紫外水净化系统 【发明领域】
本发明涉及流体的净化， 特别涉及水的净化。本发明的实施方案涉及水净化系统 与通信系统的组合。背景技术
今日世界上的主要死因是水传染疾病。世界范围内超过 2.3 亿人患有与水有关的 疾病， 3 亿 (300million) 人重病， 每年死亡 220 万人， 主要是 5 岁以下的儿童 1。这些人中 的大多数以小于 2 美元 / 天生活， 严重限制了其能够负担水净化的技术的范围。
同时， 全世界的国家都每年使用较大百分比的淡水源， 这降低了安全饮水的 可用性， 并提高了对有效水净化系统的需求。美国联邦人口基金 (TheUnited Nations Population Fund) 计划在 2025 年， 如果保持现有的水消耗速度， 全世界预计的 79 亿人口中 的 50 亿人口将居住在缺乏安全水的区域。 在发展中国家发生了对饮用水大量不能满足的需求。 发展中国家中的平均每人水 消耗量为 2 加仑 (7.6 升 )/ 人 / 天。对于发展中国家中典型的 1000 人村庄， 饮用水需求为 2000 加仑 (7600 升 )/ 天。很多现有的 UVC 水净化系统设计用于个人用户或小的人群， 因此 具有过低的流速不能供给这种每日水体积量。很多这些小型系统每加仑的价格过高， 使其 不适用于发展中国家。
其他水净化系统意于用作用于更大量的水体积的城市区域的固定基础设施， 通常 过于昂贵以使其不能在农村地区推广， 尤其是因为发展中世界的农村地区通常缺乏这些大 型装置操作所需的可靠的电力。本发明计划用于对大型大都市水净化装置成本适合的区 域。该水净化系统的一种实施方案是便携式的且重量轻的， 使其能够容易地输送到边缘地 区或用于灾难救济或在紧急事件中快速开展。 1
联合国关于水和卫生的特别行动组 (United Nations Task Force on Water and Sanitation 2003)
现有的饮水净化技术和系统
很多天然饮用水源都污染有水生病原体。全世界的湖泊、 河流和小溪通常都包含 能够造成严重健康问题的细菌、 病毒和原生动物。甚至通常用作全世界的饮用水源的挖井 和管井， 在表面水污染该井引入水生病原体时， 都可能在全世界的很多区域的雨季被地下 水污染。如果该管井构造较差或维护较差， 污染的地下水能够在更常见的基础上渗漏到该 井中。
从简单和廉价的到非常复杂和昂贵的， 存在很多水净化技术， 最终在处理水生病 原体、 有机污染物和无机污染物的效能水平上具有宽的范围。一种简单和普通的技术是使 水沸腾。 对于世界上的很多部分， 沸腾对于每天使用无法实施， 因为需要大量的能量以及因 为水可能将不能加热到完全沸腾或加热过短的时间以不能使该水生病原体失活或杀死。 而 且由于在沸腾方法过程中损失的水而使沸腾提高了在水中已经存在的重金属的浓度。
最近开发的技术是太阳能水消毒， 或 SODIS。与沸腾不同， SODIS 仅依赖于太阳
能使水消毒。SODIS 是使用太阳能热和日光的组合使病原体失活或将其杀死的简单方法。 SODIS 是与 1 或 2 升塑料瓶 ( 优选由聚对苯二甲酸乙二醇酯制成， 并优选在该瓶子的非阳 光照射的背面上刷黑 ) 一起使用的。将该瓶子完全充满水， 并放置在太阳中的波纹钢板上。 SODIS 需要该水保持 60℃ -80℃最少 4 小时以除去病原体。在多云条件下， 必须将该瓶子 放置在太阳下连续两天。 SODIS 的实施非常廉价， 但对病毒和原生动物并不是那么有效。 经 SODIS 处理的水并不推荐给小于 18 个月的婴儿或具有慢性肠胃疾病的人群。 该净化水的质 量非常难于控制。该技术对于甚至部分阴影的情况也并不是那么有效。SODIS 不杀死原生 动物， 例如小球隐孢子虫卵囊 (cryptosporidiumparvum oocysts)。
其他更先进的水净化系统容易得到， 但也具有限制。碘和氯都能有效根除大多数 细菌、 病毒和病原体。然而， 小球隐孢子虫是几种重要性日益增加的抗氯病原体中的一种。 小球隐孢子虫是能够对婴儿、 老人和具有损害免疫系统的人群构成生命威胁的肠内病原 体。典型地， 在最初暴露发生很久之后隐孢子虫出现的症状要花费约 7 天。该疾病通常能 够维持直至两周。用氯净化去除类似小球隐孢子虫卵囊和贾第鞭毛虫属是困难的， 因为其 需要高氯浓度的产品和作用时间。 因为在饮用水中添加过多的氯能够造成对人体的器官损 伤或死亡， 因此能够用于将水消毒的氯浓度是有限的。 因此， 用氯消毒隐孢子虫属所需的时 间通常也是被禁止的。 已经显示当将氯添加到具有有机污染物的水中时， 如天然来源 ( 例如河流、 湖泊 和小溪 ) 中典型发现的那样， 氯会产生有害的三卤甲烷。三卤甲烷也是环境污染物， 很多 ( 例如氯仿 ) 被认为是致癌的。此外， 如果水的 pH 值小于 7.5， 那么氯是无效的。如果该氯 来自时间超过 6 个月的漂白瓶， 那么其会丧失其效力。
如果长期使用， 碘和氯能够在人体中造成副作用。经碘处理的饮用水并不适用于 孕妇或超过 50 岁的女性或具有甲状腺问题的人们。
很多现代水净化系统使用氯胺代替氯， 对该处理系统增加了提高的复杂性。
二氧化氯也用作杀死大多数细菌、 病毒和病原体的净化剂。 由于爆炸危险， 其通常 是在使用地点制备的， 这提高了净化系统的复杂性和成本。二氧化氯净化产生了反应副产 物， 其毒性是未知的。
臭氧是对饮用水中所有类型的病原体的最有效消毒剂。 其在水中留下最少或没有 残余。然而， 臭氧化系统的实施是昂贵的。
其他方法依赖于先进的陶瓷或膜代替消毒剂以将病原体从水中过滤掉。 陶瓷过滤 器用于过滤病原体是有效的， 但由于水中的颗粒而使其可能容易堵塞。典型的陶瓷过滤器 元件具有 2-5 微米尺寸的孔。因为细菌 ( 例如霍乱和沙门氏菌 ) 的尺寸典型地为 0.2-1.0 微米， 细菌能通过很多这些过滤器。病毒 ( 例如甲型和乙型肝炎、 轮状病毒和诺瓦克病毒 ) 典型地尺寸低于 0.004 微米， 使其能够容易地通过该陶瓷过滤器元件。这些病毒和一些细 菌甚至可以穿过反渗透净化器。
反渗透 (RO) 水净化器能够除去细菌、 盐、 糖、 蛋白质、 颗粒、 染料、 重金属、 氯及相 关副产物和分子量大于 150-250 道尔顿的其他污染物。该反渗透系统需要加压水， 这是在 发展中国家的很多地区无法获得的。反渗透膜可能结垢， 除非将进入的水在反渗透系统之 前仔细过滤。在该水具有高矿物含量的情况下 ( 硬水 )， 该 RO 系统也可能需要 RO 净化器上 游的水软化设备， 以防止膜结垢。
有两种主要类型的 RO 膜 ： 薄膜复合材料 (TFC) 和三乙酸纤维素 (CTA)。TFC 膜比 CTA 膜过滤出更多的污染物， 但其更容易被氯损害。 由于 RO 膜受到氯、 铁、 锰、 硫化氢的降解 以及细菌侵袭， 通常在该 RO 系统之前需要沉降过滤器和颗粒活性炭 (GAC) 预过滤器。对于 挥发性有机化合物 ( 例如苯、 MTBE、 三氯乙烯、 三卤甲烷 ) 和氡， 需要其他处理， 例如 GAC。
该 RO 过程是相当慢的， 对于每加仑 (3.8 升 ) 净化水可能需要 3-10 加仑 (11.4-38 升 ) 的未处理水， 这使其用于缺水的区域成为问题。在没有二次处理 ( 例如对可能包含生 物污染物 ( 例如病毒和细菌 ) 的水的 UV 处理 ) 的情况下， RO 水处理并不推荐使用。
UVC 净化器通过通常使用释放 253.7nm 最高波长的低压汞灯照射水中的病原体来 工作。其他 UVC 系统是基于中压汞灯的。目前存在很多不同类型的 UVC 水净化系统。
UVC 具有在约 200nm-280nm 范围内的波长， 也称作杀菌 UV， 因为证实其使非常宽范 围的病毒、 细菌、 病原体、 蠕虫、 酵母菌和霉菌失活或将其杀死方面是有效的。UVC 净化系统 的优点是其能够处理用于所有人群部分的饮用水， 与其他杀菌技术 ( 例如碘和氯 ) 不同。 UVC 系统在水中不留下残余的杀菌化合物。
很多难于杀死的病原体之一是小球隐孢子虫卵囊， 其需要约 200mJ/cm2 的 UV-C 照 射密度将其杀死。 因此， 需要的是净化所有待处理水的水净化系统， 其不需要昂贵的化学物质或将 需要替换的过滤器， 其产生能够被所有人 ( 包括孕妇、 小儿童和老年人 ) 饮用的水， 且其能 够根据水中存在的杂质的类型和浓度而可以对该净化方法廉价地进行调节。
发明概述
依照本发明， 紫外 -C(UVC) 基水净化系统使用新型挡板阵列以提高施加每单位 UVC 光能对水中病原体的根除效率。该系统能够处理在全世界的天然淡水源中发现的广范 围的水生细菌、 病毒、 原生动物、 蠕虫、 酵母菌和霉菌。通过在该系统中增加预过滤器或后 过滤器或臭氧化或过氧化氢， 能够除去重金属、 无机化合物、 杀虫剂和 / 或有害的有机化合 物。因为其能够处理大量全世界的水生病原体， 因此可以使用该单一净化器系统有效处理 全世界所有地方的饮用水中的水生病原体。
该系统的一种实施方案的新特征是使用非必要的用于监控灯功率输出以直接测 定照射水平的闭环反馈系统。这能够通过光学二极管进行， 或者间接通过用变流器或霍尔 效应传感器对该 UVC 等电流或镇流器电流进行连续测定而进行。该反馈电路将实际功率与 预设值进行比较， 并且在如果该系统产生不足以失活或杀死该病原体的功率的情况下使用 该比较情况来控制阀门停止或降低该水的流速。 该系统可以装备有流速测定装置和数字或 模拟控制系统。
依照本发明的一种实施方案， 将充足量的 UVC 功率施加给该水以使小球隐孢子虫 卵囊失活。本发明施加足够的 UVC 能量以使病原体细胞死亡。
依照本发明， 将足够的 UVC 照射施加给水以使小球隐孢子虫卵囊失活并使该病原 体细胞死亡。
现有技术 ( 专利号 6403030) 教导能够使用较低的 UVC 功率水平代替使细胞死亡 所需的较高的功率水平， 在实验室条件下使隐孢子虫死亡。
在该失活过程中， 该 DNA 的胸腺嘧啶碱基包含强烈吸收 UVC 光波长的芳香环。当 吸收足够的 UVC 光时， 越过该 DNA 链， 胸腺嘧啶碱基和其碱基对之间的化学键断裂。然后该
胸腺嘧啶碱基与相邻的碱基化学结合， 产生胸腺嘧啶二聚物， 其防止病原体的复制。然而， 在野外条件中， 该病原体通常与遮蔽该 UVC 光的颗粒结合， 因此可能需要施加比在实验室 条件下杀死该病原体所需的 UVC 能量的量更高量的 UVC 能量以确保充分杀死该病原体。
通过 UVC 照射失活或杀死宽范围的病原体， 包括细菌、 病毒、 原生动物和蠕虫。依 照本发明， 产生充分量的 UVC 照射， 其意于杀死以下名单上的每种病原体。该名单代表在全 世界的天然水源中典型发现的病原体。其并非穷举。
原生动物 ：
世界卫生组织列出的更常见的原生动物 ：
溶组织内阿米巴
肠贾第鞭毛虫属
小球隐孢子虫
其他原生动物 ：
阿米巴痢疾
兰伯贾第鞭毛虫属 ：
胚泡
粪类圆线虫
粪类血吸虫
曼氏血吸虫
日本血吸虫
湄公河血吸虫
埃及血吸虫
斑氏线虫
马来丝虫
罗阿眼丝虫 (Loa Loaeye)
旋盘尾丝虫
华支睪吸虫
棘球蚴病 (Hyatid disease)
克氏锥虫
蛲虫病
蛔虫巨大蛔虫 (Ascarisgiant roundworm)
十二指肠钩虫
鞭虫 (Richuriswhip worms)
锥虫型寄生虫 (Trypanasoma parasites)
龙线虫病
细菌 ：
世界卫生组织列出的较常见的细菌 ：
空肠弯曲杆菌或大肠弯曲杆菌
致病性大肠杆菌
伤寒杆菌霍乱弧菌 小肠结肠炎耶尔森菌 绿脓杆菌 气单胞菌 其他相关细菌 ： 炭疽杆菌 啤酒酵母 白喉棒状杆菌 痢疾杆菌 ( 腹泻 ) 大肠杆菌 ( 腹泻 ) 犬钩端螺旋体嗜肺军团菌 结核分枝杆菌 肠炎沙门氏菌 副伤寒沙门氏菌 痢疾志贺菌 弗氏志贺菌 表皮葡萄球菌 粪链球菌 砂眼 伤寒 屎肠球菌 大肠菌群 粪链球菌 金黄色葡萄球菌 亚硫酸盐减少厌氧菌 绿脓杆菌 副溶血性弧菌 脑膜炎球菌性脑膜炎 病毒 ： 世界卫生组织列举的更常见的病毒 ： 腺病毒 肠道病毒 ( 脑膜炎 ) 甲型肝炎 诺瓦克病毒 轮状病毒 小圆形结构病毒， 包括诺瓦克病毒、 星状和轮状病毒 其他病毒 ： 噬菌体 - 大肠杆菌 乙型肝炎戊型肝炎
诺如病毒
流感
脊髓灰质炎病毒 - 脊髓灰质炎
白喉
麻疹
牛绵状脑病
蠕虫
世 界 卫 生 组 织 认 定 的 更 常 见 的 蠕 虫 中 的 一 种 是 麦 地 那 龙 线 虫 (dracunulus medinensis)( 龙线虫病麦地那龙线虫 (dracunculiasis guineaworm))。
其他蠕虫 ：
裂头属 - 绦虫
吸虫
血吸虫属 ( 裂体吸虫病 (schistosomiasis)， 血吸虫病 (biharziasis))
水源 用于本发明的实施方案的净化系统的水源能够广泛不同。水源的实例是湖泊、 河 流、 小溪、 井、 自流井和甚至可能具有差质量水的民用给水。
该系统设计以在来自例如高位槽的来源的低水压下操作， 尽管其也能够对高水压 有效操作， 例如 60psi(410kPa) 的生活用水管线。 其优选是重力给水的。 该净化器具有低流 动阻力， 导致对输入给水的低压头需求。 对于重力给水系统， 该低压头需求将使水槽在该净 化单元之上的高度最小化。例如， 具有在该净化器之上的高度为 12 英尺 (3.7m) 的水槽会 在该净化器入口提供 5.2psi(36kPa) 的压头。很多其他用于将水提供给该单元的方法也是 可以的， 例如手动或电动泵、 家用压力水、 升高的天然来源和类似或等效的结构或设置。可 替代地， 将水手动提升到升高的存储槽中。
研究显示当有机体寄宿在颗粒内时或当该颗粒本身是 UV 吸收剂时， 水浊度抑制 紫外消毒。否则， 浊度并不妨碍消毒。能够通过使用预过滤器将很多这些寄宿生物体从水 源中释放出来。预过滤器的一种实例是砂预过滤器。该系统的优选实施方案设计用于小 于 5NTU( 比浊法浊度单位 (NephelometricTurbidity Unit)) 的引入水浊度。对于更浑浊 的水， 必须使用砂预过滤器或硅藻土预过滤器或筒式过滤器或其他预过滤器以去除颗粒物 质。可替代地， 可以在其进入该过滤器之前使用沉降槽使该颗粒从水中沉降出来。如果该 系统也不能通过 UV 消毒而将其充分净化， 可以使用具有 2 微米开口的预过滤网或其他小于 3 微米的过滤器将小球隐孢子虫卵囊和其他病原体从水中预过滤出来。
该水的浊度影响该 UVC 能量的病原体杀死半径。对于具有低于约 5NTU 的浊度的 水， 该 UVC 吸收系数典型地在约 0.01/cm- 约 0.021/cm 之间变化。因此， 在距灯表面 15cm 的半径处， 使用最佳情况的吸收系数， 吸收 85％的 UVC 能量。 该信息用于设计如下所述的照 射子腔室。
以下是能够引入依照本发明的具有流体流动子腔室的系统的一种或多种实施方 案中的其中的特征 ：
1. 一排基本沿流体 ( 例如水 ) 在该子腔室中的流动方向上定位的挡板， 以在一个
或多个 UVC 光源周围产生待净化流体通过其的部分子腔室。
2. 具有上述特征 #1 的系统， 具有并联或串联的多个子腔室。
3. 在该系统中使用的挡板， 优选在子腔室中产生流体或水流以提高病原体对 UVC 光的暴露。
4. 在该系统中使用的挡板， 在其顶部处或附近具有小通道以使空气从该系统中渗 出。
5. 在该具有挡板的子腔室中的石英管内的至少一个 UVC 灯， 基本位于与该石英管 垂直或与其成选定角度。
6. 上述特征 #1 的系统， 具有至少一个在涂覆有 FEP 的石英管中的 UVC 灯， 以降低 外来物质在该石英管上的沉积。
7. 上述特征 #1 的系统， 具有至少一个涂覆有 FEP 的 UVC 发射灯， 其中该 FEP 覆层 与水接触， 但该灯的端部并未浸没。
8. 上述特征 #1 的系统， 具有至少一个脉冲 UV 源。
9. 上述特征 #1 的系统， 具有一个或多个中压或低压 UVC 灯。
10. 上述特征 #1 的系统， 具有微波 UVC 源。 11. 上述特征 #1 的系统， 具有至少一个 UVC 发射 LED。
12. 上述特征 #1 的系统， 在用于流体 ( 例如水 ) 的净化器中具有至少一个 UVC 发 射 LED， 具有来自分别感应来自该 LED 的信号强度或提供给 LED 的电流的发光二极管或变流 器的闭环反馈。
13.UVC 水净化系统， 使用通过经激光光谱法直接测定系统中排出的水中的细菌的 闭环反馈。
14. 悬挂在一排挡板和子腔室上用于净化水的 UVC 发射灯。
15. 使用超声波发生器和一个或多个换能器清洁该 UVC 发射灯和 / 或发射管。
16. 导热 UV 管， 用于将该系统电子元件产生的热散热到水中。
17. 箔筒， 环绕该系统中所用的 UVC 灯的端部。
18. 闭环反馈， 用于监控镇流器的输入电流或灯的输入电流以确保有足够的电流 驱动该 UVC 灯， 并因此根除待净化流体中的病原体的。
19. 闭环反馈， 用于监控镇流器的输入电压或灯的输入电压以确保给 UVC 源提供 足够的动力以根除待净化流体中的病原体的。
20. 与反馈系统结合的阀， 用于在如果该电流或电压或 UVC 输出低于预设阈值时 自动停止该水流。
21. 在该系统启动或重新启动时的延时， 其保持该输出阀关闭， 直至处理过净化器 中残余体积的流体的病原体为止。
22. 自动排气阀， 使用浮球从该系统中连续除去空气。
23. 使用与无线通信系统相结合的 UVC 水净化系统， 将参数 ( 例如流量、 操作时间、 维修需求和其他与该流体净化系统的操作和 / 或状态有关的信息 ) 从该系统中传送到计算 机或通信网络， 以通知观察者该系统需要维修或需要一些特别行动。
24. 使用感应通过 UVC 发射灯周围的石英管传出的 UVC 光的光电二极管， 以提供该 灯输出的反馈， 由此可以监控该系统对净化流体 ( 例如水 ) 的效能。
25.UVC 水净化系统， 具有流量传感器， 其通过由挡板两侧的压差计算流速而测定流量。 26. 用于水或流体净化系统的流体流动子腔室的制造方法， 使用加热塑料管、 插入 挡板并沿径向压缩该管以将该挡板部分插入该管的内壁中。
27. 上述特征 #1 的系统， 具有 DC 换流器。
28. 将 UVC 水净化器与砂滤器结合使用。
29. 上述特征 #1 的系统， 使用光源， 例如人力发电器或太阳能。
与以下与本发明有关的附图相结合并结合详述， 本发明将得到更全面的理解。
附图说明 图 1 显示了依照本发明的具有外壳的净化器系统的一种实施方案的立体视图。
图 2 显示了图 1 中的净化器系统和外壳的立体剖面图， 显示了两个不锈钢净化管 40 之一的横截面， 在该管 40 具有 TIG 焊接挡板 21 和每个端上的塑料灯帽 14。
图 3 显示了没有外壳的净化器的剖面图。
图 4 显示了该净化器管端的剖面图。
图 5 显示了净化器管端帽。
图 6 显示了灯帽。
图 7 显示了完全 FEP 封闭的灯， 具有非必要的箔罩。
图 8 显示了交叉管和排气阀的剖面图。
图 9 显示了单一挡板。
图 10 显示了具有外围接头的挡板。
图 11 显示了具有外围突出部和周边孔阵列的挡板。
图 12 显示了安装在子腔室内的挡板， 具有通过每个挡板中的开孔的灯， 在每个挡 板周围的外圆周上发生流体流动。
图 13 显示了具有直径增大的孔螺旋阵列的挡板。
图 14 显示了从具有螺旋孔的挡板的水流流型。
图 15 显示了在该挡板中的开孔圆周上具有用于灯的唇缘的挡板。
图 16 显示了从具有唇缘的挡板的水流流型。
图 17 显示了具有通道的挡板。
图 18 显示了从具有通道的挡板的水流流型。
图 19 显示了具有螺旋形内唇缘的挡板。
图 20 显示了具有大螺旋形内唇缘和前缘唇缘的挡板。
图 21 显示了具有大螺旋形内唇缘和后缘唇缘的挡板。
图 22 显示了具有弯曲叶片的挡板。
图 23 显示了对于具有弯曲叶片的挡板的水流流型。
图 24 显示了具有偏斜径向叶片的挡板。
图 25 显示了设置在通过挡板中的孔延伸的中心透明管的中心 UVC 发射 LED 光源。
图 26 显示了具有焊接孔的净化管。
图 27 显示了波纹净化管的剖面图。
图 28 显示了净化管波纹的特写剖面图。
图 29 显示了模制净化管的剖面图。
图 30 显示了两块模制净化管。
图 31 显示了三块模制双净化管， 中心是单一块。
图 32 显示了非感应电路框图。
图 33 显示了人力系统。
图 34a-34m 显示了与本发明的实施方案使用的控制系统和控制电路的框图 ( 图 34a) 和相关电路图。
图 34n 显示了图 34b-34m 的关系。
图 35 显示了数字控制系统的框图示意图。
图 36 显示了与 UVC 灯邻近的光电二极管 UVC 输出传感器 630。
图 37 显示了具有用于传感来自灯 20 的 UVC 光的光电二极管的电路框图。
图 38 显示了集成在挡板之间以帮助测量流体流量的压力传感器的剖面图。
图 39 显示了可替代的系统设计的放大图。
图 40 显示了在挡板之上具有 UVC 光 20 的矩形挡板系统。
图 41 显示了具有圆周 UVC LED 的系统的剖面图。
图 42 显示了具有集成的净化管超声清洗的系统的剖面图。
图 43 显示了在灯 20 周围具有石英管 24 的本发明的净化系统的实施方案。
图 44 显示了在 UVC 灯 20 周围具有石英管 24 和在石英管 24 周围具有挡板 21 以 在该挡板 21 的开孔内径与石英管 24 的外表面之间保留环状空间的本发明的系统的一部分 的横截面图。
图 45 显示了在管 40 中安装有四个 (4) 石英管 20-1 到 20-4 的本发明的结构， 每 个灯 20 延伸通过在所述的每个个挡板 21-1 到 21-3 中的相应开孔 263。
图 46 显示了图 45 的结构， 其中每个灯 20-1 到 20-4 安装在石英管 24-1 到 24-4 中。
图 47 显示了图 45 和 46 的结构， 在每个挡板 21-1 到 21-3 中具有单一非圆形开孔， 用于接受具有石英罩 24 的石英管 20 并允许其通过。
图 48 显示了本发明的实施方案， 具有与该水净化系统集成的无线网络， 用于允许 在包含水净化系统的位点之间进行数据和声音传送。
图 49 显示了用于该通信系统的系统框图。
详述
尽管在此处的发明背景、 发明概述、 附图说明和书面描述中有时使用词语 “本发 明” ， 但只有权利要求意于限定本发明， 该文件的其余部分意于描述本发明的背景和依照本 发明的示例性实施方案， 因此这些实施方案的描述仅是解释性的而非限定性的。
本发明的优选实施方案包括便携式单元， 在没有预过滤器和后过滤器的情况下具 有约 50 磅 (23kg) 的干重量。 在该优选实施方案中， 该系统每小时净化约 50 加仑 (1900 升 ) 到约 5000 加仑 (3800 升 )。当然， 本发明也能够在非便携式实施方案中实施。
对于每小时制备 500 加仑 (1900 升 ) 的系统， 在每天操作 4 小时中能够净化平均 1000 人的村庄的整个 2000 加仑日需求量。本发明的优选实施方案以 500 加仑 (1900 升 )/小时的速度制水， 这意于满足下面讨论的 EPA 指导标准水质量。
本发明与现有技术相比在杀死病原体方面节约了大量的能量， 因为与现有的 UVC 水净化系统相比， 其引入了一排挡板以提高来自该系统的每总 UVC 功率输出的净化水输出 流速。因此， 该挡板成倍增大了该 UVC 光的病原体杀伤力， 以提高该系统的效能。
系统构造和操作
图 1 中显示了该系统的优选实施方案。 该系统可以容纳在具有入口 11 和出口 12、 把手 16 和电源线 15 的保护性外壳 10 中。该系统在每个灯的两端上具有灯帽 14 以密封和 保护并允许与 UVC 灯 20 电接触 ( 图 2)。该系统还具有下述的排气阀排出孔 13。
图 2 是图 1 中的该系统的一种实施方案的立体剖面图， 显示了两个具有挡板 21( 在一种实施方案中 TIG 焊接到该管上， 但能够以任何其他适合的方式结合到该管上。) 和在该管 40 每个端的灯帽 14( 优选是塑料的 ) 的净化管 40-2 和 40-1( 优选是不锈钢的 ) 之一的横截面。UVC 发射杀菌灯 20 沿着每个管 40-2 和 40-1 的长度位于每个管 40 的中心。 可替代地， 可以使用微波 UVC 源。在一种实施方案中， 该挡板 21 焊接到该净化管 40 上。该 挡板 21 将每个管 40 形成的腔室分成子腔室 22-1 到 22-N， 其中 N 是比挡板 21 数大 1 的整 数。在一种实施方案中， 管 40 长约 48 英寸 (48” )， 使用三十七个 (37) 挡板 21 产生三十八 个 (38) 子腔室。该挡板沿该腔室的长度的间距不必相等。 图 3 显示了具有外壳并除去碰撞保护泡沫的系统的实施方案， 更详细地解释了具 有开关 39 的防水电子元件机壳 36、 小时计 38( 其将该系统操作以净化流体的累积时间通 知给使用者 )、 LED 状态指示器 25 和保护环 37。该电子元件封闭在具有防水引线的该密封 防水外壳 36 中。该电子元件机壳可以安装在传热条 26( 典型地为不锈钢的， 尽管也能够使 用其他导热材料 ) 上， 该传热条 26 被焊接到该净化管 40 上。可以使用传热化合物或传热 带来提高到机壳支架 26 的传热速率。该系统电子元件产生的废热可以转移到通过该子腔 室的水中用以冷却。该电子元件 ( 下面将描述 ) 为该管 40 中的 UVC 灯 20 提供电力并包括 镇流器和换流器。可以从该镇流器和该换流器中将热量传给导热电子元件外壳， 然后传给 导热电子元件机壳安装板 26， 然后传给导热不锈钢管 40， 以将该热吸收到通过该系统的水 中。因此也可以使用该正在净化的水来冷却该系统。
优选使用铝或不锈钢螺栓连接该机壳底座 26 与该电子装置外壳 36。这些螺栓将 从该外壳传热到冷却水散热器中。 该电子元件机壳 36 能够永久密封或可开启用于维护。 可 替代地， 或除此之外， 可以使用公知设计的常规自由或强制空气对流散热器。
水从非必要的砂滤器 ( 未示出 ) 和 / 或其他预过滤器 ( 未示出 ) 中通过入口弯管 28 和滤网 29 进入该净化器系统。该系统的入口优选包含一个或多个网， 例如放置不锈钢 网， 以保持颗粒物质不能进入该系统。该网可以与其上游的第二可除去的网结合。
图 3 显示了该控制阀 32， 其是常关出口阀， 如果该系统电力不足将其关闭。 在电子 元件机壳 36 中的电路延时保持阀 32 在系统启动过程中关闭直至消耗足够的时间净化该系 统中最初残余的水为止。该出口弯管 31、 入口弯管 28 和保护入口网 29 与具有非必要的自 动排气阀的交叉管 41( 其将净化的水从第一管 40-1 送到水流过其的第二管 40-2， 同时该净 化处理继续 ) 一起显示。优选使用不锈钢入口和出口弯管和交叉管。这些入口、 出口和交 叉管优选没有呈圆角的弯曲， 以使该子腔室反射的 UV 能量最小化。该系统中的所有管 40 都优选具有激光切割精度并用于降低制造成本。如下所述， 自动排气阀 42 可以位于该交叉
管 41 上。
图 4 显示了接近一个净化管 40 端部的横截面的放大视图。在水通过开孔 56 进入 该系统之后， 其流入第一子腔室 22-1， 在其中其暴露于 UVC 光源 20。然后该水流动通过第 一挡板 21-1 和该 FEP 涂覆的 UVC 灯 20 之间的中心环形开孔 23-1， 进入第二子腔室 22-2， 等等， 直至其到达该系统中的第一管 40( 图 3 中显示为管 40-1) 的端部。然后该水优选流 出该管的顶部以确保最大 UVC 暴露。如图 3 中所示， 该水从管 40-1 的顶部通过该交叉管 41 流到另一管 40-2， 在其中该水暴露于更多的 UVC 光。可替代地， 交叉管 41 能够包括用于从 该电子元件外壳 36 中除热的具有高导热性的传热管的一部分。该水通过出口 33( 图 3) 离 开管 40-2 和该系统。
灯密封和电连接
该不锈钢系统优选对于每个子腔室都具有不锈钢端帽 50， 如图 5 中所示。每个端 帽 50 具有中心灯孔 55， 其具有用于容纳密封到该灯和该端帽上的 o 形环的锥形座 52。在 该端帽中可以有第二孔 53， 用于该灯线通过以接到该镇流器。 该端帽 50 的外表面可以是平 坦的， 以将该 o 形环 44 和 46 密封在图 4 和 6 中所示的灯帽的外圆周上。该端帽具有焊接 到其上的螺母 51， 用于固定该灯帽并为该 o 形环提供密封力。 可替代地， 可以使用任意其他 适合的用于将该端帽附着到该灯帽上的方法。 优选将每个端帽 50 分别钨电极惰性气体保护焊 (GTAW) 在一个净化管 40 的端部。 每个端帽 50 可以分开以便于容易焊接到该净化管上。在焊接到该净化管上之后， 可以通过 将其直边焊接在一起而将每个端帽 50 焊接或结合到邻近的端帽 50 上。可替代地， 可以使 用其他结合技术 ( 例如粘结或将螺纹连接到该管 40 周围的压缩衬套或 o 形环， 塞入该端帽 50 中 )。可替代地， 该端帽不是由不锈钢制成的， 而是如下所述 . 压力铸造合金或模制塑料 的。
图 4 显示了用两个 o 形环 44 和 46 将灯帽 14 密封到该端帽 50 上。第一 PTFE o 形环 44 位于灯帽 14 上的内凹槽中。此处， 使用公知设计的 PTFE o 形环 44， 该灯帽 14 将 该杀菌灯 20 密封到端帽 50 上。由于灯帽 14 被螺丝连接到端帽 50 上， 而施加在 o 形环 44 上压力， 使该中心 o 形环 44 密封子腔室 22-1 流入电外壳和灯 20 的电触点 45。由于锥形 o 形环座 52， 该压力具有作用于灯 20 上外 FEP 覆层 80 的径向向内的分量 ( 参见下面讨论的 图 7)。由于在 PTFE o 形环 44 上密封力的增大， 优选使用不锈钢端帽 50。
该灯帽 14 具有非必要的中心弹性缓冲器 57， 以在组装过程中对准该灯 20 并防止 在运输和操作过程中灯帽 14 到灯端部的碰撞。该灯帽 14 的外部部分可以在其光滑的外表 面上用第二密封 o 形环 46 密封到该端帽 50 上， 以产生用于电连接和配线的单独的防水配 线隔室。该灯配线可以通过端帽 50 中的孔 53 进入防水密封的导管系统中，
图 6 中更详细地显示了该灯帽 14 的外部凹槽 61。该非必要的外部 o 形环 46， 装 配到凹槽 61 中， 能够密封该灯帽 14 和该端帽 50 之间的灯电线。该外部 o 形环 46( 图 4) 优选是由比中心 o 形环更顺从的材料制成， 例如氟橡胶、 硅酮、 丁腈橡胶 (Buna-N) 或 FEP， 以 使该外部 o 形环 46 能够变型并密封， 即使该灯帽 14 继续在中心 o 形环 44 上施加力以将该 灯 20 在中心锥形座 52 处密封到端帽 50 上。
FEP 灯覆层
可以优选用 FEP( 氟化乙烯丙烯 ) 的圆周层 80 在其整个长度上覆盖该灯， 如图 7
中所示。该 FEP 覆层优选以薄管的形式施加， 其可以热收缩在该灯 20 上。优选地， 全圆周 辐射或强制对流加热元件沿该灯的长度以受控速度和温度移动以使该 FEP 管 80 收缩在该 灯上的适当位置。
位于接近灯 20 端部的该 FEP 覆层 80 下的薄膜保护罩 82 优选是由具有丙烯酸粘 合剂衬垫的铝箔制成的。 可替代地， 其可以由不锈钢箔或 PVDF 的薄膜、 填充有碳黑的 PTEE、 PEI 或其他薄材料制成。这些箔保护罩 82 卷绕在每个灯 20 的端部以保护该 o 形环 44 和聚 合物灯帽 14 不会受到来自每个灯 20 的 UVC 照射可能的损害。
环绕该灯 20 的该 FEP 覆层 80 可以完全封装该灯 20 和该电触点， 如图 7 中所示。 如果该灯 20 和该触点 45 完全封装在 FEP 80 内， 那么随着该导线 91 离开该 FEP 覆盖层 80， 用 FEP 80 密封该导线。在 o 形环 44 内灯 20 的长度 ( 即到图 7 中 o 形环 44 的左侧 ) 浸渍 在待净化的水中， 以使该 FEP 覆层 80 与水接触， 但突出到图 7 中的右侧 o 形环 44 之外的 FEP 覆盖的灯 20 的部分未浸没。可替代地， 如上所述， 该触点 45 可以敞开， 且在灯帽 14 内 未覆盖 FEP 80。该灯帽 14 可以金属化或镀覆或涂覆有 UVC 抑制涂料以保护其不受 UVC 照 射的损害。可替代地， 如上所述， 金属覆层 82 可以施加于在 FEP 覆层 80 之下的灯 20 的端 部， 以防止对 o 形环 44 和灯帽 14 的照射。用存在的该箔薄层 82 能够将该 o 形环 44 仍密 封到灯 20。
该端帽 14 可以由常用热塑性材料 ( 例如 PVC、 ABS、 聚碳酸酯或其他材料 ) 或热固 性材料模塑成形、 或可以由选自铝、 锌、 镁或其他合金铸成的金属压铸件。该端帽 14 的内表 面能够由 PVDF 或 PEEK 或 PEI 或其他耐 UV 材料制成。
使用模制的端帽 14 和不锈钢或铝腔室 40( 也称作管 40)， 在每个灯 20 的端部可能 需要更宽的保护带层 82( 图 7) 以通过堵塞来自灯 20 的延伸到最后子腔室 ( 例如 22-1( 图 4)) 之外的该部分的 UVC 照射， 而降低或防止对端帽 14 的 UVC 损害。此外， 能够将不锈钢或 铝或其他 UV 保护罩 82 放置在该端帽 14 的该端部内以保护其。该端帽 14 内的保护罩的形 状可以是平面的或具有其他形状， 例如杯状， 以保护在子腔室壁的圆周上的端帽塑料， 其可 能被 UVC 辐射照射。在该灯 2 端部的箔保护层或覆层具有降低了位于该灯 20 端部的子腔 室 22 的净化有效性的缺点。
如果该系统使用模制塑料端帽 50， 那么安装在端帽 50 上的 PVC 弯管可以通过安装 不锈钢或铝保护罩保护以屏蔽 UVC 对该塑料的直接照射， 使其不受 UVC 照射。
碰撞保护
该系统的优选实施方案设计以承受崎岖的地形条件。 该系统的优选实施方案具有 由 PVC 膨胀泡沫或波纹状塑料或其他材料制成的保护外壳 10( 图 1)， 该管 40 的组件通过该 泡沫或其他减震材料或装置而悬于该外壳 10 内或与其分开。
排气阀
将水从第一净化管 40-1 传送到第二净化管 20-2 的交叉管 41( 图 3) 具有非必要 的排气阀， 以使空气可以逃逸到管 40 外， 如图 8 中的剖面图所示。该交叉管 41 优选位置比 净化罐 40 更高， 如图 3 中所示， 以使排放的空气升高到该系统中的高点， 在此处能够将其清 除并使得在管 40-1 和 40-2 中的水流和 UVC 光的组合优化该病原体在水中的分解。气穴的 消除使每个子腔室 22-i 能够用于水流动的体积最大化， 由此使该病原体照射 UVC 光的时间 最大化。该系统中的每个挡板 21-i(i 是由 1 ≤ i ≤ (N-1) 给出的整数， 其中 N 是管 40 中子腔室 22 的数量 ) 具有一个或多个小开口 ( 例如挡板 21 中的开口 261( 图 9))， 空气能够 通过其逃逸到系统外。一旦启动以及在操作过程中定期将空气排放到系统外。
优选地， 该非必要的空气排气阀 42( 图 3) 是自动的， 如图 8 中所示。在该结构中， 该排气阀 42 具有接近公差球形的聚丙烯球 208。当在其下存在空气 ( 甚至空气气泡 ) 时， 由于球 208 的密度大于空气， 因此球 208 下沉， 球 208 位于直径大于球 208 的孔 209 内， 以 使空气可以在球 208 和该孔之间通过。当在球 208 下存在水而没有空气时， 球 208 与水一 起上升， 水力将该球 208 按压到锥形座 205 上以防止大量水通过该排气阀 42 损失。球 208 具有均匀的直径并具有平滑的表面以密封到该座 205。 可替代地， 球 208 有另一种比重比水 小的材料制成。可替代地， 使用密度小于水的中空球 208。球 208 能够由弹性材料制成或 覆盖有弹性材料以改进其密封性质。该座 205 也具有光滑的表面以优化密封。孔 209 也是 光滑的 - 但能够是波纹状的以使空气通过球 208， 而不会使球 208 从该孔的中心显著移位。 可替代地， 该排气阀能够是手动的， 每当空气进入该系统中时， 需要操作者将其开启以释放 系统中夹带的空气， 然后将其再次关闭。可替代地， 可以用电螺线管操作排气阀 42。
流动控制阀
水在移动通过该交叉管 41 之后， 然后进入第二管 40-2( 图 3)， 在此处其继续接收 UVC 暴露并流动通过一排挡板 21-1 到 21-(N-1) 和子腔室 22-N， 其中 N 表示每个管 40 中子 腔室的数量， 并在图 3 中的第二管 40-2 中显示为二十一 (21)。该子腔室的数量 N 能够变化 到实现所需的净化无论需要多少的数量。该水通过向上流动通过出口到达阀 32 离开该第 二管 40-2， 在阀 32 处其流出该净化器出口 33， 可能流向后过滤器。优选该阀 32 的流动阻 力足够低以便能够使用低压供水系统 ( 例如重力给水 )。
该阀 32 优选由注模塑料制成， 并用螺纹连接到不锈钢出口管 31 上。可替代地， 该 阀 32 能够以更共形的形状模制并， 直接安装在最后子腔室 22-N 的出口管 31 上。该阀 32 可以集成到具有集成的入口和出口端部 ( 为示出 ) 的注模端帽中。该系统能够使用单一管 40 用于较低的流速或用超过两个管 40 用于较高的流速。该系统可以使用更小直径的子腔 室 22-n( 其中 n 是由 1 ≤ n ≤ N 给出的整数 )， 用于更小的流速或更小的灯功率水平。如果 浊度足够低， 该系统也能够使用较大直径的子腔室 22-n。 如果需要， 该系统也能够使用串联 的大于两个的管 40。可替代地， 两组或更多组的管 40 能够并联使用， 以提高用于更高体积 应用的流速。
系统材料
该系统中的管 40 优选是由 304、 304L、 316、 316L 或其他不锈钢或阳极铝构成。可 替代地， 该净化管 40 可以通过共挤出聚合物食品级塑料与耐 UVC 聚合物共挤出内衬制成， 该共挤出聚合物食品级塑料例如 PVC、 聚乙烯或聚丙烯、 高密度聚乙烯或低密度聚乙烯， 该 耐 UVC 聚合物共挤出内衬例如聚酰亚胺、 聚四氟乙烯 (PTFE)、 氟化乙烯丙烯 (FEP)、 聚偏二 氟乙烯 (PVDF)、 聚醚醚酮 (PEEK) 或聚醚酰亚胺 (PEI))。可替代地， 如果在该聚合物中添加 碳黑或其他 UV 抑制剂以防止 UVC 损害， 该净化管 40 可以由 PVC 或聚碳酸酯或丙烯酸树脂 或其他不抗 UVC 的聚合物材料制成。
可替代地， 管 40 能够具有耐 UV 聚合物 ( 例如 FEP 或 PVDF) 的吹塑内层。能够将 该共挤出的管 40 加热并压缩， 以密封并记录如下所述该挡板 21 沿该管 40 的位置。
可替代地， 该聚合管 40 能够内衬有铝或不锈钢。这些内衬能够是穿孔的、 开缝的或开槽的以将该挡板 21 容纳定位。该衬里可以滑入该管 40 中。管 40 能够软化并在该衬 里周围压缩， 或可替代地， 该 PVC 管 40 可以模制在铝或不锈钢或其他衬里上。
可替代地， 能够用铜、 铝或其他金属将具有不锈钢或铝挡板 21 的 PVC 管 40 金属化 或电镀， 以降低 UVC 对子腔室壁的损害。
如果用 UV 稳定剂 ( 例如二氧化钛或碳黑 ) 保护， 并且如果有足够大的直径以将其 保持在距灯 20 在足够的距离以保持足够的寿命， 将在长期暴露于高浓度的 UVC 过程中具有 有限寿命的材料 ( 例如 PVC) 用于管 40 是可接受的。在场测试中， 具有 5NTU 的浊度的水在 超过 200mm 的距离吸收大于 1/e 的 UVC 能量。
UVC 从该 PVC 管 40 的内壁的反射率约为入射能量的约 12％， 尽管由于管半径降低 了到达 PVC 管 40 的 UVC 光的量， 该能量损失更低。尽管该 PVC 不具有铝的约 66％ UVC 反射 率或不锈钢的 30％ UVC 反射率， 但将较低反射率的 PVC 用于管 40 的应用， 其正当理由是较 低的成本、 耐久性和较低的重量。因为较高反射率的管提高施加到待净化的水上的 UVC 能 量， 因此该管的反射率是重要的。
水的硬度影响能够吸收 UV 光的水的溶解性。硬水能够在管 40 或 FEP 表面上沉淀 碳酸盐， 或者如果该灯 20 封装在石英中， 沉淀在该石英的暴露表面上。可以将观察窗添加 到该系统上以观察一个或多个选定的子腔室 22-n 的清洁性， 并观察每个灯 20 上的沉积物。 FEP 覆层的使用可以降低这些沉积物的形成以及有机沉积物的形成。
该管 40 能够在一个或两个端帽 50 上具有清洁端口 ( 未示出 )。该清洁端口可将 薄的清洁工具通过开孔插入每个管 40 的端部以及每个挡板 21 的中央开孔 263 的内圆周 265( 图 9) 与每个灯 20 的外径之间的环形开孔 23( 图 4) 中。该清洁工具可以沿灯 20 的长 度移动以出去沉积物或颗粒物。 可替代地， 该清洁工具可以使用永久留在该子腔室中的杆， 其通过该子腔室端部上的水密密封件操作。
根据该系统的尺寸， 当充满时该优选系统中保留的水的体积为约 0.25 加仑 -10 加 仑 (1L-38L)。然而， 该系统能够具有适合的尺寸， 这些体积仅是示例性的而非限定性的。
挡板阵列
如上所述， 每个 UVC 照射管 40 包括由挡板 21-i 分隔的一组串联的圆筒形子腔室 22-n， 其中 i 是如上所述由 1 ≤ i ≤ (N-1) 给出的整数。该挡板 21 通过以分段方式限制水 中的病原体流动提高了沿净化器长度的病原体的杀灭率。 该水和水生病原体并不像其他 UV 基净化系统那样在照射场的长度上自由流动， 而是被限制以约束在由一组挡板 ( 例如挡板 21-i( 例如图 3 和 9)) 分隔的一排子腔室 22-n 中。该系统显著提高了给定流速下 UVC 照射 失活的病原体的百分比。
很多系统目前是存在且可在市场上得到， 其中单一管包含位于中心的杀菌灯， 其 照射沿管的长的长度通过该灯的水流。在传统的没有挡板 21 和子腔室 22 的 UVC 系统中， 与使用挡板的本发明相比， 水流会使一些水比平均更快地并具有更不平均的 UVC 照射到达 出口。实验室实验证明了该挡板在使该具有一排挡板 21 的系统比没有挡板 21 的另外的相 同系统杀灭显著更多的病原体的方面的有效性。
微生物测试
上述系统的测试报告在下表 I 和 II 中。这些测试都是依照用于测试微生物水 2 纯度 的美国环境保护署指导标准和草案 (United States EnvironmentalProtectionAgency Guide Standard And Protocol) 在 亚 利 桑 那 州 大 学 (Universityof Arizona) 进行的。这些标准设定在标准测试程序中从饮用水中去除的病原体水平 ： 对于细菌为 99.9999 ％ (6logs)、 对于病毒为 99.99 ％ (4logs)、 对于贾第鞭毛虫属和隐孢子虫属为 99.9％ (3logs)。
具有 38 个子腔室 22 的系统以 7.0psi(48kPa) 的入口压头 ( 在过滤器入口处测 定 )- 相当于 16 英尺 (4.88m) 水压每小时净化 1000 加仑净化水 (3800 升 / 小时 )。该系统 具有两个 75W UVC 灯 20， 总共产生约 50W 的 UVC 功率 (30％ UVC 功率输出 )。该系统由每个 具有 4.0 英寸 (100mm) 内径和 2.5 英寸 (64mm) 轴向长度的 PVC 子腔室 22-n 构成。该挡板 21-i 由 24 规格 (24gauge)(0.4mm 厚 ) 不锈钢板构成， 具有直径 1.5 英寸 (38mm) 的中心孔 263( 图 9)， 和 1.0 英寸 (25.4mm) 的涂覆有 FEP 的灯 20 的直径。每个挡板在该挡板 21 的 顶部具有 0.063 英寸 (1.6mm) 辐射式空气泄漏孔 261。
在该系统上以 500 加仑 / 小时 (1900 升 / 小时 ) 的流速进行的 MS-2 噬菌体测试， 在每升噬菌区形成单元中降低超过 99.9997％。相同的试验装置以 500 加仑 / 小时 (1900 升 / 小时 ) 的流速将大肠杆菌细菌污染物降低超过 99.99998％。
如下表 I 和 II 中所示， 依照本发明的具有挡板 21 的水净化系统在从水中去除病 原体方面提供了显著的进步。表 I 和 II 中的数据是在使用 MS-2( 用于检测意于去除病原 体的系统的有效性的标准噬菌体 ) 和大肠杆菌 ( 公知病毒 ) 的测试运行中得到的。表 I 显 示了用两个系统 ( 称作瑞门特普瑞 ( 瑞门特普瑞 (RemotePure)) 版本 3.0 和瑞门特普瑞 (RemotePure) 版本 4.0) 测试运行的结果。瑞门特普瑞 (RemotePure) 版本 3.0 具有两个管 40， 每个管 40 具有十四 (14) 个挡板 21， 以使每个管 40 形成十五 (15) 个子腔室， 在该系统 中总共有三十 (30) 个子腔室 22。瑞门特普瑞 (RemotePure) 版本 4.0 具有两个管 40， 每个 管 40 具有十八 (18) 个挡板 21， 以使每个管 40 形成十九 (19) 个 2
参照 US EPA 指导标准 (US EPA Guide Standard)
子腔室， 在该系统中总共有三十八 (38) 个子腔室 22。 这三种测试装置每个的体积 都相同。如表 I 中所示以及如下一段中将讨论的， 这两种系统产生对比结果。
将两种流速的水通过每个系统。第一种流速是五百 (500) 加仑 / 小时 (GPH)， 第二种流速是三百 (300) 加仑 / 小时。依照可获自美国环境保护署， 注册机构， 杀虫 剂 过 程 和 标 准 办 公 室 以 及 标 准 机 构、 饮 用 水 办 公 室， 华 盛 顿 (1987)， 第 39 页 (United States Envioronmental Protection Agency ， RegistrationDivision ， Office of Pesticide Programs and Criteria and Standards Divison， Officeof Drinking Water， Washington， D.C.(1987)， p.39) 的 US EPA 指 导 标 准 和 用 于 测 定 杀 微 生 物 的 水 净 化 器 的草案 (US EPA Guide Standard and Protocol forTesting Microbiological Water Purifiers)， 将 MS-2 和大肠杆菌注入流过该系统的水中。
表 I 和 II 中所示的结果是基于意于提供有效测定的测试， 这些测试类似于通过遵 循上述引用的指导标准的那些测试， 但为了成本和时间的原因， 并不完全符合该指导标准。 因此表 I 和 II 显示了类似于但并不完全符合该指导标准的这些测试的结果。在每个测试 中， 净化水的贮池具有仔细测定的所有都依照该指导标准添加并混合的 MS-2 和大肠杆菌 病原体量。 一旦将该水和病原体混合， 该混合物就流动通过每个系统， 直至适当量的系统体 积 ( 有时称作 “单元体积” ) 流动通过该系统为止。每个测试包括每个灯产生约二十五 (25)瓦特的 UVC 光。通过将一定剂量的来自该系统的输出水提取到包含该指导标准中所述的组 分的容器中， 并依照该指导标准培养所得到的内容物来测试从该系统中输出的水中存活的 病原体浓度。依照该指导标准测定所得到的病原体存量。表 I 和 II 显示了这些结果。
因此除了一种例外， 表 I 显示对于三百 (300) 和五百 (500) 加仑 / 小时的流量， 在三十 (30) 挡板系统和三十八 (38) 挡板系统中， 病原体的降低百分比都超过五个九 ( 即超过百分之九十九点九九九五 (99.9995 ％ ))。一种例外显示仅降低九十九点六二 (99.62％ )。我们相信该数据是原因不明的反常现象。
表I
具有挡板的系统
瑞门特普瑞 (RemotePure) 版本 3.0 的 MS-2 降低 - 三十 (30) 挡板系统结果作为 噬菌区形成单元 / 升 (PFU/L) 给出
流速 (GPH) 500(1A) 300(1B)
流入物 PFU/L 3.42e7 3.42e7流出物 PFU/L ＜ 1.67e2 ＜ 1.67e2对数降低 ＞ 5.31 ＞ 5.31降低百分比 ＞ 99.9995 ＞ 99.9995瑞门特普瑞 (RemotePure) 版本 3.0 的大肠杆菌降低 - 三十 (30) 挡板系统结果作 为菌落形成单元 / 升 (PFU/L) 给出流速 (GPH) 500(1A) 300(1B) 流入物 PFU/L 6.07e7 6.07e7 流出物 PFU/L 1.10e2 2.00e1 对数降低 5.74 6.48 百分比降低 99.99984 99.999971
瑞门特普瑞 (RemotePure) 版本 4.0 的 MS-2 降低 - 三十八 (38) 挡板系统结果作 为噬菌区形成单元 / 升 (PFU/L) 给出流速 (GPH) 500(2A) 300(2B) 流入物 PFU/L 6.45e7 6.45e7 流出物 PFU/L ＜ 1.67e2 ＜ 1.67e2 对数降低 ＞ 5.59 ＞ 5.59 百分比降低 ＞ 99.9997 ＞ 99.9997
瑞门特普瑞 (RemotePure) 版本 4.0 的大肠杆菌降低 - 三十八 (38) 挡板系统结果 作为菌落形成单元 / 升 (PFU/L) 给出流速 (GPH) 500(2A) 流入物 PFU/L 5.30e7 流出物 PFU/L ＜ 1.10e321对数降低 ＞ 6.78百分比降低 ＞ 99.99998101939261 A CN 101939264说5.30e7明书2.78 99.6217/37 页300(2B)
1.00E5*表 II 显示了与达到表 I 中所示结果所用的两种系统在所有方面都相同的系统的 结果， 只是不将挡板与该系统中的管一起使用。表 II 显示随着流速的升高病原体降低的 百分比降低。注意在没有挡板的系统中在 300gph 下， 最高的病原体降低百分比是百分之 九十九点八二 (99.82％ )。使用具有挡板的系统达到的结果与使用没有挡板的系统达到的 结果的比较显示， 与在测试中所用的没有挡板的同样系统相比， 在测试中使用的具有挡板 的系统的病原体降低总百分比至少高两个数量级。 有系统中挡板造成的水纯度的这种提高 可以显著防止水生疾病在由该系统制备的水中的传播。相同流速和相同 UVC 能量的水纯度 的提高表明与现有技术相比在该系统中使用挡板达到了显著的节能。
表 II
没有挡板的系统
瑞门特普瑞 (RemotePure) 版本 2.0 的 MS-2 降低结果作为噬菌区形成单元 / 升 (PFU/L) 给出
流速 (GPH) 300 500 700
流入物 PFU/L 4.80e7 4.80e7 4.80e7流出物 PFU/L 8.80e4 3.52e5 2.50e6对数降低 2.74 2.13 1.28百分比降低 99.82 99.27 94.76瑞门特普瑞 (RemotePure) 版本 2.0 的大肠杆菌降低结果作为菌落形成单元 / 升 (PFU/L) 给出流速 (GPH) 300 500 700 流入物 PFU/L 1.03e8 1.03e8 1.03e8 流出物 PFU/L 1.70e3 2.10e4 6.10e5 对数降低 4.77 3.68 2.22 百分比降低 99.9983 99.987 99.38测试的本发明的实施方案在流过具有子腔室的净化腔室的水的净化方面， 与通过 没有子腔室的净化腔室的水的相同体积流速相比， 达到了显著的改进。尽管其背后的原因 尚未清楚认识， 但我们相信与其中水直接流过管的现有技术系统不同， 该子腔室造成水的 每个微粒以使水的每个微粒接受到近似相同的 UVC 照射的方式暴露于 UVC 照射。在现有 技术的系统中， 我们相信一些水微粒快速流动通过该管， 并因此接受到较少的 UVC 暴露， 而 其他水微粒接受到更多的 UVC 暴露。然而， 该净化最终反应的是所有水微粒中的杂质平均 数， 因此总净化水平低于使用本发明的结构所达到的水平。我们相信该子腔室使每个水微 粒都接受基本均匀的 UVC 照射， 由此确保所有水微粒具有以相当均匀的速率被破坏的任何
杂质。如表 I 中的测试结果所示， 与现有技术的结构相比， 使用本发明的结构达到了约 2-3 个数量级的改进。
另一种考虑本发明达到的结果的基础的方式使该挡板 21 和子腔室 22 确保了每个 水微粒在管 40 中的滞留时间的静态分布非常符合小标准偏差。另一方面， 现有技术的水净 化系统可使水微粒在宽范围的滞留时间内流过该系统， 由此使一些微粒以较低的 UVC 照射 暴露离开该系统。因此对于依照本发明的系统和通过现有技术系统的相同的水流速， 本发 明的系统由于对滞留时间更严格的控制 ( 即更均匀 )， 病菌的杀灭更有效得多。
在一种实施方案中， 挡板 21 中的中央开孔 263( 图 9) 形成与灯 20 相邻的环 23( 图 4)， 随着水从子腔室 22-n 移动到子腔室 22-(n+1)， 其迫使水通过窄通道以提高该水对 UV 光 的暴露， 如图 3 和 4 中所示。因为该 UVC 灯 20 是管式光源， 因此如果该灯 20 沿圆柱形流动 管 40 或子腔室 22-n 的中心轴设置， 该水接受到最大的辐射暴露。该 UVC 发射灯 20 或环绕 灯 20 的石英或 FEP 涂覆石英管 24( 例如参见图 12) 优选沿该管 40 的中心轴设置。可替代 地， 将两个或多个 UVC 发射灯 20 或一组 UVC 发射 LED 沿每个子腔室 22-n 的中心位于石英 管内， 以与杀菌灯相同的方式照射每个子腔室 22-n， 同时如本发明的设计中那样使用挡板 21 限定该子腔室 22。可替代地， 能够使用微波 UVC 源代替 UVC 发射 LED。图 25 中显示了 具有 LED 的管或子腔室 40 的构造。可替代地， 该管 40 能够是椭圆形或其他形状的， 该挡板 21 不需要是圆形的。
在沿管 40 长度的每个子腔室 22-n 中， 该水流入该子腔室 22-n 中， 保持特定的时 间量， 然后流到下一个子腔室 22-(n+1)。 每个病原体在每个子腔室 22-n 中接受到 UVC 能量 是流速、 子腔室 22-n 的体积和可用于使水流到下一个子腔室 22-(n+1) 的横截面积的函数。 对于给定的流速 ( 或子腔室间的压差 )， 试验证实了对于给定总灯长度， 对于水中病原体的 最佳杀灭率， 最佳的自腔室体积与横截面流动面积之比。随着每个子腔室 22-n 变得更长， 水在该子腔室 22-n 中的花费更多的时间并接受更多的 UVC 照射。然而， 直到该水通过下一 个子腔室 22-(n+1)， 水才处于特定置信度的平均纯度， 因为子腔室 22-n 中的水平均接收到 特定量的 UVC 能量， 直至其越过进入下一个子腔室 22-(n+1) 的点为止。因此， 子腔室 22-n 的数量越多， 每个子腔室 22-n 包含特定最小纯度的水的可能性越大， 直到子腔室 22-n 的体 积相对于流动面积足够小， 使得流动通过进入下一个子腔室 22-(n+1) 的大量水在排放到 下一个子腔室 22-(n+1) 之前， 在每个子腔室 22-n 中不渡过足够的平均时间。此外， 每个子 腔室 22-n 中的水流可能存在影响， 其用于将水在每个子腔室 22-n 中容纳特定的时间。
例如， 如果每个子腔室 22-n 中的 UV 能量杀死该子腔室中存在的水生病原体的百 分之二十五 (25％ )， 那么每个子腔室将进入的活原生体的百分之七十五 (75％ ) 通到下一 个子腔室 22-(n+1) 中。因此， 具有四十个 (40) 子腔室 22 的系统使得进入的病原体总数的 40 (0.75) 仍存活在该系统出口处的水中。因为 (0.75)40， 近似等于 0.00001， 那么该实施例 的系统将除去除 0.001％之外所有进入的病原体， 相当于去除了 99.999％的病原体。
图 9 显示了在中心具有开孔 263 的单一挡板 21， 以使水在通过该开孔 263 延伸的 该杀菌灯 20 周围流动。 在该挡板 21 的顶部是小开口 261， 用于可使空气逃逸以防止其阻碍 置换该子腔室 22 中的水， 这将通过降低每个子腔室 22-n 中的有效体积不利地影响该装置 的效率。每个挡板 21 中的空气渗出缝 261 可使过量的空气从一旦启动以及在操作过程中 的系统中逃逸， 以防止在每个子腔室 22-n 的上部部分中形成气穴。渗出的空气沿管 40 的长度向下移动通过每个挡板 21 上的渗出缝 261 到达管 40 的末端， 在此处将该空气排出。
优选地， 每个挡板 21 在环绕开孔 263 的其内周边 265 上具有狭缝或突出部 262( 图 9) 或其他定位特征 262， 如图 9 中所示， 以在制造过程中将该挡板 21 对准以保持该空气渗 出孔 261 在该挡板的顶部。如下所述， 该挡板 21 能够与聚合物外管 40 一起使用， 该聚合物 外管被软化以埋置并环绕该挡板 21 的外周边或边缘 264 以将其保持定位。
水从子腔室 22-n 到子腔室 22-(n+1) 存在通过渗出缝 261 的轻微泄露， 这会略微 降低该系统的效率。 可替代地， 为了防止从一个到另一个子腔室的该轻微泄露， 不使用该空 气渗出缝 261， 沿每个子腔室 22-n 顶部设置小孔 ( 为示出 ) 以使空气从该子腔室 22-n 中逃 逸。这些小孔将该空气渗出到与释放空气的主流动子腔室 22-1 到 22-n 分开的稳压室中。
该挡板 21 优选是由不锈钢或阳极铝构成的， 因为这些材料优良的 UVC 反射性和 UVC 耐久性。该挡板 12 应当薄至最小体积和重量。可替代地， 该挡板 21 能够由抗腐蚀性或 钢板， 或抗 UVC 聚合物 ( 例如聚酰亚胺、 聚四氟乙烯 (PTFE)、 氟化乙烯丙烯 (FEP)、 聚偏二氟 乙烯 (PVDF)、 聚醚醚酮 (PEEK) 或聚醚酰亚胺 (PEI)) 制成。 可替代地， 如果在该聚合物中添 加碳黑或其他 UV 抑制剂以防止 UVC 损害， 该挡板 21 可由 PVC 或聚碳酸酯或丙烯酸树脂或 其他不耐 UVC 的聚合物材料构成。
图 10 显示了在外周边周围具有接头 281 的另一种单一挡板 21。接头 281 用于多 种目的。当将挡板 21 插入金属管 40 中时， 该接头 281 被该管 40 的内表面偏转， 能够变形 以补偿在该管 40 制造过程中可能发生的直径和周长的变化。这种变形防止水流到挡板 21 的外边缘 264( 图 9) 的周围。可以通过 TIG 或激光或其他方法将一个或多个接头 281 焊接 到管壁上以将该挡板 21 固定到管 40 上。管 40 的壁上的几个孔 451( 图 26) 可以用于将每 个挡板 21 焊接到位。
少量水将通过该接头 281 之间的狭缝 282 逃逸。这些开孔可使夹带的空气逃逸到 最后的子腔室 22-N 中， 在此处将该空气排放到入口、 出口或排气阀 42( 图 3)。
每个挡板 21 可以具有压印到其中以提高其硬度的波纹或图案。这些波纹或图案 可以成型以提高相邻子腔室 22-n 和 22-(n+1) 内有益的流动， 以提高病原体去除的效果。
通过在每个子腔室 22-n 中产生水的漩涡或旋转， 能够将该病原体限制到该子腔 室长度上存在的病原体的窄分布。 水的每个体积元以及由此每个病原体在每个子腔室 22-n 中花费更均匀的时间， 因此每个子腔室 22-n 吸收更多的 UV 能量， 以杀灭更多的病原体。可 以将鳍状物添加到该挡板 21 上或添加到每个子腔室 22-n 的内壁上， 以提高如下所述的这 种漩涡效应。在一种实施方案中， 该系统能够通过改变右手和左手定向的挡板从子腔室 22-n 到子腔室 22-(n+1) 改变水的漩涡方向。
与其中流动仅沿每个子腔室 22-n 的轴的设计相比， 在每个腔室 22-n 中产生具有 垂直于该管 40 的纵向轴的分速度的流动， 能够提高在其前进到下一个子腔室 22-(n+1) 并 与另一种水和下一个子腔室 22-(n+1) 中存活的病原体混合之前该， 平均病原体细胞接受 提高的 UVC 照射量的可能性。这种作用被来自距灯 20 更远距离时， 灯 20 的较少照射作用 所抵消。
为了降低进出每个子腔室 22-n 的流动面积对灯 20 直径的公差的依赖性， 每个挡 板 21 能够在灯 20 通过的开孔 263 附近穿有孔 291 或狭缝 292。图 11 显示了在中心开孔 263 周围具有孔 291 的挡板 21。孔 291 能够补偿灯直径或灯覆层厚度的容许公差。通过将中心孔 263 的直径降低到更接近该灯 20 的外径， 该孔 291 以及在该灯和该中心开孔之间的 间隙控制流过该挡板 21 的水的流速。因为能够仔细制造该孔直径， 因此其能够比灯周围的 开孔本身更精确地控制水的流量。图 11 中显示了用于相同目的的非必要的狭缝 292。
可替代地， 该挡板 21 可以直接安装与该灯 20 或环绕该 UVC 源的中央石英管 24 接 触， 如图 12 中所示。在该设计中， 水在该挡板外圆周 264 和该净化管 40 的内壁之间的挡板 21 的外侧边缘 264( 图 9) 周围流动。这种实施方案需要该挡板 21 的外径略微小于管 40 的 内壁， 以保留环状开孔， 水能够通过其流动。 在一种实施方案中， 接头从挡板 21 延伸到管 40 的内壁， 以使挡板 21 结合到管 40 上。在另一实施方案中， 挡板 21 安装在该石英管 24 上。
可替代的挡板设计
下述每种挡板构造意于提高该病原体从 UVC 照射中吸收的 UVC 能量。在该优选的 实施方案中， 该流动以湍流方式发生。沿该系统的长度从一个子腔室 22-n 到下一个子腔室 22-(n+1) 的微小压降将水从一个子腔室移动到下一个。
为了提高子腔室 22-n 中流动的循环以提高每个腔室 22-n 中病原体细胞或胞囊接 收的平均能量暴露， 能够将一列孔 ( 例如孔 292-1 到 292-5) 或狭缝 ( 未示出， 但具有与孔 292-1 到 292-5 相同的可比较的相对尺寸 )， 如图 13 中所示， 随着其越接近该灯 20， 该孔或 狭缝的直径或尺寸降低。这种挡板设计意于在管 40 的每个子腔室 22-n 中产生螺旋流型， 在该子腔室中得到的压力变化， 如图 14 中的螺旋箭头 294 所示。因为由于边界层效应从较 大的孔 292-1 相对于较小的孔 292-5 水的流速略微升高， 因此在每个子腔室 22-n 内可以产 生略微的旋转流， 将该平均病原体在该子腔室 22-n 中保持更长时间。 这能够导致子腔室 22 沿每个灯 20 长度的最佳数量 n 的降低， 并可能甚至进一步提高该病原体杀灭率。
图 15 显示了另一种挡板 21， 在开孔 263 的内圆周上具有内圆周唇缘 266 的。该唇 缘 266 能够用于在流过唇缘 266 的水产生环形涡流， 如图 16 中的箭头 267-1 到 267-6 所示。 该涡流的产生是因为该唇缘 266 的内边缘处的水流速大于该唇缘临近的外部的水流速， 在 该子腔室内产生环形水流。该涡流的优点是其可使该病原体暴露于更多的 UVC 能量， 提高 水中病原体的杀灭率。
图 17 显示了一种挡板 21， 其还意于通过随着其从挡板 21 中的切线方向通道 312 进入， 而将该水切线引入在下一个相邻的子腔室 22 中产生水的环流。 图 18 中的箭头 268-1 到 268-3 显示了螺旋流型的实例。
图 19、 20 和 21 显示了与挡板 21 中的中央开孔 263 相邻的螺旋面 352-1、 352-2 和 352-3。 这些螺旋面与开孔 263 一起还将在下一个子腔室 22-n 中产生环流。 图 20 包括在每 个螺旋面 352-1 到 352-3 的前缘上的唇缘 350-1 到 350-3， 随着水流向下一个子腔室 22-n， 其分别可以在水中产生离开前挡板的后缘的涡流。图 21 包括在螺旋面 352-1 到 352-3 的 后缘上的唇缘 360-1 到 360-3， 其也可以分别产生有利的流效应。
图 22 显示了在具有弯曲叶片 371-1 到 371-I 的挡板 21 中的开孔 263 周围的径向 狭缝 370-1 到 370-I， 其经设计以在下一个子腔室 22 中产生流动。如图 23 中的箭头 372 所 示产生的流动意于具有环流部分以及在与灯 20 相切的平面中的螺旋流。
图 24 显示了与图 22 中所示的挡板结构 21 类似的挡板结构， 具有相对于挡板 21 平面中的径向线从灯 20 的中心并具有更小角度半径的偏斜的刀片 381-1 到 381-I。
上述挡板 21 可以结合到管 40 中， 或者管 40 可以在该系统的不同位置上具有一个或多个挡板类型的变型。
流量测试
流量测试是在原型系统上进行的， 以研究子腔室 22-n 体积对给定流速下每单位 输入能量的细菌杀灭率的影响。该测试证实了存在最佳的子腔室 22-n 体积与挡板流动面 积之比， 其使给定流速下病原体的杀灭率最大化。随着沿给定长度管 40 的挡板 21 数量的 增加， 该病原体杀灭率增大， 直至该子腔室 22-n 体积与挡板 21 面积之比达到约 20cm。在 该最佳值以下， 发现增加更多的挡板 21 降低了该病原体杀灭率。因此， 对于给定的子腔室 22-n 直径和挡板 21 流动面积， 为使该 UVC 病原体杀灭能力最大化， 存在最佳的挡板数。该 最佳的挡板 21 数将根据挡板和子腔室的设计、 流动面积和流速而改变， 且将可以通过实验 测定。
UVC 灯
优选的实施方案使用 253.7nm 低压汞灯 20， 例如菲利普 (Philips)TUV75W HO 灯， 其在 253.7nm 的频率释放超过 95％的其能量。该优选的灯是用石英管制造的。石英具有 优良的 UVC 透射特征和高的抗热震性， 以使得一旦突然温度改变 ( 例如在冷水与热灯接触 时 ) 而造成的破裂最小化。
在该优选实施方案中， 该石英灯 20 直接涂覆有氟化乙烯丙烯 (FEP)， 氟化乙烯丙 烯直接与待净化的水接触。该 FEP 通过长期暴露于 UVC 不会降解且 UVC 透射损失最小。如 果在操作过程中灯 20 破裂， 该 FEP 覆层将包住破裂的石英和灯内的少量汞蒸汽， 并防止其 污染该饮用水。此外， 该 FEP 覆层降低了该石英灯 20 的热冲击。该覆层还用于降低该灯到 周围水的传热系数， 由此提高灯 20 在冷水中的有效 UVC 输出。
该 FEP 覆层 80( 图 7) 是有利的， 因为来自水中的生物体以比不涂覆 FEP 或类似材 料的灯 20 的石英管上更慢的速率聚集在 FEP 上。该 FEP 具有比石英更光滑的表面， 这可以 有助于这种累积速率的降低。
在该优选实施方案中， 使用聚合物密封件将该 UVC 灯 20 直接密封到腔室端帽 50 上 ( 图 5) 以允许石英随温度膨胀， 并以在如果该系统压紧时减震或者在如果过载时允许该 管 40 结构变型而不会破坏该灯 20。这种构造示于图 3 中。该灯密封件优选是由 PTFE 构成 的。可替代地， 该密封件是由 FEP、 PVDF、 PEI、 PEEK 或其他抗 UVC 或 UVC 稳定的聚合物或其 他材料构成的。可替代地， 该弹性体密封件包含 2％或更多的碳黑或其他 UV 抑制剂以防止 UVC 损害和密封件的破裂。由可以位于从该电子元件机壳伸出的导管中的电缆为该灯提供 电力。
可替代地， 该灯 20 环绕与水接触的单独的石英管 24( 例如参见图 12 和 36)。可替 代地， 可以在单一石英管中使用多个灯来代替单一的灯。 可替代地， 可以使用高压汞灯代替 低压汞灯。可替代地， 能够在中心 FEP 涂覆管 40 中使用 UVC 发射 LED， 例如频率为 260nm 或 280nm 的 LED 440-I 到 440-L， 如图 25 中所示。可替代地， 能够使用脉冲 UVC 源代替低压灯 20。可替代地， 可以使用微波 UVC 源。
该中央紫外灯 20 能够环绕有在管 40 内的石英管 24， 如图 42、 43 和 44 中所示。该 系统将继续使用上述的挡板构造。空气或可能的惰性气体能够占据灯 20 和石英管 24 内部 之间的径向空间。该石英管 24 能够涂覆有 FEP 以防止或降低生物膜和钙和镁沉积物的沉 积。可替代地， 能够将多个紫外灯 ( 例如 20-1 和 20-4) 放置在单一管 40 内， 如图 45 中所示。该单独的灯 20-1 到 20-4 能够每个分别位于石英管 24-1 到 24-4 内， 如图 46 中所 示， 或者多个紫外灯 20 能够位于单一的石英管 24 中 ( 未示出 )。
具有多个开孔的挡板 ( 例如图 45 中所示的挡板 21-1 中的开孔 263-1 到 263-4) 可 以用于容纳多个紫外灯 20， 如图 45 和 46 中所示。图 46 显示了分别封装在石英管 24-1 到 24-4 中的灯 20-1 到 20-4。可替代地， 具有单独开孔 ( 例如开孔 269-1 到 269-3， 如图 47 中 所示， ) 的挡板 21 能够与两个或多个灯 20 结合使用 ( 显示为四个 (4) 分别在石英管 24-1 到 24-4 中的灯 20-1 到 20-4)。
制造方法
该优选的系统是包括不锈钢净化管 40 和挡板 21。如图 26 中所示， 通过沿其长度 激光切割或其他方式钻孔或冲压孔 451 对该管 40 穿孔， 以将该挡板 21TIG 焊接到管 40 内 的适当位置。可替代地， 该管可以不穿孔， 且可以使用其他方法 ( 例如电阻焊接 ) 结合该挡 板。每个挡板 21 优选具有三个或多个位于该挡板 21 的外圆周周围的焊接接头。该挡板 21 可以可替代地通过激光焊接到位。
如图 27 和 28 中所示， 也可以通过在将挡板 21 置于适当的位置之前或之后用按压 或冲压到该净化管 40 中的凹座 452-1 和 452-2 保持每个挡板 21。优选地， 用在管 40 壁上 档板的每一侧的多个缺口来保持每个档板 21， 并且如图所示至少在该所示的挡板 21 的外 圆周周围的三个位置处。可以将该管压印或凹进在该周边上以产生图案以在该子腔室 22 中产生有益的流动。 可替代地， 该管 40 可以由卷成管状的具有凹槽或焊接在一起以将该挡板 21 对准 在其适合的位置的薄片材制成。
可替代地， 该挡板 21 和管 40 可以由阳极铝构成。
如上所述， 能够将 PVC 用于管 40。将该 PVC 管加热到约 320F 使其直径膨胀并变得 顺从。能够通过将其在标准 PVC 管加热器中旋转而将其加热。然后将其放入由两个绞接在 一起的半圆筒制成的开口压缩固定器中。然后关闭该压缩固定器， 并对该聚合物筒 40 施加 径向压力。该管 40 在该压缩固定器中径向压缩， 将该挡板 21 的边缘埋置到该 PVC 管的内 壁中， 将其锁合到位， 如图 29 中的等轴横截面所示。图 29 显示了在聚合物外层 400b( 例如 PVC) 内部的抗 UVC 聚合物 ( 例如 PVDF、 PEI、 FEP、 PTFE 或其他材料 ) 的内层 400a。
然后将该管 40 排列， 组装端帽 50， 并将其密封到管 40 上， 然后插入灯 20， 并将电 子元件机壳 36 安装到系统上 ( 参见图 3)。
可替代地， 该外壳和挡板组件可以由材料 ( 例如聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)) 使 用设置在该模具中的预切割挡板吹塑而成。可替代地， 使用该模具中放置的预切割挡板可 以旋转模制该外壳。
可替代地， 如图 30 中所示， 将每个管 40 在两个或多个纵向部分上 40a 和 40b 上注 塑， 挡板 21 分割成两个或多个部分 21a 和 21b。然后可以将由此制造的该部分 40a 和 40b 胶结或热粘合或塑料焊接在一起。
可替代地， 管 40-1 和 40-2 都是在三个纵向部分 40-1a、 40-3 和 40-2b 上注塑的。 在这种情况下， 中心剖面 40-3 是由半管 40-1b 制成的， 与半管 40-2a 形成整体结构。中心 剖面 40-3 在两侧上都具有挡板， 如图 31 中所示。将每个管 40 的侧边部分 40-1a 和 40-2b
胶结或热结合或塑料焊接到中心部分 40-3 上以完成该结构。在该设计中该挡板能够插入 到模制的不锈钢或阳极铝中， 或者能够将其注塑到位。
能源
在 一 种 实 施 方 案 中， 该 系 统 由 一 个 或 多 个 由 电 网 充 电 的 深 循 环 电 池 (deep cyclebatteries) 或太阳能光电池或其他太阳能发电技术提供电力。其可以在具有可靠电 力的区域中直接连接到 AC 电网。
可替代地， 该系统可以直接由太阳能光电板提供电力或可以由从太阳能光电板充 电的电池提供电力。 从光电板给一个或多个电池充电的优点是该太阳能板能够具有较小的 功率输出且能够用于每天更多的小时， 同时该水净化器在每天的较短时间内消耗相同量的 能量。
对于电网电力不可靠或不连续的区域， 电池功率将可使该系统可靠操作， 使用间 歇的电网电力为该电池充电。 可以将低电压关闭特征设计到该换流器中以保持电池不释放 到低于约 70％的其容量 ( 约 10.6 伏特 ) 以保护该电池并保持其寿命。用于操作该灯的该 换流器和镇流器可以一起集成在该系统中。
深循环电池允许在再充电之前使用储存在该电池中不超过约 80％的能量。 可替代 地， 该电力源能够是铅酸起动用电池， 其成本典型地低于深循环铅酸电池。 对于合理的电池 寿命， 该铅酸起动用电池典型地仅能够放电其储存能量的 20-30％。 假设在使用前将该电池 完全充满， 三个并联的安培 - 小时卡车起动用电池的 30％放电产生 68.4 安培小时的可用容 量。如果该净化器在 12 伏特的标称电池电压时消耗 165 瓦特， 那么其将引起 13.8 安培的 电流。从该电池中可得到的 68.4 安培小时， 将以连续 13.8 安培的量提供约 5 小时的净化。
可替代地， 该系统可以由碱、 锂离子、 镍镉、 镍金属氢化物、 锌空气、 钠硫、 锂金属电 池或其他电池或具有适当电压和足够容量的电池组合提供电力。
图 32 显示了用于净化器的没有感应电路的电池电力系统的电路框图。图 32 显示 了用于保护过压的断路器 563a、 用于保护电池 561 过度放电的低电压检测器 559 和 AC 换流 器 565， 所有都是公知设计。 该系统优选设计以耐受施加到输入端子的高 AC 功率， 并耐受施 加到输入端子的反 DC 极性。图 32 中的电路中所示的热熔丝 563b 以能量损失最小的方式 保护该系统不会温度过高。
可替代地， 通过绕过 AC 换流器 565 提供 AC 电源线和插头 572， 该系统能够直接由 电网提供电力， 如图 32 中所示。该电路 560 也可以具有集成的自动电流或电压感应以感应 有效电力源 ( 该电池 561 或通过插头 572 的外部电力 ) 或用于选择电力源的手动开关。
作为电池或电网电力的替代， 该净化器能够通过如图 33 中所示的集成单元或通 过使用单独的踏板电力产生系统由踏板提供电力。平均健康的人体 2.2 小时能够产生 165W(0.22 马力 )， 其足以为功率消耗为 165 瓦特的净化约 1100 加仑 (4200 升 ) 的该优选 实施方案系统提供电力。 该踏板可以直接或通过驱动轮为该发电器提供所需的旋转速度而 驱动 AC 或 DC 发电器。如果使用 DC 发电器， 该系统可以装备有用于灯 20 的 DC 镇流器以消 除对 AC 换流器的使用。
可替代地， 该系统由发电机 ( 例如电力、 柴油、 汽油、 丙烷或天然气提供电力的发 电器或水轮发电机或其他电力源 ) 提供电力。
电子元件用于该系统的电子元件和电力元件可以容纳在防水或耐水机壳 36 中， 如图 3 中所 示。 该耐水密性外壳包含该控制电路、 具有集成低电压检测电路的 AC 换流器、 UVC 杀菌灯镇 流器 566( 图 35)、 启 / 闭式开关 39( 图 3)、 小时计 38 和非必要的用于为非必要的阀螺线管 产生 24V AC 的变压器。其具有 LED25 和 / 或非必要的 LCD 屏 ( 未示出 )， 用于指示该系统 的状态。 优选地， 该外壳具有气密配件 602， 用于该电池的电力输入电缆和非必要的 AC 电力 电缆， 以及灯和阀螺线管的输出电缆。该启 / 闭式开关 39 和小时计 38 优选是防水的。该 LED 25 和非必要的 LCD 屏优选也是防水的。
该镇流器 566( 图 35) 优选是编程启动或编程快速启动型的， 以使灯寿命最大化。 可替代地， 使用常规磁镇流器。 可替代地， 用 AC 电力镇流器代替 DC 电力镇流器以消除对 AC 换流器的需求。
控制系统
该净化系统优选由模拟控制系统或集成数字微处理器或微控制器控制。 该数字控 制系统使用模拟到数字的 (A/D) 转换器以如下所述提取该模拟输入。
图 34a 显示了如下所述进行电流监控、 启动延迟和阀控制功能的模拟控制电路的 示意图。
图 34a 显示了与本发明的水净化系统一起使用的电子电路的框图。在框 301( 图 34b 中更详细显示 ) 中， 开关通过热断路器将电池的加减输入端连接到换流器。 该公知设计 的换流器将电池电压 ( 优选十二 (12) 伏特 ) 转化为一百二十 (120) 伏特、 六十 (60) 周波 的 AC 电流或其他适合的 AC 电流。当温度提高到特定值 ( 例如一百五十 (150) 摄氏度 ) 以 上时， 该断路器切断电源。在该电池反向安装而导致会使该热断路器打开与电路剩余部分 的连接的大电流的情况下， 该断路器还断开该电池和电路剩余部分之间的连接。
该 换 流 器 ( 在 图 34b 中 显 示 为 换 流 _1 加 (INV_1 PLUS)、 换 流 _5 框 架 (INV_5 FRAME) 和换流 _2 地 (INV_2 GND) 的输入引线 ) 具有发送到输入引线 ( 示为镇流 _1_120 输 入 (Bal_1_120 IN) 和镇流 _2_120 输入 (Bal_2_120 IN)) 的 AC 输出信号， 通过图 34c 中的 框 302 所示的电流变压器 T1 输送到镇流器。该通向镇流器的接地引线示为镇流 _ 地 _ 框 架 (BAL_GND_FRAME)。由于镇流器是公知的且可现货获得的， 该镇流器本身未示于附图中。 该镇流器以公知方式产生高频率信号， 将其直接传送给管 40 中的灯 20， 以激发灯 20 中的气 体并因此产生等离子体， 该等离子体发出用于净化水或其他液体的 UVC 照射。
框 302 中的电流变压器 T1( 图 34a 和 34c) 提供了用于监控通向灯 20 和镇流器 303 的电流的连续信号， 以指示该灯 20 不再能够产生净化水或其他待净化流体所需的 UVC 照射。 该来自电流监控变压器 302 的信号通过框 301 送往放大器 309， 以如下所述的方式使 用以关闭阀 32 并因此停止水或其他待净化流体的流动。
框 304 中的变压器 T3 为阀 32 和阀控制 306( 图 34d 中更详细显示 ) 提供信号。阀 控制 306 接收信号 ( 在图 34d 中显示为五 (5) 伏特 )， 其开启发光二极管 D7， 光敏开关 S3 响应于来自逻辑门 307( 图 34a 和 34g) 的低电平信号而检测来自其的光。因此开关 S3 提 供示为阀 1 和阀 _2( 图 34d) 的输入引线之间的电连接， 由此以如下所述的方式响应来自逻 辑门 307( 图 34a 和 34g) 的低电平信号打开阀 32。
来自该换流器的信号还直接发送给变压器 T3( 图 34a 和 34c 中的框 304)。变压器 304 从框 301 中的换流器中接收一百二十 (120) 伏特， 并将该信号转化为二十四 (24) 伏特的 AC 信号， 将其发送给如上所述的阀 32 和阀控制 306。阀 32 控制通过该单元的水流。如 下面将解释的那样， 在该单元被开启允许任何水在该单元中被纯化之后， 在将另外的水引 入该单元 ( 该单元具有最初流动通过该单元的流体 ) 之前， 将阀 32 保持关闭特定时间 ( 在 一种实施方案中为约四十 (40) 秒 )。由以如下方式产生的来自逻辑门 307 的信号控制阀 32 的开启。
逻辑门 307 中的逻辑门 U7A( 图 34a 和 34g) 根据来自计时器 311( 图 34a 和 34i) 的信号控制阀 32 的开启。如图 34i 中所示， 计时器 311( 来自 Atmel 的 U6046B) 接收来自 断路器 ( 图 34b) 的输入引线的十二 (12) 伏特信号。该信号开启计时器 311。通过设定电 阻器 R13 和电容器 C8 的 RC 值控制计时器设定的延时。在一种实施方案中， 将计时器 311 设定以在该系统开启后约四十 (40) 秒在来自 U13 的引线 2 上产生高电平输出信号。该高 电平信号发送给逻辑门 307 中的与非门 U7A 的输入引线 2。与非门 U7A 的输入引线 1 接收 来自电压调节器 310( 图 34a 和 34h) 的五 (5) 伏特信号， 该电压调节器 310( 图 34a 和 34h) 响应于在该系统启动时从断路器 CB1( 图 34b) 的输入引线接收的十二 (12) 伏特信号产生 该五 (5) 伏特信号。
一旦接收到两个高电平信号， 与非门 U7A 在其输出引线上产生低电平信号。由于 与非门 U7A 的输出引线与 LED D7 的阴极连接， 以及来自电压调节器 310 的该五 (5) 伏特电 源与 LED D7 的阳极连接， 因此 LED D7 开启并激发开关 U4。其开启阀 32。结果， 待净化的 水开始流动通过该系统， 在该水开始流动之前， 净化阀 32 开启之前系统中的水被净化。
累积计时器 312( 图 341) 记录并保持系统已经操作的总累积时间。在一种实施方 案中， 该计时器是机械的， 使类似里程表中的机械元件转动并由此记录总操作时间。 如果需 要， 替代的计时器能够使用可再充电的电池和 LCD 显示器。其他电子计时器也可以与本发 明一起使用。 如果需要， 能够使用此处描述为与本发明的水净化系统相结合的无线系统， 将 无论何种类型的计时器中保持的信息传送给中央控制装置。
当来自电流监控变压器 302 的信号检测到通向镇流器 303 的电流 ( 其使施加给该 灯 20 的电流量度 ) 降低到选定值以下时， 在变压器 302 的输出引线上发送信号通过框 301 到达放大器 309( 图 34a 和 34e)。这样造成框 309 中的放大器 U18A 和 U18B 产生低电平信 号。该低电平信号通过电阻器 R6(1K 欧姆 )( 图 34e) 并通过计时器 311( 图 34i) 中的电阻 器 R14 送往从计时器 311 到逻辑门 307 的输出引线。 将该低电平信号分别发送到与非门 U7A 和 U7B 的输入引线 2 和 5， 使来自这些与非门的输出引线的输出信号变高。来自与非门 U7A 的高电平输出信号关闭二极管 D7( 图 34d) 并关闭阀 32。因为通向镇流器 303 的较低电流 表示没有足够的电流可以供给灯 20 从而不能完全净化通过该系统的水， 因此这是必须的。
此外， 将框 309 中的放大器 U18A 和 U18B 的输出引线上的低信号直接送到比较仪 U10( 框 308 ； 图 34a 和 34f) 的 RS 输入端子。这样将比较仪 U10 的输出引线输出 1(OUT1) 上的输出信号降低到低电平。该框 308 中的比较仪 U10 的输出引线输出 1(OUT1) 上的低电 平信号应用于逻辑门 307 中的与非门 U7A、 U7B 和 U7C 的输入引线 1、 4 和 10。该低电平信号 确保了逻辑门 307 中的与非门 U7A、 U7B 和 U7C 的输出信号变高， 从而关闭绿色 LED D3( 图 34a)。这告诉使用者该系统不再运行。
比较仪框 314( 图 34a 和 34k) 包含电路， 该电路包括将信号发送给 LEDD3( 绿色 )、 D5( 黄色 ) 和 D6( 红色 ) 的比较仪 U16。当系统操作时绿色 LEDD3 亮。然而， 框 313 中的振荡器 U12 产生振荡输出信号， 其被送往逻辑门 307 中的与非门 U7C( 图 34a 和 34g)， 以使该 来自与非门 U7C 的该输出信号以从低到高再到低等方式来回振荡。这种来自 U7C 的振荡输 出信号使 LED D3 持续闪烁绿光， 向使用者指示该系统处于启动模式且在使新水流过该系统 之前正在净化系统中剩余的水。
比较仪 U16( 框 314， 图 34k) 感应来自电池的电压降低到低于十二伏特 (10.6 伏特 是该电池电压允许降低的最低电压 )。 当这种情况发生时， 比较仪 U16 使与非门 U7D 的输出 信号降低， 由此开启红色 LED D6， 以指示该系统功率较低。比较仪 U16 是通过以下实现的 ： 感应输入引线 ： 比较输入 1(CIN1) 和比较输入 2(CIN2) 上的电池电压的降低， 然后在输出引 线： 比较输出 2(COUT2) 上产生高输出信号。该高输出信号驱动与非门 U17A 的输出信号降 低。将该低输出信号作用于与非门 U7D 的输入引线 12 上。施加到与非门 U7D 的另一输入 引线 13 上的是振荡框 313 中的振荡器 U12 的振荡输出信号。该振荡信号使该与非门 U7D 的输出信号在高低之间振荡， 由此使红色二极管 D6 开关振荡并由此警告使用者电池较低。
图 34m 显示了 LED D3、 D5 和 D6 的连接。如图 34m 中所示， 将五 (5) 伏特施加到 LED D3、 D5 和 D6 的阳极上。
图 34n 在一种示意图中显示了图 34b-34m 中所示的电路元件的相互关系。图 34b-34n 中所示的电路元件的数据如下 ：
CB1 断路器
C1 4.7uF
C2 0.1uF
C3 0.1uF
C4 0.1uF
C5 0.1uF
C6 0.1uF
CI0 0.1uF
C12 0.1uF
C14 0.1uF
C11 47uF
C13 47uF
C15 0.1uF
C16 0.1uF
C17 0.1uF
C18 0.1uF
C7 47uF
C8 0.001uF
C9 0.47uF
D1 肖特基 (Schottky)
D2 D1N4148
D3 1N6264/TO
D4 D1N414831101939261 A CN 101939264
说1N6264/TO 1N6264/TO D1N4148 阀 1K 3K 510 665K 510 330 330K 330 9.1 1K 60.4明书27/37 页D5 D6 D7 L5 RI0 R11 R12 R13 R14 R15 R16 R17 R18 R19 R2 R20 R21 R22 R23 R24 R25 R26 R27 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 T1 T3 U10 U18 U12 U13 U14 U16 U171K 330 510 510 510 330K 510 510 1K 3K 1K 1K 330 510 510 电流 _ 传感 _1(CURRENT_SENSE_1) 120V-24v 最大 4373 测试 +-ND(MAX4373TESA+-ND) LM1458M 555C U6046B LM340MP_5.0 最大 4373 测试 +-ND(MAX4373TESA+-ND) SN74F38D32101939261 A CN 101939264
说H11F1 SN74F38D 51.1 60 1K 1K 510 510 510 510 510 510 510 510 标题 (Header)明书28/37 页U4 U7 R31 R29 R30 R28 R23 R22 R26 R32 R34 R35 R33 R36 J1图 37 在框图水平上显示了用于与本发明一起使用的控制系统的另一实施方案。 防水开关 321 将电池 320( 示为 70 安培 - 小时卡车电池 ) 连接到换流器 323。红色 LED D6 和绿色 LED D3 与换流器 323 连接， 该 LED 的操作如上所述。小时计 322 连接换流器 323 的 输入引线 323a 和 323b， 以提供该系统总操作时间的测量。 一百二十伏特 (120) 交流电从换 流器 323 输出到镇流器 324。镇流器 324 驱动产生用于净化流过该系统的流体的 UVC 光的 灯 20。光电二极管 328 检测 UVC 光的强度并产生被放大器 329 放大的输出信号。该放大 器 329 的输出信号被发送给阀螺线管 327 的输入引线， 在该光电二极管 328 检测到低于灯 20 净化待净化流体所需的最小强度 UVC 光时关闭阀 32。延时计时器 325 与输出引线 323c 和 323d 以从换流器 323 中接收 AC 信号， 并将阀 32 的开启延迟选定时间 ( 在图 37 中示为 三十 (30) 秒， 但能够设定位所需的任意其他适当时间 )， 以在将新流体流过该系统之前使 该系统净化系统内的流体。延迟计时器 325 驱动变压器 326 的输入线圈， 其输出线圈连接 以驱动该阀螺线管 327， 并由此在该计时器向变压器 326 的输入线圈发送适当信号时开启 阀 32。
使用数字控制系统， 可以记录并存储该系统数据和状态用于随后取用。可以将所 有关键变量的数据取出并记录在本身连续改写的转动记录器上， 改写之前最老的数据。可 替代地， 可以将该数据存储在固定文件中。 随后能够通过一种或多种技术远程存取该数据。 优选地， 该系统通过互联网自动将流量和水状态的数据传送到中央数据库中。
此外， 该系统可以包含红外端口、 通用串行总线 (USB) 或火线 (Firewire)(IEEE 标 准 1394) 端口， 或很多可能的标准接口中的一种。可替代地， 可以使用具有内置无线电的无 线装置接收该数据。
微处理器 577 可以通过脉冲宽度调制 (PWM) 螺线管驱动器控制该阀 32。图 35 显 示了这种电路的典型示意图。
该系统可以可替代地使用保持螺线管阀 32， 设计以使用瞬时 12VDC 脉冲开启和关 闭， 以降低功率消耗的。该 DC 保持螺线管 580 不需要恒定的功率供给。而是其需要使用电流脉冲给该螺线管 580， 以开关该阀 32。
阀延时计时器
当该系统关闭和一旦启动或重启动时， 该输出阀 32( 图 3、 32 和 35) 关闭。在最初 启动或一旦重启动， 在输出阀 32 自动开启之前， 该阀 32 保持关闭预设时间 ( 基于系统设计 流速的流动体积， 为 40 秒 )。该延时可使 UVC 灯 20 照射自腔室 22-1 到 22-N 足够的时间以 净化该管 40 内容纳的水的所有体积， 由此确保甚至当该系统最初启动或重启动时， 离开该 系统的所有水都完全净化。该启动延时在模拟控制系统中时通过图 34a 中的电路中所示的 计时器 311 实施的。
使用上述流速信息， 可以用使用脉冲宽度调整控制的数字控制系统来控制该阀螺 线管 569( 图 32) 以改变阀流速。
例如， 如果电流监控器或光电二极管测定到该 UVC 光输出已经降低， 那么能够调 整该阀 32 以降低如该系统中的流量传感器 ( 例如压力传感器 579( 图 35)) 监控的系统的 流速。
该系统控制器能够监控并在如果该电流变压器 568( 图 32) 或光电二极管显示该 系统的病原体杀灭性能降低时降低流速。通过关闭阀螺线管 569( 图 32) 可以自动停止通 过该系统的流速， 或为适当的净化水平， 通过将该阀螺线管 569 的脉冲宽度调整而降低通 过该系统的流速。 如果可能由于输入水的压力过大而使得系统中的压力传感器检测到对于 有效病原体消除过高的流速， 该控制系统能够依照该控制系统中内置的预定义的算法或查 询表降低该阀螺线管 569 的负载循环以减慢通过该系统的水的流速。
电流监控器
本发明的优选实施方案装备有内置自动连续系统以监控杀菌灯 20 释放的 UVC 功 率。该系统可以设计以在如果引发了暗示生产的水不纯的条件时停止水从该净化器中流 出。该电流监控器 574( 图 35) 也可以用于使用 PWM 和数字控制系统降低水的流速。灯电 流降低到足以杀灭水中病原体的预设水平以下将导致一个或多个该灯 20 的 UVC 发光的降 低， 因此导致水质量不能保持在可接收的水平。由于该 UVC 灯 20 需要在最低阈电压之上操 作， 并且因为该灯 20 产生固定频率的频谱， 因此到达灯 20 的电流是灯 20 所产生的 UVC 功 率的量度， 从而是测定该系统的病原体失活速率的量度。
用该系统测试了两种类型的电流监控系统。第一种且优选的实施方案 ( 图 35) 使 用电流变压器 574 测定镇流器输入上的 AC 电流。当该灯或镇流器故障或当该输入功率水 平过低时， 该电流监控器将显示到达灯 20 的电流的降低。在图 34a 和 34f 的电路中显示适 合的比较仪。可替代地， 可以通过 A/D 转换器 576 将该电流变压器的输出输入到微处理器 577 中， 如图 35 中所示。可替代地， 能够测定镇流器 566 和灯 20 之间的电流， 尽管可能需要 多个电流变压器。
第二种实施方案使用霍耳效应传感器 ( 未示出 ) 来测定在镇流器 566 的入口处到 达灯 20 的电流。如前述实施方案中那样， 当至少一个灯 20 不正常工作或当系统产生的电 流降低或当该镇流器 566 不正常工作时， 该电流监控器将测量到到达灯 20 的电流降低， 并 响应于其产生信号， 该信号被输入到该电路中的比较仪中。可替代地， 可以通过 A/D 转换器 将该霍耳效应传感器的输出输入到微处理器中。可替代地， 测定灯 20 和镇流器 566 之间的 电流， 尽管使用该后一种方法可能需要多个电流传感器。使用电流变压器或霍耳效应测量技术， 模拟或数字控制系统产生信号以控制该阀 32 的螺线管， 并在到达镇流器 566 的电流降低到阈值以下时停止或降低流量。当电流仍足 够但接近阈值时 LED 指示器可以指示以警告操作者可能需要对该系统进行预防性维护。
光电二极管监测器
可替代的实施方案不测定灯电流， 而是使用光电二极管 630( 图 36) 测定 UVC 灯发 出的实际光， 如图 36 中所示。在该图中， 该光电二极管 630 暴露于环绕该灯 20 的石英管 24 传导的光， 尽管在没有石英套管 24 的情况下， 该光电二极管 630 能够得到直接来自灯 20 的 光。
该光电二极管信号在电路中放大并流入用于模拟电路的比较仪或在数字控制系 统中的 A/D 转换器中， 以检测用于适当系统操作的最低可接收的 UVC 光输出。如上述方法 中所示， 模拟或电子控制系统产生信号以控制该阀的螺线管并在该 UVC 光水平降低到阈值 以下时停止该流动。在该优选实施方案中， 当该光水平不足但接近该阈值时该 LED 指示器 显示以警告该操作者该系统可能需要预防性的维修。
该光电二极管 630 可以被来自水的沉降物或沉积物部分堵塞， 这可能导致错误的 负读数， 在不合理时使该阀关闭或降低流速。使用光电二极管 630 的系统依赖于非常敏感 的放大器， 其不能在严苛的操作条件和宽温度范围下可靠地操作。 由于这些原因， 电流监控 是从灯 20 得到反馈的优选技术。对该单元的故障模式和操作的研究显示用图 35 中所示的 更耐用和更简单的电流监测器 574， 将能够检测到该光电二极管 630 可检测到的致命故障 模式。
浊度监测器
可以使用水的浊度作为用于通过反馈到数字控制系统而停止或降低通过该系统 的水的流速的标准。该系统可以包括浊度传感器用于测定该水的浊度， 使用简单的光电晶 体管或光电二极管和 LED 光源。如果水的浊度超过临界值， 那么可以调节阀 32( 图 3、 32 和 35) 作为流量传感器的反馈来降低该系统的流速。能够将来自电流监控器和该浊度传感器 的信息相组合以产生该系统的性能包， 其可使该数字控制系统根据给定流速的 UVC 功率、 浊度和水温度的适当组合调节该流速。该性能图可以表示为在该数字控制系统内的公式， 或优选地， 作为一组数值保持在该系统的固定存储器中的查阅表中。
可替代地， 该浊度传感器是测定水对该杀菌灯或其他光源发射的 UVC 的吸收率的 UVC 光电二极管。
差示流量传感器
能够使用两个或多个跨越一个或多个挡板的固态电子压力传感器 651 和 652 测定 通过该系统的流速， 如图 38 中所示。以差示形式使用来自这些传感器的输出信号以得到通 过该系统的流速信号。该挡板比没有挡板的腔室沿该腔室的长度产生更大的压降， 因此提 高该流量测定的敏感性。 随着流速的增加， 给定距离上的压降相应地升高， 使得这些传感器 651 和 652 之间测得的压差也将升高。
在通过使用模拟比较仪或惠斯登电桥电路的模拟控制系统的情况下， 通过对比来 自传感器 652 和 652 的输出信号产生流量信息。 对于数字控制系统， 优选使用多元模拟 - 数 字转换器， 并通过使用集成微处理器的内置算法比较来自传感器 651 和 652 的数值。该压 力传感器 651 和 652 多路传输到 A/D 转换器中用于和微控制器基数字控制系统一起使用。可替代地， 能够在该系统中增加单旋转流量计或其他适合的流量计。该流量计能 够将信息提供给模拟或数字控制系统。
温度传感器
类似地， 可以通过热电偶或热敏电阻或其他热测定装置感应该水温度。可以通过 数字控制电路使用温度信息以调节该阀 32( 图 32)， 在较低的温度下， 需要更大的 UVC 功率 以及因此更低的流速以杀死病原体。
根据需要能够将任意上述传感器都构造以与该控制系统无线通信。
系统状态指示器
该水净化系统优选包括显系统状态的指示器 LED 25， 如图 3 中所示。在该优选实 施方案中， 当系统电力充足且开关开启时， 绿色 LED 连续发光。该绿色 LED 持续发光指示正 常操作。红色 LED 闪烁指示该电池微弱。当该阀 32 开启时琥珀色 LED 连续发光。当该阀 32 关闭以净化系统中残余体积的水时在启动延时过程中绿色 LED 闪烁。
当使用数字控制系统时， 能够使用 LCD 或其他显示器以字母数字方式显示系统状 态， 并可使操作者通过选项屏驱动显示与系统相互作用以改变系统中的设置。
与系统相结合用于从系统中除去沉积物的超声波换能器。
在本发明的另一方面， 将超声频率施加到每个紫外照射子腔室中， 用于从灯和管 40 上除去沉积物。紫外净化系统的通用问题是沉积物累积在紫外灯 20 的表面上或环绕该 灯 20 的石英管 24 上以及灯 20 所位于的管 40 上。这些沉积物典型地包括生物膜、 钙沉积 物和镁沉积物。钙和镁沉积物主要是来自在净化过程中硬水的使用。目前， 很多紫外净化 单元使用手动或自动擦拭器定期从灯上除去这些沉积物。
在本发明的该方面中， 一个或多个超声换能器 ( 在图 42 的实施方案中显示为两个 换能器 1011-1 和 1011-2) 固定到紫外管 40 上。每个换能器从超声发生器接收能量。在激 活时， 每个超声换能器在该管 40 内产生压力波， 其在该管 40 和环绕灯 20 的石英圆筒 24 的 表面上造成气穴现象。这种气穴现象从该石英 24 和管 40 的暴露表面上除去生物膜沉积物 和钙、 镁和其他沉积物。该超声清洗特征意于增强或代替传统的机械擦拭。其能够消除对 用于清洁该灯 20 的自动擦拭器臂系统的需求。
每个换能器 1011 自身典型地是由环绕不锈钢壳的压电材料制备的。该换能器与 超声发生器连接。如图 42 中所示， 该换能器能够通过焊接、 螺栓连接、 铜焊或其他方法结合 到该管 40 的外壳上。超声发生系统是本领域公知的。
能够使用单一的超声或声波频率， 或者可以顺序或同时使用多个频率。典型地将 使用在约 20kHz-200kHz 的范围内的频率。越高的频率产生越小的空穴气泡， 并从该灯和子 腔室上除去越小的颗粒。能够在清洗顺序早期产生较低的频率以首先除去较大的颗粒。然 而， 能够产生较高的频率以除去较小的颗粒。 可替代地， 该系统可以同时或以其他顺序使用 多个频率。如果该较高的超声频率是较低频率的整数倍数， 那么能够通过相同的换能器传 送多个频率。
使用控制系统， 该系统本身就可以以预设间隔自动超声清洗。 可替代地， 能够手动 控制该超声清洗。当然， 可以将水净化器的超声清洗与其他类型的净化系统 ( 包括没有挡 板的系统 ) 一起使用。
与其他过滤器的组合该 UVC 照射将杀死水生病原体， 但可能本身并不足以处理水中的其他杂质， 例如 有机溶剂、 无机材料 ( 例如重金属 ) 和杀虫剂。本发明可能需要预过滤器或后过滤器 ( 图 中未示出 ) 或臭氧注入或过氧化氢注入以除去这些非微生物污染物。
优选地， 在使用该水净化系统之前， 测定该水源的有害有机化合物、 无机化合物、 重金属和杀虫剂， 以根据需要增加另外的预过滤器或后过滤器。
砂预过滤器
在一种实施方案中， 将该水净化系统与砂预过滤器一起使用， 用于使用普遍可得 到的硅砂介质去除尺寸下至 20 微米的颗粒。能够使用沸石介质代替该砂过滤器中的砂介 质以除去甚至更小的颗粒物质。
可替代地， 除砂过滤器之外或作为其替代， 能够将该系统与硅藻土 (DE) 预过滤器 一起使用。DE 预过滤器能够除去下至 3 微米的颗粒。可替代地， 能够使用沉降槽代替该砂 过滤器与 DE 过滤器或与它们相结合。
该砂过滤器， 无论集成到该 UV 单元中或单独使用， 都可以具有能够手动或自动操 作的反冲洗阀。自动阀将会以特定的间隔反冲洗该系统， 其能够使用来自内设传感器的返 回到该微控制器的信息， 根据自动测定的通过该系统的累积水流量、 或累积水流量与浊度 的乘积而自动缩短或延长该间隔。
可替代地， 在水净化器的入口处使用非常细的不锈钢网 ( 在一种实施方案中为 60 目不锈钢网 )。 可以使用锥形或波纹形或圆筒形网以提高表面积， 用于降低流动阻力并降低 过滤器的堵塞情况。
本发明的实施方案能够在该反渗透过滤器之前与活性炭预过滤器或后过滤器和 水软化器一起使用， 以防止在该反渗透膜上的聚集。
非必要的， 该系统可以使用预过滤器， 例如聚丙烯纺粘预过滤器。可替代地， 在入 口处能够使用细布过滤器， 以过滤出小颗粒。可以使用一层或多层布层。该颗粒将被该布 的纤维捕获。
活性炭预过滤器
本发明的另一实施方案在该 UV 系统之前或之后将活性炭块过滤器或颗粒活性炭 (GAC) 过滤器集成到该系统中， 以除去有机化学物质、 杀虫剂和其他将吸附到该活性炭过滤 器表面上的杂质。
活性氧化铝过滤器
能够使用活性氧化铝过滤器以从水中除去砷、 磷酸盐、 硫酸盐、 铬酸盐、 氟化物， 但 不能除去硝酸盐。其优选用作预过滤器。
在一种实施方案中， 将该砂过滤器、 活性炭过滤器和活性氧化铝过滤器串联设置 在与另两个 UVC 照射管并排的第三管中。
可替代地， 使用与该两个 UV 管和砂过滤器管并排的第四平行管作为活性炭过滤 器。
水软化器
该系统可以装备有水软化器， 其是电力型可再次填充盐类型的或非电力型的， 以 在进入该水净化器之前将水软化。该水软化器能够降低或消除可能在该系统的内表面 ( 可 能包括灯或涂覆有 FEP 的灯表面 ) 上发生的钙和镁化合物的沉淀。可替代的系统设计
可替代的系统设计使用非潜水灯， 使用与上述所示相同的挡板， 以如上所述使水 的 UVC 照射最大化。在该设计中， 如图 39 中所示， UVC 透明窗口 681 将该灯 20 与该组挡板 21 和水分隔开。该系统优选使用半圆筒形净化管 40， 以使水的 UVC 照射最大化。弧形挡板 21 设置在该半圆筒形管 40 中， 具有与该弧形照射窗口 681 相邻的流动环。 该子腔室的顶部 优选具有角度， 如顶部 682 所示， 从水平面升高一定角度以有助于如图所示将该放气引出 该系统。在一种实施方案中， 该系统设置在通过加热被软化的挤出 PVC 管中， 插入该组件， 将该 PVC 管 40 压缩以将该挡板 21 锁定在如前所示的壁内。可替代地， 使用不锈钢或阳极 铝或 LDPE 或 HDPE 或聚丙烯外壳。该系统优选是重力给水的， 但可以加压到更大的压力。
该窗口 681 优选是由在其长度上与 LVC 灯 20 相邻的 FEP 膜构成的， 其将灯 20 与 水和一组不锈钢挡板 21 隔开， 如图 39 中所示。该 FEP 覆层将降低有机物质在该净化过程 中粘附到该灯 20 上的趋势。 可替代地， 窗口可以由石英或涂覆有 FEP 的石英或涂覆有 FEP、 PTFE、 PVDF、 PEI、 PEEK 或其他耐 UVC 或 UVC 稳定的聚合物或其他材料构成。
图 40 显示了悬挂在该挡板 21 上方的灯 20。在该灯 20 上方并沿其长度优选使用 反射镜 426。水流动通过该组挡板 21， 并接受来自上面的灯 20 的照射。优选使用低压 UVC 灯。这种可替代的设计将保护该低压 UVC 灯 20 的输出不会变差， 通过上述优选实施方案从 流动的冷水中冷却到 40 摄氏度的最适宜温度之下输出就会发生变差。可替代地， 可以使用 中压 UVC 灯 20。可替代地， 可以使用表面放电脉冲 UV 源。 可以使用 UVC 发射 LED 代替 UVC 灯。如图 25 中所示， 这些 LED 440-1 到 440-L 可 以仅涂覆 FEP、 PTEE、 PEI、 PVDF、 PEEK 或其他耐 UVC 的聚合物， 并成一排与该挡板相邻设置。 可替代地， 该 LED 可以封装在能够涂覆 FEP 的石英管或套管中。可替代地， LED 441 可以设 置在该管 40 外周的周围， 如图 41 中所示。该 LED 也可以设置在具有挡板的弯曲或抛物线 子腔室的顶部。
无线数据传送
本发明的水净化系统可以结合无线通信设备以使其能够用作无线网状通信网络 的节点。两个或多个这些节点的组合将产生无线网状网络。网状网络是其中每个节点能够 代表其他节点中继信息并因此提高该范围和可获得的带宽的自配置系统。 在网状网络中的 节点将仅与在固定范围内的其他节点连接。
可以使用机载电池或储能系统以为该通信系统提供电力。可以用该水净化器的 电力源为该电池充电， 然后通过在完成该天的水净化之后较长的时期内使用该通信系统放 电。
在该优选实施方案中， 所有节点都与其他在范围内的节点直接通信， 如图 48 中所 示。每个网授权节点 605 用作进一步延伸该网络的中继站。通过添加更多的节点可以自动 延伸该网络。因此， 随着将更多的水净化单元添加到区域内， 该通信网络会自动与其增长。 该连接的冗余能使该系统自动检测路径问题并将其恢复， 使得在如果一个或多个节点损坏 且其他节点与该覆盖区域交叉时该系统能够 “自愈合” 。
图 48 显示了这种网状网络的实施方案， 具有包括具有天线 611-1 到 611-5 的移动 无线发射器和接收器 610-1 到 610-5 的节点 605-1 到 605-5。基站 612 从选定的发射器和 接收器 610-1 到 610-5 接收信号， 并将这些移动的发射器和接收器连接到网络， 例如互联网
613。 图 49 以框图形式显示了典型的无线发射器和接收器。来自本发明的水净化系统 的电力源 621 为构成该移动无线发射器和接收器的该电路的剩余部分提供电力。这种移动 装置能够包括数字电子装置 622， 该数字电子装置 622 可含有 RAM 存储器、 用于控制该移动 装置的操作的 ROM 编码和用于控制信息的接收和发送的微处理器。该移动装置还将包括能 够发送和接收无线信号的 RF 部分 623 和用于放大接收和发送信号的放大器 624。天线 611 能够定向或全方向以使该移动装置从该系统中的其他移动装置中发送或接收信号并使该 移动装置发送信号到该基站 612( 图 48)。
随着更多的装置添加到该网络中， 倘若该平均通信路径中发射数量足够低， 那么 可以得到更多的带宽。如果节点之间的距离过大， 那么可以在节点之间使用转发器。
数据优选是在信息包中通过该系统从一个节点发送到另一个节点， 该信息包包含 具有路由和其他信息的标题， 然后是少量数据， 直至每个信息包到达适合的目的地， 在该目 的地将该信息包重新组合并使用。在每个装置中包括的路由选择能力使其能够发生。为了 实施这种动态路由能力， 每个装置需要将其路由信号与其连接的每个装置通信， 然后每个 装置决定是否将其接收到的该信息包通向另一个装置或将其保持。
每个节点仅需要传送远至下一个节点。节点作为转发器， 将数据从附近的节点传 送到超出无线电范围的下一个， 产生能够跨越长距离， 甚至跨越崎岖地区的网络。 网状网络 也是非常可靠的， 因为每个节点可以与几个其他节点连接。如果一个节点由于硬件故障或 其他原因丢失， 那么其邻居能够简单地找到另一个路径。已经显示以最高数据速率通信到 最近的节点的优点超出了在多次反射网 (multi-hop mesh) 中传送的信息包的负面性能影 响。
由于该网络中的每个节点都携带有需要的所有其他的负载量， 那么每个节点都必 须能够接收和传送系统中的每个频率。每个节点必须具有独特分配的静态 IP 地址， 尽管这 对于所有协议可能并不需要。
该水净化器节点可以与不是水净化器的一部分的固定或移动节点结合使用， 以产 生将提供来自或去往该节点的互联网接入 / 电话服务 / 视频 / 数据。
可用于描述该网状网络的框架是七层 OSI 模型。为简化起见， 在此处将该模型简 化为三层 ： 物理层、 传送层和应用层。
物理层
在该物理层中， 该系统由具有单频率或多频率能力的地理上分开的离散节点构 成。该节点可以能够点对点或点对多点通信， 以使该系统能够根据选择的协议找到通过该 网络的最佳路径。
该系统可以需要与该水净化器分开的天线， 以获得适当的范围。 例如， 该天线可以 至于单独的塔上。由于低发送功率和一些村庄之间的长距离， 可能需要高增益定向天线。 在一些情况下， 已经制备了没有放大器的 802.11b 连接， 其使用抛物面天线以 11Mbpa 的数 据率覆盖 200km 的距离。可替代地， 对于长距离连接， 使用在 5.8GHz 波带中操作的 OFDM 设 备。
可以同时使用单或多载波频率以在节点间通信。多个频率提高了数据传送的速 度， 同时单一频率将会使该系统更容易实施。
任何具有足够的性能和系统资源的微处理器基系统都可以编程以与适合的无线 电发送器 / 接收器连接以在该无线网中产生节点， 只要其以适合的频率和协议操作并具有 适合的传送功率、 S/N 比和天线。
可替代地， 该系统可以使用高功率 / 低功率混合无线电， 在两种不同频率 ( 或两组 频率 ) 上操作 - 一种用于更本地的节点， 另一个用于更远程的节点。
该通信设备可以位于该水净化器上并由相同的电力源提供电力。 可能可以使用一 种微处理器控制该过滤器并用作该无线节点的控制器。该系统可能可以使用 Linux 操作系 统。
传送层
该传送层能够自动拓扑获知和动态路径配置。作为该传送层的一部分， 每个节点 都具有自动发现和自动配置能力。 也可以提供动态路径配置以使每个移动装置可以选择将 信息从该装置传送出的替代路径。图 49( 如上所述 ) 显示了将会引入该传送层的结构的一 种实施方案。
协议
可以使用一种或多种很多不同的技术作为协议， 用于格式化信息包、 确定网拓扑 并发送信息包以将信息传送通过该系统。目前， 存在超过七十个 (70) 不同的协议用于在网 状网络上发送信息包， 例如但不局限于 ：
IEEE Standard 802， 11s- 将网络 20-25 个节点， 低功率
Locust World- 将网络 100 个节点
OSPF
AODV( 无线自组网按需平面距离矢量路由协议 )
DSR( 动态源路由协议 )
HSLS( 模糊视野链路状态 )
OLSR( 最优链路状态路由协议 )
PWRP( 预测无线路由协议 )
TORA( 临时按序路由算法 )
一种选择是使该到达其目的的信息包的传送数量最小化。 另外的选择是使用统计 来确定误码率并由此确定最小化误码的最佳途径。 该技术对每个瞬间的信息包误码率与网 络条件进行比较以确定每个信息包的最佳路径。一些协议使用路由选择表， 其随着网络拓 扑的改变而由该系统自动升级。每个信息包可以以完全特定的目的、 来源、 大小、 序号和优 先级传送。
802.11s 增加了额外的功能， 可使无线节点找到彼此及其相对位置 ( 自动拓扑获 知 )、 验证并建立连接， 以及找到用于特定任务的最有效路径。
该 802.11s 标准在能够自动拓扑获知和动态路径配置的自配置多次反射拓扑上 使用在节点之间的自配置路径。
应用层
优选地， 将该无线网状网络上的一个或多个节点连接到互联网。该互联网连接 ( 参见图 48) 能够在所有互通节点处的所有客户机之间共享。
有几种连接互联网的方法 ： 卫星上行链路和 / 或下行链路， 将数据传向或传自互联网。可替代地， 一个或多个节点， 可以使用光纤干线或线缆调制解调器或 DSL 或其他高速 连接， 具有连接到高速互联网服务提供商的硬线连接， 以将数据从该网状网络传送到互联 网服务器或邮件服务器。
可 以 使 用 信 息 包 基 语 音 通 信 协 议 ( 例 如 SIP 或 其 他 类 型 的 语 音 互 联 网 协 议 3 (VoIP) ) 在该系统上进行语音通信。通过升级该网以支持 SIP 路由选择， 任何无线网状网 络都能够在一段时间内激活语音。 3
开源电话交换 (Asterisk Phone Exchange) 已经在无线网上运行了。
优选地， 语音业务在网络上取得最高优先， 因此通话质量不受宽带数据用户的需 求而影响。使用 VoIP 网， 用户能够接收来电并进行出话呼叫， 到达公共电话网络， 并免费连 接其他互联网语音用户。
能够通过电缆将电话联接或连接到该水净化器， 即使该电话信号经过信息包通信 和 VOIP。用户界面仍能够看似电话。
用于水收集、 系统状态、 功率水平、 使用小时、 流速 ( 甚至例如可能的内置水质量 检测和系统功能状态 ) 都能够通过互联网自动传送到用于监控该系统的网址。
能够将数据传送到并接收自该水系统。 因此人们能够远程诊断和调试该系统并从 远程的位置改变该系统上的设置。 能够将来源该水净化系统的数据记录在与互联网连接的 数据库中。这样即使在远程位置也能集中监控该水净化系统的性能。
可以将语音在数据包中， 通过该网通过将其流出或通过作为文件 ( 优选压缩的 ) 传送到目的节点。可以将照相机与该水净化器连接以传输视频图像。
作为非必要的方式， 能够提供内置或可连接的终端或膝上型计算机或电话， 其能 够由为该水净化器提供电力的电池提供电力。
安全也是所关心的， 因为每个节点理论上都携带有每个其他节点的通信量， 使得 具有不良动机的人能够看到来自一个或多个来源的信息包的整个流量， 因此调整并阅读该 通信。安全的一种方法是使用 WEP 加密。可替代地， 使用 WPA 加密。
可替代地， 在 802.11i 下， 为安全起见， 用单一的逻辑管理实体控制所有节点。在 该网中的每个节点上能够允许一个或多个 802.11 无线电。
手持式 UV 水净化器系统
本发明的另一实施方案包括手持式水净化系统， 包括手动电力源 ( 例如按压把 手 )。在该系统中， 使用者重复按压该把手， 将该把手中的磁铁在线圈附近移动以产生电力 源。把手中的弹簧自动将该把手返回到在先位置用于下次电力行程。可替代地， 该系统能 够具有两个把手 ： 一个保持， 另一个按压。可替代地， 可以通过推动脚踏开关通过相同的原 理产生电力而为该系统提供电力。
该电力源为图 25 中所示的紫外 LED 提供电力， 该系统优选使用具有 280nm 波长的 UVC LED， 显示其比 253.7nm 低压汞灯对水生病原体更有效。如图 25 中所示， 该 LED 照射子 腔室 22 中的水， 该子腔室优选由不锈钢或阳极铝构成， 以使 UV 能量反射最大化。由于相同 的原因， 该子腔室的上部部分也可以覆盖有不锈钢或铝。
在该子腔室的下端提供出口孔。该孔的尺寸在该子腔室 22 充满时提供了流速， 该 流速将提供足以杀死或失活所有有关细菌、 病毒、 病原体和蠕虫 ( 包括小球隐孢子虫卵囊 ) 的 UVC 照射量。考虑到上述公开内容， 本发明的其他实施方案对本领域技术人员将变得显而易见。