一種車載UVC殺菌裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

薛蔚平，豐建芬，吳杰，王金磊，黃琬禎

(常州星宇車燈股份有限公司 ，江蘇常州 213000)

0 引言

車輛作為小型密閉空間，車內(nèi)人員密度大，空氣渾濁，尤其空調(diào)開啟后潮濕溫暖的環(huán)境里會(huì)滋生大量細(xì)菌。為保證人員身體健康，避免汽車成為疾病的傳染載體，迫切需要一種高效安全的車載殺菌裝置，同時(shí)易于安裝，可以集成在現(xiàn)有的車輛配置上，且不影響駕駛體驗(yàn)和道路安全。

傳統(tǒng)的殺菌方式有噴灑化學(xué)消毒劑、臭氧法和紫外殺菌法等。其中噴灑化學(xué)消毒劑和臭氧法在殺菌過程有可能對人體產(chǎn)生危害，需要避免在有人的場所使用，不適合用于車載應(yīng)用，只能作為一種預(yù)防性的方法。所以車載殺菌一般采用紫外殺菌法，它具有簡單高效，且易于控制的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的紫外殺菌一般是用紫外汞燈，但是隨著UVC-LED技術(shù)的成熟，更加環(huán)保高效的LED開始取代水銀汞燈成為紫外殺菌的光源選擇[1]。

文中選擇UVC LED作為光源，結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)一種可懸掛固定在空調(diào)出風(fēng)口的UVC殺菌裝置，空調(diào)出風(fēng)口的氣流有組織地經(jīng)過UVC裝置時(shí)，紫外線會(huì)直接殺滅氣流中的微生物，裝置的金屬外殼可以屏蔽紫外線對人體的直接照射傷害。電子設(shè)計(jì)中使用傳感器技術(shù)對可能產(chǎn)生的UV光泄漏進(jìn)行監(jiān)測及保護(hù)，并可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用調(diào)節(jié)UVC光源的輻照射強(qiáng)度，達(dá)到清潔殺菌的要求。研究制作出滿足性能要求的功能性樣件，對后續(xù)UVC技術(shù)在車載殺菌領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

1 原理概述

1.1 UVC殺菌原理

深紫外線(UV)，特指波長在200～350 nm的紫外線。CIE對UV波段又做了更細(xì)的分類，將其中100～280 nm部分的短波命名為C波段。因此UVC-LED指的是C波段的深紫外LED光源。此類短波紫外線具有極強(qiáng)的殺菌能力，因此廣泛應(yīng)用在殺菌與凈化領(lǐng)域[2]。UVC對細(xì)菌等微生物的殺菌作用表現(xiàn)在它通過光化作用有效破壞分子結(jié)構(gòu)，造成細(xì)胞死亡，消滅車內(nèi)空氣中的細(xì)菌、病毒、霉菌等病原體。圖1是來自3個(gè)不同研究歸納的紫外光譜殺菌效率對比，整體曲線趨勢基本保持一致[3-5]。

圖1 不同波段光譜的殺菌效率對比

傳統(tǒng)的深紫外UV光來自于水銀汞燈，隨著汞燈使用禁止條例(水俁公約)將于2021年正式生效，以及UVC-LED的技術(shù)瓶頸突破,傳統(tǒng)的水銀汞燈燈管將會(huì)逐漸被壽命更長、輻射功率更大、更加環(huán)保、體積更小的LED光源所取代。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求

考慮到UVC-LED易被吸收的特點(diǎn)，很適合空氣殺菌應(yīng)用，因?yàn)榭諝鈱VC的吸收系數(shù)很低，使得UVC殺菌的效果很好。

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，文中設(shè)計(jì)一種UVC殺菌裝置，可固定于汽車空調(diào)出風(fēng)口擋風(fēng)板上，并使裝置的進(jìn)風(fēng)口與汽車的出風(fēng)口相對放置?？諝鈴钠嚨某鲲L(fēng)口吹出后，通過與之相對放置的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入殼體內(nèi)，位于殼體內(nèi)的UVC-LED殺菌模塊對進(jìn)入殼體內(nèi)的空氣進(jìn)行殺菌，殺菌后的空氣通過殼體上的出風(fēng)口流出，進(jìn)入車內(nèi)空間，達(dá)到對汽車內(nèi)的空氣進(jìn)行殺菌凈化的目的。根據(jù)車廂內(nèi)的實(shí)際使用環(huán)境，文中分別通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來提高出風(fēng)量和延長照射時(shí)間，電子設(shè)計(jì)上則是調(diào)節(jié)光源輻射強(qiáng)度等多種方式來提高最終的殺菌效率。

從結(jié)構(gòu)角度分析，該UVC殺菌裝置需要易于安裝，有足夠的固定強(qiáng)度，角度可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)以匹配如今多數(shù)的車載空調(diào)界面，同時(shí)造型簡潔實(shí)用，殺菌裝置的體積不能太大。裝置內(nèi)部設(shè)計(jì)使用多重反射的風(fēng)道結(jié)構(gòu)，增大空氣在UVC光線下的輻照射劑量，多次循環(huán)，殺菌效果更好。

從電子角度分析，由于UVC波段具有很強(qiáng)的殺菌能力，會(huì)引起皮膚紅斑以及結(jié)膜炎?；诖?，為了規(guī)避UV光泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，需要設(shè)計(jì)一個(gè)有效且可靠的傳感器檢測電路，避免直面UVC的輻射。同時(shí)，電路本身還需要支持調(diào)光功能，通過調(diào)節(jié)UVC輻射強(qiáng)度來達(dá)到匹配不同的使用環(huán)境。

為了實(shí)現(xiàn)上述系統(tǒng)功能，該UVC殺菌裝置設(shè)計(jì)中需要具備以下4個(gè)特點(diǎn)：(1)外形簡潔實(shí)用;(2)裝置內(nèi)部的風(fēng)道設(shè)計(jì);(3)UV光泄漏監(jiān)測機(jī)制;(4)支持UVC強(qiáng)度調(diào)光。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為保證殺菌效果，同時(shí)避免UVC-LED殺菌模塊殺菌時(shí)紫外線對人體造成傷害，將UVC-LED殺菌模塊設(shè)置于殼體內(nèi)，通過安裝架對殼體進(jìn)行固定。殺菌裝置整體視圖如圖2所示。

圖2 殺菌裝置結(jié)構(gòu)示意

為了達(dá)到簡潔實(shí)用的目的，用于固定在汽車出風(fēng)口擋風(fēng)板上的安裝架包括支架、夾頭、連桿、球頭、球頭座和支撐架，可以方便調(diào)節(jié)殼體的安裝角度，使得調(diào)整后的進(jìn)風(fēng)口與汽車空調(diào)的出風(fēng)口相對，提高進(jìn)風(fēng)量。殺菌裝置通過汽車內(nèi)出風(fēng)口的空氣流通來對空氣在殺菌裝置內(nèi)的流通提供動(dòng)力，從而可以減少風(fēng)機(jī)等動(dòng)力設(shè)備的使用，有助于簡化殺菌裝置的結(jié)構(gòu)，減小體積，并降低成本。設(shè)計(jì)中，殼體的材料選用耐候性較好的ASA材料。

為了達(dá)到提高殺菌效率的目的，首先是提高進(jìn)風(fēng)口處的進(jìn)風(fēng)量，將進(jìn)風(fēng)口設(shè)計(jì)為喇叭狀結(jié)構(gòu)，即進(jìn)風(fēng)口遠(yuǎn)離殼體一側(cè)的截面直徑大于該進(jìn)風(fēng)口與殼體相連接處的截面直徑。出風(fēng)口設(shè)置于殼體的下方，便于空氣在殼體內(nèi)流通，和避免從殼體內(nèi)吹出的空氣對人體進(jìn)行直吹。其次是在內(nèi)部用4塊板子自上至下依次交錯(cuò)排列，構(gòu)成風(fēng)道(圖3)，風(fēng)道的設(shè)計(jì)不僅能夠?qū)VC-LED燈進(jìn)行遮蔽，提高安全性，還可對空氣進(jìn)行引流，通過風(fēng)道延長空氣在風(fēng)道的停留時(shí)間，即延長UVC-LED深紫外燈對空氣的殺菌時(shí)間，從而提高殺菌效果。設(shè)計(jì)中，風(fēng)道等部件選用金屬材質(zhì)。

圖3 內(nèi)部風(fēng)道剖視圖

2.2 電子電路設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)框架包括車載供電模塊、主處理器模塊、驅(qū)動(dòng)電路模塊、光泄漏檢測模塊、工作狀態(tài)檢測模塊、光源負(fù)載模塊、指示燈模塊,系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 殺菌裝置電路原理示意

為了實(shí)現(xiàn)UV光泄漏檢測，在電路中增加了光泄漏檢測模塊，包括單獨(dú)的處理器和由若干個(gè)光電傳感器組成的監(jiān)測矩陣組成，處理器與監(jiān)測矩陣采用I2C方式通信，處理器作為主機(jī)，而檢測矩陣的各個(gè)光電傳感器為從機(jī)。光電傳感器表面集成了窄帶濾波片，可以檢測指定波段的光強(qiáng)。當(dāng)發(fā)生泄漏風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，光源負(fù)載模塊上的藍(lán)光會(huì)和深紫外光一起溢出，通過實(shí)驗(yàn)對標(biāo)泄漏前后不同波段的光強(qiáng)可以得到光電傳感器的泄漏監(jiān)測閾值，當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)測到的值超過閾值時(shí)就會(huì)觸發(fā)中斷，處理器根據(jù)事先制定的協(xié)議將判據(jù)結(jié)果以CAN報(bào)文的方式發(fā)送給主處理器模塊。設(shè)計(jì)中，使用的光電傳感器型號(hào)為OPT3001-Q1。

為了實(shí)現(xiàn)UVC輻射強(qiáng)度調(diào)光，UVC-LED的驅(qū)動(dòng)芯片選用具有PWM調(diào)光功能的汽車類多通道線性LED驅(qū)動(dòng)器，滿足汽車級的環(huán)境工作溫度要求，支持模擬和PWM調(diào)光功能，可調(diào)恒定輸出電流，精度高，具有多路通道輸出，支持受主處理器模塊調(diào)節(jié)而對其中某些通道休眠/開啟，達(dá)到調(diào)節(jié)輻射強(qiáng)度的目的。支持LED開路、短路檢測和熱關(guān)斷功能，自帶故障反饋功能。圖5為驅(qū)動(dòng)電路的原理圖，設(shè)計(jì)中使用的驅(qū)動(dòng)芯片型號(hào)為TPS92638-Q1。

圖5 UVC-LED驅(qū)動(dòng)原理圖

3 測試結(jié)果

根據(jù)上文的設(shè)計(jì)方案，分別制作了兩組快速樣件，分別選用首爾以及國產(chǎn)的UVC-LED光源，標(biāo)稱波長在285 nm，單顆光功率在5 mW@30 mA，單通道4顆光源，重復(fù)測試了10次，圖6是測試后的結(jié)溫和光譜數(shù)據(jù)。

圖6 測試數(shù)據(jù)

根據(jù)測試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)快速樣件狀態(tài)的UVC殺菌裝置光功率穩(wěn)定，結(jié)溫很低，散熱設(shè)計(jì)合理，初步達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

文中提到的設(shè)計(jì)只是原理性樣件，如果要做到產(chǎn)品級，后續(xù)還需要對樣件的造型和電路進(jìn)行優(yōu)化，在滿足功能的基礎(chǔ)上達(dá)到車規(guī)級的要求。實(shí)際應(yīng)用中的殺菌效果需要參考使用環(huán)境，關(guān)鍵因素包括車廂空間、UVC-LED的光功率和顆粒數(shù)、出風(fēng)量的大小，需要過多次的實(shí)驗(yàn)測試才能得到最佳的參數(shù)。