水杯是日常生活中必不可少的物品之一，尤其是學生、旅行者、戶外運動愛好者以及探險科考人員常常會隨身攜帶水杯。然而水杯裏的水長時間儲存後容易滋生病菌，即使喝完水後水杯內的潮濕環境也是細菌繁殖的溫床，這些都直接影響到飲用者的健康。
UVC-LED作為熱門的新型深紫外光源，其釋放的波長260-280nm的深紫外線能直接破壞細菌和病毒的DNA或RNA，起到快速、安全無副作用的殺菌效果。
隨著UVC-LED技術的不斷成熟，越來越多的日常用品中開始出現它的身影，其中搭載UVC-LED消毒技術的水杯就是一個需求巨大的潛力產品。設計這樣一款水杯新型需要注意哪些問題呢?下麵分享的內容就是UVC-LED殺菌水杯方案設計實戰中的幾個關鍵點，望能拋磚引玉，與君共勉。
一、應用場景
同樣是消毒水杯，家用與戶外應用在產品設計上有著本質的區別。
日常家用、日常的外出攜帶，這些場景中的水源是相對幹淨的，存水時間一般少於24小時，簡單歸納就是要對潔淨水以及無水時的潮濕環境進行持續抑菌;而戶外應用、科考探險甚至行軍作戰中攜帶的水杯往往需要直接取野外水源，經過濾、殺菌後才能供人飲用，簡單歸納就是對有菌水進行殺菌。
抑菌和殺菌這兩個功能上的區別，直接影響方案中的UVC-LED的選型、布局，以及對應的散熱設計和供電設計，在產品設計之前就要進行明確的定位。
殺菌與抑菌場景的方案設計對比
二、光源模組的形狀
目前市麵常見的UVC-LED光源模組，石英燈罩形狀分為平麵與球麵兩種，模組的使用環境分為水上與水中兩種。下表以一顆3535封裝，近朗伯光型的UVC-LED為例，對比在不同情況下的出光情況：
不同燈罩形狀與使用環境下的出光對比
對比可以看出球麵燈罩的模組在不同環境下，出光效率與光照範圍均大幅領先於平麵燈罩模組。①③兩種情況，UVC-LED模組通常位於瓶蓋位置，出於安全性考慮，建議用平麵燈罩①。而②④兩種情況建議選擇球麵燈罩④以降低UVC-LED成本。
三、光源模組的位置
在水杯中，UVC-LED光源模塊的擺放位置有杯蓋和杯底兩種，需針對具體情況進行靈活選擇。結合國內外的同行的實驗數據以及本人的實操經驗，總結如下：
1.抑菌場景
光路無遮擋，水麵照射好;光路有遮擋，水底照射好。
對於潔淨水的抑菌應用，在UVC輻射功率、容器形狀、水量均相同且光照無遮擋的情況下，光源從水麵照射的抑菌效果要好於水底照射。原因是潔淨水的細菌來源是空氣和水的接觸麵，也就是水位線。水麵照射的方式離“防線”更近，輻射強度更高，抑菌效果更好。
抑菌效果的實驗模型與測試數據
實際設計中，部分水杯的過濾網會遮擋紫外光路。濾網的開孔率和透光率成正比，市麵水杯濾網開孔率在20~50%範圍，意味著過濾網對紫外光的損耗有50~80%，同時還影響光均勻性。對於水杯中配置有濾網或者其他遮光結構的情況，光源從水底照射的抑菌效果反而更好。
光照情況對比(左為有過濾網遮擋)
濾網開孔率與紫外光透過率的關係
2. 殺菌場景
球麵燈罩，水底照射好。平麵燈罩，水麵照射好。
水體的殺菌效果取決於水體內的UVC輻射劑量以及照射範圍。當水體中存在明顯照射死角時，即使加長照射時間也無法使殺菌率進一步提升。
球麵燈罩的模組無論是在水底還是水麵，照射範圍基本一致，此時水底照射能使整個水體獲得更高的輻射強度，殺菌效果更好。
平麵燈罩的模組，在水底照射時光照範圍小，存在大範圍死角，以至於蓋過了其光照距離近的優勢，整體而言殺菌效果差。
球麵燈罩，水麵照射與水體照射效果示意
平麵燈罩，水麵照射與水體照射效果示意
四、內壁材料
傳統水杯的內壁材料多為食品級塑膠、玻璃、不鏽鋼，然而這三者對於UVC的反射效率都很低。普通塑膠和玻璃對於UVC幾乎全部吸收，不鏽鋼的UVC反射率也隻有20-28%。目前最理想的水杯內壁材料是聚四氟乙烯，UVC反射率達到95%，且材料滿足食品級要求。
不同材料的UVC反射率
水杯內壁的材料的紫外反射率影響紫外光的穿透性，杯子越深，杯口越小，內壁材料的反射率影響越大。
以兩個材料分別為聚四氟乙烯和不鏽鋼，尺寸均為Φ31mm×150mm的圓筒為例，均在單邊使用輻射功率10mw的UVC光源進行照射，圓筒中心截麵的輻射強度分別為0.72mw/cm2與0.19mw/cm2。
換句話說使用聚四氟乙烯作為內壁材料後，UVC輻射功率僅需1/3就可以達到消毒效果，在綜合考慮UVC-LED價格、聚四氟乙烯和不鏽鋼的用量以及差價、散熱及電路(電池)成本後，UVC-LED光源模塊的成本可降低20%以上，體積也可以更小。
內壁反射對比實驗的模型及光分布圖(左為聚四氟乙烯，右為不鏽鋼)
五、續航評估
抑菌場景
整個模組使用一顆輻射功率2mw的UVC-LED光源，工作模式為循環工作，每小時點亮2.5min。針對300ml容積的水杯(滿水)，實測可實現長效抑菌效果。搭載藍牙以及顯示模塊後，整個模組的耗電情況如下表：
抑菌場景的模組耗電情況
內置可充電鋰電池容量按照500mAh計算，充電一次可以續航7.4天，可以滿足日常需求。
殺菌場景
整個模組使用2顆輻射功率10mw的UVC-LED光源，工作模式為觸發後持續工作1分鍾然後關閉。針對300ml容積的水杯(滿水)，實測單次工作即可實現殺菌率>99.9%(測試菌液為大腸杆菌、綠膿杆菌、腸炎沙門氏菌、枯草芽孢杆菌混合液)。耗電情況如下表：
殺菌場景的模組耗電情況
內置可充電鋰電池容量按照500mAh計算，充電一次電可以使用5.7天(按照每天使用10次，總飲水量3000ml計算)，可以滿足長時間的戶外應用要求。
以上就是本人對於UVC-LED消毒水杯的實戰解讀，掌握關鍵之後就是方案優化、工業設計、營銷渠道的比拚了，祝大家都能做出暢銷的產品。
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