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)
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)境里會滋生大量細菌。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。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,紫外線會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)計中使用傳感器技術(shù)對可能產(chǎn)生的UV光泄漏進行監(jiān)測及保護,并可以根據(jù)實際應(yīng)用調(diào)節(jié)UVC光源的輻照射強度,達到清潔殺菌的要求。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)用提供了實驗數(shù)據(jù)支持。
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),造成細胞死亡,消滅車內(nèi)空氣中的細菌、病毒、霉菌等病原體。圖1是來自3個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。
考慮到UVC-LED易被吸收的特點,很適合空氣殺菌應(yīng)用,因為空氣對UVC的吸收系數(shù)很低,使得UVC殺菌的效果很好。
為實現(xiàn)這一目標(biāo),文中設(shè)計一種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風(fēng)口進入殼體內(nèi),位于殼體內(nèi)的UVC-LED殺菌模塊對進入殼體內(nèi)的空氣進行殺菌,殺菌后的空氣通過殼體上的出風(fēng)口流出,進入車內(nèi)空間,達到對汽車內(nèi)的空氣進行殺菌凈化的目的。根據(jù)車廂內(nèi)的實際使用環(huán)境,文中分別通過結(jié)構(gòu)設(shè)計來提高出風(fēng)量和延長照射時間,電子設(shè)計上則是調(diào)節(jié)光源輻射強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,同時造型簡潔實用,殺菌裝置的體積不能太大。裝置內(nèi)部設(shè)計使用多重反射的風(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波段具有很強的殺菌能力,會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,需要設(shè)計一個有效且可靠的傳感器檢測電路,避免直面UVC的輻射。同時,電路本身還需要支持調(diào)光功能,通過調(diào)節(jié)UVC輻射強度來達到匹配不同的使用環(huán)境。
為了實現(xiàn)上述系統(tǒng)功能,該UVC殺菌裝置設(shè)計中需要具備以下4個特點:(1)外形簡潔實用;(2)裝置內(nèi)部的風(fēng)道設(shè)計;(3)UV光泄漏監(jiān)測機制;(4)支持UVC強度調(diào)光。
為保證殺菌效果,同時避免UVC-LED殺菌模塊殺菌時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
為了達到簡潔實用的目的,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)整后的進風(fēng)口與汽車空調(diào)的出風(fēng)口相對,提高進風(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)的流通提供動力,從而可以減少風(fēng)機等動力設(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)計中,殼體的材料選用耐候性較好的ASA材料。
為了達到提高殺菌效率的目的,首先是提高進風(fēng)口處的進風(fēng)量,將進風(fēng)口設(shè)計為喇叭狀結(jié)構(gòu),即進風(fēng)口遠離殼體一側(cè)的截面直徑大于該進風(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行直吹。其次是在內(nèi)部用4塊板子自上至下依次交錯排列,構(gòu)成風(fēng)道(圖3),風(fēng)道的設(shè)計不僅能夠?qū)VC-LED燈進行遮蔽,提高安全性,還可對空氣進行引流,通過風(fēng)道延長空氣在風(fēng)道的停留時間,即延長UVC-LED深紫外燈對空氣的殺菌時間,從而提高殺菌效果。設(shè)計中,風(fēng)道等部件選用金屬材質(zhì)。
圖3 內(nèi)部風(fēng)道剖視圖
電路設(shè)計框架包括車載供電模塊、主處理器模塊、驅(qū)動電路模塊、光泄漏檢測模塊、工作狀態(tài)檢測模塊、光源負載模塊、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,包括單獨的處理器和由若干個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,而檢測矩陣的各個光電傳感器為從機。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。當(dāng)發(fā)生泄漏風(fēng)險時,光源負載模塊上的藍光會和深紫外光一起溢出,通過實驗對標(biāo)泄漏前后不同波段的光強可以得到光電傳感器的泄漏監(jiān)測閾值,當(dāng)實時監(jiān)測到的值超過閾值時就會觸發(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報文的方式發(fā)送給主處理器模塊。設(shè)計中,使用的光電傳感器型號為OPT3001-Q1。
為了實現(xiàn)UVC輻射強度調(diào)光,UVC-LED的驅(qū)動芯片選用具有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,達到調(diào)節(jié)輻射強度的目的。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)動電路的原理圖,設(shè)計中使用的驅(qū)動芯片型號為TPS92638-Q1。
圖5 UVC-LED驅(qū)動原理圖
根據(jù)上文的設(shè)計方案,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)計合理,初步達到了設(shè)計要求。
文中提到的設(shè)計只是原理性樣件,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行優(yōu)化,在滿足功能的基礎(chǔ)上達到車規(guī)級的要求。實際應(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,需要過多次的實驗測試才能得到最佳的參數(shù)。