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UVC LED殺菌模擬分享
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UVC LED殺菌模擬分享

  • 分類:行業動態
  • 作者:
  • 來源:
  • 發布時間:2020-07-29 15:16
  • 訪問量:

【概要描述】

UVC LED殺菌模擬分享

【概要描述】

  • 分類:行業動態
  • 作者:
  • 來源:
  • 發布時間:2020-07-29 15:16
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詳情

評估UVC-LED殺菌效果時,使用光學、流體等仿真來計算殺菌率的準確性有多高?對於準備入行的團隊,是否有必要配備專業的模擬分析人員?殺菌率計算模型又是如何建立起來的?

這是筆者最近在與幾位業內朋友探討的問題,探討過程中大家從最開始的各執一詞到達成共識,筆者心中也漸漸有了清晰的答案。也許大家心中也有同樣的疑問,下麵立刻開始此次的分享,同樣是望能拋磚引玉,與君共勉。

定性分析更具實用性

UVC-LED應用是利用肉眼不可見光去滅殺不可見的微生物,我們需要借助工具間接的去研究這一過程。前輩UVC燈管經過幾十年的發展,各家廠商都已經總結出一套實用的模擬仿真方法去指導產品設計,UVC-LED目前能夠做到什麽程度呢?

業內同行分享的UVC-LED應用產品仿真圖

眾所周知,微生物的滅殺率與其接收的UV劑量相關,而UV劑量又與照射強度和時間相關。殺菌效果是生物敏感性、光學、流體三者的綜合結果,在模擬仿真中,隻要其中一方有偏差,最終結果就會失真。

光學仿真的準確性已經在白光LED行業得到了充分的驗證,各種仿真工具也相當的成熟。流體仿真工具廣泛運用於汽車、船舶、飛機甚至航天工具的設計中,隻要運用得當可信度是可以保證的。光學與流體的耦合算法也早已運用在傳統UVC燈管殺菌產品的設計中,因此通過模擬仿真方法可以得到比較準確的UV劑量。

主要的誤差來源於基礎數據測試。

目前在專業文獻上可以查到不同微生物的UV滅活劑量表,這個劑量是針對254nm波長的傳統UVC燈管而言的,由於微生物對於不同波長UVC光的敏感性不同,傳統的劑量表不適用於265-280nm波長的UVC-LED。

下麵以大腸杆菌(E.coli)為例,使用UVC燈管達到99%的滅殺率需要的UV劑量為6.6mJ/cm2,使用UVC-LED要高效一些,達到99.99%的滅殺率兩家同行給出的UV劑量分別約為3mJ/cm2與5mJ/cm2。

源於美國WQA的UVC燈管殺菌劑量

兩家不同的UVC-LED芯片廠提供的殺菌劑量數據

目前還沒有權威機構放出針對UVC-LED的殺菌劑量表,少數有能力的廠商可以自行這些數據。由於測試方法、設備的差異,得到的數據也不盡相同。假設我知到產品的UV劑量,我該參考哪家的數據去計算殺菌率呢?還是說我需要自己實測才是準確的?

綜上,現階段通過模擬仿真可以獲得比較準確的UV劑量,但是無法通過UV劑量準確推算出殺菌率(部分行業巨頭除外)。目前對於絕大多數廠商而言,通過模擬仿真定性的指導產品設計是比較現實的方案。

定性分析指導設計

組建一個具備專業仿真能力的專業的團隊需要一定的投入,我們預算有限,是否可以省下這筆費用?既然模擬仿真也不是很準,是否可以先“參考”同行的方案,後續隻通過不斷的實測來驗證和修改產品設計?我們不急著下結論,先做一個假設:

假設拿到了同行的產品,接下來你要怎麽改進?做哪些改動可以不影響殺菌效果還能規避對方專利?我們有沒有可能改的比對手的原版更好?哪家同行的設計的值得參考?

然而光憑一個內部結構和肉眼觀察,我們一無所知。這時候一個定性的模擬仿真就能幫到我們。例如下麵三張圖沒有任何的數據,我們依然能直觀的看出設計的優劣:左圖利用規則的旋流增加水體的照射時間,中圖利用低雷諾數結構避免出現短流,右圖雜亂無章的流線表明其流體設計不佳,還有很大的改進空間。

三款過流式水殺菌產品的流體模擬圖

不妨再做一個假設:我們都有遇到產品殺菌測試低不合格的時候,接下來要怎麽做,往什麽方向提升殺菌率?

往往大家第一反應是UV劑量不夠,加燈搞定。然而加燈意味著加錢,你能否確定目前的燈珠已經用盡了全力?是否調整流體結構增加照射時間比加燈更劃算?即使真要加燈,光功率要加到多少?散熱是否有問題?用單顆大功率還是用幾顆小功率?是單麵照射還是上下兩麵同時照射?以上這些改變是隻改一個還是同時調整,各調整多少才能保證最高的性價比?

下麵是一個空氣殺菌器的風道,風自右向左吹,左側有3顆UVC-LED光源。

圖①的殺菌效果不佳,模擬分析直觀的呈現出問題根源在於光照與氣流不匹配,光分布均勻但氣流分布集中在下方。很容易聯想到兩個優化方向:

優化方向A:光源不動氣流動,把氣流調均勻。需要更改結構,考慮噪音和風阻問題。

優化方向B:流體不動光源動,光源下移增強下方的光密度,適用於風道無法調整的情況。

A、B兩個方向都能在幾乎不增加成本的情況下提升殺菌效果。試想一下這時候如果盲目加燈,是不是花了錢還治標不治本?

空氣殺菌器優化示意

模擬仿真手段哪怕隻能幫我們定性的指引方向,都可以大幅度減少後續測試的時間和成本。這些節省的成本往往會大於模擬分析人員的花費。

具有企業特色的仿真評估方法

下圖是UVC-LED應用產品研發流程的一部分,仿真設計貫穿於產品設計過程中,與結構、ID、電子設計是緊密聯係的並行關係。

產品研發流程參考

最初,模擬仿真僅能給產品設計提供方向參考。隨著測試反饋的增多,仿真方法在不斷的修正、進化,經過一段時間的積累和試錯,最終會形成一套符合本九游会产品特性的仿真模型,這套模型可以大幅縮短後續同類產品的研發周期。

具體的說,在產品進行殺菌效果實測之前,搜集好所有的原始數據,包括光源參數、實際尺寸、模擬仿真的結果等。殺菌測試時,最好能現場搜集測試數據,例如環境溫濕度、實時流速、操作手法等。在拿到殺菌報告後,對比實測和模擬的差異,找出誤差原因並修正參數。根據修正後的模型指導產品的調整,並再次測試,循環上述過程。

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發布時間:2019-05-17 00:00:00

Copyright © 東莞市九游会光電科技有限公司 All Rights Reserved.

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