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UVC LED杀菌模拟经验分享

2019-07-20 20:09点击:

  评估UVC-LED杀菌效果时,使用光学、流体等仿真来计算杀菌率的准确性有多高?对于准备入行的团队,是否有必要配备专业的模拟分析人员?杀菌率计算模型又是如何建立起来的?

  这是笔者最近在与几位业内朋友探讨的问题,探讨过程中大家从最开始的各执一词到达成共识,笔者心中也渐渐有了清晰的答案。也许大家心中也有同样的疑问,下面立刻开始此次的分享,同样是望能抛砖引玉,与君共勉。

  UVC-LED应用是利用肉眼不可见光去灭杀不可见的微生物,我们需要借助工具间接的去研究这一过程。前辈UVC灯管经过几十年的发展,各家厂商都已经总结出一套实用的模拟仿真方法去指导产品设计,UVC-LED目前能够做到什么程度呢?

  众所周知,微生物的灭杀率与其接收的UV剂量相关,而UV剂量又与照射强度和时间相关。杀菌效果是生物敏感性、光学、流体三者的综合结果,在模拟仿真中,只要其中一方有偏差,最终结果就会失真。

  光学仿真的准确性已经在白光LED行业得到了充分的验证,各种仿真工具也相当的成熟。流体仿真工具广泛运用于汽车、船舶、飞机甚至航天工具的设计中,只要运用得当可信度是可以保证的。光学与流体的耦合算法也早已运用在传统UVC灯管杀菌产品的设计中,因此通过模拟仿真方法可以得到比较准确的UV剂量。

  目前在专业文献上可以查到不同微生物的UV灭活剂量表,这个剂量是针对254nm波长的传统UVC灯管而言的,由于微生物对于不同波长UVC光的敏感性不同,传统的剂量表不适用于265-280nm波长的UVC-LED。

  下面以大肠杆菌(i)为例,使用UVC灯管达到99%的灭杀率需要的UV剂量为6.6mJ/cm2,使用UVC-LED要高效一些,达到99.99%的灭杀率两家同行给出的UV剂量分别约为3mJ/cm2与5mJ/cm2。

  目前还没有权威机构放出针对UVC-LED的杀菌剂量表,少数有能力的厂商可以自行这些数据。由于测试方法、设备的差异,得到的数据也不尽相同。假设我知到产品的UV剂量,我该参考哪家的数据去计算杀菌率呢?还是说我需要自己实测才是准确的?

  综上,现阶段通过模拟仿真可以获得比较准确的UV剂量,但是无法通过UV剂量准确推算出杀菌率(部分行业巨头除外)。目前对于绝大多数厂商而言,通过模拟仿真定性的指导产品设计是比较现实的方案。

  组建一个具备专业仿真能力的专业的团队需要一定的投入,我们预算有限,是否可以省下这笔费用?既然模拟仿真也不是很准,是否可以先“参考”同行的方案,后续只通过不断的实测来验证和修改产品设计?我们不急着下结论,先做一个假设:

  假设拿到了同行的产品,接下来你要怎么改进?做哪些改动可以不影响杀菌效果还能规避对方专利?我们有没有可能改的比对手的原版更好?哪家同行的设计的值得参考?

  然而光凭一个内部结构和肉眼观察,我们一无所知。这时候一个定性的模拟仿真就能帮到我们。例如下面三张图没有任何的数据,我们依然能直观的看出设计的优劣:左图利用规则的旋流增加水体的照射时间,中图利用低雷诺数结构避免出现短流,右图杂乱无章的流线表明其流体设计不佳,还有很大的改进空间。

  不妨再做一个假设:我们都有遇到产品杀菌测试低不合格的时候,接下来要怎么做,往什么方向提升杀菌率?

  往往大家第一反应是UV剂量不够,加灯搞定。然而加灯意味着加钱,你能否确定目前的灯珠已经用尽了全力?是否调整流体结构增加照射时间比加灯更划算?即使真要加灯,光功率要加到多少?散热是否有问题?用单颗大功率还是用几颗小功率?是单面照射还是上下两面同时照射?以上这些改变是只改一个还是同时调整,各调整多少才能保证最高的性价比?

  下面是一个空气杀菌器的风道,风自右向左吹,左侧有3颗UVC-LED光源。

  图①的杀菌效果不佳,模拟分析直观的呈现出问题根源在于光照与气流不匹配,光分布均匀但气流分布集中在下方。很容易联想到两个优化方向:

  优化方向A:光源不动气流动,把气流调均匀。需要更改结构,考虑噪音和风阻问题。

  优化方向B:流体不动光源动,光源下移增强下方的光密度,适用于风道无法调整的情况。

  A、B两个方向都能在几乎不增加成本的情况下提升杀菌效果。试想一下这时候如果盲目加灯,是不是花了钱还治标不治本?

  模拟仿真手段哪怕只能帮我们定性的指引方向,都可以大幅度减少后续测试的时间和成本。这些节省的成本往往会大于模拟分析人员的花费。

  下图是UVC-LED应用产品研发流程的一部分,仿真设计贯穿于产品设计过程中,与结构、ID、电子设计是紧密联系的并行关系。

  最初,模拟仿真仅能给产品设计提供方向参考。随着测试反馈的增多,仿真方法在不断的修正、进化,经过一段时间的积累和试错,最终会形成一套符合本公司产品特性的仿真模型,这套模型可以大幅缩短后续同类产品的研发周期。

  具体的说,在产品进行杀菌效果实测之前,搜集好所有的原始数据,包括光源参数、实际尺寸、模拟仿真的结果等。杀菌测试时,最好能现场搜集测试数据,例如环境温湿度、实时流速、操作手法等。在拿到杀菌报告后,对比实测和模拟的差异,找出误差原因并修正参数。根据修正后的模型指导产品的调整,并再次测试,循环上述过程。有趣的是,这个过程和练习投篮是十分相似的。

  经过日积月累的训练,每个NBA球星都形成了自己独特的投篮手法。手法无所谓好坏,能进球就行。同样的,由于各厂家的测试方法、设备、产品特性、研发能力差异,得到的仿真模型往往不具备可比性,无法随意套用。

  以上就是此次分享的全部内容,愿大家都能利用好模拟仿真工具,做出畅销的产品。

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  据介绍,北滨路鎏嘉码头至金源广场段景观路灯,于2011年建成投入运行,部分灯罩已变色、破损,严重影响城市美观。同时,灯具老化严重、故障频发、熄灯较多,因生产厂家已停产且为非标产品,故买不到相关材料,导致无法维修。为达到亮化、美化城市空间,提升北滨路品质的目的,在市城管局的统一安排部署下,市照明局组织实施了北滨路景观路灯提档升级工程。

  据市民介绍,万福关东文化商业街在长春市绿园区城市管理行政执法局万福中队管辖范围内,他们就在南阳路与万福街交会处附近办公。

  灞河西岸滨河公园,依河而建,沿岸风光无限,行走于此,迎面微风袭来, 让人神清气爽。这是城东人休闲的好去处,却不知园内公共设施招惹了谁,频频遭黑手。

  从此处一直沿河向南行走,一路上,两侧的草坪上狗屎较多,张先生说,这么漂亮的公园,却到处都是狗屎,亏得是冬天,要 是夏天的话,得招多少苍绳蚊子,更何况人走在这里看着也不舒服啊。

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  重庆商报讯 12月5日,记者从重庆市照明局获悉,北滨路景观路灯提档升级工程正式完工,比合同工期提前1个月,更换了LED(T8)灯管,灯具外壳全面清洗,提升了照明亮度和景观效果。

  “确实没有灯光不太安全,尤其没有路灯,晚上走路都害怕。之前这条商业街晚上挺好看,我们也经常出来走走,现在都不往那边走了。有时晚上开车也得小心点儿,怕看不见行人发生意外。”市民王女士表示,景观灯不亮一段时间了,他们希望灯光能早日恢复。

  据市容部门介绍,在2月4日,也就是大年夜当晚,浦江两岸景观照明还将开放到晚上十二点半,和市民一起守岁。

  章嘉建议,小区门口可以设置电子屏幕或小型电视等,播放垃圾分类知识短视频,或者集中介绍常见的错误分类,进行针对性的纠正。落实好垃圾分类,69.8%的受访者希望媒体广泛开展垃圾分类知识宣传,69.5%的受访者希望入户、入社区普及相关知识,57.8%的受访者建议制作...[详细]

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