【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有受控辐射和流体力学的UV-LED光反应器及其制造和使用方法
本专利技术涉及紫外线(UV)光反应器，并且更具体地涉及利用一个或多个紫外线发光二极管(UV-LED)工作的UV反应器。特定的实施方案提供了用于增强输送移动通过UV-LED光反应器的流体的剂量均匀性的方法和设备。
技术介绍
紫外(UV)反应器—管理UV辐射的反应器——应用于许多光反应、光催化反应和光引发反应中。UV反应器的一个应用是用于水和空气净化。特别地，近年来UV反应器作为最有前景的水处理技术之一而出现。现有技术的UV反应器系统通常使用低压和中压汞灯来产生UV辐射。发光二极管(LED)通常发出这种窄带宽的辐射，使得由LED发出的辐射(对于许多应用)可以被认为是单色的(即，具有单个波长)。随着LED技术的最新进展，LED可以被设计为产生不同波长下的UV辐射，所述不同波长包括用于DNA吸收的波长以及可以用于光催化剂活化的波长。对于诸如水消毒的应用，UV-LED反应器通常可用于照射流体。然而，在典型的UV-LED反应器中，辐射功率分布存在相当大的变化，导致不均匀的辐射通量率分布(轮廓)，这在一些情况下可能非常明显。通量率(单位为W/m2)是从所有方向通过无限小的横截面积dA的球体的辐射通量(功率)除以dA。此外，通常存在流体速率分布的变化，在流体行进通过反应器时导致流体的停留时间分布。这两种通量率分布和速率分布现象中的任何一种或这两种现象的组合可能导致在流体元件通过反应器时相当宽的UV剂量分布范围递送给流体元件。UV通量率分布和速率分...
【技术保护点】
1.一种设备，包括：/n主体，所述主体沿着流动路径在第一端部和沿着所述流动路径与所述第一端部对置的第二端部之间延伸，所述第一端部包括沿着所述流动路径的入口，所述第二端部包括沿着所述流动路径的出口；/n流动通道，所述流动通道沿着所述流动路径在所述主体内延伸，以将流体从所述入口引导到所述出口，和/n固态辐射源，所述固态辐射源能安装在所述流动通道的空腔中，以沿着所述流动路径将辐射发射到所述流动通道中，所述固态辐射源包括导热部分，所述导热部分被定位成当所述流体正在从所述入口流向所述出口并且所述固态辐射源安装在所述空腔中时与所述流体接触。/n
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170719 US 62/534,6371.一种设备，包括：
主体，所述主体沿着流动路径在第一端部和沿着所述流动路径与所述第一端部对置的第二端部之间延伸，所述第一端部包括沿着所述流动路径的入口，所述第二端部包括沿着所述流动路径的出口；
流动通道，所述流动通道沿着所述流动路径在所述主体内延伸，以将流体从所述入口引导到所述出口，和
固态辐射源，所述固态辐射源能安装在所述流动通道的空腔中，以沿着所述流动路径将辐射发射到所述流动通道中，所述固态辐射源包括导热部分，所述导热部分被定位成当所述流体正在从所述入口流向所述出口并且所述固态辐射源安装在所述空腔中时与所述流体接触。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述固态辐射源是固态UV发射器。
3.根据权利要求1或2所述的设备，还包括一个或多个透镜，所述透镜能定位成折射来自所述固态辐射源的辐射。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述一个或多个透镜构造成，当所述流体正在从所述入口流向所述出口并且所述固态辐射源安装在所述空腔中时，使在所述流动通道中的一个位置处的辐射的通量率与所述流动通道中的所述位置处的流体的速率关联。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的设备，其中，所述空腔由所述流动通道的内表面限定，所述流动通道的内表面构造成，当所述流体正在从所述入口流向所述出口并且所述固态辐射源安装在所述空腔中时，使所述流体围绕所述固态辐射源流动并与所述固态辐射源的导热部分接触。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，当所述流体正在从所述入口流向所述出口并且所述固态辐射源安装在所述空腔中时，所述空腔的内表面能与所述固态辐射源的外表面接合，以保持所述固态辐射源相对于所述流动通道定位。
7.根据权利要求1所述的设备，其中：
所述固态辐射源容纳在光学单元中，所述光学单元包括导热部分和能定位成折射来自所述固态辐射源的辐射的一个或多个透镜，和
所述光学单元可拆卸地安装在所述空腔中。
8.根据权利要求7所述的设备，还包括安装结构，所述安装结构在所述空腔的内表面与所述光学单元的外表面之间延伸，以在所述流体正在从所述入口流向所述出口并且所述光学单元安装在所述空腔中时保持所述光学单元相对于所述流动通道定位。
9.根据权利要求7或8所述的设备，其中，当所述光学单元被安装在所述空腔中时，所述光学单元的所述导热部分与所述空腔的内表面间隔开。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，当所述固态辐射源可拆卸地安装在第二端部部分中时，所述固态辐射源的所述导热部分与所述空腔的内表面间隔开。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的设备，其中，所述入口和所述出口能与管成一直线安装。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的设备，其中，所述空腔是第一空腔，所述固态辐射源是第一固态辐射源，所述辐射是第一辐射，所述流动通道限定第二空腔，所述设备还包括：
第二固态辐射源，其能安装在所述第二空腔中，以沿着流动路径向所述流动通道中发射第二辐射，所述第二固态辐射源包括导热部分，所述导热部分定位成当所述流体正在从所述入口流向所述出口并且所述第二固态辐射源安装在所述第二空腔中时与所述流体接触。
13.根据权利要求12所述的设备，其中，当所述第一固态辐射源安装在所述第一空腔中并且所述第二固态辐射源定位在所述第二空腔中时：
所述第一固态辐射源定位成在第一方向上沿着所述流动路径发射所述第一辐射，
所述第二固态辐射源定位成在第二方向上沿着所述流动路径发射所述第二辐射，并且
所述第一方向不同于所述第二方向。
14.根据权利要求3所述的设备，其中，所述一个或多个透镜包括：会聚透镜，其定位成接收来自所述固态辐射源的辐射；以及准直透镜，其定位成接收由所述会聚透镜折射的辐射。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述会聚透镜与所述固态辐射源集成在一起。
16.根据权利要求3所述的设备，其中，所述一个或多个透镜包括至少具有局部的凸面透镜的透镜、穹顶透镜、平凸透镜和菲涅耳透镜中的一者或多者。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的设备，其中，所述固态辐射源包括多个固态辐射源，所述导热部分对于所述多个固态辐射源而言是公共的或各自单独的。
18.一种光学单元，包括：
壳体，所述壳体包括空腔；
印刷电路板，所述印刷电路板在所述空腔的第一端部处附接至所述壳体的第一端部；
在所述空腔中的固态辐射源，所述固态辐射源附接至所述印刷电路板并与所述印刷电路板的导热部分热耦合；
在所述空腔中的第一透镜，所述第一透镜邻近所述固态辐射源定位，以折射由所述固态辐射源发射的辐射；
在所述空腔中的第二透镜，所述第二透镜与所述第一透镜间隔开并且定位成折射由所述固态辐射源发射并由所述第一透镜折射的辐射；和
透UV部件，所述透UV部件在所述空腔的第二端部处附接至所述壳体的第二端部。
19.根据权利要求18所述的光学单元，其中，所述光学单元可拆卸地安装在流体管道的空腔中，使得在所述流体管道中流动的流体围绕所述单元流动。
20.根据权利要求18所述的光学单元，其中，所述固态辐射源包括多个固态辐射源，所述导热部分对于所述多个固态辐射源而言是公共的或各自单独的。
21.一种紫外线(UV)反应器，包括：
流体管道，所述流体管道至少部分地由限定管道的外壁限定，以容许流体流过其中；
固态UV发射器(例如紫外线发光二极管或UV-LED)；和
包括一个或多个透镜的辐射聚焦元件；
其中，所述流体管道包括流体入口、流体出口以及位于所述入口与所述出口之间的纵向延伸的流体流动通道，所述流体流动通道沿纵向方向延伸，以容许流体在纵向方向上流过所述流体流动通道的内孔，所述流体流动通道具有通道中心轴线，所述通道中心轴线至少在所述内孔的纵向中间部分中沿所述纵向方向延伸通过所述内孔的横截面的形心；
其中，所述一个或多个透镜定位在从所述固态UV发射器发射的辐射的辐射路径中，以引导来自所述固态UV发射器的辐射入射在所述流体流动通道中并由此提供所述流体流动通道的内孔内的辐射通量率分布；以及
其中，所述一个或多个透镜构造成提供所述辐射通量率分布，其中当所述固态UV发射器正在发射辐射时：
对于所述流体流动通道的内孔的相对靠近所述固态UV发射器定位的横截面而言(例如，对于第一横截面而言)，所述辐射通量率分布在离所述通道中心轴线相对远的位置处相对高，而在较靠近所述通道中心轴线的位置处则相对低；和
对于所述流体流动通道的内孔的相对远离所述固态UV发射器定位的横截面而言(例如，对于比所述第一横截面更远离所述固态UV发射器定位的第二横截面而言)，所述辐射通量率分布在离所述通道中心轴线相对远的位置处相对低，而在较靠近所述通道中心轴线的位置处则相对高。
22.一种紫外线(UV)反应器，包括：
流体管道，所述流体管道至少部分地由限定管道的外壁限定，以容许流体流过其中；
固态UV发射器(例如紫外线发光二极管或UV-LED)；和
包括一个或多个透镜的辐射聚焦元件；
其中，所述流体管道包括流体入口、流体出口以及位于所述入口与所述出口之间的纵向延伸的流体流动通道，所述流体流动通道沿纵向方向延伸，以容许流体在纵向方向上流过所述流体流动通道的内孔；
其中，所述一个或多个透镜定位在从所述固态UV发射器发射的辐射的辐射路径中，以引导来自所述固态UV发射器的辐射入射在所述流体流动通道中并由此提供所述流体流动通道的内孔内的辐射通量率分布；以及
其中，所述固态UV发射器具有在所述UV发射器的所述辐射路径中的中心光轴，所述中心光轴从所述固态UV发射器的发射区域的形心沿纵向方向延伸通过一个或多个光学透镜的形心，当所述固态UV发射器正在发射辐射时：
对于所述固态UV发射器的所述辐射路径中相对靠近所述固态UV发射器的位置而言，所述辐射通量率分布在离所述通道中心轴线相对远的位置处相对高，而在较靠近所述通道中心轴线的位置处则相对低；和
对于所述固态UV发射器的所述辐射路径中相对远离所述固态UV发射器的位置而言，所述辐射通量率分布在离所述通道中心轴线相对远的位置处相对低，而在较靠近所述通道中心轴线的位置处则相对高。
23.根据权利要求21或22或本文中的任何其它权利要求所述的UV反应器，其中，所述一个或多个透镜构造成通过以下中的一者或多者来提供所述辐射通量分布：从多种透镜类型中选择所述一个或多个透镜、所述一个或多个透镜的形状、所述一个或多个透镜的位置以及所述一个或多个透镜的折射率。
24.根据权利要求21至23或本文中的任何其它权利要求所述的UV反应器，其中，所述固态UV发射器包括多个固态发射器。
25.根据权利要求21至24中任一项或本文中任何其它权利要求所述的UV反应器，其中，所述一个或多个透镜包括：会聚透镜，所述会聚透镜定位成接收来自所述UV发射器的辐射；以及准直透镜，所述准直透镜定位成接收从所述会聚透镜发射的辐射，其中所述准直透镜定位在离从所述会聚透镜发射的辐射的焦点的距离小于其焦距f1的距离f’处。
26.根据权利要求25或本文中的任何其它权利要求所述的UV反应器，其中，所述准直透镜相对于所述焦点的位置f’与所述准直透镜相对于所述焦点的焦距Ff1之间的距离差(Δ＝f’)在所述焦距f1的10％-35％的范围内。
27.根据权利要求21至26中任一权利要求或本文任何其它权利要求所述的UV反应器，其中，所述一个或多个透镜包括被定位成接收来自UV发射器的辐射的半球形透镜和被定位成接收来自该半球形透镜的辐射的平凸透镜或菲涅尔透镜，其中半球形透镜和平凸透镜两者的平面侧面都面向所述UV发射器，所述固态UV发射器、所述半球形透镜和所述平凸透镜或菲涅尔透镜的光轴与所述通道中心轴线同轴。
28.根据权利要求27或本文中的任何其它权利要求所述的UV反应器，包括在所述平凸透镜的与所述固态UV发射器侧相反的一侧上的气隙和将所述气隙与所述流体流动通道中的流体流分开的透UV窗口。
29.根据权利要求27至28中任一项或本文中的任何其它权利要求所述的UV反应器，其中，所述平凸透镜被定位在离从所述半球形透镜发射的辐射的焦点小于其固有焦距f1的距离f’处。
30.根据权利要求29或本文中的任何其它权利要求所述的UV反应器，其中，所述平凸透镜相对于所述半球形透镜的焦点的间距f’比所述平凸透镜的固有焦距f1小了距离差Δ，所述距离差Δ在所述平凸透镜的焦距f1的10％-35％的范围内。
31.根据权利要求21至30中任一项或本文中的任何其它权利要求所述的UV反应器，其中，所述一个或多个透镜包括相对靠近所述UV发射器定位以接收来自所述UV发射器的辐射的第一透镜和相对远离所述UV发射器定位以接收来自所述第一透镜的辐射的第二透镜，所述固态UV发射器、所述第一透镜和所述第二透镜的光轴与所述通道中心轴线同轴。
32.根据权利要求31或本文中的任何其它权利要求所述的UV反应器，其中，所述第二透镜被定位在离从所述第一透镜发射的辐射的焦点小于其固有焦距f1的距离f’处。
33.根据权利要求21至32中任一项或本文中的任何其它权利要求所述的UV反应器，其中：
所述流体入口包括：一个或多个入口孔口，所述流体入口在所述一个或多个入口孔口处通入所述流体流动通道的内孔中；一个或多个连接孔口，所述UV反应器能经其与用于向所述反应器提供流体的外部流体系统连接；和一个或多个入口管道，其在所述一个或多个入口孔口与所述一个或多个连接孔口之间延伸；和
所述流体出口包括：
一个或多个出口孔口...
【专利技术属性】
技术研发人员：F·塔吉波尔，
申请(专利权)人：英属哥伦比亚大学，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA
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