CN113976062B - 紫外线照射装置以及方法 - Google Patents

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Abstract

一种通过简易的结构对来自紫外线发光二极管(UV－LED)的发热高效地进行冷却的装置。在具有敞开端(10a)和紫外线透光性的封闭端(10b)的外壳(10)内容纳有UV－LED(11b)。隔着封闭端(10b)的一侧的外壳(10)而与被处理液体接触，将来自UV－LED(11b)的紫外线照射到该被处理液体，并且由该被处理液体冷却外壳(10)。由此，无需使用导入用于冷却UV－LED(11b)的专用的冷却用流体的结构，能够通过简易的结构对来自UV－LED(11b)的发热高效地进行冷却。也可以在外壳(10)的敞开端(10a)的一侧具备用于将由UV－LED(11b)产生的发热放出到外部的散热部(12)。也可以构成为散热部(12)的一部分直接与被处理液体接触。

Description

紫外线照射装置以及方法
本申请为下述申请的分案申请，
原申请的申请日(国际申请日)：2017年8月24日，
原申请的申请号：201780055405.7(国际申请号PCT/JP2017/030340)，
原申请的发明名称：紫外线照射装置以及方法。
技术领域
本发明涉及一种用于使用紫外线发光二极管(UV－LED)来对被处理液体进行紫外线处理的紫外线照射装置以及方法，尤其涉及一种通过简易的结构对来自紫外线发光二极管的发热高效地进行冷却的技术。本发明例如能够应用于将紫外线照射到超纯水、纯水、净水、污水等被处理液体来进行生物的灭活、有机物分解等的技术领域，还能够应用于在医药、农药等药品制造的化学工厂进行的光氯化、光亚硝化等光化学反应的技术领域。
背景技术
在使用半导体元件那样的发热体的装置中，为了冷却而使用散热器、降温装置。在紫外线照射装置中，在作为光源而使用紫外线发光二极管的情况下，也需要进行适当的冷却或者散热。在下述专利文献1中，公开了为了冷却紫外线发光二极管而构成为导入专用的冷却用流体。另外，在对处于加压环境下的被处理液体照射紫外线的装置中，对于与处于加压环境下的被处理液体接触的光源装置，要求所需的耐压性。在下述专利文献2中，公开了构成为将从紫外线发光二极管等紫外线光源发出的紫外线经由光纤传递至与处于加压环境下的被处理液体接触的位置。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2009-65128
专利文献2：日本专利特开2016-64111
在所述专利文献1中，为了冷却紫外线发光二极管，必须构成为导入专用的冷却用流体，所以，装置的构造复杂化，并且成本变高。在所述专利文献2中，远离经加压的被处理液体地配置紫外线发光二极管等紫外线光源，所以，不需要令紫外线光源装置具有耐压性，从而能够解决耐压性的问题。但是，关于用于冷却紫外线发光二极管等紫外线光源的钻研，没有特别的公开，因而，为此，只能使用例如与所述专利文献1相同的专用的冷却用流体。
发明内容
本发明是鉴于上述内容而完成的，其目的在于，在用于使用紫外线发光二极管来对被处理液体进行紫外线处理的紫外线照射装置中，通过简易的结构对来自紫外线发光二极管的发热高效地进行冷却。
本发明涉及一种紫外线照射装置，其特征在于，具备：外壳，其具有敞开端和紫外线透光性的封闭端；以及紫外线发光二极管，其容纳于所述外壳内，隔着所述封闭端的一侧的所述外壳而与被处理液体接触，将来自所述紫外线发光二极管的紫外线照射到该被处理液体，并且由该被处理液体冷却所述外壳。
根据本发明，容纳有紫外线发光二极管的外壳与被处理液体接触，从而由该被处理液体冷却该外壳，据此，以对由容纳于该外壳内的紫外线发光二极管产生的发热进行冷却的方式发挥作用。因此，无需如现有技术那样使用导入用于冷却紫外线发光二极管的专用的冷却用流体的结构，能够通过简易的结构对来自紫外线发光二极管的发热高效地进行冷却。另外，散热部与外壳接触或者接近，从而能够通过由与外壳接触的被处理液体实施的冷却，促进散热部将从紫外线发光二极管吸收的热向外部放出。
在一个实施例中，在所述外壳的所述敞开端的一侧，可以具备用于将由所述紫外线发光二极管产生的发热放出到外部的散热部。由此，能够提供将外壳的一端(封闭端)设为紫外线发光部位、并且在另一端(敞开端)具备散热部的紧凑的构造，并且，尽管是紧凑的构造，但能够通过由外壳的紫外线透光性封闭端的一侧的被处理液体实施的冷却与由敞开端的一侧的散热部实施的冷却的组合，进行高效的冷却。
本发明涉及一种使用紫外线照射装置的紫外线照射方法，所述紫外线照射装置具备：外壳，其具有敞开端和紫外线透光性的封闭端；以及紫外线发光二极管，其容纳于所述外壳内，所述紫外线照射方法包括以下步骤：在将所述紫外线照射装置的至少所述封闭端的一侧的所述外壳浸润于被处理液体的状态下，将来自所述紫外线发光二极管的紫外线照射到该被处理液体；以及利用该被处理液体对浸润于所述被处理液体的所述外壳进行冷却，从而对由所述紫外线发光二极管产生的发热进行冷却。
附图说明
图1是示出本发明的紫外线照射装置的一个实施例的外观立体图。
图2是图1所示的紫外线照射装置的纵剖面图。
图3是示出本发明的紫外线照射装置的使用例的侧面简图。
图4是示出本发明的紫外线照射装置的另一使用例的侧面简图。
图5是示出本发明的紫外线照射装置的另一实施例的纵剖面图。
图6是示出本发明的紫外线照射装置的又另一实施例的纵剖面图。
图7是示出在本发明的紫外线照射装置中使用的散热部的变更例的纵剖面图。
图8是示出本发明的紫外线照射装置的又另一实施例的外观立体图。
图9是图1所示的紫外线照射装置的纵剖面图。
图10是示出本发明的紫外线照射装置相对于处理槽的安装构造的一个例子的局部剖面侧视图。
具体实施方式
图1是示出本发明的紫外线照射装置1的一个实施例的外观立体图，图2是图1所示的紫外线照射装置1的纵剖面图。紫外线照射装置1的外壳10在整体上形成为大致圆筒状，具有在图中位于下方的敞开端10a以及在图中位于上方的圆顶状的封闭端10b。即，与圆顶状的封闭端10b相连的外壳10的侧面10c是圆筒形状，该侧面10c的一端作为敞开端10a而开口。在外壳10内，靠近敞开端10a配置有散热部12，靠近封闭端10b容纳有LED单元11。LED单元11是在壳体11a内容纳一个或者多个紫外线发光二极管11b而成的，由在壳体11a的上部形成有紫外线透射性的照射窗11c的部件构成。根据市场出售的LED单元可知，照射窗11c是平板状的。LED单元11在外壳10内，以壳体11a的下表面与散热部12接触、并且照射窗11c面对外壳10的封闭端10b的方式，按规定的位置关系固定地配置。外壳10的至少圆顶状封闭端10b的部分由具有紫外线透光性的材质构成。作为一个例子，外壳10整体由具有紫外线透光性的石英玻璃形成。通过该配置，从LED单元11的紫外线发光二极管11b发出的紫外线从照射窗11c射出，穿过外壳10的圆顶状封闭端10b，放射到外部。此外，在外壳10内，在LED单元11的照射窗11c与圆顶状封闭端10b之间，仅存在短距离的单纯的空间，不需要使光纤介于其间。
详细情况如后面所述，在使用该紫外线照射装置1时，至少外壳10的圆顶状封闭端10b的一侧与被处理液体接触(被浸润)，将来自紫外线发光二极管11b的紫外线照射到该被处理液体。这样，至少外壳10的圆顶状封闭端10b的一侧与被处理液体接触(被浸润)，从而对与被处理液体接触的该外壳10的部分进行冷却，据此，以对由容纳于该外壳10内的紫外线发光二极管11b产生的发热进行冷却的方式发挥作用。即使由石英玻璃构成，由于外壳10具有圆顶状封闭端10b以及圆筒状的侧面10c，所以，能够具有所需的足够的耐压性能。例如，能够以具有作为一般的水处理装置的规格所需的1.0Mpa以上的耐水压力的方式构成外壳10。
散热部12在整体上形成为与外壳10的侧面10c的内周缓缓地相符合的圆筒形状，由导热性优良的材质(铝、不锈钢等金属)构成，内部不需要完全是固体，也可以适当地形成有空间。例如，至少形成有用于使LED单元11用的电气布线(未图示)通过的空间，能够从外壳10的敞开端10a拉出该电气布线。另外，散热部12也可以由将铝、不锈钢等金属作为主体、并用氟树脂覆盖其表面而成的部件构成。散热部12吸收来自LED单元11的发热，将所吸收到的热从外壳10的敞开端10a放出到外部。另外，散热部12所吸收到的热也能够经由外壳10的侧面10c放出到外部。
这样一来，在外壳10的敞开端10a的一侧具备用于将由紫外线发光二极管11b产生的发热放出到外部的散热部12，从而能够提供将外壳10的一端(封闭端10b)作为紫外线发光部位、并且在另一端(敞开端10a)具备散热部12的紧凑的构造。并且，尽管是紧凑的构造，但能够通过由与被处理液体接触的外壳10的封闭端10b的一侧的该被处理液体实施的冷却和由敞开端10a的一侧的散热部12实施的冷却的组合，进行高效的冷却。另外，散热部12与外壳10接触或者接近，从而能够通过由与外壳10接触的被处理液体实施的冷却，促进散热部12将从紫外线发光二极管11b吸收的热向外部放出。
由于在石英玻璃制的外壳10的侧面10c的内周与插入到那里的金属制的散热部12的外周之间无法避免产生间隙，所以，为了使外壳10与散热部12之间的导热性良好，优选用适当的导热物质14填充该间隙。为此，将O型环13a、13b安装到散热部12的外周的2个部位，该O型环13a、13b构成为液密地紧贴到外壳10的侧面10c的内周面，将导热物质14填充到该2个O型环13a、13b之间的所述间隙内。作为导热物质14，作为一个例子，使用水或者散热用油化合物等流体或者半流体的填充剂，液密地填充、封入到该O型环13a、13b之间。
这样一来，散热部12隔着导热物质14热性紧贴于外壳10，从而能够通过由与外壳10接触的被处理液体实施的冷却，进一步地促进散热部12将从紫外线发光二极管11b吸收的热向外部放出。
在这里，尝试考察由散热部12带来的冷却效果。如果将发热时的紫外线发光二极管11b的温度设为TJ、将该紫外线发光二极管11b与壳体11a接触而在该壳体11a内传递的壳体表面温度设为TRef、并将该壳体的每1瓦(W)的温度梯度(将其称为热阻)设为RθJ·Ref，则下式成立。
RθJ·Ref＝(TJ－TRef)/P (式1)
在这里，P是紫外线发光二极管11b的功耗。设所使用的市场出售的UV－LED的RθJ·Ref为150℃/W。为了将0.13W的UV－LED冷却到保持于80℃以下，应用上述式1，
150℃/W＝(80℃－TRef)/0.13W，
所以，TRef＝60.5℃，因而，需要冷却到壳体表面温度TRef为60.5℃以下。
在这里，如果将与冷却相关的被处理水的温度设为TW℃，则散热部12的冷却能力能够通过下式进行近似。
(TRef－TW)/TRef＝0.9L (式2)
在这里，L[cm]是冷却棒的长度，是相对于底“0.9”的幂指数。此外，“0.9”例示出表示散热部12的散热特性的、该材质所固有的值。在式2的情况下，在水温是25℃时，L＝5.06[cm]。如果针对每种用作散热部12的金属的材质，通过实验求出该“0.9”的实际值，则能够容易地设计该散热部12的长度L。
此外，容纳于外壳10内的LED单元11的数量不限于1个，也可以是多个。另外，在1个LED单元11内具备的紫外线发光二极管11b的元件数量不限于1个，也可以是多个。另外，LED单元11的壳体11a的形状可以是圆形或者方形等任意的形状。当然，也可以不使用既有或者市场出售的LED单元11，而以适当的组装品将紫外线发光二极管11b容纳于外壳10内，在该情况下，不一定需要照射窗11c。
图3是示出紫外线照射装置1的使用例的简图，(a)是处理槽20的纵剖面简图，(b)是处理槽20的端面图。作为一个例子，处理槽20由圆筒形的耐压容器构成，如(a)所示，从省略图示的流入管路流入的被处理液体向箭头方向流过处理槽20内，从设置于该处理槽20的一端20a侧的流出管路21排出。如(b)所示，在处理槽20的一端20a侧，在圆周方向上大致等间隔地设置有例如4根流出管路2，并且，例如5个紫外线照射装置1以使各自的外壳10的圆顶状封闭端10b向内的方式按适当的间隔进行安装。由此，在使用时，在各紫外线照射装置1中，至少外壳10的圆顶状封闭端10b的一侧收容于处理槽20内而与被处理液体接触(被浸润)，从紫外线发光二极管11b放射的紫外线照射到处理槽20内的该被处理液体，进行针对该被处理液体的紫外线处理。另外，在与被处理液体接触的外壳10的封闭端10b的一侧，进行由该被处理液体实施的冷却，所以，能够对由紫外线发光二极管11b产生的发热高效地进行冷却。
在图4中，作为紫外线照射装置1的另一使用例，示出将多个紫外线照射装置1安装到由圆筒形的耐压容器构成的处理槽30的侧面的例子。(a)是处理槽30的纵剖面简图，(b)是处理槽30的横剖面简图。安装于处理槽30的侧面的多个紫外线照射装置1以使各自的外壳10的圆顶状封闭端10b向内的方式按适当的间隔进行配置。从省略图示的流入管路流入的被处理液体向箭头方向流过处理槽30内，在各紫外线照射装置1中，至少外壳10的圆顶状封闭端10b的一侧收容于处理槽30内而与被处理液体接触。由此，从紫外线发光二极管11b放射的紫外线照射到处理槽30内的该被处理液体，进行针对该被处理液体的紫外线处理。在该情况下，也在与被处理液体接触的外壳10的封闭端10b的一侧，进行由该被处理液体实施的冷却，所以，能够对由紫外线发光二极管11b产生的发热高效地进行冷却。
本发明的紫外线照射装置1的具体构造不限于图1、图2所示的构造，可以进行各种变形。图5是示出本发明的紫外线照射装置1的另一实施例的纵剖面图，外壳10的形状与图2所示的形状有几分差异。即，图5中的外壳10在敞开端10a的周围具备法兰10d，在将该紫外线照射装置1安装于处理槽20或者30的状态下，法兰10d的部分在处理槽20或者30的外壁面卡住而留在外侧。由此，在有时处理槽20或者30的内部成为负压的情况下，能够防止将紫外线照射装置1吸入到内部。在图5中，其他结构与图2所示的紫外线照射装置1相同，所以，省略重复说明。
图6是示出本发明的紫外线照射装置1的又另一实施例的纵剖面图，外壳10与散热部12的关系和图2所示的关系不同。在图6中，紫外线照射装置1的外壳10的侧面10e的长度比图2所示的侧面10c短，散热部12仅有一部分12a插入到外壳10内，散热部12的剩余部分12b从外壳10的敞开端10a露出到外侧。将O型环13仅安装到散热部12的1个部位，该O型环13液密地紧贴于外壳10的侧面10e的内周面，液密地维持容纳有LED单元11的外壳10的内部空间。在该结构中，在使用时，从外壳10的敞开端10a露出的散热部12的部分12b位于处理槽20或者30内，与流过该处理槽20或者30内的被处理液体接触，由此，由被处理液体直接冷却散热部12。因此，在图6的例子中，不需要在图2的例子中设置的导热物质14。此外，如图6所示，在整体上由圆筒形状构成的散热部12处，从外壳10敞开端10a露出的部分12b的外径以成为与外壳10的侧面10e的外径大致相同程度的方式，适当大于插入到该外壳10内的部分12a。
图7是示出在本发明的紫外线照射装置1中使用的散热部12的变更例的纵剖面图。在图7中，散热部12与所述图6所示的例子同样地，仅有一部分12a插入到外壳10内，散热部12的剩余部分12b从外壳10的敞开端10a露出到外侧。与图6的不同点在于，在图7中，在散热部12的露出部分12b处形成有大量的翅片12c，并使其表面积增大，提高换热效率。在散热部12的露出部分12b处，不限于翅片12c，也可以具有使表面积增大的、其他适当的冷却器构造。
图8是示出本发明的紫外线照射装置1的又另一实施例的外观立体图，图9是图8所示的紫外线照射装置1的纵剖面图。在图8的例子中，外壳10将具有紫外线透光性的氟树脂而非石英玻璃作为原料，不需要圆顶等特定的形状，能够根据原料自身而具有所需的(1.0Mpa以上的)耐压性。因此，在图8、图9的实施例中，紫外线照射装置1的外壳10的封闭端10b不是圆顶形状，而由平坦的面构成。另外，由于加工的容易性，由氟树脂构成的外壳10能够用多个螺钉15固定于散热部12。在外壳10内，与上述各实施例同样地，容纳有紫外线发光用的LED单元11。
图10是示出紫外线照射装置1相对于处理槽20(或者30)的安装构造的一个具体例的局部剖面侧视图。在图10中，紫外线照射装置1的外壳10具有与所述图5所示的法兰相似的法兰10d，但其侧面10c如所述图6所示的侧面那样较短。另外，紫外线照射装置1不具备导热物质14，散热部12与处理槽20(或者30)内的被处理液体直接接触而被冷却。即，散热部12仅有一部分12a插入到外壳10内，散热部12的剩余部分12b从外壳10的敞开端10a露出到外侧。将O型环13仅安装到散热部12的1个部位，该O型环13液密地紧贴于外壳10的侧面10e的内周面，对容纳有LED单元11的外壳10的内部空间进行液密地维持。
在图10中，将外螺纹设置于散热部12的露出部分12b的外周，螺纹螺合到设置于轴环16的内周的内螺纹上。轴环16的上部是向内侧缩径而成的法兰16a，能够隔着衬垫17抵接到设置于外壳10的敞开端的向外侧扩径而成的法兰10d。由此，通过使轴环16旋转而紧固螺纹，从而外壳10的法兰10d隔着衬垫17卡合到轴环16的法兰16a，即使在处理槽20(或者30)内产生负压，也不会引起外壳10从散热部12脱落。
在图10中，散热部12的另一端是向外的法兰12d，该法兰12d隔着衬垫18液密地卡合到形成于处理槽20(或者30)的安装用部位(壁面)20b的安装孔的周缘部的底座。从散热部12的法兰12d的外侧按压端板19，用多个螺钉21将该端板19紧紧地固定于处理槽20(或者30)的安装用部位(壁面)20b。通过这样，紫外线照射装置1就液密地安装到了处理槽20(或者30)的规定的安装用部位(壁面)20b。当然，紫外线照射装置1相对于处理槽20(或者30)的安装构造不限于图10所示的构造，也可以采用其他任意的构造。

Claims (7)

1.一种紫外线照射装置，其特征在于，具备：
外壳，其具有敞开端和紫外线透光性的封闭端和设置于所述敞开端周围的法兰；
紫外线发光二极管，其容纳于所述外壳内，发出的紫外线透过所述封闭端并放射到所述外壳外；
散热部，其设置在所述外壳的所述敞开端的一侧；以及
轴环，其内周设置有内螺纹，
在所述散热部上，在形成较长形状部分的外周设置外螺纹，该外螺纹与所述内螺纹螺合，
所述轴环的上部是向内侧缩径而成的法兰部，设置于所述外壳的敞开端的所述法兰向外侧扩径并能够与所述法兰部卡和，
通过使所述轴环旋转而紧固螺纹，从而所述外壳的所述法兰卡合到所述轴环的所述法兰部，由此，经由所述法兰卡止该外壳从而使得所述外壳不能被吸入到内部，
在使所述外壳的所述封闭端突出到被处理液体所流动的容器内的状态下，且在该容器内发生负压时在以所述外壳不被吸入到该容器内部的方式经由所述法兰卡住该外壳的状态下，所述紫外线照射装置配置成固定于所述容器的端面或侧面，通过在所述容器内与所述被处理液体接触，从而隔着所述外壳的所述封闭端将来自所述紫外线发光二极管的紫外线照射到该被处理液体，并且由该被处理液体冷却所述外壳，进一步经由所述散热部放出由所述紫外线发光二极管产生的发热。
2.根据权利要求1所述的紫外线照射装置，其特征在于，
还具备填充于所述外壳与所述散热部之间的导热物质。
3.根据权利要求2所述的紫外线照射装置，其特征在于，
所述导热物质由液密地填充于所述外壳与所述散热部之间的间隙的至少一部分的水或者散热用油化合物构成。
4.根据权利要求1所述的紫外线照射装置，其特征在于，
构成为所述散热部的一部分直接与所述被处理液体接触。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的紫外线照射装置，其特征在于，
所述散热部由翅片或者冷却器构造构成。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的紫外线照射装置，其特征在于，
所述外壳由具有耐压性的构造构成。
7.根据权利要求6所述的紫外线照射装置，其特征在于，
所述外壳的所述封闭端形成为圆顶形状。
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