CN107619086A - 紫外消毒系统 - Google Patents

Abstract

本申请案涉及紫外消毒系统。本发明实施例包含伸长室。UV光源包含半导体装置，所述半导体装置包含安置在n型区域与p型区域之间的有源层。所述有源层发射具有峰值波长在UV范围内的辐射。所述半导体装置定位于所述伸长室的壁上。所述伸长室的内表面具有反射性。

Description

紫外消毒系统

相关申请案的交叉参考

此为于2015年6月8日提出申请的美国申请案第14/733,494号的部分连续案，其授予本发明受让人且以引用方式并入本文中。

技术领域

本申请案涉及消毒装置。

背景技术

III-氮化物材料(包含(Al、Ga、In)—N和其合金)的带隙从极窄InN带隙(0.7eV)延伸到极宽AlN带隙(6.2eV)，此使得III-氮化物材料高度适用于从近红外延伸到深紫外的宽光谱范围内的光电应用，例如发光二极管(LED)、激光二极管、光学调制器和检测器。可见光LED和激光可使用有源层中的InGaN获得，而紫外(UV)LED和激光则需要较大AlGaN带隙。

发射波长在230-350nm范围内的UV LED可用于众多种应用，其大部分是基于UV辐射与生物材料之间的相互作用。典型应用包含表面灭菌、水净化、医疗装置和生物化学、用于超高密度光学记录的光源、白光照明、荧光分析、感测和零排放汽车。

UV辐射具有使细菌、病毒和其它微生物失活的消毒性质。低压汞灯可产生254nm范围内的UV辐射。由于大多数微生物受约260nm辐射的影响，UV辐射在适用于杀菌活性的范围内。图1图解说明已知UV处理装置。圆柱形室110沿室110的中心轴容纳UV灯泡112。灯泡可包裹于石英套管中。UV辐射114从灯泡112发射。未经处理的水在入口116处进入室，且流向出口118，其中经处理的水可从室移除。流动控制装置120可防止水过快地穿过灯泡，此确保与流动水的适当辐射接触时间。室为不锈钢的。

发明内容

本申请案涉及水消毒器皿。水消毒器皿包括外壳；外壳内的第一紫外(UV)发光二极管(LED)；外壳内用于容纳水的透明衬里，水具有第一折射率，衬里具有接触水的内壁，衬里是由具有小于第一折射率的第二折射率的材料形成，使得当来自第一UVLED的光以小于临界角入射到水-衬里界面上时，所述光通过TIR反射离开所述界面，衬里具有反射穿过内壁的光的外壁；和电源，其经控制以向第一UV LED提供至少能够部分地将水消毒的时间量。

附图说明

图1是现有技术UV消毒系统的剖视图。

图2是倒装芯片UV发射装置(UVLED)中的多个像素的平面图。

图3是图2UVLED中的一个像素的剖视图。

图4图解说明包含UVLED和透明板的封装。

图5图解说明包含UVLED和密封材料的封装。

图6图解说明包含UVLED和光学元件的封装。

图7是批处理UV消毒系统的剖视图。

图8是连续流动UV消毒系统的剖视图。

图9是包含流体可透过结构的连续流动UV消毒系统的剖视图。

图10图解说明紧密封装型布置中的多个连续流动UV消毒室。

图11是用于控制UV消毒系统的电路的方块图。

图12是在底部具有集成UVC LED光源的水容器的二等分视图，其中光通过TIR反射出内壁来消毒液体。

图13是在底部具有集成UVC LED光源的水容器的二等分视图，其中光通过TIR反射出空气/间隙界面来消毒液体。

图14是具有集成UVC LED光源的水容器的二等分视图，所述水容器类似于图12但其中UVC LED位于器皿侧壁周围。

图15是具有集成UVC LED光源的水容器的二等分视图，所述水容器类似于图13但其中UVC LED位于器皿侧壁周围。

各图中相同或相似的元件用相同编号标记。

具体实施方式

尽管本文所述的装置是III-氮化物装置，但由其它材料(例如其它III-V材料、II-VI材料、Si)形成的装置在本发明实施例的范畴内。本文所述的装置可经配置以发射UV A辐射(峰值波长介于340nm与400nm之间)、UV B辐射(峰值波长介于290nm与340nm之间)或UV C辐射(峰值波长介于210nm和290nm之间)。

在本发明实施例中，将一或多个UVLED用于消毒适于消毒流体(例如水、空气或任何其它适宜材料)的装置中。

市售UVA、UVB和UVC LED可用于多个实施例中。图2和3是受让人自己的可用UVB和UVC LED的实例。图2是UVLED像素12的阵列的一部分的顶视图，且图3是单一UVLED像素12的二等分剖面。可使用任何适宜UVLED且本发明实施例并不限于图2和3的装置。

UVLED通常是III-氮化物，且通常是GaN、AlGaN和InGaN。UV发射像素12的阵列是在单一衬底14(例如透明蓝宝石衬底)上形成。其它衬底是可能的。尽管实例显示像素12为圆形，但其可具有任何形状，例如正方形。光通过透明衬底逸出，如图3中所显示。像素12各自可为倒装芯片，其中阳极和阴极电极面向支架(下文描述)。

所有半导体层在衬底14上方以外延方式生长。AlN或其它适宜缓冲层(未显示)生长，随后n型区域16生长。n型区域16可包含多个具有不同组成、掺杂剂浓度和厚度的层。n型区域16可包含至少一种掺杂有Si、Ge和/或其它适宜n型掺杂剂的n型Al_aGa_1-aN膜。n型区域16可具有约100nm到约10微米的厚度且直接生长于缓冲层上。n型区域16中Si的掺杂量可介于1×10¹⁶cm^-3到1×10²¹cm^-3之间。根据预期发射波长，所述式中的AlN摩尔分数“a”可从在360nm处发射的装置的0％到经设计以在200nm处发射的装置的100％变化。

有源区域18在n型区域16上方生长。有源区域18可包含单一量子阱或多个由势垒层分开的量子阱(MQW)。量子阱和势垒层含有Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN，其中0<x<y<1，x代表量子阱层的AlN摩尔分数，且y代表势垒层的AlN摩尔分数。由UV LED发射的峰值波长通常取决于AlGaN量子阱有源层中Al的相对含量。

p型区域22在有源区域18上方生长。与n型区域16一样，p型区域22可包含多个具有不同组成、掺杂剂浓度和厚度的层。p型区域22包含一或多个p型掺杂(例如Mg掺杂)AlGaN层。AlN摩尔分数可介于0到100％范围内，且此层或多层的厚度可介于约2nm到约100nm(单层)或到约500nm(多层)范围内。用于此区域中的多层可改良横向电导率。Mg掺杂量可从1×10¹⁶cm^-3到1×10²¹cm^-3变化。Mg掺杂的GaN接触层可最后在p型区域22中生长。

上文所述的所有或一些半导体层可在过量Ga条件下生长，如US 2014/0103289中更详细描述，所述专利以引用方式并入本文中。

蚀刻半导体结构15以在像素12之间形成显露n型区域16的表面的沟渠。像素12的侧壁12a可相对于生长衬底的主要表面的法线垂直或以锐角12b倾斜。每一像素12的高度138可介于0.1-5微米之间。在每一像素12底部和顶部的宽度131和139可为至少5微米。还可使用其它尺寸。

在蚀刻半导体结构15以形成沟渠之前或之后，将金属p-型接触24沉积且图案化于每一像素12的顶部上。p-型接触24可包含一或多个形成欧姆接触的金属层和一或多个形成反射器的金属层。适宜p-型接触24的一个实例包含Ni/Ag/Ti多层接触。

将n-型接触28沉积且图案化，使得n-型接触28沉积在像素12之间大体上平坦的n型区域16表面上。n-型接触28可包含单一或多个金属层。n-型接触28可包含例如与n型区域16直接接触的欧姆n-型接触130和在欧姆n-型接触130上方形成的n-型覆盖式接触层132。欧姆n-型接触130可为例如V/Al/Ti多层接触。n-型覆盖式接触132可为例如Ti/Au/Ti多层接触。

n-型接触28和p-型接触24通过介电层134电分离。介电层134可为通过任何适宜方法形成的任何适宜材料，例如一或多种硅氧化物和/或一或多种硅氮化物。介电层134覆盖n-型接触28。在介电层134中形成的开口暴露p-型接触24。

p-型覆盖式接触136在装置的顶表面上方形成，且大体上以保形方式覆盖整个顶表面。p-型覆盖式接触136电连接到在介电层134中形成的开口中的p-型接触24。p-型覆盖式接触136通过介电层134与n-型接触28电分离。

电连接到p-型覆盖式接触136和n-型接触28的稳健金属垫提供于图的外部以用于连接到电源终端。多个像素12包含在单一UVLED中。所述像素通过大面积p-型覆盖式接触136和大面积n-型覆盖式接触132电连接。像素的数量可基于应用和/或所需辐射输出来选择。包含多个像素的单一UVLED在下图中图解说明为UVLED 1。

在一些实施例中，衬底14是蓝宝石。衬底14的厚度可为例如大约数百微米。在具有200μm厚蓝宝石衬底的1mm正方形UVLED 1中，假设辐射是从衬底的顶部和侧面发出，则顶表面占衬底辐射表面的约55％，且侧面占辐射表面的约45％。衬底14在一些实施例中可保持为装置的一部分，且在一些实施例中可从半导体结构移除。

当从衬底14的顶表面观察时，当装置相对于图3中所图解说明的定向倒装时，UVLED可为正方形、矩形或任何其它适宜形状。

图2和3中所图解说明的UVLED可安置于封装中。三种封装图解说明于图4、5和6中。在每一封装中，UVLED 1附接到支架70。支架70可为例如陶瓷支架、电路板、金属芯印刷电路板、硅支架或任何其它适宜结构。电路元件(例如用于UVLED 1的驱动电路或任何其它适宜电路)可安置在支架70上或内。在图4、5和6中所图解说明的封装中的每一者中，一个以上的UVLED可附接到支架70。在下文所述的每一消毒室中，可使用单一UVLED，可使用安置在单一封装中的多个UVLED，或可使用多个各自包含一或多个UVLED的封装，以提供足以在消毒室中消毒的UV辐射。

在图4的封装中，UVLED 1附接到支架70。透明板72安置在UVLED 1上方。透明板72可为石英或任何适宜材料。UVLED 1可如图4中所图解说明与透明板72直接物理接触，通过例如用折射率匹配的材料(例如油或任何其它适宜材料)填充支架70与透明板72之间的空间74而与透明板72光学接触，或与透明板72间隔开。

在图5的封装中，UVLED 1附接到支架70。UVLED 1和支架70上邻近UVLED 1的空白空间经密封UVLED 1的材料76覆盖。适宜密封材料为UV硬化的透明材料，且保护UVLED 1。任何适宜材料(例如玻璃)可通过任何适宜技术(例如溶胶凝胶工艺)来施加。可回蚀刻UVLED1顶表面上方的密封材料以显露UVLED 1的顶表面(通常为生长衬底的顶表面)。

在图4和5的封装中，在一些实施例中，侧壁78形成密封室，使得UVLED 1与流体分离且从消毒流体保护LED。举例来说，如果流体为液体，那么支架70、侧壁78和透明板72或密封材料76形成UVLED 1置于其中的水密隔室。侧壁78可为消毒室的壁、金属或塑料容器或任何其它适宜结构。

在图6的封装中，UVLED 1附接到支架70，且光学元件60附接到UVLED 1。光学元件60可为任何适宜光学元件，包含例如圆顶透镜、菲涅尔透镜(Fresnel lens)、所图解说明的复合抛物面准直器或任何其它适宜透镜或光学元件。图6中所图解说明的光学元件60可产生比不具光学元件60的UVLED 1所发射的辐射图案更准直的辐射图案。在一些实施例中，光学元件60是复合抛物面准直器。遇到弯曲侧壁64的UV辐射朝向出口表面62反射。光学元件60可为通过全内反射(TIR)使UV辐射反射出侧壁64的固体透明材料，或填充有空气的开口中空结构，且侧壁是由反射材料形成或经反射材料涂布。在开口结构的情形下，出口表面62可简单地为开口。复合抛物面准直器可更适用于将UV辐射源安置在伸长消毒室端壁上的应用。圆顶透镜可更适用于将UV辐射源置在伸长消毒室侧壁上的应用。

光学元件60可为截断倒金字塔或圆锥。光学元件60的出口表面62可为例如旋转对称、卵圆形、圆形、正方形、矩形或任何其它适宜形状。光学元件60的出口表面62的形状可与消毒器皿的形状相匹配。光学元件60的光学耦合到UVLED顶表面的表面可仅稍大于UVLED的顶表面；在一些实施例中大不超过10％，在一些实施例中大不超过20％，且在一些实施例中大不超过30％。在一些实施例中，透镜或其它光学元件安置在UVLED 1的上方在UVLED 1与光学元件60之间。

固体光学元件60是由对UVLED 1所发射的波长的UV辐射透明且能够耐受UV辐射而不降格的材料形成。举例来说，在一些实施例中，光学元件可由在280nm下透射率至少85％的材料形成。所述材料可在曝露于280nm UV辐射1000hr后降格不超过1％。在一些实施例中，光学元件60是由可模制材料形成，例如玻璃、购自五铃硝子公司(Isuzu Glass,Inc.)的IHU UV透射玻璃和抗UV硅胶。在一些实施例中，光学元件60是由可通过例如研磨和抛光成形的材料形成，例如石英或蓝宝石。通过模制形成的光学元件可更廉价；通过研磨和抛光形成的光学元件可具有更好的光学质量。

在一些实施例中，光学元件60仅光学耦合到UVLED 1的顶表面，通常为UVLED 1的生长衬底的表面或半导体结构的主要表面。在一些实施例中，光学元件60还可在UVLED 1的侧面上方延伸且光学耦合到所述侧面。光学元件60可仅在生长衬底的侧面上方延伸，或在生长衬底和半导体结构二者的侧面上方延伸。

如图6中所图解说明，在一些实施例中，仅UVLED 1的顶表面光学耦合到光学元件60。UVLED 1的侧表面并不光学耦合到光学元件，使得从侧表面发射的辐射损失。捕获仅来自顶表面的辐射会增加UVLED/光学元件系统的集光率。增加集光率可增加系统的辐照度且减小光源大小，此可用于一些应用。发射到侧面的辐射在这些实施例中被丢弃，但在UV发射系统中，辐射可优先朝向UVLED的侧表面而非UVLED的顶表面发射，这是因为AlGaN有源层内的极化。

在光学元件为通过全内反射引导辐射的固体材料(例如图6中所图解说明的光学元件)的实施例中，光学元件可具有TIR表面与可或可不通过TIR引导辐射的其它表面的组合。举例来说，图6中所图解说明的光学元件非TIR表面64可与UVLED 1间隔开的圆顶表面组合，例如来代替平坦输出表面62。

具有光学元件60的UVLED 1可用于如图6中所图解说明的消毒室中、用于图4或5中所图解说明的封装中或用于任何其它适宜封装中。

图7是消毒装置的一个实施例的剖视图。图7的装置包含消毒室40。消毒室40为伸长的；长度42在一些实施例中可比例如宽度44大至少5倍，且在一些实施例中比宽度44大不超过100倍。平面45处的剖面可为环形、正方形、矩形、六角形或任何其它适宜形状。

UV辐射源50是沿消毒室的至少一个壁安置。在图7中所图解说明的实施例中，一个UV辐射源50安置在伸长消毒室40的一个短壁上的一端。在本文所述的每一消毒室中，单一UV辐射源可定位于消毒室的任一壁上或消毒室的任一部件中，或多个UV辐射源可定位于消毒室的相同或多个壁上。在一些实施例中，UV辐射源定位于伸长室的较长侧壁上，而非或另外定位于伸长室的较短端壁上。在一些实施例中，UV辐射源定位于消毒室的两个端壁上。为实现预定量的UV辐射以消毒室中的每个点，与必须在室的相对端产生足够UV辐射的定位于一端的单一UV辐射源相比，在室的两端每端各使用一个UV辐射源可允许减少欲使用的功率UV装置。

在图7中所说明的实施例中，UV辐射源50可安置在可视为消毒室的顶部者上。消毒室顶部52的面向消毒室中的表面54可由UV反射材料形成或经所述材料涂布。消毒室底部(即与顶部相对的短壁)的面向消毒室中的表面48可由UV反射材料形成或经所述材料涂布。表面48和54可具有相同的反射涂层，但此并非必需。适用于表面48和54的反射涂层的实例包含金属、银、铝、铁氟龙(Teflon)、聚四氟乙烯(PTFE)、硫酸钡、氧化物、硅氧化物(包含SiO₂)、钇氧化物、铪氧化物、多层堆叠、分布式布拉格反射器(distributed Braggreflector)和其组合。

伸长消毒室40的侧表面46(即垂直于上文所述的顶表面和底表面的表面)可由引起全内反射(TIR)或衰减全内反射(ATR)的材料形成或经所述材料涂布，其中所述材料具有反射性但有一定吸收力，使得一些辐射力在辐射入射于ATR材料上时损失。TIR材料在一些实施例中可优选用于更好的反射，但ATR材料可出于其它原因(例如成本、耐久性等)来使用。在一些实施例中，伸长消毒室是由耐久的廉价材料(例如塑料或聚碳酸酯)形成，其中内表面由引起TIR或ATR的材料涂布。适于形成消毒室的涂层和/或材料的实例包含引起UV辐射的TIR且不吸收或大体上不吸收的材料，例如铁氟龙、Fluorilon 99-U和上文所列示用于表面48和54的涂层的任一材料。消毒室可由例如适用于上文所列示的消毒室和/或表面48和54的涂层的实例、塑料、金属、玻璃或任何适宜材料制得。

在一些实施例中，消毒室40的遇到水的一或多个表面(例如上文所述的侧表面或顶表面和底表面)可经光催化材料(例如TiO₂)涂布或以其它方式处理。TiO₂可将水光催化成OH自由基，其可通过分解有机材料来净化水。

在一些实施例中，使用图7中所说明的水消毒装置来批量地消毒流体。举例来说，消毒装置可为水瓶。顶部52可为可移除的；举例来说，顶部52可为螺旋盖、强压盖或通过任何其它适宜方式固定到消毒室的结构。可移除顶部52，用水填充消毒室40，且例如通过按压按钮或轻按开关(在图7中未展示)来激活UV辐射源50。UV辐射源50可辐照消毒室40中的水，直到例如自动关停或由用户停用。然后可移除顶部52，且移除经消毒的水。在一些实施例中，单一UV辐射源50可安置在水瓶的底部而非顶部，使得欲消毒的水足够紧密地靠近UV辐射源以用作UV辐射源的散热件。另外，将UV辐射源50置于水瓶的底部而非顶部可减少或消除在UV辐射源与流体之间的空气间隙处与TIR相关的损失，其可由不完全填充水瓶引起。

图8是水消毒装置的一个实施例的剖视图，所述装置可消毒连续流动工艺而非分批工艺中的水，如图7中所图解说明的装置。在图8的装置中，UV辐射源50安置在伸长消毒室140的一端，如图7中所示，且在激活时辐照消毒室140。伸长消毒室140的顶部和底部48端可经UV反射材料涂布或由其形成，如图7中所示。消毒室140的内表面46可经TIR或ATR材料涂布，如图7中所示。

在图8中所图解说明的装置中，欲消毒的水通过入口56流入消毒室140中。水通过消毒室140流向出口58，其中经消毒的水流出消毒室140。图8中所图解说明的装置并非按比例绘制；消毒室140可比图8中所图解说明更长且入口56和出口58间隔更远。举例来说，消毒室140在一些实施例中可比其宽长至少10倍，在一些实施例中比其宽长至少100倍，且在一些实施例中比其宽长至少500倍。消毒室140足够长以使得水在消毒室中停留足够时间以曝露于足够UV辐射来消毒水。

消毒室140可为例如柔性塑料软管或任何其它适宜材料。在一些实施例中，入口56(在一些实施例中和UV辐射源50)可沉入水体中，使得用户可朝向出口58抽取或泵送水。

与将UV光源安置在室内使得UV辐射以放射状发射的图1装置不同，在图7和8中所图解说明的装置中，UV光源50安置在室的一端，使得辐射向下沿伸长室的长度以纵向发射。

图9是包含流体可透过结构(例如过滤器)的连续流动消毒室的剖视图。在图9的装置中，消毒室84由伸长侧壁80界定，且过滤器82安置在室84的任一端。流体在86处进入，通过过滤器82流入室84中，然后通过第二过滤器82，其中其在88处离开室。UV辐射源50安置在侧壁80上或任何其它适宜位置。如在图8中，消毒室可为柔性(例如塑料管)或刚性。消毒室通常为伸长的，但其可为任一适宜形状。

过滤器82可为流体可穿过的任一适宜结构。过滤器82可过滤出流体中一些或所有的颗粒物，但此并非必需。过滤器82还可反射UV辐射，使得UV辐射源50所发射的光陷于室84中。过滤器82可为任何适宜材料，包含例如多孔铝、铝幕或由宝利事公司(Porex,Inc)制造由铁氟龙颗粒烧结而成的多孔铁氟龙。室84的长度和直径、过滤器82的孔隙度、UV辐射源50所发射的辐射功率和其它特性可经选择使得在预定流速下，流体(例如空气、水或任何其它适宜流体)在室84中停留足够时间来消毒流体。

在一些实施例中，室84的一些或所有壁可经光催化材料涂布，如上文所述。由于光催化消毒需要流体和光催化材料紧密靠近，因此经光催化材料涂布或由其形成的其它结构可安置在室84中。在包含光催化材料的实施例中，流体可以三种方式进行消毒：由过滤器82机械过滤、由来自UV辐射源50的UV辐射消毒和由通过光催化材料与UV辐射的相互作用产生的OH自由基消毒。

图10图解说明呈紧密排布的多个消毒室84，如图9所示。消毒室可视需要添加以达到所需流体通量。尽管个别消毒室呈六角形以最大化消毒室的剖面面积，但所述个别消毒室可为任一适宜剖面。

图11是电路的方块图，所述电路可控制上文所述任一消毒室中的UV辐射源。也可使用任何适宜电路。图11中所图解说明的所有组件在所有实施例中并非必需的。所述组件可安置在上述支架上或中，且如所图解说明经由支架、电路板或任何其它适宜结构彼此电连接。UV辐射源50可连接到微处理器90，其可打开和关闭UV辐射源50，且可调整UV辐射源50的功率。可为用户激活或自动的且可为任何适宜开关的开关91可直接激活UV辐射源(在图11中未显示)，或可激活微处理器，其打开UV辐射源。

将流体曝露于来自UV辐射源的辐射的时间量可由计时器94指示，所述计时器可计数预定时间量，此后微处理器90可关闭UV辐射源50。指示器92(例如光或任何其它适宜指示器)可指示UV辐射源50是否正发射UV辐射。

检测器96可检测消毒室中给定点处的UV辐射量。光源50所发射的UV辐射量可相应地通过微处理器90来调整。可使用第二检测器98来检测UV辐射源50是否正发挥适当功能。举例来说，可使第一检测器96定位于UV辐射源50附近，且可使第二检测器98远离UV辐射源50定位。当UV辐射源50打开时，可比较检测器96和98中的每一者所检测到的UV辐射量。如果检测器96指示较高UV辐射量且检测器98指示较低UV辐射量，那么流体可能被颗粒物污染。如果检测器96和98均指示低UV辐射量，那么UV辐射源50可能未发挥适当功能。可使用指示器92向用户指示UV辐射源50未发挥适当功能。

在一种操作中，用户激活开关91。作为回应，微处理器90打开UV辐射源50。微处理器90还可将指示器92切换到指示UV辐射源正在消毒的状态。UV辐射量通过检测器96来测量。作为回应，微处理器90可调整UV辐射源50保持打开的时间量和/或UV辐射源50的功率，以递送足够剂量的UV辐射来消毒流体。达到剂量后，微处理器92可立即关闭UV辐射源50，且关闭指示器92或将指示器92变到指示UV辐射源结束消毒的状态。

图12是在底部具有一或多个集成UVC LED 152的便携式圆柱形水器皿150的二等分视图，其中光通过TIR反射出衬里155的内壁153来消毒液体。TIR发生在入射光处于小于界面的临界角时。在外壁156(例如铝)与下一壁158之间可存在隔离160以保持水冷却。从LED 152发射的光线162负责使器皿150装满水164。LED 152发射UVC范围260-280nm内的光，所述范围是杀死微生物以消毒水的最有效范围。UVC破坏微生物的细胞壁和DNA以使其基本上无害。

水具有约1.35的折射率。衬里155优选地是模制聚合物，其具有平滑内表面和低于约1.33的折射率(稍低于水的折射率)以使得发生TIR。适宜聚合物是购自MY聚合物有限公司(MY Polymers Ltd)的MY-133-V2000或购自托帕高级聚合物有限公司(Topas AdvancedPolymers,GmbH)的托帕8007聚合物。也可购得具有其它适宜折射率的其它聚合物。利用TIR，与反射材料(例如抛光金属)(反射率约90％-95％)相比，基本上无反射损失(反射率>99.5％)。衬里155并不视为反射器且可为透明的。UVC光不断地反射出水/衬里155界面直到被微生物吸收或因水164中的粒子衰减。

使LED 152位于底部(例如模制成聚合物衬里155的底部用于保护)使得UVC光能够始终反射于任一量的水内和顶部空气/水界面处。在另一实施例中，UVC LED 152囊封于透镜内且附加到衬里155的内壁以最小化衬里155内的波导。如果UVC LED 152附加到衬里155的内壁，那么可通过使导体运行穿过衬里155中的密封孔来制造与电源的电连接。

衬里155的外壁158可为聚合物上的沉积反射金属膜158，例如铝、铬或银，以反射回大于临界角且穿过透明聚合物衬里155的任何光线。为减轻透明聚合物衬里155内波导的作用，外表面可包含模制棱镜或粗糙化以使反射光处于众多个角处来增加反射回到水164中的UVC光的百分比。

已知2000-8000μW·s/cm^-2的剂量会杀死目标微生物。

小控制电路166包含可更换电池、开关和计时器。还可包含用于为电池再充电的太阳能电池。用户用例如来自水流的水填充器皿后，用户立即按压开关，且将功率施加到LED152达认为杀死微生物所需的预定时间。根据水的来源，计时器可为可设置的。或者，每当控制电路166感测到帽167打开然后闭合时，LED 152自动通电。还可将剂量检测器纳入器皿中来测量供应到水的UVC能量的积累量。达到阈值后，剂量检测器控制UVC LED关闭。图11图解说明控制电路166的可能实施例。

图13是在底部具有集成UVC LED光源152的另一便携式圆柱形水器皿170的二等分视图，其中光通过TIR反射出空气/间隙界面来消毒液体。外壁156可为铝。在外壁156与透明聚合物衬里174之间是空气间隙175(折射率为约1)。衬里174可为与针对图12所述相同的聚合物，只是衬里174的外壁不被反射材料覆盖，这是因为反射出衬里174的外壁是通过更有效的TIR。显示来自LED 152的光线176通过TIR反射出空气/衬里174界面。光也通过TIR反射出衬里174的内壁，如图12中所显示。铝外壁156可具有抛光内表面以使光穿过衬里174反射回到水164中。

图14是水器皿188的二等分视图，所述水器皿类似于图12但其中LED 152A和152B位于透明衬里155的侧壁内。LED 152还可在底部。在不同位置添加LED允许器皿内的更大UVC覆盖，此会缩短所需消毒时间。显示UVC光线190。

此在侧壁上安装LED 152A和152B和使用TIR的技术还可用于器皿为输送输入与输出之间的水的管道时，例如图8-10中所显示。图14和15的实施例可容易地转变成的管道部分用于消毒运行穿过管道的水。

图15是便携式水器皿200的二等分视图，所述水器皿类似于图13但其中LED 152A和152B位于透明衬里174的侧壁内。TIR和其它反射特征与图13中相同。

在详细描述本发明后，所属领域技术人员将意识到，在给出本发明揭示内容的情况下，可在不背离本文所述发明概念的精神下对本发明作出修改。具体来说，本文所述不同装置的不同特征和组件可用于任一其它装置中，或可从任一装置省略各特征和组件。一个实施例上下文中所述的例如光学元件的特性可适用于任一实施例。针对具体实施例中的具体组件描述的适宜材料可用于其它组件和/或其它实施例中。因此，不打算将本发明的范畴限制于所说明并描述的特定实施例。

Claims (18)

1.一种水消毒器皿，其包括：

外壳；

所述外壳内的第一紫外UV发光二极管LED；

所述外壳内用于容纳水的透明衬里，所述水具有第一折射率，

所述衬里具有接触所述水的内壁，所述衬里是由具有小于所述第一折射率的第二折射率的材料形成，使得当来自所述第一UV LED的光以小于临界角入射到水-衬里界面上时，所述光通过TIR反射离开所述界面，

所述衬里具有反射穿过所述内壁的光的外壁；和

电源，其经控制以向所述第一UV LED提供至少能够部分地将所述水消毒的时间量。

2.根据权利要求1所述的器皿，其中所述衬里的所述外壁经反射膜覆盖。

3.根据权利要求1所述的器皿，其进一步包括邻近所述衬里的所述外壁的空气间隙，使得进入所述衬里的UV光通过TIR在空气与所述衬里的外壁的界面处反射。

4.根据权利要求1所述的器皿，其中所述衬里包括透明聚合物。

5.根据权利要求1所述的器皿，其进一步包括所述外壳与所述衬里的所述外壁之间的反射材料，所述反射材料用于使UV光反射回到所述水中。

6.根据权利要求1所述的器皿，其中所述外壳具有用于使UV光反射回到所述水中的反射内壁。

7.根据权利要求1所述的器皿，其进一步包括用于向所述第一UV LED供能的控制器，所述控制器包括电源和开关。

8.根据权利要求7所述的器皿，其进一步包括用于在一段时间后自动关闭所述第一UVLED的计时器。

9.根据权利要求7所述的器皿，其进一步包括用于为所述电源再充电的太阳能电池。

10.根据权利要求1所述的器皿，其中所述第一UV LED经定位接近所述器皿的底部，其中所述器皿的顶部在开口上方具有帽。

11.根据权利要求1所述的器皿，其进一步包括一或多个光学耦合到所述器皿中的所述水的额外UV LED。

12.根据权利要求1所述的器皿，其中所述第一UV LED位于所述衬里的壁内，且所述UV光通过所述透明衬里耦合到所述水中。

13.根据权利要求1所述的器皿，其中所述第一UV LED粘附到所述衬里的内壁。

14.根据权利要求1所述的器皿，其中所述器皿经帽密封且为便携式的。

15.根据权利要求1所述的器皿，其中所述器皿为大体上圆柱形的。

16.根据权利要求1所述的器皿，其进一步包括在所述器皿的所述衬里与外表面之间的隔离材料。

17.根据权利要求1所述的器皿，其中所述器皿具有输入端口和输出端口。

18.根据权利要求1所述的器皿，其中所述UV光在260-280nm的UVC范围内。