一種車載UVC殺菌裝置的設計與實現

薛蔚平，豐建芬，吳杰，王金磊，黃琬禎

(常州星宇車燈股份有限公司 ，江蘇常州 213000)

0 引言

車輛作為小型密閉空間，車內人員密度大，空氣渾濁，尤其空調開啟后潮濕溫暖的環境里會滋生大量細菌。為保證人員身體健康，避免汽車成為疾病的傳染載體，迫切需要一種高效安全的車載殺菌裝置，同時易于安裝，可以集成在現有的車輛配置上，且不影響駕駛體驗和道路安全。

傳統的殺菌方式有噴灑化學消毒劑、臭氧法和紫外殺菌法等。其中噴灑化學消毒劑和臭氧法在殺菌過程有可能對人體產生危害，需要避免在有人的場所使用，不適合用于車載應用，只能作為一種預防性的方法。所以車載殺菌一般采用紫外殺菌法，它具有簡單高效，且易于控制的特點。傳統的紫外殺菌一般是用紫外汞燈，但是隨著UVC-LED技術的成熟，更加環保高效的LED開始取代水銀汞燈成為紫外殺菌的光源選擇[1]。

文中選擇UVC LED作為光源，結構上設計一種可懸掛固定在空調出風口的UVC殺菌裝置，空調出風口的氣流有組織地經過UVC裝置時，紫外線會直接殺滅氣流中的微生物，裝置的金屬外殼可以屏蔽紫外線對人體的直接照射傷害。電子設計中使用傳感器技術對可能產生的UV光泄漏進行監測及保護，并可以根據實際應用調節UVC光源的輻照射強度，達到清潔殺菌的要求。研究制作出滿足性能要求的功能性樣件，對后續UVC技術在車載殺菌領域的大規模應用提供了實驗數據支持。

1 原理概述

1.1 UVC殺菌原理

深紫外線(UV)，特指波長在200～350 nm的紫外線。CIE對UV波段又做了更細的分類，將其中100～280 nm部分的短波命名為C波段。因此UVC-LED指的是C波段的深紫外LED光源。此類短波紫外線具有極強的殺菌能力，因此廣泛應用在殺菌與凈化領域[2]。UVC對細菌等微生物的殺菌作用表現在它通過光化作用有效破壞分子結構，造成細胞死亡，消滅車內空氣中的細菌、病毒、霉菌等病原體。圖1是來自3個不同研究歸納的紫外光譜殺菌效率對比，整體曲線趨勢基本保持一致[3-5]。

圖1 不同波段光譜的殺菌效率對比

傳統的深紫外UV光來自于水銀汞燈，隨著汞燈使用禁止條例(水俁公約)將于2021年正式生效，以及UVC-LED的技術瓶頸突破,傳統的水銀汞燈燈管將會逐漸被壽命更長、輻射功率更大、更加環保、體積更小的LED光源所取代。

1.2 系統設計需求

考慮到UVC-LED易被吸收的特點，很適合空氣殺菌應用，因為空氣對UVC的吸收系數很低，使得UVC殺菌的效果很好。

為實現這一目標，文中設計一種UVC殺菌裝置，可固定于汽車空調出風口擋風板上，并使裝置的進風口與汽車的出風口相對放置。空氣從汽車的出風口吹出后，通過與之相對放置的進風口進入殼體內，位于殼體內的UVC-LED殺菌模塊對進入殼體內的空氣進行殺菌，殺菌后的空氣通過殼體上的出風口流出，進入車內空間，達到對汽車內的空氣進行殺菌凈化的目的。根據車廂內的實際使用環境，文中分別通過結構設計來提高出風量和延長照射時間，電子設計上則是調節光源輻射強度等多種方式來提高最終的殺菌效率。

從結構角度分析，該UVC殺菌裝置需要易于安裝，有足夠的固定強度，角度可以適當地調節以匹配如今多數的車載空調界面，同時造型簡潔實用，殺菌裝置的體積不能太大。裝置內部設計使用多重反射的風道結構，增大空氣在UVC光線下的輻照射劑量，多次循環，殺菌效果更好。

從電子角度分析，由于UVC波段具有很強的殺菌能力，會引起皮膚紅斑以及結膜炎。基于此，為了規避UV光泄漏的風險，需要設計一個有效且可靠的傳感器檢測電路，避免直面UVC的輻射。同時，電路本身還需要支持調光功能，通過調節UVC輻射強度來達到匹配不同的使用環境。

為了實現上述系統功能，該UVC殺菌裝置設計中需要具備以下4個特點：(1)外形簡潔實用;(2)裝置內部的風道設計;(3)UV光泄漏監測機制;(4)支持UVC強度調光。

2 系統設計

2.1 安裝結構設計

為保證殺菌效果，同時避免UVC-LED殺菌模塊殺菌時紫外線對人體造成傷害，將UVC-LED殺菌模塊設置于殼體內，通過安裝架對殼體進行固定。殺菌裝置整體視圖如圖2所示。

圖2 殺菌裝置結構示意

為了達到簡潔實用的目的，用于固定在汽車出風口擋風板上的安裝架包括支架、夾頭、連桿、球頭、球頭座和支撐架，可以方便調節殼體的安裝角度，使得調整后的進風口與汽車空調的出風口相對，提高進風量。殺菌裝置通過汽車內出風口的空氣流通來對空氣在殺菌裝置內的流通提供動力，從而可以減少風機等動力設備的使用，有助于簡化殺菌裝置的結構，減小體積，并降低成本。設計中，殼體的材料選用耐候性較好的ASA材料。

為了達到提高殺菌效率的目的，首先是提高進風口處的進風量，將進風口設計為喇叭狀結構，即進風口遠離殼體一側的截面直徑大于該進風口與殼體相連接處的截面直徑。出風口設置于殼體的下方，便于空氣在殼體內流通，和避免從殼體內吹出的空氣對人體進行直吹。其次是在內部用4塊板子自上至下依次交錯排列，構成風道(圖3)，風道的設計不僅能夠對UVC-LED燈進行遮蔽，提高安全性，還可對空氣進行引流，通過風道延長空氣在風道的停留時間，即延長UVC-LED深紫外燈對空氣的殺菌時間，從而提高殺菌效果。設計中，風道等部件選用金屬材質。

圖3 內部風道剖視圖

2.2 電子電路設計

電路設計框架包括車載供電模塊、主處理器模塊、驅動電路模塊、光泄漏檢測模塊、工作狀態檢測模塊、光源負載模塊、指示燈模塊,系統原理圖如圖4所示。

圖4 殺菌裝置電路原理示意

為了實現UV光泄漏檢測，在電路中增加了光泄漏檢測模塊，包括單獨的處理器和由若干個光電傳感器組成的監測矩陣組成，處理器與監測矩陣采用I2C方式通信，處理器作為主機，而檢測矩陣的各個光電傳感器為從機。光電傳感器表面集成了窄帶濾波片，可以檢測指定波段的光強。當發生泄漏風險時，光源負載模塊上的藍光會和深紫外光一起溢出，通過實驗對標泄漏前后不同波段的光強可以得到光電傳感器的泄漏監測閾值，當實時監測到的值超過閾值時就會觸發中斷，處理器根據事先制定的協議將判據結果以CAN報文的方式發送給主處理器模塊。設計中，使用的光電傳感器型號為OPT3001-Q1。

為了實現UVC輻射強度調光，UVC-LED的驅動芯片選用具有PWM調光功能的汽車類多通道線性LED驅動器，滿足汽車級的環境工作溫度要求，支持模擬和PWM調光功能，可調恒定輸出電流，精度高，具有多路通道輸出，支持受主處理器模塊調節而對其中某些通道休眠/開啟，達到調節輻射強度的目的。支持LED開路、短路檢測和熱關斷功能，自帶故障反饋功能。圖5為驅動電路的原理圖，設計中使用的驅動芯片型號為TPS92638-Q1。

圖5 UVC-LED驅動原理圖

3 測試結果

根據上文的設計方案，分別制作了兩組快速樣件，分別選用首爾以及國產的UVC-LED光源，標稱波長在285 nm，單顆光功率在5 mW@30 mA，單通道4顆光源，重復測試了10次，圖6是測試后的結溫和光譜數據。

圖6 測試數據

根據測試數據，發現快速樣件狀態的UVC殺菌裝置光功率穩定，結溫很低，散熱設計合理，初步達到了設計要求。

4 結束語

文中提到的設計只是原理性樣件，如果要做到產品級，后續還需要對樣件的造型和電路進行優化，在滿足功能的基礎上達到車規級的要求。實際應用中的殺菌效果需要參考使用環境，關鍵因素包括車廂空間、UVC-LED的光功率和顆粒數、出風量的大小，需要過多次的實驗測試才能得到最佳的參數。