一种杀菌单元、杀菌面罩、杀菌系统及其控制方法

【技术领域】

本发明属于防护杀菌技术领域，特别是涉及一种杀菌单元、杀菌面罩、 杀菌系统及其控制方法。

【背景技术】

现有口罩设计也不能100％隔绝细菌，因为口罩薄了，呼吸容易了，但是 隔离效果就不好了，即使口罩厚，隔离效果好，但是病毒依旧是活体吸附在 口罩上，离人体很近，摘口罩的时候，或者通过口罩与别的物件或人的接触， 依旧会传染，这是一个很难解决的矛盾点。因此，如何在保障人们自由呼吸 的前提下，隔离病毒并且杀灭病毒是一大技术难题。

因此，有必要提供一种新的杀菌单元、杀菌面罩、杀菌系统及其控制 方法来解决上述问题。

【发明内容】

本发明的主要目的之一在于提供一种杀菌单元，便于携带，在保障呼 吸通畅的前提下，利用使用者呼吸过程将吸入空气中的细菌杀灭，实现灭 菌功效。

本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种杀菌单元，其包括管体、 沿轴向线性排列设置在所述管体内的若干环形透镜、以及贯穿于所有所述 环形透镜中央的紫外光源，所述管体内壁表面与所述环形透镜曲面表面之 间形成通气的进气通道，所述紫外光源的光线被所述环形透镜折射至所述 进气通道内且沿轴向依次形成有高能量分布区域与中等能量宽分布区域。

进一步的，所述高能量分布区域的能量密度A大于或等于4mW/cm

进一步的，所述紫外光源为低压汞灯、UVC LED灯、Xe光源、或XeAr 光源中的一种或多种组合，所述紫外光源为灯带或灯管结构。

进一步的，位于前面设定数量的所述环形透镜折射出来的紫外光光能 量分布密度大于后面其他所述环形透镜折射出来的紫外光光能能量分布密 度；且位于前面设定数量的所述环形透镜折射出来的紫外光光能量分布线 形呈尖窄分布，位于后面其他所述环形透镜折射出来的紫外光光能量分布 线形呈宽胖分布。

进一步的，第一个所述环形透镜对应区域的能量密度为其它环形透镜 对应区域的能量密度的四倍以上。

进一步的，所述环形透镜连续排列，或者中间间隔设定距离排列。

本发明的另一目的之一在于提供一种基于上述杀菌单元的杀菌面罩， 其包括能容纳人体头部且形成一个密闭呼吸空间的面罩本体、设置在所述 面罩本体上且与所述呼吸空间连通的若干连通管、以及所述杀菌单元，部 分或全部所述连通管上连接设置有所述杀菌单元。

本发明的另一目的之一在于提供一种基于上述杀菌单元的杀菌系统， 其特征在于：其包括至少一个所述杀菌单元、控制所述紫外光源开启或关 闭的电子开关、控制所述电子开关导通或断开的控制单元、电池单元、与 所述控制单元电连通的呼气延时器和吸气延时器、以及检测使用者呼吸频 率形成呼吸曲线发送给所述控制单元的呼吸传感器，所述紫外光源与所述 控制单元、所述电池单元电连通，所述控制单元与所述电子开关电连接。

进一步的，所述呼吸传感器通过蓝牙与安装有控制程序的移动终端电 信号连通，所述移动终端与所述控制单元电信号连通。

本发明的另一目的之一在于提供一种上述杀菌系统的控制方法，其包 括以下步骤：

1)利用呼吸传感器检测呼吸者的呼吸并形成呼吸曲线，根据所述呼吸 曲线获取呼吸频率参数、每一个呼吸周期中吸气开始时间参数与呼气开始 时间参数；

2)设置吸气延时参数t1与呼气延时参数t2；

3)将步骤1)与步骤2)中的各个参数传输给所述控制单元；

4)所述控制单元在每次吸气开始前设定吸气延时参数t1时间上开启所 述紫外光源，并在每次呼气开始后设定呼气延时参数t2时间上关闭所述紫外 光源。

与现有技术相比，本发明一种杀菌单元、杀菌面罩、杀菌系统及其控 制方法的有益效果在于：采用管道结构，构成呼吸的进气通道，并在进气 通道内部设置具有杀菌功能的光学结构，在进气通道内部形成特殊的紫外 光能量线形，实现高效灭菌；通过在面罩上设置多个杀菌单元，即可保障 呼吸通畅，又能实现高效的灭菌；通过设置杀菌系统，配备控制单元与电 子开关，并配合呼吸传感器采集呼吸频率，通过控制单元可以有效控制紫 外光源的开关与能量大小，在吸气上升沿段，尽可能地打开所有进气通道 的紫外光源，将其强度调到最大，在呼气时可以在一定延时后关闭紫外光 源，待到下一次吸气前再打开光源，这样可以有效延长电池的使用时间， 提高灭菌效率。

【附图说明】

图1为本发明实施例中杀菌单元的剖视结构示意图；

图2为本发明实施例中杀菌单元的截面结构示意图；

图3为本发明实施例中环形透镜曲面材质设计的示意图；

图4为本发明实施例中环形透镜的能量密度分布示意图；

图5为本发明实施例中杀菌系统的控制原理框架示意图；

图6为本发明实施例呼吸曲线示意图；

图7为本发明实施例中杀菌面罩的结构示意图；

图中数字表示：

100杀菌单元；

11管体，12环形透镜，13紫外光源；14进气通道；

200杀菌系统；

21控制单元，22电池单元，23电子开关，24呼气延时器，25吸气延时 器，26呼吸传感器，27移动终端；

300杀菌面罩；

31面罩本体，32连通管。

【具体实施方式】

实施例：

请参照图1-图4，本实施例为一种杀菌单元100，其包括管体11、沿轴向 线性排列设置在管体11内的若干环形透镜12、以及贯穿于所有环形透镜12 中央的紫外光源13，管体11内壁表面与环形透镜12曲面表面之间形成通气 的进气通道14，紫外光源13的光线被环形透镜12折射至进气通道14内且沿 轴向依次形成有高能量分布区域与中等能量宽分布区域。

所述高能量分布区域的能量密度A大于或等于4mW/cm

新冠病毒和其它病毒一样，是可以被紫外线杀死的，通常原理是一定 剂量和强度的紫外线可以有效杀灭新冠病毒。但是通过管道吸入的气体， 虽然管道的延长设计已经成倍地加长了紫外线辐射时间，(相对于正常口罩， 口与环境中病毒距离很近来说)，携菌气体通过管道的时间依旧很短，保守 估计通常是1～2秒，若要在很短的时间内有效杀死病毒，则需要特殊设计的 管道和管道内的光学结构。

本实施例中，紫外光源13可采用低压汞灯、UVC LED灯、Xe光源，XeAr 光源，以及其它卤素灯中的一种或多种组合。紫外光源13可以为灯带或灯 管结构。

位于前面设定数量的环形透镜12折射出来的紫外光光能量分布密度大 于后面其他环形透镜12折射出来的紫外光光能能量分布密度。且位于前面 设定数量的环形透镜12折射出来的紫外光光能量分布线形呈尖窄分布，后 面其他的环形透镜12折射出来的紫外光光能量分布线形呈宽胖分布，如图4 所示。

上述不同光能能量分布形式可通过设置不同焦距的环形透镜12实现， 通过设置上述分布形式的紫外光光能分布线形，可以在管体11中形成特殊 的有效的灭菌光强线形。本实施例把高能量密度(单位：mW/cm2)的能量 分布线形放在第一个环形透镜12对应区域，后面的三个环形透镜12的能量 分布线形相对较宽，但能量密度中等的线形。较宽的能量密度是为了在足 够的能量密度下给与病毒足够长的曝光时间，因而达到有效的灭菌效果；优选的，第一个环形透镜12对应区域的能量密度为其它环形透镜对应区域 的能量密度的四倍以上，其达到的综合效果最强。

如图3所示，关于杀菌单元1的结构以下描述提供了其中一种实现方式， 假设气体走向为y轴方向，环形透镜12连续排列，或者中间间隔一定距离排 列。间隔排列的间隔区可以是任意形状的表面结构。

图1-图2通过灯管截面图和侧面剖面图呈现了一种设计结构。剖面图图1 中呈现的环形透镜12外壁围绕紫外光源13中心轴旋转对称设置，所以在截 面图的径向光强呈均匀分布，而在y轴方向呈现出不同的汇聚分布。具体汇 聚光强是由环形透镜12曲面的焦距和实际使用的线形光源尺寸和环形透镜 12材料的折射率有关。下面提供了环形曲面方程的一种计算方式，通过调 整参数，可以实现不同的环形透镜焦距，因而可以实现区域一高能量密度 集中，和其它区域宽线形光强分布的效果。

如图3所示，设定透镜曲面任何一点坐标，即入射点坐标为(x,y)，由 图5可以得到方程：

根据曲线在(x,y)点斜率的几何意义有：

根据折射定律有：

sini＝nsinr ③

联立②③两式得：

由三角代换公式得

带入①式有：

整理后得到：

记

1+σ

解出：

即：

对σ(f-x)＝y微分得(f-x)dσ-σdx＝dy代入上式得：

记

初始位置x＝0,σ＝0，两边积分得

令

则：

将

即：

简化得到：

这是一个椭圆方程，方程得到了曲面与焦距和材料属性n有关，根据实 际管径大小，焦点落在进气通道14内，可以实现指定区域的高能量密度集 中。通过焦距加长，焦点落到管径的3～4倍区域，可以实现宽线形光强分布。

请参照图5-图6，本实施例还提供了一种基于上述杀菌单元的模块化杀 菌系统200，其包括至少一个所述杀菌单元100、控制紫外光源13开启或关 闭的电子开关23、控制所述电子开关23导通或断开的控制单元21、电池单 元22、与控制单元21电连通的呼气延时器24和吸气延时器25、以及检测使 用者呼吸频率形成呼吸曲线发送给控制单元21的呼吸传感器26，所述紫外 光源13与控制单元21、电池单元22电连通，控制单元21与电子开关23电连 接。

每一个杀菌单元100都配备有一个电子开关23，通过控制单元21可实现 电子开关23的导通或断开，进而实现对紫外光源13的开启或关闭功能。呼 气延时器24其功能对应着吸气开始时段控制管路每个渠道的开关时间，吸 气延时器25其功能对应着呼气开始时段控制管路每个渠道的开关时间。该 设置时间若为负，则表示打开时间为吸/呼气开始时间之前的设定时间。即， 呼气延时器24用于设定在呼气开始前多少时间或开始后多少时间关闭杀菌 功能；吸气延时器25则用于设定在吸气开始前多少时间或开始后多少时间 开启杀菌功能；若该设定时间为正，则表示打开时间为吸/呼气开始时间之 后的设定时间；若该设定时间为负，则表示打开时间为吸/呼气开始时间之 前的设定时间。呼气延时器24与吸气延时器25上数据的设置具体设定可以 通过控制单元21上面手动设置旋钮实现，即硬设置；或者通过连接到控制 单元21的移动终端上远程设置，即软设置。

呼吸传感器26用于采集呼吸者的呼吸频率形成呼吸曲线，如图6所示， 控制单元21根据呼吸曲线获得呼吸频率，再根据预设的响应延时参数，从 而可以使得杀菌启停频率与呼吸频率趋于同步，节省能耗，提高电池的使 用寿命。测量呼吸的传感器通常测量方法有阻抗法、热敏法、呼吸气体浓 度和呼吸气体流量法，均可以得到上述呼吸曲线，属于现有技术。呼吸传 感器26通过蓝牙连接到手机，其吸气上升沿和呼气下降沿可以通过软件触发移动终端无线连接到的控制单元21，根据预设的相应延时参数，因而可 以很好地同步呼吸频率。

使用者可根据自己的肺活量灵活设置杀菌单元1的数量，提高呼吸顺畅 度，从而使得使用者不会感到憋气不适。一般而言，1～2个杀菌单元就够用 了。

本实施例还提供了一种模块化杀菌系统200的控制方法，其包括以下步 骤：

1)利用呼吸传感器检测呼吸者的呼吸并形成呼吸曲线，如图6所示， 其中横坐标为时间，纵坐标为吸气压力值，根据呼吸曲线获取呼吸频率参 数、每一个呼吸周期中吸气开始时间参数与呼气开始时间参数；

2)设置吸气延时参数t1与呼气延时参数t2；

3)将步骤1)与步骤2)中的各个参数传输给控制单元21；

4)控制单元21在每次吸气开始前设定吸气延时参数t1时间上开启紫外 光源13，并在每次呼气开始后设定呼气延时参数t2时间上关闭紫外光源13。

请参照图7，本实施例还提供了一种杀菌面罩300，其包括能容纳人体 头部且形成一个密闭呼吸空间的面罩本体31、设置在面罩本体31上且与所 述呼吸空间连通的若干连通管32、以及杀菌单元100，部分或全部连通管32 上连接设置有所述杀菌单元100。

本实施例一种杀菌单元、杀菌面罩、杀菌系统以及杀菌系统控制方法， 采用管道结构，构成呼吸的进气通道，并在进气通道内部设置具有杀菌功 能的光学结构，在进气通道内部形成特殊的紫外光能量线形，实现高效灭 菌；通过在面罩上设置多个杀菌单元，即可保障呼吸通畅，又能实现高效 的灭菌；通过设置杀菌系统，配备控制单元与电子开关，并配合呼吸传感 器采集呼吸频率，通过控制单元可以有效控制紫外光源的开关与能量大小，在吸气上升沿段，尽可能地打开所有进气通道的紫外光源，将其强度调到 最大，在呼气时可以在一定延时后关闭紫外光源，待到下一次吸气前再打 开光源，这样可以有效延长电池的使用时间，提高灭菌效率。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进， 这些都属于本发明的保护范围。