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UVC LED殺菌模拟經(jīng)驗分享
評估UVC-LED殺菌效果時(shí)，使用光學(xué)、流體等仿真來計算殺菌率的準确性有多高？對(duì)于準備入行的團隊，是否有必要配備專業的模拟分析人員？殺菌率計算模型又是如何建立起(qǐ)來的？
這(zhè)是筆者最近在與幾位業内朋友探讨的問題，探讨過(guò)程中大家從最開(kāi)始的各執一詞到達成(chéng)共識，筆者心中也漸漸有了清晰的答案。也許大家心中也有同樣(yàng)的疑問，下面(miàn)立刻開(kāi)始此次的分享，同樣(yàng)是望能(néng)抛磚引玉，與君共勉。
定性分析更具實用性
UVC-LED應用是利用肉眼不可見光去滅殺不可見的微生物，我們需要借助工具間接的去研究這(zhè)一過(guò)程。前輩UVC燈管經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，各家廠商都(dōu)已經(jīng)總結出一套實用的模拟仿真方法去指導産品設計，UVC-LED目前能(néng)夠做到什麼(me)程度呢？
業内同行分享的UVC-LED應用産品仿真圖
衆所周知，微生物的滅殺率與其接收的UV劑量相關，而UV劑量又與照射強度和時(shí)間相關。殺菌效果是生物敏感性、光學(xué)、流體三者的綜合結果，在模拟仿真中，隻要其中一方有偏差，最終結果就(jiù)會(huì)失真。
光學(xué)仿真的準确性已經(jīng)在白光LED行業得到了充分的驗證，各種(zhǒng)仿真工具也相當的成(chéng)熟。流體仿真工具廣泛運用于汽車、船舶、飛機甚至航天工具的設計中，隻要運用得當可信度是可以保證的。光學(xué)與流體的耦合算法也早已運用在傳統UVC燈管殺菌産品的設計中，因此通過(guò)模拟仿真方法可以得到比較準确的UV劑量。
主要的誤差來源于基礎數據測試。
目前在專業文獻上可以查到不同微生物的UV滅活劑量表，這(zhè)個劑量是針對(duì)254nm波長(cháng)的傳統UVC燈管而言的，由于微生物對(duì)于不同波長(cháng)UVC光的敏感性不同，傳統的劑量表不适用于265-280nm波長(cháng)的UVC-LED。
下面(miàn)以大腸杆菌（E.coli）爲例，使用UVC燈管達到99%的滅殺率需要的UV劑量爲6.6mJ/cm2，使用UVC-LED要高效一些，達到99.99%的滅殺率兩(liǎng)家同行給出的UV劑量分别約爲3mJ/cm2與5mJ/cm2。
兩(liǎng)家不同的UVC-LED芯片廠提供的殺菌劑量數據
目前還(hái)沒(méi)有權威機構放出針對(duì)UVC-LED的殺菌劑量表，少數有能(néng)力的廠商可以自行這(zhè)些數據。由于測試方法、設備的差異，得到的數據也不盡相同。假設我知道(dào)産品的UV劑量，我該參考哪家的數據去計算殺菌率呢？還(hái)是說(shuō)我需要自己實測才是準确的？
綜上，現階段通過(guò)模拟仿真可以獲得比較準确的UV劑量，但是無法通過(guò)UV劑量準确推算出殺菌率（部分行業巨頭除外）。目前對(duì)于絕大多數廠商而言，通過(guò)模拟仿真定性的指導産品設計是比較現實的方案。
定性分析指導設計
組建一個具備專業仿真能(néng)力的專業的團隊需要一定的投入，我們預算有限，是否可以省下這(zhè)筆費用？既然模拟仿真也不是很準，是否可以先“參考”同行的方案，後(hòu)續隻通過(guò)不斷的實測來驗證和修改産品設計？我們不急著(zhe)下結論，先做一個假設：
假設拿到了同行的産品，接下來你要怎麼(me)改進(jìn)？做哪些改動可以不影響殺菌效果還(hái)能(néng)規避對(duì)方專利？我們有沒(méi)有可能(néng)改的比對(duì)手的原版更好(hǎo)？哪家同行的設計的值得參考？
然而光憑一個内部結構和肉眼觀察，我們一無所知。這(zhè)時(shí)候一個定性的模拟仿真就(jiù)能(néng)幫到我們。例如下面(miàn)三張圖沒(méi)有任何的數據，我們依然能(néng)直觀的看出設計的優劣：左圖利用規則的旋流增加水體的照射時(shí)間，中圖利用低雷諾數結構避免出現短流，右圖雜亂無章的流線表明其流體設計不佳，還(hái)有很大的改進(jìn)空間。
三款過(guò)流式水殺菌産品的流體模拟圖
不妨再做一個假設：我們都(dōu)有遇到産品殺菌測試低不合格的時(shí)候，接下來要怎麼(me)做，往什麼(me)方向(xiàng)提升殺菌率？
往往大家第一反應是UV劑量不夠，加燈搞定。然而加燈意味著(zhe)加錢，你能(néng)否确定目前的燈珠已經(jīng)用盡了全力？是否調整流體結構增加照射時(shí)間比加燈更劃算？即使真要加燈，光功率要加到多少？散熱是否有問題？用單顆大功率還(hái)是用幾顆小功率？是單面(miàn)照射還(hái)是上下兩(liǎng)面(miàn)同時(shí)照射？以上這(zhè)些改變是隻改一個還(hái)是同時(shí)調整，各調整多少才能(néng)保證最高的性價比？
下面(miàn)是一個空氣殺菌器的風道(dào)，風自右向(xiàng)左吹，左側有3顆UVC-LED光源。
圖①的殺菌效果不佳，模拟分析直觀的呈現出問題根源在于光照與氣流不匹配，光分布均勻但氣流分布集中在下方。很容易聯想到兩(liǎng)個優化方向(xiàng)：
優化方向(xiàng)A：光源不動氣流動，把氣流調均勻。需要更改結構，考慮噪音和風阻問題。
優化方向(xiàng)B：流體不動光源動，光源下移增強下方的光密度，适用于風道(dào)無法調整的情況。
A、B兩(liǎng)個方向(xiàng)都(dōu)能(néng)在幾乎不增加成(chéng)本的情況下提升殺菌效果。試想一下這(zhè)時(shí)候如果盲目加燈，是不是花了錢還(hái)治标不治本？
空氣殺菌器優化示意
模拟仿真手段哪怕隻能(néng)幫我們定性的指引方向(xiàng)，都(dōu)可以大幅度減少後(hòu)續測試的時(shí)間和成(chéng)本。這(zhè)些節省的成(chéng)本往往會(huì)大于模拟分析人員的花費。
具有企業特色的仿真評估方法
下圖是UVC-LED應用産品研發(fā)流程的一部分，仿真設計貫穿于産品設計過(guò)程中，與結構、ID、電子設計是緊密聯系的并行關系。
産品研發(fā)流程參考
最初，模拟仿真僅能(néng)給産品設計提供方向(xiàng)參考。随著(zhe)測試反饋的增多，仿真方法在不斷的修正、進(jìn)化，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的積累和試錯，最終會(huì)形成(chéng)一套符合本公司産品特性的仿真模型，這(zhè)套模型可以大幅縮短後(hòu)續同類産品的研發(fā)周期。
具體的說(shuō)，在産品進(jìn)行殺菌效果實測之前，搜集好(hǎo)所有的原始數據，包括光源參數、實際尺寸、模拟仿真的結果等。殺菌測試時(shí)，最好(hǎo)能(néng)現場搜集測試數據，例如環境溫濕度、實時(shí)流速、操作手法等。在拿到殺菌報告後(hòu)，對(duì)比實測和模拟的差異，找出誤差原因并修正參數。根據修正後(hòu)的模型指導産品的調整，并再次測試，循環上述過(guò)程。有趣的是，這(zhè)個過(guò)程和練習投籃是十分相似的。
經(jīng)過(guò)日積月累的訓練，每個NBA球星都(dōu)形成(chéng)了自己獨特的投籃手法。手法無所謂好(hǎo)壞，能(néng)進(jìn)球就(jiù)行。同樣(yàng)的，由于各廠家的測試方法、設備、産品特性、研發(fā)能(néng)力差異，得到的仿真模型往往不具備可比性，無法随意套用。
以上就(jiù)是此次分享的全部内容，願大家都(dōu)能(néng)利用好(hǎo)模拟仿真工具，做出暢銷的産品。
轉載自：LEDinside