CN104822395B - 紫外线杀菌装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种紫外线杀菌装置，其使用比水银灯的使用寿命长、且消耗电力较低的深紫外线发光二极管作为光源，由于能够向杀菌对象照射高强度的深紫外线，因而能够有效进行杀菌，而且容易维护，能够实现结构紧凑化。该紫外线杀菌装置向在由紫外线透过性材料围成的流路(140)中流动的杀菌对象照射深紫外线，从而进行杀菌，在该紫外线杀菌装置中，将光源与聚光装置(120)集成为一个单元(130)，并配置在所述流路的周围，从而将经该聚光装置聚光后的深紫外线照射到杀菌对象上，其中，所述光源为配置有多个紫外线发光元件的模块(110)，所述聚光装置对从该模块中的各紫外线发光元件射出的深紫外线进行聚光。

Description

紫外线杀菌装置

技术领域

本发明涉及一种新型紫外线杀菌装置。

背景技术

已知波长为200～350nm的深紫外线具有杀菌效果，而通过照射这种深紫外线进行杀菌的紫外线杀菌装置被应用到实际当中。作为用于紫外线杀菌装置的光源，一般采用低压水银灯(所谓杀菌灯)，所述低压水银灯放射通过低压(约0.1Pa)水银蒸气放电产生的波长为253.7nm的光(水银谱线)。该杀菌灯广泛应用于烹调室，医院，制药工厂等，用于对水、粉状物体及容器等进行杀菌。

另外，近年来，开发了一种紫外线杀菌装置，其将比水银灯的使用寿命长、且消耗电力较低的深紫外线发光二极管(下面也称为深紫外线LED)模块化后作为光源使用。

在利用使用了这种深紫外线LED的紫外线杀菌装置对水等流体进行杀菌的情况下，为了提高杀菌效率，一般使作为处理对象的流体流动的同时对其进行深紫外线照射，已知有如下装置利用这种方式进行杀菌。

即，已知一种如下类型的装置，其在作为杀菌对象的流体中配置光源来进行深紫外线照射，在该装置中，在具有处理对象流入部及处理对象流出部的处置槽内部配置有LED模块，该LED模块的第1传热板及第2传热板的表面上分别配置有多个深紫外线LED，同时第1传热板及第2传热板分别具有以水密封状态覆盖该深紫外线LED的保护罩，在第1传热板的深紫外线LED及第2传热板的深紫外线LED处于背靠背且不重合的状态下，将第1传热板及第2传热板这二者以背面相对的方式组合在一起，从而形成该LED模块(参见专利文献1)。另外还已知另一种类型的装置，其在供杀菌对象流动的流路外侧配置光源来进行深紫外线照射，在该装置中，在弯曲的石英玻璃构成的流路所包裹的位置上设置光源，由在流路中流动的杀菌对象来冷却光源(参照专利文献2)。

【专利文献1】日本发明专利公开公报特开2012-115715号

【专利文献2】日本发明专利公开公报特开2010-194414号

发明内容

由于深紫外线LED放射的深紫外线的强度显著低于杀菌灯放射的深紫外线的强度，为了充分杀菌，需要设法排列设置多个深紫外线LED，增加对单位量的杀菌对象的照射时间，因而在对较大量的杀菌对象进行有效杀菌方面尤其具有局限性。例如，在所述专利文献1及2所记载的装置中，在作为光源的模块中，深紫外线LED排列设置在一个平面上，因而为确保所需的照射量，不仅需要增大模块自身的面积，而且为增加对单位量的杀菌对象的照射时间，在专利文献1所示的装置中需要增加在处理槽内设置的模块数量，在专利文献2所示的装置中需要增加流路的长度。

本发明在作为光源的模块中以能够有效利用该模块的内部空间的方式配置深紫外线LED，同时将该模块与对该光源放射的深紫外线进行有效聚光的聚光装置组合使用，由此来解决上述技术问题。

即，本发明为一种紫外线杀菌装置，该紫外线杀菌装置具有流路和光源，所述流路由具有杀菌作用的紫外线能够透过的紫外线透过性材料围成，作为杀菌对象的流体流经所述流路，所述光源配置在该流路的外部，并射出具有杀菌作用的紫外线，所述紫外线杀菌装置通过向流经所述流路内部的杀菌对象照射从该光源射出的所述紫外线，进行杀菌，该紫外线杀菌装置的特征在于，所述光源由多个“发出具有杀菌作用的紫外线的紫外线发光元件”构成，该紫外线杀菌装置还具有对从各紫外线发光元件射出的所述紫外线进行聚光的聚光装置，经该聚光装置聚光后的所述紫外线照射到所述杀菌对象上。

在上述技术方案的基础上，本发明的优选技术方案为：杀菌装置具有使所述流路的内部产生紊流的机构。

另外，本发明的一个优选技术方案为：所述本发明的装置具有聚光紫外线射出单元，所述聚光紫外线射出单元由光源与聚光装置构成，其中，所述光源由紫外线发光模块构成，在所述紫外线发光模块中，在圆筒状或多边形柱状基体的侧表面上配置多个“发出具有杀菌作用的紫外线的紫外线发光元件”，且使各紫外线发光元件的光轴通过所述基体的中心轴，从而以所述中心轴为中心呈放射状射出所述深紫外线，所述聚光装置包含扁平椭圆状反射镜或抛物面反射镜，所述紫外线发光模块配置在所述扁平椭圆状反射镜或抛物面反射镜的焦点轴上，所述聚光紫外线射出单元对从所述紫外线发光模块射出的呈放射状的所述紫外线进行聚光，并射出聚光后的所述紫外线，从所述聚光紫外线射出单元射出的聚光后的所述紫外线照射到所述杀菌对象上。

上述技术方案的基础上，本发明的更优选的技术方案为：杀菌装置具有多个所述聚光紫外线射出单元，这些聚光紫外线射出单元配设在所述流路的周围，从而从多个方向将聚光后的所述紫外线照射到所述杀菌对象上。

本发明的一个优选技术方案为：一种对紫外线透过率小于或等于50％的杀菌对象进行杀菌的杀菌装置，所述紫外线透过率的定义为，当向厚度为1cm的照射对象照射具有杀菌作用的紫外线时，透过紫外线强度(透过照射对象的紫外线的强度)与照射紫外线强度(照射在照射对象上的紫外线的强度)的百分比率((透过紫外线强度/照射紫外线强度)×100(％))。

若采用本发明的紫外线杀菌装置，通过将由多个“发出具有杀菌作用的紫外线(深紫外线)的紫外线发光元件(深紫外线发光元件)”构成的光源和对从各紫外线发光元件射出的所述紫外线进行聚光的聚光装置组合使用，能够将经聚光而具有高强度的深紫外线照射到杀菌对象上，因此，能够有效杀菌。另外，若采用本发明的紫外线杀菌装置，杀菌对象流经流路内部，光源及聚光装置配置在该流路的外部，因此容易对装置进行维护。

若采用本发明的紫外线杀菌装置，例如，即使在对根据所述定义的紫外线透过率等于或小于50％的具有较低紫外线透过率的杀菌对象进行杀菌时，从流路的外侧照射的紫外线难以到达在流路中心部流动的杀菌对象的情况下，由于通过设置使所述流路的内部产生紊流的机构，来使流经该中心部的杀菌对象在紊流的作用下在流路壁面的附近流动，因而只要适当设定紫外线照射区域的长度，便可以将紫外线均匀地照射到杀菌对象上，从而能够切实杀菌。

在本发明的紫外线杀菌装置中，将光源与聚光装置的组合作为所述的“聚光紫外线射出单元”时，能够形成照射区域中的紫外线强度较高且均匀的紫外线照射区域而进行紫外线照射，该紫外线照射区域是长边较长的长方形照射区域，因此，可以使装置的结构紧凑。而且，可以根据所述聚光紫外线射出单元的配置方式，来自由设定该照射区域的配置方式，例如，将多个该聚光紫外线射出单元配设在所述流路的周围，通过从多个方向将聚光后的所述紫外线照射到所述杀菌对象上，从而能够更加有效地进行杀菌。另外，通过排列配置该聚光紫外线射出单元，也能够增加紫外线杀菌区域的长度。

附图说明

图1为表示在本发明的一个实施方式所涉及的紫外线杀菌装置中能够优选作为光源使用的紫外线发光模块的横剖面及纵剖面的图。

图2为表示本发明的一个代表性实施方式所涉及的紫外线杀菌装置的横剖面图。

图3为表示本发明的一个代表性实施方式所涉及的紫外线杀菌装置的侧视图。

图4为表示本发明的另外一个实施方式所涉及的紫外线杀菌装置的横剖面图。

图5为表示本发明的其他的另外一个实施方式所涉及的紫外线杀菌装置的横剖面图。

具体实施方式

本发明的紫外线杀菌装置具有流路和光源，所述流路由具有杀菌作用的紫外线(深紫外线)能够透过的紫外线透过性材料围成，作为杀菌对象的流体流经所述流路，所述光源配置在该流路的外部，并射出具有杀菌作用的紫外线，所述紫外线杀菌装置通过向流经所述流路内部的杀菌对象照射从该光源射出的所述紫外线，进行杀菌，该紫外线杀菌装置的特征在于，所述光源由多个“发出具有杀菌作用的紫外线的紫外线发光元件”构成，还具有使从各紫外线发光元件射出的所述紫外线聚光的聚光装置，经该聚光装置聚光后的所述紫外线照射到所述杀菌对象上。

下面，参照附图以作为本发明的紫外线杀菌装置的优选实施方式的紫外线杀菌装置为例，来说明本发明的一个实施方式所涉及的紫外线杀菌装置。所述优选实施方式的紫外线杀菌装置具有“聚光紫外线射出单元”130，该“聚光紫外线射出单元”130由光源与聚光装置构成，其中，所述光源由多个深紫外线发光模块构成，在所述深紫外线发光模块中，多个深紫外线发光元件配置在圆筒状基体的侧表面(外周面)上，并配置为使各发光元件的光轴穿过所述基体的中心轴，从而使该深紫外发光模块以所述中心轴为中心呈放射状射出所述深紫外线，所述聚光装置包含扁平椭圆状反射镜，所述紫外线发光模块配置在该扁平椭圆状反射镜的焦点轴上，从而对从所述紫外线发光模块射出的呈放射状的紫外线进行聚光，并将聚光后的所述紫外线射出。

图1表示在聚光紫外线射出单元130中使用的紫外线发光模块110的(当沿X-X面剖切时的)横剖面图及纵剖面图。如这些图所示，紫外线发光模块110在圆筒状基体111的表面上以排列方式配置有多个“射出具有杀菌作用的紫外线的紫外线发光元件”(也称为深紫外线发光元件)112，该圆筒状基体的内部形成有冷却介质用流路113。另外，安装了紫外线发光元件112的圆筒状基体111被由石英或蓝宝石等紫外线透过性材料形成的罩部件116所覆盖。利用密封剂或填料、O形环等密封部件117以气密或水密封的方式将该罩部件116安装在圆筒状基体上，其内部封入氮气等惰性气体、干燥空气等气体。另外，为在罩部件内部保持较低的水分量(湿度)，也可以在罩部件内部装入干燥剂(未图示)。由此，能够提高紫外线发光元件的耐久性。图示状态为在采用石英管作为罩部件并向其内部插入安装有紫外线发光元件的圆筒状基体的状态。

深紫外线发光元件112采用LED(深紫外线LED)等元件，所述LED射出波长为200～350nm的深紫外线，优选射出波长为240～290nm的深紫外线。深紫外线LED优选配置为元件安装在基座(submount)上的状态或收装在封装件(package)内的状态，而且向规定方向射出紫外线。此外，虽然没有图示，但是在基座上或壳体内形成有从外部向所述深紫外线发光元件供电的配线或用于使深紫外线发光元件正常工作的电路，通过在圆筒状基体111的表面上或内部形成的配线对该配线或电路进行供电。

圆筒状基体111除了具有作为用于固定保持深紫外线发光元件112的支承体的功能外，还具有散热器的功能，通过使冷却水或冷却用气体等冷却介质118在内部的冷却介质用流路113内流动，来防止紫外线发光元件的放热导致的温度上升，或能够保证元件的稳定工作，或能够延长元件的使用寿命。

在本发明中，如后述所示，由于圆筒状基体111的表面上稠密地安装了多个深紫外线发光元件，因而有效除去深紫外线发光元件产生的热量变得尤为重要。因此，圆筒状基体111优选主要由铜、铝等导热系数较高(导热性能较好)的金属或陶瓷等构成，另外，优选在冷却介质用流路的内壁面上加工出槽，以扩大冷却介质与内壁面之间的接触面积。而且，当利用金属材料构成圆筒状基体111时，优选形成用于使从外部电源向紫外线发光元件供电的铜线或电路与基体111绝缘的绝缘层。

在圆筒状基体111的侧表面上，多个深紫外线发光元件沿着该基体的圆周方向以光射出面朝向外侧的方式配置，且各深紫外线发光元件112的光轴115的延长线通过该基体111的中心轴114。结果使得，从深紫外线发光元件射出的深紫外线以该中心轴114为中心呈放射状射出。此外，深紫外线发光元件112的光轴115是指从深紫外线发光元件射出的光束的中心轴，与该光束的行进方向的意思大致相同。另外，这里，所谓的“以使光轴115通过该基体111的中心轴114的方式配置”是指尽可能地使光轴115通过该基体111的中心轴114,，即使稍稍偏离也没有问题。

图1表示了在基体的圆周方向上配置4个深紫外线发光元件的例子，但是并不限于此，可以根据圆筒状基体111的外径，做出适当变更。在基体的圆周方向上配置的深紫外线发光元件的数量通常为3～20个，优选在4～12个的范围，但是由于在基体的圆周方向配置的紫外线发光元件的数量越多，射出的深紫外线的强度(光子通量密度)越大，因而当需要较高强度的紫外光时，扩大圆筒状基体111的半径，在基体的圆周上配置数量超过上述范围的深紫外线发光元件即可。

如图1的纵剖面图所示，优选以在圆筒状基体111的长度方向形成列的方式来配置深紫外线发光元件112。该长度方向的排列长度越长，越能够增加深紫外线照射区域的长度。此时，深紫外线发光元件的排列设置方式优选，稠密且有规则地配置深紫外线发光元件，从而使紫外线照射区域上的紫外线强度均匀。

图2及图3表示了使用了所述紫外线发光模块110的本发明的一个实施方式所涉及的紫外线杀菌置100的横剖面图及侧视图。该紫外线杀菌装置100具有由射出侧壳体125与聚光侧壳体126构成的主体150，射出侧壳体125的内表面为由扁平椭圆状形的反射镜构成的射出侧反射镜120，聚光侧壳体126的内表面为由扁平椭圆状反射镜构成的聚光侧反射镜123，该主体150的内部配置有所述紫外线发光模块110及用于供杀菌对象流通的流路140。在图示的形态中，由于射出侧反射镜120与聚光侧反射镜123为实质上形状相同的扁平椭圆状反射镜，所以在主体150中，射出侧反射镜120的聚光轴122与聚光侧反射镜123的焦点轴124一致，由射出侧壳体125与聚光侧壳体126结合形成的内部空间的形状为柱状体，其具有分别以射出侧反射镜的焦点轴121及射出侧反射镜的聚光轴122(聚光侧反射镜的焦点轴124)的两个轴为焦点轴的椭圆形剖面。

在主体150上，射出侧壳体125与聚光侧壳体126优选能够相互装拆，或利用铰链等能够开闭。另外，在图3中所示的主体150的上下两端开口部上设置有罩部件(未图示)，该罩部件用于防止紫外线泄露到外部。

射出侧反射镜120及聚光侧反射镜123的表面优选由对紫外线的反射率较大的材质构成，例如Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt等铂族金属、Al、Ag、Ti、或至少包含这些金属中的一种金属的合金、硫酸钡或氧化镁。尤其优选由Al、铂族金属或包含铂族金属的合金、硫酸钡或氧化镁来形成所述表面，其理由在于，这些材质对紫外线的反射率特别高。另外，该表面由金属材料构成时，优选利用石英、紫外线透过性电介质等紫外线透过性材料覆盖该表面，其目的在于防止该表面被氧化或者受到损伤而导致反射率降低。

在紫外线杀菌装置100中，紫外线发光模块110以其中心轴114与射出侧反射镜的焦点轴121一致的方式配置，并与射出侧壳体125构成聚光紫外线射出单元130，射出侧壳体125也即包含射出侧反射镜120的聚光装置。另外，配置流路140，使其中心轴与射出侧反射镜的聚光轴122(聚光侧反射镜的焦点轴124)一致。由于如所述那样配置紫外线发光模块110及流路140，从该紫外线发光模块110射出的呈放射状的深紫外线被射出侧反射镜及聚光侧反射镜反射，并被聚光以聚集到聚光侧反射镜的焦点轴上，使聚光后的深紫外线有效照射流路140。这样，紫外线杀菌装置100理论上能够将紫外线发光模块110射出的呈放射状的深紫外线全部聚光到聚光侧反射镜的焦点轴上，从而也能够有效利用向流路140的方向以外的方向(例如相反方向或横向)射出的紫外线。

流路140为由石英管或蓝宝石管等对具有杀菌作用的紫外线有透过性的材料围成的流路，作为杀菌对象160的流体流经其内部。因此，透过石英管壁、蓝宝石管壁等构成的流路周壁的深紫外线照射到杀菌对象160，进行杀菌。杀菌对象160只要是流体即可，并没有特别限定，例如除了空气等气体、水等液体外，也可以是悬浮少量微小固体的浆状物等。此外，当使杀菌对象160流经流路140内部时，根据需要，优选预先使其通过过滤器或吸附层等，进行预处理。

为了更切实的进行杀菌，优选在该流路140内设置使该流路内产生紊流的机构(未图示)。作为紊流发生机构，只要是能够发生紊流即可，并没有特别限定，例如，其可以为如下紊流发生机构：在流路内或流路入口设置的紊流格子、在内壁面上形成的凹凸部、在流路内充填的紊流发生片、使搅拌叶片随机旋转的紊流发生装置等。当杀菌对象的流动形成所谓“层流”时，由于杀菌对象的种类、照射的深紫外线的强度、流路的粗细等条件，存在无法对流经流路内的中心部的杀菌对象进行充分的深紫外线照射的可能性，通过发生紊流，使流经流路的中心部的杀菌对象在流路壁面的附近流动，只要适当设定紫外线照射区域的长度，便能够对杀菌对象均匀照射紫外线，从而能够切实进行杀菌。基于这种理由，当对深紫外线透过率较低的杀菌对象，例如紫外线透过率等于或小于50％的杀菌对象，尤其是紫外线透过率等于或小于40％的杀菌对象进行杀菌时，设置紊流发生机构是有效的，所述紫外线透过率的定义为，当向厚度为1cm的照射对象照射具有杀菌作用的紫外线时，透过紫外线强度(透过照射对象的紫外线的强度)与照射紫外线强度(照射在照射对象上的紫外线的强度)的百分比率((透过紫外线强度/照射紫外线强度)×100(％))。另外，通过设置紊流发生机构，即使增大流路的截面尺寸，也能够切实进行杀菌，所以能够增加流经流路的杀菌对象的流量，进一步提高杀菌的效率。此外，关于紫外线透过率与液相的厚度之间的关系，“原田常雄等，《杀菌灯》，东芝评论第6卷，第5号，P289(1951)”等文献有记载，据此可知，牛奶、清酒、啤酒、加糖注射液(20％)、勾兑酒等的所述透过率等于或小于40％。

以上，虽然以图示的紫外线杀菌装置100为例进行了说明，但是本发明的紫外线杀菌装置并不限于此。例如，作为聚光侧反射镜，只要是不会使紫外线泄露至外部而能够将紫外线反射到射出侧反射镜侧即可，射出侧反射镜可以采用与所使用的扁平椭圆状反射镜的形状不同的反射镜。另外，射出侧反射镜可以采用抛物面反射镜120′来代替扁平椭圆状反射镜，也可以将包含该抛物面反射镜120′的聚光装置与紫外线发光模块110组合在一起作为紫外线聚光射出单元130′。而且，也可以使用多个所述聚光紫外线射出单元130或聚光紫外线射出单元130′，将这些聚光紫外线射出单元配设在所述流路140的周围，从多个方向对所述杀菌对象照射聚光的所述紫外线。图4及5表示在流路140的周围分别设置4个聚光紫外线射出单元130及聚光紫外线射出单元130′的紫外线杀菌装置。采用这种配置，能够增加在单位时间内对单位量的杀菌对象照射的深紫外线量。

【附图标记说明】

100：紫外线杀菌装置；110：紫外线发光模块；111：圆筒状基体；112：深紫外线发光元件；113：冷却介质用流路；114：圆筒状基体的中心轴；115：深紫外线发光元件的光轴；116：罩部件；117：密封部件；118：冷却介质；120：扁平椭圆状反射镜构成的射出侧反射镜；120′：抛物面反射镜构成的射出侧反射镜；121：射出侧反射镜的焦点轴；122：射出侧反射镜的聚光轴；123：扁平椭圆状反射镜构成的聚光侧反射镜；124：聚光侧反射镜的焦点轴；125：射出侧壳体；126：聚光侧壳体；130：聚光紫外线射出单元(110及120的组合)；130′：聚光紫外线射出单元(110及120′的组合)；140：杀菌对象流经的流路；150：主体；160：杀菌对象。

Claims (6)

1.一种紫外线杀菌装置，其具有流路和光源，所述流路由具有杀菌作用且波长为200nm～350nm的深紫外线能够透过的紫外线透过性材料围成，作为杀菌对象的流体流经所述流路，所述光源配置在所述流路的外部，并射出具有杀菌作用的所述深紫外线，所述紫外线杀菌装置通过向流经所述流路内部的杀菌对象照射从所述光源射出的所述深紫外线，进行杀菌，其特征在于，

所述光源由深紫外线发光模块构成，所述深紫外线发光模块包括紫外线发光元件配置基体和罩部件，在所述紫外线发光元件配置基体中，在圆筒状或多边形柱状基体的侧表面上配置多个“发出深紫外线的紫外线发光元件”，且使各紫外线发光元件的光轴通过所述圆筒状或多边形柱状基体的中心轴，从而以所述中心轴为中心呈放射状射出所述深紫外线，所述罩部件由深紫外线透过性材料形成，所述罩部件以覆盖所述紫外线发光元件配置基体且内部封入惰性气体或干燥空气的方式，气密地安装在所述紫外线发光元件配置基体上，所述圆筒状或多边形柱状基体的内部形成有冷却用介质用流路，并使冷却用介质流经所述冷却用介质用流路，

所述紫外线杀菌装置具有聚光深紫外线射出单元，在所述聚光深紫外线射出单元中，所述光源配置在扁平椭圆状反射镜或抛物面反射镜的焦点轴上，所述聚光深紫外线射出单元对从所述光源射出的呈放射状的所述深紫外线进行聚光并射出所述深紫外线，

将从该聚光深紫外线射出单元射出并被聚光的所述深紫外线照射到所述杀菌对象上。

2.根据权利要求1所述的紫外线杀菌装置，其中，

具有使所述流路的内部产生紊流的机构。

3.根据权利要求1或2所述的紫外线杀菌装置，其特征在于，

具有多个所述聚光深紫外线射出单元，这些聚光深紫外线射出单元配设在所述流路的周围，从多个方向将聚光后的所述深紫外线照射到所述杀菌对象上。

4.根据权利要求1或2所述的紫外线杀菌装置，

其是一种对紫外线透过率小于或等于50％的杀菌对象进行杀菌的杀菌装置，

所述紫外线透过率定义为，当向厚度为1cm的照射对象照射具有杀菌作用且波长为200～350nm的深紫外线时，透过深紫外线强度与照射深紫外线强度的百分比率，即，透过深紫外线强度/照射深紫外线强度×100％。

5.根据权利要求3所述的紫外线杀菌装置，

其是一种对紫外线透过率小于或等于50％的杀菌对象进行杀菌的杀菌装置，

所述紫外线透过率定义为，当向厚度为1cm的照射对象照射具有杀菌作用且波长为200～350nm的深紫外线时，透过深紫外线强度与照射深紫外线强度的百分比率，即，透过深紫外线强度/照射深紫外线强度×100％。

6.一种杀菌方法，其特征在于，

利用权利要求1～3中任意一项所述的紫外线杀菌装置，对紫外线透过率小于或等于50％的杀菌对象进行杀菌，

所述紫外线透过率定义为，当向厚度为1cm的照射对象照射具有杀菌作用且波长为200～350nm的深紫外线时，透过深紫外线强度与照射深紫外线强度的百分比率，即，透过深紫外线强度/照射深紫外线强度×100％。