間結束后紫外燈管工作指示燈滅，再次激活阻尼裝置聯動活動殼體，活動殼體進入關閉動作直至完全關閉，此時紫外燈管也停止工作，直至定時再次被觸發，如此反復。

6 衍生設計

結合目前主流的人臉識別、AI技術與大數據統計的計算方法，對消殺凈化數據及人群進行分析。除了正常消殺凈化外，當檢測指標異常時，可回放室內空間追溯時間內進出的人員信息，提前預判或事后針對性地跟蹤管理。

7 結語

設計的室內專用新型紫外線凈化儀目前處于理論設計階段，在室內空間環境中既具有消殺凈化的作用，又避免了對人員造成不必要的影響，整個工作過程實現了無人化管理，僅需提供電源即可，具有實用價值。不足之處是樣品制作還處于試驗階段，部分細節和部件還需要進一步完善，下一步考慮采用無極電機實現更穩定、更靜音的輕量化優化設計。