基于UVGI原理的多功能洗漱用品除菌机设计

刘存香，刘学军，林土淦

（广西交通职业技术学院自动化工程系，广西 南宁 530023）

基于UVGI原理的多功能洗漱用品除菌机设计

刘存香，刘学军，林土淦

（广西交通职业技术学院自动化工程系，广西 南宁 530023）

卫生间内滋生着多种对人体有害的大肠杆菌、流行感冒病毒、毛霉菌，为消除这些有害菌，基于UVGI（紫外线消毒技术）原理设计了一款多功能洗漱用品除菌机.该除菌机通过紫外线消毒机构、负离子臭氧发生器、远红外加热器等部件实现杀菌、烘干功能.通过试验，证明了所研制的多功能洗漱用品除菌机除菌率达到95%以上，烘干率达到90%，从而有效实现对卫生间除菌杀毒作用.

洗漱用品；除菌机；设计；研制

随着人们生活水平的提高和社会文明的进步，人们对健康生活的要求越来越高，但是由于卫生间历来是藏污纳垢的地方，卫生间里存在多种细菌和螨虫，它们繁殖速度非常快，在多人家庭共用的卫生间场合，细菌和螨虫对毛巾、牙具、剃须刀等洗漱用品的感染和污染就更加严重.经资料检索发现［1－2］，现有卫生间消毒设备功能单一，不能提供卫生间一站式清洁消毒服务.因此，设计一种既可靠又能进行储藏、烘干、消毒、杀菌和除味的一体式设备显得尤为重要.

1 多功能洗漱用品除菌机工作原理

图1所示为多功能洗漱用品除菌机工作流程图，上电工作后，控制器对各类参数进行初始化设置，并通过红外传感器监测是否有毛巾挂上.若挂上毛巾，除菌机将调节鼓风机和红外热管工作参数，后启动鼓风机及红外加热功能；人体感应传感器判断是否有人进入，若无人进入卫生间，则启动紫外消毒和臭氧消毒程序，不定时监测烘干时间是否已到，若达到预期烘干效果则停机.

图1 多功能洗漱用品除菌机工作流程图Fig.1 The working process chart ofthe mal－function toilet requisitesremoving bacteria machine

2 基于UVGI原理的紫外线灯管选型

紫外线通过破坏作用在微生物的核酸、蛋白质以及酶等物

式中：T（t）表示经过t时间后的细菌存活率，%；f表示快速杀菌阶段的菌群数占初始浓度百分比；Kf表示快速杀菌率常数，cm2／（μW·s）；I表示紫外线辐射强度，μW／cm2；Ks表示慢速杀菌率常数，cm2／（μW·s）；t表示紫外线照射时间．

此外，根据紫外线辐射强度计算公式可知，其辐射强度与紫外线等到辐射点的距离、紫外线灯长度及直径、紫外线灯辐射功率以及综合辐射角系数等有关.

考虑到一般家庭卫生间面积在7～9m2之间，预设杀菌率为95%，则照射剂量为27140μW·s／cm2.分别对距离紫外线灯管距离为1，2，3 m的点进行辐射强度计算，可知紫外线灯管总辐射强度为9842.6 μW／cm2.因此，紫外线灯管输出功率可根据下式计算：

式中：Euv表示紫外线灯管输出功率，μW；Ftot表示综合辐射角系数；r表示灯半径，cm；l表示灯的长度，cm；∑ISi表示所有点的紫外线强度总和，μW／cm2.

选择紫外线灯管长为110cm，半径为8cm，则紫外线灯管输出功率为28W.

3 多功能洗漱用品除菌机结构设计

如图2所示，多功能洗漱用品除菌机，包括柜体，柜体分为上部的顶柜11、中间的毛巾烘干消毒杀菌柜6和下部的小件物品消毒杀菌柜2，毛巾烘干消毒杀菌柜6和小件物品消毒杀菌柜2间有玻璃隔板4，柜体正面是镜子，柜体外设有人体感应传感器3；顶柜11内安装负离子臭氧发生器12、远红外加热器13、鼓风机15、温度传感器14和控制器16，顶柜11侧面设有出风口10；毛巾烘干消毒杀菌柜6内安装湿度传感器20和4个平行排列的毛巾挂架，每个毛巾挂架由固定的细热风导管7和活动的粗导管8套装组成，细热风导管7与顶柜11连接并由空气阀17控制，粗导管8置于柜内的一端和细热风导管7上设有相互配合的粗导管位置传感器9，粗导管8伸出柜外的一端是拉出把手18，靠近拉出把手18的粗导管8处上设有烘干时间刻度线26，拉出把手18下设烘干箱密封片19挡住毛巾出口，细热风导管7和粗导管8的管壁上都有多个出风孔；毛巾烘干消毒杀菌柜6的侧面和小件物品消毒杀菌柜2的底面设有消毒孔并安装隐藏式的紫外线消毒机构1；紫外线消毒机构1包括紫外灯管23、灯管固定架25、灯管反射罩24和步进电机22，紫外灯管23通过灯管固定架25固定在柜外，步进电机22控制灯管反射罩24做旋转运动［4－5］.

图2 多功能洗漱用品除菌机结构原理图Fig.2 The structure principle figure of themal－function toilet requisitesremoving bacteria machine

毛巾烘干消毒杀菌柜6可对毛巾等卫生间的纺织品进行烘干处理，启动远红外加热器13时，鼓风机15将顶柜11热量以热风形式通过细热风导管7和粗导管8的出风孔输送至毛巾烘干消毒杀菌柜6.由于粗导管8与细热风导管7为套装组成，即粗导管8包住细导管（两导管间有一定间隙）并可相对于细导管进行左右移动.拔出拉出把手18可在粗导管8上放置毛巾推入柜内，热风经管壁的出风孔导流到毛巾上进行烘干处理.该机的每个毛巾挂架都由单独的热风通道跟顶柜11相通，控制器16控制空气阀17的开启、远红外加热器13的通断及鼓风机15的运转，将热量分配至每个毛巾挂架上.可根据毛巾的湿度，利用柜外的烘干时间刻度线26标识选择烘干时间，每条时间刻度线与机体壁对齐时都会使，粗导管位置传感器9对信号发生变化，控制系统将根据粗导管8位置决定烘干时间；若时间刻度线不对齐机体壁，控制系统将根据湿度传感器20和温度传感器14对反馈信号自主计算选择烘干时间.与远红外加热器13工作类似，负离子臭氧发生器12生成的负离子和臭氧可随鼓风机15吹出的热风分配到每条毛巾的热风导管内，控制器16控制在烘干毛巾的过程中同时对其消毒杀菌和除味.此外，因顶柜11设有出风口10，控制器16可控制其阀门及鼓风机15动作将负离子和臭氧吹到卫生间环境中，负离子可以有效分解难闻的气味，实现外部环境的消毒和除味.

紫外线消毒机构1的灯管反射罩24可绕着紫外灯管23旋转，步进电机22通过自动改变灯管反射罩24的旋转角度，将紫外线聚光后投射到机体内部或机体外部，实现对除菌机内部的卫生间用品和外部的卫生间环境进行紫外线扫描消毒杀菌.

为保证安全，除菌机两侧各设一个人体感应传感器3［6－7］，当其感应到有人在卫生间时，控制器16将自动切断消毒过程，以防止紫外线在对外部环境进行扫描消毒时对人体产生的射线伤害.顶柜11中有温度传感器14，控制系统如果发现顶柜11温度过高，将自动切断远红外加热器13的运作，以降低顶柜11内的温度.

4 试验结果分析

4.1 试验条件

室温：21.3℃；卫生间相对湿度（空气实际所含水蒸气密度和同温下饱和水蒸气密度的百分比值）：78%；大气压力：760mmHg；

4.2 各主要传感器、执行器型号、参数

湿度传感器型号：Honeywell（HIH－3602型）；紫外线灯管长为110cm，半径为8cm，输出功率为28W；红外加热器功率：1500W；人体感应传感器型号：LH1778

4.3 试验结果

对多功能洗漱用品除菌机开展了真机试验，试验结果为：

1）经过红外加热器吹出风口温度为60℃.

2）经湿度传感器测定，悬挂一条毛巾时，打开加热器烘干至干燥度达到90%时［8］，定时器显示时间为8分25秒；悬挂8条毛巾时，需要12分44秒.

3）紫外消毒和负离子臭氧发生器可以对卫生间中存在的大肠杆菌、流行感冒病毒、毛霉菌等进行杀毒，细菌存活率T（t）分别为4.273%、0.068%、3.289%.总杀菌率在95%以上.

5 结论

所研制的多功能洗漱用品除菌机通过顶柜、毛巾烘干消毒杀菌柜和小件物品消毒杀菌柜以及数种功能部件，将毛巾烘干，卫生间用品储藏、消毒、杀菌和除味等功能集于一身，可方便地为家庭提供清洁卫生间的各项服务，试验结果表明，多功能洗漱用品除菌机具备以下性能：

1）可通过多种方式对卫生间进行一站式全面消毒杀菌；

2）通过智能控制系统可允许用户对柜体内的洗漱用品及柜体外的卫生间环境进行定时消毒杀菌，给用户提供最健康的消毒方案；

3）可快速对洗漱用过的毛巾进行烘干、消毒和杀菌，避免细菌的滋生.

［1］贺漓漓.旅店业公共用品用具卫生状况调查［J］.应用预防医学，2010，16（4）：256－259.

［2］童少平，褚有群，马淳安.家用多功能电化学臭氧发生器的研究［J］.环境工程学报，2007，10（1）：71－73.

［3］吴耀杰，秦红.中央空调系统紫外线消毒设备设计［J］.广东工业大学学报，2005，22（4）：44－47. ［4］罗杰斌，杨长令，黄永明，等.桶装纯净水自动装卸系统的研制［J］.制造业自动化，2013，35（1）：134－136.

［5］刘存香，罗杰斌，刘学军，等.可旋转高速公路收费站太阳能顶棚的研制［J］.制造业自动化，2012，34（7）：103－106.

［6］罗杰斌，刘存香.人机交互式智能垃圾收集系统的研制［J］.湖北民族学院学报：自然科学版，2013，31（1）：72－74.

［7］刘存香，何仁.电磁制动与摩擦制动集成系统测试台架设计及试验研究［J］.汽车技术，2012（1）：51－55.

［8］郑奇.电吸收调制器在激光脉冲压缩技术中的理论和仿真实验研究［J］.湖北民族学院学报：自然科学版，2015，33（1）：6－9

责任编辑：时 凌

Design of the Multi－function Toilet Requisites Removing Bacteria Machine Based on UVGI Theory

LIU Cunxiang，LIU Xuejun，LIN Tugan
（Department of Automotive Engineering，Guangxi Vocational and Technical College of Communications，Nanning 530023，China）

The toilet produces a variety of harmful bacteria such as E.coli，flu virus and mucormycosis.To eliminate these harmful bacteria，based on UVGI（ultraviolet disinfection technology），the multi－function toilet requisites removing bacteria machine is designed.The removing bacteria machine achieves the func⁃tion as sterilization，drying by ultraviolet disinfection mechanism，negative anion ozone generator，far infra⁃red heaters and other components.The experiments result proved that the multi－function toilet requisites removing bacteria machine can achieve sterilization rate of more than 95%，drying rate of 90%，which can realize removing bacteria in toilet.

toilet requisites；removing bacteria machine；design；development

TKK13

A

2014－12－16.

广西高等学校科研基金项目（KY2015YB416）.

刘存香（1981－），男，高级工程师，博士，教授，主要从事机电产品设计，汽车机电一体化技术的研究.质达到杀毒的作用，研究表明，紫外线的杀毒效果同其辐射强度及光照时间有关.为此细菌存活率可表征为［3］：

1008－8423（2015）03－0314－03

10.13501／j.cnki.42－1569／n.2015.09.022