Uv led水龙头流动池
阅读说明：本技术 Uv led水龙头流动池 (UV LED faucet flow cell ) 是由 李辰 M·J·维尔哈伦 彭波涛 于 2020-04-30 设计创作，主要内容包括：一种适于与供水系统连通的水分配单元包括主体,该主体包括第一端、与第一端相对的第二端、延伸通过第一端和第二端的第一轴以及垂直于第一轴延伸的第二轴。水分配单元另外包括配置为接收来自供水系统的水的入口、配置为分配水的出口(其中出口沿出口轴延伸)、包括反射性衬里的内壁和置于主体内的发光二极管。出口轴相对于第二轴定向成一定角度,以在通过出口流出之前将来自供水系统的水导向发光二极管。(A water dispensing unit adapted to communicate with a water supply includes a body including a first end, a second end opposite the first end, a first axis extending through the first end and the second end, and a second axis extending perpendicular to the first axis. The water dispensing unit additionally includes an inlet configured to receive water from a water supply, an outlet configured to dispense water, wherein the outlet extends along an outlet axis, an inner wall including a reflective liner, and a light emitting diode disposed within the body. The outlet shaft is oriented at an angle relative to the second shaft to direct water from the water supply to the light emitting diodes prior to exiting through the outlet.)
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年5月2日递交的62/841,935号美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及水龙头流动池，更具体而言，涉及能够被操作以在使用点对水进行消毒的水龙头流动池。
背景技术
反渗透(RO)处理后的微生物二次污染是工业方面的问题。UV-LED由于其体积小而提供了一种新的分配电消毒的方法。通常情况下，水龙头流动池可采用反射性材料来建造以增加通量强度。这些材料可包括PTFE、铝、不锈钢等，它们都有各种优缺点。例如，PTFE包括高反射率，但价格昂贵且难以在特定表面形成。作为选择，金属比PTFE便宜，但产生较低的反射率值，并且可能不会与饮用水直接接触。
净化反应器的几何形状可允许微生物在反应器内停留足够长的时间，从而增加了UV剂量。消除此类微生物的一些方法包括延长反应器的长度，从而增加了平均UV剂量。然而，由于LED是点光源，因此UV强度最终会沿着反应器的纵向轴显著下降。另外，过大的反应器具有降低最低剂量的风险，这决定了平均剂量增加时的微生物减少率。
发明内容
在一个方面中，本发明提供一种适于与供水系统连通的水分配单元，所述水分配单元包括：主体，该主体包括第一端、与第一端相对的第二端、延伸通过第一端和第二端的第一轴以及垂直于第一轴延伸的第二轴；配置为接收来自供水系统的水的入口；配置为分配水的出口，其中出口沿出口轴延伸；包括反射性衬里的内壁；和置于主体内的发光二极管，其中出口轴相对于第二轴定向成一定角度，以在通过出口流出之前将来自供水系统的水导向发光二极管。
在另一个方面中，本发明提供一种适于与供水系统连通的水分配单元，所述水分配单元包括：主体，该主体包括第一端、与第一端相对的第二端和延伸通过第一端和第二端的纵向轴；配置为接收来自供水系统的水的入口；配置为分配水的出口；沿主体的内表面放置的衬里，其中衬里包括第一反射率值；和置于主体第一端的端壁，其中端壁包括光窗和发光二极管，并且其中端壁包括大于第一反射率值的第二反射率值。
在另一个方面中，本发明提供一种适于与供水系统连通的水分配单元，所述水分配单元包括：主体，所述主体包括第一端、与第一端相对的第二端、延伸通过第一端和第二端的第一轴以及垂直于第一轴延伸的第二轴；配置为接收来自供水系统的水的入口，其中入口沿入口轴延伸；配置为分配水的出口，其中出口沿出口轴延伸；沿所述主体的内表面放置的衬里，其中衬里包括第一反射率值；和置于主体的第一端和第二端中的一个上的端壁，其中端壁包括光窗和发光二极管，其中端壁包括大于第一反射率值的第二反射率值，其中入口轴和出口轴中的一个相对于第二轴定向成一定角度，以将来自供水系统的水导向发光二极管。
通过考虑详细描述和附图，本发明的其它方面将变得显而易见。
附图说明
图1是体现本发明的水龙头流动池的透视图。
图2是图1的水龙头流动池的侧视图，包括以一定角度放置的水龙头流动池的入口。
图3是图1的水龙头流动池的另一个侧视图，包括以一定角度放置的水龙头流动池的出口。
图4是备选的水龙头流动池的侧视图。
具体实施方式
在详细解释本发明的任何实施方式之前，应当理解，本发明的应用不限于以下描述中所述或附图中所示的组件的构造和布置的细节。本发明能够进行其它实施方式，并且能够以各种方式实践或实施。
图1至3示出了体现本发明的水龙头流动池10。水龙头流动池10包括入口或入口管14，和出口或出口管18。水龙头流动池10通过入口14接收来自供水系统的水，并通过出口18分配水。水龙头流动池10另外包括侧壁22、第一端壁26a、第二端壁26b和至少一个光窗30。
水龙头流动池10可以更通常称为水分配单元。供水系统将水直接从市政供水系统或过滤单元(如反渗透系统或碳过滤器)输送至入口14。因此，供水系统可视为过滤装置和/或市政供水的下游，以及入口14的上游。从供水系统流入入口14的水流被定义为下游水流。上游方向定义为与下游水流相反。更具体而言，供水系统可视为从市政供水系统接收，可选地经过净化、处理或过滤，并包含在水龙头流动池10的直接上游空间内的水。
参考图1，水龙头流动池10呈圆柱形。更具体而言，侧壁22基本上是圆形的，第一端壁26a和第二端壁26b是扁平的。侧壁22在第一端壁26a和第二端壁26b之间延伸。在备选的实施方式中，水龙头流动池10可包括不同形状(例如，圆锥形、矩形等)，从而提供扁平侧壁22和/或圆形端壁26a、26b。第一端壁26a置于入口14附近，第二端壁26b与出口18相邻放置。在备选的实施方式中，入口14和出口18可置于水龙头流动池10上的备选位置。
侧壁22和端壁26a、26b由反射性材料构成。更具体而言，流动池10可由塑料、金属(例如不锈钢)、锌和/或铜构成。多孔PTFE反射膜或衬里36(例如可从Porex,Inc.获得的反射膜)可固定至侧壁22和端壁26a、26b的内表面。具体而言，多孔PTFE反射膜36可通过底漆和粘附剂粘至壁22、26a、26b。在一些实施方式中，反射性衬里36仅固定至端壁26a、26b。在一些实施方式中，PTFE膜36包括预成形形状，其与侧壁22和端壁26a、26b的形状匹配。
在备选的实施方式中，导向工具可置于靠近端壁26a、26b的水龙头流动池10内。在这类情况下，多孔PTFE反射膜36可经由导向工具插入水龙头流动池10，并覆盖流动池10的长度。在其它实施方式中，可将PTFE 36压制并烧结至端壁26a、26b的内表面上。在另一个备选的实施方式中，PTFE反射膜36可由聚丙烯支撑，从而允许将反射膜36焊接至表面。在其它实施方式中，可通过将石英和/或PFA氟聚合物成型为与流动池10相同的形状来形成内透射壁。然后利用PTFE热收缩将透射层收缩至侧壁22和端壁26a、26b上。
在所示的实施方式中，流动池10的直径为约22.5mm至45.0mm。此外，侧壁22的长度小于或等于直径20倍(例如450.0mm至900mm)。端壁26a、26b上的反射膜36比侧壁22上的反射膜36厚。更具体而言，端壁26a、26b上的反射膜36的厚度为0.25mm至1.5mm，侧壁22上的反射膜36的厚度为0.05mm至1.0mm。尽管侧壁22的表面积大于端壁26a、26b，但端壁26a、26b对增加UV强度的影响大于侧壁22，因为反射率由反射膜36的厚度决定。因此，侧壁22和端壁26a、26b包括不同量的反射率。更具体而言，端壁26a、26b的反射率水平大于或等于侧壁22的反射率。例如，0.25mm、0.75mm和1.5mm的材料的反射率分别为85％、95％和98％。
在一些实施方式中(图4)，水龙头流动池10可由两个圆柱形端部或端盖24a、24b以及主体28构成。在这类实施方式中，端部24a、24b为圆柱形，还包括除了端壁26a、26b之外的侧壁32a、32b。更具体而言，侧壁32大幅短于图1至3所示的侧壁22。侧壁32的长度短于主体28的长度。端部24a、24b可经由焊接工艺或备选的紧固方法(例如，经由紧固件)固定至主体28。入口管14和出口管18可置于端部24a、24b的侧壁32a、32b上。在这类情况下，端部24a、24b的内壁的反射值高于主体28的反射值。在所示的实施方式中，反射膜可仅固定至端部24a、24b。
参考图2至3，至少一个光窗30可置于端壁26a、26b上。在所示的实施方式中，第一端壁26a和第二端壁26b各自包括光窗30。在备选的实施方式中，水龙头流动池10可包括少于或多于两个的光窗30。光窗30由石英、FEP和/或PFA组成。光窗30的尺寸基于UV-LED芯片的尺寸。具体而言，光窗30的直径不超过10mm。然而，在备选的实施方式中，光窗30可包括备选的尺寸。
水龙头流动池10的端壁26另外包括两个UV发光二极管(LED)40。UV LED 40基本上以彼此相对的方式安装在端壁26上。具体而言，UV LED 40形成高UV强度区34，其能够辐照来自供水系统的水中存在的微生物和其它细菌。至少一个UV LED 40置于靠近出口18的端壁26上，以反射出口18周围区域中的光。更具体而言，UV LED 40和反射性侧壁22辐射，使得流出流动池10的水的微生物被辐照。在备选的实施方式中，额外的UV LED可置于出口18内。在这类情况下，出口UV LED可包含较低的功率，并与端壁26上的UV LED 40分开控制，以便分别对出口18进行消毒。具体而言，出口UV LED可每1至8小时开启1至120秒。
在一些实施方式中，水龙头流动池10包括一个光窗30和一个UV LED 40。在这类情况下，光窗30和UV LED 40置于端壁26a、26b中的一个上。更具体而言，光窗30和UV LED 40均置于第一端壁26a或第二端壁26b上。包括光窗30和UV LED 40的端壁26a、26b的反射率水平大于不具有光窗30和UV LED 40的端壁26a、26b的反射率，并且不具有光窗和UV LED 49的端壁26a、26b的反射率水平大于侧壁22。在一些实施方式中，包括光窗30和UV LED 40的端壁26a、26b的反射率水平小于侧壁22的反射率。此外，在一些实施方式中，端壁26a、26b包括相同的反射率水平。
本文所述的UV LED 40为265nm，由纯AIN基片组成。然而，在备选的实施方式中，可使用具有不同波长的LED(例如，275nm、280nm、285nm等)。在备选的实施方式中，水龙头流动池10可包括少于或多于两个的UV LED。在其它实施方式中，水龙头流动池10可包括不同类型的LED。
参考图2，入口管14与第一端壁26a相邻放置。入口轴38沿入口管14的长度延伸。入口轴38基本上朝向其中一个UV LED 40的中心斜置，以在其中一个UV LED 40的透镜表面上形成第一冲击射流。具体而言，第一或入口喷射角θa定义为入口管轴38与第一端壁26a的平面(由水平轴42(即，垂直于流动池10纵向轴44的轴)表示)之间的角度，为约5至20度。在备选的实施方式中，第一喷射角θa可在不同范围内。第一冲击射流将水从水源引导至UV LED40和高UV强度区34中的一个的透镜表面，从而辐照水源中存在的任何微生物。
参考图3，出口管18用作排水口，并与第二端壁26b相邻放置。出口轴46沿出口管18的长度延伸。出口轴46基本上朝向其中一个UV LED 40的中心斜置，以在其中一个UV LED40的透镜表面上形成第二冲击射流。第二或出口喷射角θb定义为出口管轴46与第二端壁26b的平面(由水平轴42表示)之间的角度，为约0至45度。在备选的实施方式中，第二喷射角θb可在不同范围内。第二喷射角θb允许更多的UV辐射到达出口管或水龙头尖端18。例如，45度的喷射角将使喷口尖端的UV强度增加73％。
水龙头流动池10辐照微生物的操作和有效性取决于入口喷射角θa、端壁26a、26b的直径和流动池10的长度。在流动池10的操作期间，微生物被连续地引导至第二端壁26b，在那里它们被辐照。然而，改变水龙头流动池10的参数会影响其有效性。例如，将流动池10的直径增加到超过一定值(例如，45.0mm)可减少混合效应和辐照。如下表1中所示，在保持恒定的流动池直径(例如28.5mm)和长度(185mm)的同时改变入口喷射角θa会影响流动池10内的UV剂量。具体而言，以下结果是使用2L/min的流速和两个30mW LED进行的。
表1：入口喷射角对UV剂量的影响
入口喷射角(度)
0
10
20
平均剂量(mJ/cm<sup>2</sup>)
33.59
33.42
31.22
最大剂量(mJ/cm<sup>2</sup>)
661.4
699.1
414.5
最小剂量(mJ/cm<sup>2</sup>)
8.703
11.41
10.57
标准偏差(mJ/cm<sup>2</sup>)
30.79
29.18
23.08
如表1所示，最高平均UV剂量(例如，33.59mJ/cm2)出现在入口喷射角θa为约0°时。此外，最高最大UV剂量出现在入口喷射角θa为10°时，为约699.1mJ/cm2；最低最小UV剂量出现在入口喷射角θa为0°时，为约8.703mJ/cm2。最高标准偏差出现在入口喷射角θa为0°时，标准偏差为30.79。
参考下表2，在保持恒定的入口射喷射角θa(例如，10°)和长度(185mm)的同时改变流动池10的直径会影响流动池10内的UV剂量。
表2：流动池直径对UV剂量的影响
直径(mm)
19.00
28.50
38.00
47.50
平均剂量(mJ/cm<sup>2</sup>)
23.43
33.42
38.51
44.75
最大剂量(mJ/cm<sup>2</sup>)
318.3
699.1
396.1
412.0
最小剂量(mJ/cm<sup>2</sup>)
6.941
11.41
11.79
10.87
标准偏差(mJ/cm<sup>2</sup>)
21.95
29.18
24.02
27.41
如表2所示，最高平均UV剂量(例如，44.75mJ/cm2)出现在直径为约47.50mm时。此外，最高最大UV剂量出现在直径为28.50mm时，为约699.1mJ/cm2；最低最小UV剂量出现在直径为19.00mm时，为约6.971mJ/cm2。最高标准偏差出现在直径为47.50mm时，标准偏差为27.41。
参考下表3，在保持恒定的入口射喷射角θa(例如，10°)和流动池直径(28.5mm)的同时改变流动池10的长度会影响流动池10内的UV剂量。
表3：流动池长度对UV剂量的影响
长度(mm)
92.50
185.0
277.5
370.0
平均剂量(mJ/cm<sup>2</sup>)
29.40
33.42
32.04
31.78
最大剂量(mJ/cm<sup>2</sup>)
224.8
699.1
489.6
820.4
最小剂量(mJ/cm<sup>2</sup>)
7.037
11.41
12.42
11.63
标准偏差(mJ/cm<sup>2</sup>)
17.23
29.18
24.15
25.24
如表3所述，最高平均UV剂量(例如33.42mJ/cm2)出现在长度为约185.0mm时。此外，最高最大UV剂量出现在长度为370.0mm时，为约820.4mJ/cm2；最低最小UV剂量出现在长度为92.50mm时，为约7.037mJ/cm2。最高标准偏差出现在长度为185.0mm时，标准偏差为29.18。
备选的因素可另外影响流动池10内的UV剂量。参考下表4，在保持恒定流速(2L/min)的同时改变流动池10的形状会影响流动池10内的UV剂量。具体而言，下面的结果由圆柱形流动池和圆锥形流动池收集，每个流动池包括两个30mW UV LED。
表4：流动池形状对UV剂量和压力的影响
如表4所示，圆锥形流动池包括最高平均UV剂量(例如14.4mJ/cm2)，而圆柱形流动池的平均UV剂量为11.7mJ/cm2。作为选择，圆柱形流动池包括大于圆锥形流动池(例如，6,279.9Pa)的压降(例如，6,365.8Pa)。
参考下表5，在保持恒定流速(2L/min)的同时改变流动池10的形状和反射率会影响流动池10内的UV剂量。具体而言，下面的结果由圆柱形流动池和圆锥形流动池收集，每个流动池包括两个30mW UV LED。另外，圆柱形和圆锥形流动池均包括置于端壁上的反射元件。
表5：水龙头流动池的形状和末端反射元件对UV剂量和压力的影响
如表5所示，圆柱形流动池包括最高平均UV剂量(24.8mJ/cm2)，而圆锥形流动池的平均UV剂量为19.1mJ/cm2。作为选择，圆柱形流动池包括大于圆锥形流动池(例如，6,279.9Pa)的压降(例如，6,365.8Pa)。
参考下表6，在保持恒定流速(2L/min)的同时改变出口喷射角θb会影响流动池10内的UV剂量。具体而言，下面的结果由包括两个30mW UV LED的圆柱形流动池收集。
表6：出口喷射角对UV剂量和UV强度的影响
如表6所示，最高平均UV剂量(例如，24.8mJ/cm2)出现在0°喷射角θb时，最低平均UV剂量(例如，22.2mJ/cm2)出现在45°喷射角θb时。作为选择，最高出口UV强度(例如，7.92W/m2)出现在45°喷射角θb时，最低出口UV强度(例如，4.56W/m2)出现在0°喷射角θb时。
当使用者打开与出口18连通(即，下游)的水龙头时，开启水龙头流动池10的操作。水龙头可包括例如，致动器(如手柄)。当致动器开启时，水开始流过水龙头流动池10，UVLED 40自动开启。具体而言，一旦水龙头10关闭，UV LED 40就会关闭。作为选择，在水龙头关闭且水流停止后，UV LED 40可在预定时间段(例如，1至30秒)内保持开启，以便对流动池10内的残余水进行消毒。此外，当水龙头流动池10关闭时，可以周期性地打开UV LED 40，以便对流动池10内停滞的残余水进行消毒。在一些实施方式中，只能打开UV LED 40中的一个。在其它备选的实施方式中，UV LED可置于流动池10的出口18中，以便在水离开流动池10时对其进行辐照。
在备选的实施方式中，一个或多个传感器可置于流动池10的侧壁22和/或端壁26a、26b上。能够操作传感器以检测与工作电流成比例的LED光输出。当UV强度下降时(例如，UV LED 40变暗和/或关闭)，传感器将感应到降低，并与电路板连通。电路板随后将增加工作电流，以补偿UV LED 40的输出损耗。
在其它实施方式中，在整个操作过程中，可以周期性地调整电流，以保持预定的强度值。更具体而言，UV LED 40可在较低电流下工作，从而延长UV LED 40的工作寿命。另外，可以在水龙头流动池10中安装定时器，以追踪操作时间。具体而言，定时器可与电路板连通，允许电路板在预定时间量(例如，每100至1000小时)后调整电流。
在其它实施方式中，热管理装置(例如，冷却风扇、热电冷却器(TEC)等)可安装在水龙头流动池10中。具体而言，热管理装置可用于UV LED 40的背面，取代传统的散热器。热管理装置可与电路板、传感器和/或定时器连接，以预测UV LED 40的光学功率。然后，当UVLED 40的光学功率降至低于LED结温时，热管理装置可“开启”。
以下权利要求阐述了本公开的各种特征和优点。
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