CN116997367A - 具有多面滤光器的高效uv c灯泡 - Google Patents

Abstract

一种远UV C准分子灯泡组件，其包括准分子灯泡和至少两个滤光器。准分子灯泡发射出至少两种波长的光的路径。至少两个滤光器能够去除对人体组织有害的所有波长的光。至少两个滤光器中的每一个均可分别垂直于由准分子灯泡产生的光的路径。至少两个滤光器可以是单个的、曲面的或圆柱形的滤光器。该组件还可以包括镜子，该镜子也可以是曲面的。

Description

具有多面滤光器的高效UV C灯泡

技术领域

本发明的系统属于紫外线消毒领域，具体涉及波长范围为C波段的紫外线(UV-C)。此类消毒目前用于医院手术室、烧伤病房和需要高度消毒的类似区域。与这些现有用途的主要区别在于，本发明的系统将在人员和活体组织存在的情况下安全使用。

背景技术

UV-C被认为是杀灭小病原体最有效的波长之一，因为波长越短，效力越大。直到最近才发现，这个波段中的一些波长足够长，可以杀死病原体，但又足够短，无法穿透角质层(死皮层)而伤害下面的活细胞。活细胞比需要杀灭的微小病原体大很多倍。UV-C的波长为100nm到280nm，而通常认为对人体组织安全的波长为200nm到230nm。UV-C确实会产生不希望的臭氧，尤其是在波长小于200nm的情况下。

多项研究表明，无毛小鼠每天8小时内可以接受的辐射量是目前建议人类接受的200nm至230nm的远UV C的量的20倍以上，而且这种情况没有对无毛小鼠产生不良影响。这些研究已经分别在日本的大学和美国的哥伦比亚大学进行。这些研究将时间延长至60周，仍然没有出现任何不良影响。最近，日本的人们也接受了测试，暴露量是杀死99.9％病原体所需量的250倍，但测试对象没有出现任何不良反应，也没有晒伤，什么问题都没有。

有几种技术可以产生杀菌波长的UV光，气体放电灯由来已久，并且其可以依靠所使用的气体来杀灭病原体。几十年来，低压汞灯产生254nm的波长，这已经成为数十年来的标准，低压汞灯基本上是一种内部没有荧光粉将紫外线转换为可见光的荧光灯。LED最近已经在UV-A和UV-B光谱中商业化，但是它们的效率性非常低。在UV-C光谱的较长波长范围中也有少量LED应用。日本的一个研究项目最近制造了一种波长低于200nm的LED，波长低于200nm是UV-C光谱中较安全的部分，但它效率性非常低，短期内无法商业化。

有几家公司正在制造发射222nm波长的远UV-C准分子灯具，例如，Ushio的12WCare222和Eden Park的另一款平面准分子灯具。Ushio灯具具有与灯泡分离的平板滤光器，可以阻挡灯泡产生的所有不需要的光谱，这些光谱是指波长长于约237nm的任何波长。EdenPark的设备目前没有安装滤光器，因此其25％的能量发射都来自230nm到至少380nm的危险波长。

当这些滤光器不在适当位置时，这些灯将发出对活体组织不安全的光谱。如果维修工人试图更换灯泡，他们可能会暴露在有害的光线下。如果玻璃滤光器破裂或老化，用户也将处于危险之中。

最后，使用的材料至关重要。远UV-C不能穿透塑料和许多玻璃，只有石英玻璃才能在不产生巨大损失或根本无法发射远UV-C光的情况下使用。如果远UV-C在空气中传播得太远，那么即使是空气中的氧气和湿气也会吸收或阻挡远UV-C。关于这些滤光器的另一个科学细节是，它们只允许滤过与滤光器的平面近乎垂直的光线。光垂直于滤光器的程度越小，衰减越大。与垂直方向成35度角时，只有不到5％的滤过光通过，这意味着这些平面滤光器只能形成窄的过滤光束。

要使用远UV C对大面积区域进行消毒，同时又避免这些区域的部分区域过度曝光或避免对人体造成伤害，就需要非常高效的广角滤光器和灯具。与具有低效窄光束的灯具相反，广角滤光器和灯具可实现消毒光的均匀分散。

因此需要一种广角的UV消毒灯，它能很好地杀灭病原体，而且在任何情况下都不会对在场的人造成伤害。

发明内容

本发明的装置提供了一种对人类安全的UV-C消毒灯泡，其可用于连续的公共场所。这种灯泡的光扩散范围很广，并且比现有的远UV C装置更为有效。它在任何情况下都是安全的、高效的、经济的，并且可以自我监控并报告状况。

哥伦比亚大学的研究表明，从200nm到230nm调谐的带通滤光器(pass filter)可以杀灭病原体，并且不会对人类造成伤害，但是本发明的装置可以使用任何具有集成的带通滤光器的多光谱远-UVC光源，所述带通滤光器可以阻挡波长大于234nm的所有光谱。对滤光装置的这一微小改动使可用的发射光线比200-230nm的版本多出2.5倍，而在230-234nm范围内的辐射却很少。Ushio具有从237nm开始滤光的产品，但这有让过多的有害辐射通过的风险。理想情况下，滤光材料将直接沉积在由石英玻璃制成的灯泡的壳体上，这样即使在安装或维护期间也能阻挡所有有害的光。理想情况下，滤光材料是纯度非常高的氧化铪，其沉积2～3um，从而构建深度大约为0.0001的截止滤光器，该截止滤光器的截止波长为234-400nm。本发明的灯泡具有多个滤光器而不是一个多面滤光器。

远UV C灯泡向所有方向发射光，但大部分光在通过200nm-230nm的滤光器时被吸收，即使灯泡有镜子可以反射从灯泡背面发射出的大部分光。镜子的损耗以及不在接近垂直角度内的光线决定了所产生的光线中只有一小部分能够通过滤光器发射出去。本发明的装置使用多个滤光器，每个滤光器都定位成与灯泡发射出的光线的方向垂直，并与灯泡保持一定距离。使用的滤光器越多，滤光器和灯泡之间的距离越远，系统的整体效率就越高，滤光器输出的光也就越均匀。当滤光器的数量增加到无限多时，就会看到圆柱形的形状。圆柱体是理想的滤光器形状，灯泡位于中心，所有发射出的光线在给定位置都与滤光器垂直。这种方案的效率比单个平面滤光器高出许多倍。

本发明的装置的滤光器可以直接在灯泡的石英外壳上制造。这将保护用户在任何情况下(包括灯泡的更换和维护)都免受UV照射。

并非所有应用都需要本发明的装置的全向光，以小于180度的角度发射光可能更有优势。本发明的装置的灯泡的在背面可以具有反射器，在正面可以具有弧形的滤光器，其弧面始终与灯泡发射出的光线的角度垂直。

本发明的安全灯泡可用于灯具经常发出可见光的环境中，并且本发明的灯泡可与传统光源在单个灯具中结合使用。如果灯具的UV-C部分发出任何不利的可见光颜色，则可以修改和混合可见光的光谱，使得灯具发出的混合色或平均色正常化。这种灯具最好是“筒灯(can)”，即安装在天花板圆孔中的那种灯具。

本发明的安全的远UV C系统可以包装成典型的灯泡。镇流器或电源可以安装在底座上，灯泡可以如同LED或紧凑型荧光灯泡那样全方向发光，同时还可以包括传统照明。

上述内容概括地介绍了本发明的重要特征，以便可以更清楚地理解下文的详细描述，并可以更好地理解本发明人对本领域的贡献。本发明的应用并不局限于以下描述或图示中所述的结构细节和部件布置。相反，本发明还可以有其他的实施例，并可以以本文未具体列举的各种其他方式加以实施和执行。此外，以下公开的内容旨在适用于在所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的所有替代品、修改和等同物。此外，应该理解的是，本文所使用的措辞和术语是为了描述的目的，不应被认为是限制性的，除非说明书对本发明有明确的限制。

附图说明

图1是单个滤泡的简化视图(现有技术)。

图2是具有反射器的单个滤泡的简化视图。

图3是具有两个滤光器的本发明的装置的侧视图。

图4是具有三个滤光器的本发明的装置的侧视图。

图5是具有四个滤光器的本发明的装置的侧视图。

图6是具有圆柱形滤光器的本发明的装置的侧视图。

图7是具有弧形滤光器的本发明是装置的侧视图。

图8是具有球形滤光器的本发明的装置的视图。

图9是在反应器中制造的圆柱形滤光器的侧视图。

图10是在具有孔的反应器中制造的圆柱形滤光器的侧视图。

具体实施方式

本文中的实施例及其各种特征和有利细节将参照附图中示出并在以下描述中详细说明的非限制性实施例进行更全面的解释。本文省略了对众所周知的组件、工艺以及制造技术的描述，以免不必要地模糊本文的实施例。本文中使用的实例仅旨在促进对本文中可实践本发明的方式的理解，并进一步使本领域技术人员能够实践本文中的实施例。因此，不应将这些实例理解为限制所要求保护的发明的范围。

在详细解释本发明之前，重要的是要理解，本发明在其应用中并不局限于本文所描述的结构和步骤的细节。本发明能够有其他实施例，并且能够以各种方式实践或执行。应当理解，本文所使用的措辞和术语仅用于描述，而非限制。

现在参考附图，其中相同的附图标记表示几个视图中的相同的部件，在图1中，代表性地描绘了过滤远UV C的灯泡和滤光器的组合100(现有技术)。灯泡的壳体102包含准分子气体104，当所述准分子气体104被激发时，在所有方向上都产生UV C光。所示的灯泡102是圆形和圆柱形的，但是也可以是许多不同的常见形状，举几个例子，一些是具有两个平行侧面(前侧和后侧)和两个圆形侧面的扁平管状，而一些是具有矩形横截面的管状。从灯泡102发出的光110在与滤光器106接近垂直的直线上穿过滤光器106，并形成窄光束角(峰值的50％)，其场角108(峰值的10％)小于70度。从垂直于滤光器106的方向生成的大于35度的有用光会被浪费，因为滤光器106会将这些有用光全部吸收。这种产生经过滤的远UV C光的方法非常低效。

在图2中示出了具有背面镜的过滤远UV C的灯泡和滤光器的组合200。这种过滤远UV C的方法所产生的安全的远UV C光相比图1所示的方法，其有效性高出近70％。镜子202为灯泡102产生的从背面射出的光206增加了有益路径，并且除了原始的垂直光304从正面射出之外，所述光206还通过灯泡102反弹回去并从正面射出。在镜子202中有大约10％的损耗，并且通过灯泡的石英壳体102的每一层都有损耗，每个壁损耗大约为10％，总损耗大约为30％。为了达到高效率，镜子202是经过特殊加工的铝，但大多数镜子或镜面也会吸收大部分UV C。

图3示出了本发明的装置的侧剖视图，该装置是具有使用2个滤光器的多面滤光器的远UV C灯泡300。灯泡的壳体102与之前图1和图2中所示的示例相同。最大的区别在于有两个滤光器302、304，每个滤光器的角度都与灯泡发射的光312、314的角度垂直。发射通过每个滤光器302、304的光分别具有光束和场306、308的角度，这与之前的图1、图2中单个滤光器示例的情况类似。使用不透明环氧树脂310将滤光器理想地连接在一起，以机械地连接滤光器并阻挡滤光器之间的光泄漏。本发明的装置理想地在灯泡102的背面具有曲面镜316，以相比于前述示例增加70％的效率。镜子316显示为单独的部分，但可以镀在灯泡的壳体102上，以提高有效性并降低成本。两个滤光器302、304中的每一个都分别与前述图1、图2中的单个滤光器示例具有相同的流明输出，因此这种几何形状的远UV C总输出是单个滤光器版本的两倍。在使用相同功率和灯泡的情况下，光束和场角是原来的两倍，远UV C的总输出是原来的两倍。

图4示出了本发明的装置的侧剖视图，该装置是具有使用3个滤光器的多面滤光器的远UV C灯泡400。灯泡的壳体102与之前图1和图2中所示的示例相同。最大的区别在于有三个滤光器414、416、418，每个滤光器的角度都与灯泡发射的光408、410、412的角度垂直。发射通过每个滤光器414、416、418的光分别具有光束和场402、404、406的角度，这与之前的图1、图2中单个滤光器示例的情况类似。使用不透明环氧树脂310将滤光器理想地连接在一起，以机械地连接滤光器并阻挡滤光器之间的光泄漏。本发明的装置理想地在灯泡102的背面具有曲面镜316，以相比于前述示例增加70％的效率。镜子316显示为单独的部分，但可以镀在灯泡的外壳102上，以提高有效性并降低成本。三个滤光器414、416、418中的每一个都分别与前述图1、图2中的单个滤光器示例具有相同的远UV C输出，因此这种几何形状的远UV C总输出是单个滤光器版本的三倍。在使用相同功率和灯泡的情况下，光束和场角是原来的三倍，总输出流明是原来的三倍。

图5示出了本发明的装置的侧剖视图，该装置是具有使用4个滤光器的多面滤光器500的远UV C灯泡。灯泡的壳体102与之前图1和图2中所示的示例相同。最大的区别在于有四个滤光器502、504、506、508，每个滤光器的角度都与灯泡发射的光518、520、522、524的角度垂直。发射通过每个滤光器502、504、506、508的光分别具有光束和场510、512、514、516的角度，与之前的图1、图2中单个滤光器示例的情况类似。使用不透明环氧树脂310将滤光器理想地连接在一起，以机械地连接滤光器并阻挡滤光器之间的光泄漏。本发明的装置理想地在灯泡102的背面具有曲面镜316，以相比于前述示例增加70％的效率。镜子316显示为单独的部分，但可以镀在灯泡的外壳102上，以提高有效性并降低成本。三个滤光器502、504、506、508中的每一个都分别与前述图1、图2中的单个滤光器示例具有相同的远UV C输出，因此这种几何形状的远UV C总输出是单个滤光器版本的四倍。在使用相同功率和灯泡的情况下，光束和场角是原来的四倍，远UV C的总输出是原来的四倍。更重要的是，光束510、512、514、516开始彼此重叠，并因此混合在一起。这就从根本上改变了光线的性质，使之从单个滤光器装置的窄光束变成了宽光束和相对均匀的光束，且非常有效。

图6示出了本发明的装置的侧剖视图，该装置是具有多面滤光器的远UV C灯泡600，所述多面滤光器使用1个圆柱形滤光器。灯泡的壳体102与之前图1和图2中所示的示例相同。最大的区别在于圆柱形滤光器602可看作无数个无需环氧树脂连接的平面滤光器。从灯泡102的核心104发射的光604、606、608，无论角度如何，都会垂直穿过圆柱形滤光器602。几乎没有产生因不完全垂直于滤光器602而被阻挡的光，因此除了必须进行光学密封的圆柱体端部之外，不会产生任何损耗。与使用相同功率的单个平面滤光器相比，本发明的装置可以提供至少十倍以上的远UV C。理想地，滤光器602可以直接镀在灯泡的外表面102上，以最大限度地节约成本。

图7示出了本发明的装置的侧剖视图，该装置是具有多面滤光器的远UV C灯泡700，所述多面滤光器使用半圆柱形滤光器。灯泡的壳体102与之前图1和图2中所示的示例相同。最大的区别在于圆柱形滤光器702可看作无数个无需环氧树脂连接的平面滤光器。从灯泡102的核心104发射的光704、706，无论角度如何，都会垂直穿过圆柱形滤光器702。本发明的灯泡和滤光器的组合700还具有镜子316的优点，以进一步将光输出提高大约70％。此镜子316在灯泡102的背面弯曲成半圆柱形。理想地，镜子316被镀在灯泡102的背面。理想地，滤光器702可以镀在灯泡102的前侧。几乎没有产生因不完全垂直于滤光器702而被阻挡的光，因此除了必须进行光学密封的半圆柱形滤光器的端部之外，不会产生任何损耗。

图8示出了本发明的装置的视图，该装置是具有多面滤光器的远UV C灯泡700，所述多面滤光器使用球形滤光器。灯泡的壳体102与之前图1和图2中所示的示例相同。最大的区别在于，球形滤光器802在所有三维方向上都可看作无数个的平面滤光器，从而实现最高效的远UV C灯泡滤光器组合。产生的光将与滤光器的表面成近乎垂直的角度。唯一的损耗是在灯泡102的入口点804。

图9示出了制造滤光器的反应器和圆柱形滤光器900的简化横截面。反应器900的盖902支撑空气密封件916和用于滤光器912的旋转工作台918，类似于电动转盘。反应器900的下部壳体904设置喷射器908，所述喷射器908对缓慢送入的铪丝906进行电离，并使腔室内部形成伪等离子体状态的气雾910，该气雾附着在包括滤光器基板在内的所有物体上，然后冷却下来。当镀层910过滤到基板(在这种情况下是石英圆柱体912)上时，特定层的厚度由铪906的供给时间和供给量决定。所述厚度决定了该层可以阻挡或通过哪些波长的光。通过使用机械装置以已知的速率绕其长轴非常缓慢地旋转(914)玻璃圆柱体912，将是层厚度方程中的另一个变量。旋转914可以在圆柱体912的四周形成相对均匀的铪910的层。圆柱体912也可以是灯泡102，其中灯泡102的外表面镀有铪910，以形成滤光器912。理想的UV C滤光器大约需要100层。为简单起见，上述解释未提及正确操作滤光器反应器所需的电压、温度、真空、气体、时间、压力或监控设备，而这些要素都是本领域技术人员所熟知的。本文仅讨论了相关的、独特的和创造性的元素。

应当理解，术语“包括”、“包含”、“由……组成”及其语法变体不排除增加一个或多个部件、特征、步骤或整体或其组合，并且这些术语应被理解为指定部件、特征、步骤或整体。

如果说明书或权利要求书中提到“附加”元件，这并不排除存在一个以上的附加元件。

应当理解，在权利要求书或说明书提到“一”或“一个”元件的情况下，这种提及并不意味着该要素只有一个。

应当理解的是，当说明书中指出“可以”、“也许”、“能够”或“可能”包括组件、特征、结构或特性时，该特定的组件、特征、结构或特性并不是必需要被包括的。

在适用的情况下，尽管状态图、流程图或两者都可用于描述实施例，但是本发明不限于这些图或相应的描述。例如，流程不一定要通过每个图示的框或状态，也不一定要按照与图示和描述完全相同的顺序。

本发明的方法可以通过手动、自动或其组合来执行或完成选定的步骤或任务来实现。

术语“方法”可以指用于完成给定任务的方式、装置、技术和程序，包括但不限于本发明所属领域的从业人员已知的或容易从已知的方式、装置、技术和程序开发的那些方式、装置、技术和程序。

术语“至少”后跟一个数字在本文中用于表示以该数字开始的范围的开始(其可以是有上限或没有上限的范围，取决于所定义的变量)。例如，“至少1”表示1或大于1。术语“至多”后跟一个数字在本文中用于表示以该数字结束的范围的结束(其可以是下限为1或0的范围，或者没有下限的范围，取决于所定义的变量)。例如，“至多4”表示4或小于4，“至多40％”表示40％或小于40％。近似术语(例如，“大约”、“基本上”、“近似”等)应该根据它们在相关领域中使用的普通和习惯含义来解释，除非另有说明。如果没有具体的定义，并且在相关领域中没有普通和习惯的用法，这些术语应该解释为基准值的±10％。

在本文件中，当给出范围为“(第一数值)至(第二数值)”或“(第一数值)–(第二数值)”时，这意味着范围的下限是第一数值，上限是第二数值。例如，25至100应该解释为表示下限为25而上限为100的范围。此外，应该注意的是，在给定范围的情况下，除非上下文有相反的指示，都在所述范围内的每个可能的子范围或区间也都是具体所指的。例如，如果说明书中标明的范围是25至100，则该范围还包括26-100、27-100等、25-99、25-98等的子范围，以及所述范围内任何其他可能的上下限值组合，如33-47、60-97、41-45、28-96等。请注意，本段中的整数范围值仅用于说明目的，小数值和分数值(如46.7-91.3)也应理解为可能的子范围的端点，除非明确排除在外。

应该注意的是，本文提到的方法包括两个或多个确定的步骤，确定的步骤可以按任何顺序进行或同时进行(除非上下文排除了这种可能性)，并且该方法还可以包括一个或多个其他步骤，这些步骤在任何确定的步骤之前、两个确定的步骤之间或所有确定的步骤之后进行(除非上下文排除了这种可能性)。

因此，本发明非常适合于实现上述目标，达到上述目的和优点，以及本发明所固有的目的和优点。尽管目前已经描述了用于本公开的目的的优选的实施例，但是对于本领域技术人员来说，许多改变和修改将是显而易见的。这种改变和修改包含在由所附权利要求所限定的本发明的精神内。

Claims (16)

1.一种远UV C准分子灯泡组件，其包括：

准分子灯泡，其产生基本上包括远UV C的多个波长的光束；

至少两个滤光器，其中所述至少两个滤光器在所述准分子灯泡的外部并与所述准分子灯泡分离；并且其中所述至少两个滤光器能够去除对人体组织有害的所有波长的光；

所述至少两个滤光器中的每一个的方向都垂直于由所述准分子灯泡产生的射向它们的光束的路径，以使经过滤的远UV C光的光束通过所述至少两个滤光器中的每一个。

2.根据权利要求1所述的远UV C准分子灯泡组件，其中所述至少两个滤光器是三(3)个滤光器。

3.根据权利要求1所述的远UV C准分子灯泡组件，其中所述至少两个滤光器是四(4)个滤光器。

4.根据权利要求1所述的远UV C准分子灯泡组件，还包括位于所述准分子灯泡的外部的镜子。

5.根据权利要求4所述的远UV C准分子灯泡组件，其中所述镜子是曲面的。

6.根据权利要求4所述的远UV C准分子灯泡组件，其中所述准分子灯泡包括外表面，并且所述镜子镀在所述准分子灯泡的所述外表面上。

7.一种远UV C准分子灯泡组件，其包括：

准分子灯泡，其能够发射远UV C波长的光；

曲面滤光器，其在所述准分子灯泡的外部并与所述准分子灯泡分离，其中选定的远UVC波长的光穿过所述曲面滤光器，并且所述曲面滤光器能够去除对人体组织有害的所有波长的光；

所述曲面滤光器相对于所述准分子灯泡定位，使得所述选定的远UV C波长的光垂直穿过所述曲面滤光器。

8.根据权利要求7所述的远UV C准分子灯泡组件，其中所述曲面滤光器是围绕所述准分子灯泡的圆柱体。

9.根据权利要求7所述的远UV C准分子灯泡组件，其中所述曲面滤光器是半圆柱形的。

10.根据权利要求9所述的远UV C准分子灯泡组件，还包括位于所述准分子灯泡的外部的镜子。

11.根据权利要求10所述的远UV C准分子灯泡组件，其中所述镜子是曲面的。

12.根据权利要求10所述的远UV C准分子灯泡组件，其中所述准分子灯泡包括外表面，并且所述镜子镀在所述准分子灯泡的所述外表面上。

13.根据权利要求1所述的远UV C准分子灯泡组件，其中通过所述至少两个滤光器中的每一个的所述经过滤的UV C光的光束的波长小于234nm。

14.根据权利要求1所述的远UV C准分子灯泡组件，其中通过所述至少两个滤光器中的每一个的所述经过滤的UV C光的光束合并。

15.根据权利要求1所述的远UV C准分子灯泡组件，其中所述至少两个滤光器与氪-氯准分子灯泡隔开一定距离，所述距离足以使得照射到至少两个滤光器的偏离角度的光束最少。

16.根据权利要求7所述的远UV C准分子灯泡组件，其中垂直通过所述曲面滤光器的所述选定的远UV C光的波长小于234nm。