JP2014205082A

JP2014205082A - 紫外線照射装置

Info

Publication number: JP2014205082A
Application number: JP2011155497A
Authority: JP
Inventors: 晶子倉谷; Shoko Kuratani; 成文田所; Narifumi Tadokoro
Original assignee: Harison Toshiba Lighting Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2011-07-14
Filing date: 2011-07-14
Publication date: 2014-10-30
Also published as: WO2013008843A1

Abstract

【課題】大型化を伴うことなく、点灯手段等の冷却が可能な紫外線照射装置を提供する。【解決手段】実施形態の紫外線照射装置１００は、内部に被処理水を満たすことが可能な処理槽１と、処理槽１内に被処理水を供給する流入手段１８と、処理槽１内から被処理水を排出する排出手段１９と、処理槽１内の被処理水に紫外線を照射する紫外線光源２３と、紫外線光源２３の点灯手段２５と、を備えた紫外線照射装置において、点灯手段２５は、被処理水を冷却媒体として循環させることにより、水冷却される。【選択図】図２

Description

この発明の実施形態は、紫外線ランプを用いて地下水、水道水、下水、海水、養殖用水、または、再生水などの流体の殺菌、不活化、または、有機物分解などの光処理を行う紫外線照射装置に関する。

紫外線照射装置の一例として、処理槽内の被処理水に無電極ランプ及びマグネトロンを用いて紫外線を照射して、光処理を行う装置がある。この装置では、点灯手段であるマグネトロンで発生させたマイクロ波を、紫外線光源である無電極ランプに供給することで紫外線を照射する。無電極ランプとマグネトロンは、駆動させると発熱し、熱特性により効率が低下するため、空気を循環させて空冷している。

しかし、無電極ランプやマグネトロンを十分に冷却しようとすると、空冷方式では大容量の空気を送り込む必要があることから、送風・排気用のブロアや、排熱を冷却するための空調・換気設備等の付帯設備の大型化が課題となる。

特開２０１０−２７４１７３号公報

本発明が解決しようとする課題は、大型化を伴うことなく、点灯手段等の冷却が可能な紫外線照射装置を提供することである。

上記課題を達成するために、実施形態の紫外線照射装置は、内部に被処理水を満たすことが可能な処理槽と、前記処理槽内に前記処理水を供給する流入手段と、前記処理槽内から前記被処理水を排出する排出手段と、前記処理槽内の前記被処理水に紫外線を照射する紫外線光源と、前記紫外線光源の点灯手段と、を備えた紫外線照射装置において、前記点灯手段は、前記被処理水を冷却媒体として循環させることにより、水冷却される。

紫外線照射装置に関する第１の実施形態について説明するための分解斜視図である。図１の組み立て状態を説明するための断面図である。点灯手段の冷却部のその他構成を説明するための概略図である。紫外線照射装置に関する第２の実施形態について説明するための断面図である。紫外線照射装置に関する第３の実施形態について説明するための断面図である。紫外線照射装置に関する第４の実施形態について説明するための断面図である。紫外線照射装置に関する第５の実施形態について説明するための分解斜視図である。図７の組み立て状態を説明するための断面図である図８の紫外線光源部と、点灯手段と、水冷却部の接続構成を説明するための概略図である。

以下、発明を実施するための実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態の紫外線照射装置を図面を参照して説明する。図１は分解斜視図で、図２は図１の組み立て状態の断面図である。

図１および図２において、１００は、被処理水を充填する処理槽１と、紫外線を照射する紫外線照射ユニット２と、から構成される紫外線照射装置である。被処理水は、例えば地下水、水道水、下水、養殖用水、または、再生水などで、紫外線を照射することで、流体の殺菌、不活化、または、有機物分解などの光処理を行う。

処理槽１は、例えば、ステンレスなどの耐腐食性の金属で形成された本体部１１と、本体部１１の一方の開口面１１ａを気密に塞ぐ底部１２と、本体部の他方の開口部１１ｂを気密に塞ぐ蓋部１３とから構成される。処理槽１の内部には、被処理水を充填する内部空間１４が形成されている。処理槽１の大きさは、例えば、外径が２５０ｍｍから４００ｍｍ、内径が２４７ｍｍから３９７ｍｍ、高さが１５０ｍｍから５００ｍｍである。本体部１１と底部１２との接合、及び本体部１１と蓋部１３の接合は、水漏れしないように、例えば、溶接により直接接合するか、予め一体的に成型するか、または、パッキンを介在させてネジ等により固定する方法を採る。処理槽１の底部１２には、被処理水を介して、紫外線照射ユニット２からの紫外線強度を測定するための紫外線センサーを設けて、紫外線光源２３の寿命中の光出力低下や、被処理水の濁度を検出する機能を設けることも出来る。

処理槽１内への被処理水の導入は、流入手段１８により行われる。流入手段１８は、例えば、被処理水の水源に接続された流入管１８ａと、流入管１８ａに接続されたポンプ１８ｂと、一端をポンプ１８ｂに接続し、他端を処理槽１の底部１２の孔１８ｄに接続した流入管１８ｃと、から構成される。処理槽１の内部１４を循環した被処理水は、処理槽１の蓋部１３の近傍に設けた孔に接続された排出手段１９を介して、処理槽１の外部に排出される。流入手段１８ａ、１８ｃ及び排出手段１９は、例えば、ステンレス、鉄、または銅等の金属管、ポリ塩化ビニルやポリエチレン等のプラスチック管、または、金属とプラスチックから成る複合管等を使用する。

処理槽１の一部、例えば、蓋部１３には、外部から紫外線を処理槽１の内部１４に導くための開口部１５が設けられる。開口部１５を介して、処理槽１の外部には、処理槽１内の被処理水に紫外線を照射するための紫外線照射ユニット２が配置される。開口部１５には、例えば、紫外線照射ユニット２への被処理水の飛散防止と、紫外線照射ユニット２が破損した際の破損部材による被処理水の汚染防止を目的として、紫外線透過部材１７が設けられる。紫外線透過部材１７は、例えば、光処理を行うための紫外線波長の透過率が高い石英ガラスやソーダガラス等の紫外線透過部材が使用され、開口部１５の周囲に形成された額縁部１６において、水漏れしないように気密に固定される。また、紫外線透過部材１７は、水漏れの恐れが無い個所においては、装置の簡略化を目的として空気層とすることも出来る。

紫外線照射ユニット２は、例えば、ステンレスやアルミなどの金属製の筐体２１内に、リフレクタ２２ａ、２２ｂと、リフレクタ２２ａ、２２ｂによって形成された空間内に配置された紫外線光源２３と、紫外線光源２３からの紫外線およびリフレクタ２２ａ、２２ｂで反射された紫外線を筐体２１の外部に取り出すための紫外線照射窓２４ａ、２４ｂと、紫外線光源２３の点灯手段２５とを、収納した構成である。紫外線光源２３の周囲に配置するリフレクタ２２ａ、２２ｂや、紫外線放射窓２４ａ、２４ｂは、紫外線光源２３の特性に応じて省略する構成や、その他の機能として、例えば、紫外線光源２３や点灯手段２５から発生するノイズを遮断させる機能を追加することも可能である。

紫外線光源２３は、例えば、石英ガラスからなる紫外線透過性の円筒形状のバルブで、バルブの発光空間内には、例えば、不活性ガスとそれに水銀と鉄を主成分とする放電媒体が封入される。ランプの外径φは１５±１ｍｍ程度、長さＬは２４０ｍｍ程度である。

点灯手段２５は、例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生させるマグネトロンである。筐体２５１の内部には、内部に熱陰極を、また、外周部に陽極を備えたマイクロ波発生部２５３と、マイクロ波発生部２５３の両端に配置した環状の磁石２５４が配置される。マイクロ波発生部２５３に、外部の高圧電源２５６からフィルターユニット２５２を介して電力を供給すると、マイクロ波発生部２５３と磁石２５４の磁界の相互作用によりマイクロ波が発生する。マイクロ波は、アンテナ２５５を介して外部に照射され、導波管２６を介して、紫外線光源２３に伝達され、バルブ内に封入された放電媒体が放電し、波長１８０〜４００ｎｍの紫外線を発生させる構成である。

点灯手段２５は、主に、マイクロ波発生部２５３の外周部を構成する陽極で発熱する。陽極部の熱が環状の磁石２５４に伝わると、磁石２５４からの磁界強度が変化して、マイクロ波の発生効率を低下させてしまうため、マイクロ波発生部２５３の冷却が必要となる。

従来は、マイクロ波発生部２５３に空冷用のフィンを配置して、空冷していたが、冷却が不十分であった。本実施形態では、マイクロ波発生部２５３の外周囲に、例えば、金属管を螺旋状に巻きつけた冷却部３３を配置し、冷却部３３の内部に冷却媒体を通過させて水冷却することで、点灯手段２５の冷却効率を高めることができる。冷却効率を高めることで、点灯手段２５の発熱に伴うマイクロ波の発生効率の低下を抑制でき、紫外線照射装置の高効率化が可能となる。なお、点灯手段２５の水冷却は、点灯手段２５の少なくとも一部に冷却媒体を直接的または間接的に接触するように構成するだけでも十分である。冷却部３３のその他の構成としては、例えば、図３に示すように、マイクロ波発生部２５３の外周囲に、冷却媒体の充填容量が大きく、また、接触面積が大きい水冷ジャケットを装着することで、更に冷却効率を高めることができる。

冷却媒体には、処理槽１の内部の被処理水を使用している。具体的には、冷却手段としてポンプ３１と冷却用の送水管３２、３４を処理槽１に設け、それらを介して被処理水を冷却部３３に循環させる構成とすることにより、従来は別途必要であった水冷用の外部水源が不要となる。

冷却媒体となる被処理水の送水管３２による取水位置を、紫外線の照射時間が長くなる処理槽１内の上部に設定することで、殺菌済みの被処理水を使用することができる。結果、冷却部３３、ポンプ３１、送水管３２、３４内での菌類等の増殖を防止でき、従来必要であった菌類の繁殖を抑制するための薬品等の添加が必要となり、排水等による環境への悪影響を低減することができる。また、排水手段１９から、紫外線照射後の被処理水を取水する場合も同様な効果が得られる。

また、冷却媒体として機能した被処理水の送水管３４による排水位置は、冷却用の被処理水の取水位置に対して、処理槽の流入手段１８側に配置する構成である。排水位置の水温は、点灯手段２５からの排熱により高温となるが、水温が低い被処理水が供給される流入手段側に配置し、また、取水位置と排水位置を離すことで、処理槽1内で熱分散させ、取水位置での水温を低減することができる。その結果、より低い水温の冷却媒体を冷却手段３３に使用できるので、点灯手段２５の冷却効率を高め、発熱に伴うマイクロ波発生効率の低下を抑制できる。また、排水された冷却用の被処理水は、再度、処理槽1を循環し、紫外線照射により光処理が行われるので、循環しない場合に対して、光処理効果が高い。また、冷却用の被処理水の排水位置では、処理槽１の内部へ向かって水流が発生するため、処理槽１の内部の被処理水が攪拌されて、紫外線照射による光処理の均一性を高めることができる。

一方、紫外線光源２３も発熱源となるが、マイクロ波は水に吸収される特性を有するため、水冷却を行うことが困難である。紫外線光源２３の冷却は、筐体２１の一部に設けた送風管４１、４２と、吸気または排気用のブロア４３により、筐体２１の内部に空気を循環させて空冷を行う。点灯手段２５の発熱は水冷却で既に低減できているため、空冷用の風量を少なくすることができ、吸気・排気用のブロアや、排熱を冷却するための空調・換気設備などの付帯設備の小型化や低消費電力化が可能となる。

また、空冷風量を落とさない場合は、紫外線光源２３の冷却効率を高めることができるため、紫外線光源２３の発熱に伴う紫外線効率の低下を抑制でき、紫外線照射システムの高効率化が可能となる。また、発熱を低減した分だけ、紫外線光源２３や点灯手段２５への投入電力を増やすことも可能で、紫外線出力を高めて、紫外線照射装置の光処理速度を高くすることもできる。

第１の実施形態においては、点灯手段２５に被処理水を冷却媒体として循環させ、水冷却するようにしたことで、大型化を伴うことなく、点灯手段２５の冷却を行うことができる。また、点灯手段２５は水冷により十分に冷却できるため、紫外線光源２３を冷却するための装置の小型化や低消費電力化、もしくは冷却の高効率化を図ることができる。

また、冷却媒体として機能した被処理水の送水管３４による排水位置を、冷却用の被処理水の取水位置に対して、処理槽の流入手段１８側に配置したことで、取水位置での水温を低減することができるとともに、光処理効果を高めることができる。また、冷却媒体となる被処理水の送水管３２による取水位置を、処理槽１内の上部や排水手段１９に設定することで、冷却部３３、ポンプ３１、送水管３２、３４内での菌類等の増殖を防止できる。

（第２の実施形態）
図４は、紫外線照射装置に関する第２の実施形態について説明するためのものである。この第２の実施形態の各部について、第１の実施形態の紫外線照射装置の各部と同一部分は同一符号で示す。

この実施形態では、点灯手段を２個設け、それら点灯手段の水冷却部を送水手段で直列的に接続している。

具体的には、紫外線照射ユニット２は、紫外線光源２３の管軸方向に沿って、点灯手段２５ａと２５ｂを２個配置しており、マイクロ波の発生源を分散させることにより、紫外線光源２３の発光の均一性を高める構成としている。点灯手段２５ａと２５ｂの発熱部には、それぞれ、冷却部３３ａと冷却部３３ｂが設けられている。冷却部３３ａは冷却媒体を取水する送水管３２と繋がり、冷却部３３ｂは冷却媒体を排出する送水管３４と繋がり、冷却部３３ａと冷却部３３ｂは送水管３５と繋がっている。

そのため、ポンプ３１により取水された被処理水は、冷却媒体として送水管３２を介して、冷却部３３ａに送りこまれ、点灯手段２５ａが水冷却される。次に、冷却部３３ａの排水は、送水管３５を介して、冷却部３３ｂに送りこまれて、点灯手段２５ｂが水冷却される。冷却部３３ｂの排水は、送水管３４を介して、処理槽１内に排水される。

上述した第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、大型化を伴うことなく、点灯手段２５ａ、２５ｂ等の冷却が可能な紫外線照射装置を提供することができる。また、点灯手段２５ａ、２５ｂを複数設けた場合でも、それら点灯手段の冷却部３３ａ、３３ｂを送水手段で直列的に接続して、冷却するようにしたことで、簡単な構造でも複数の点灯手段２５ａ、２５ｂを冷却することができる。

（第３の実施形態）
図５は、紫外線照射装置に関する第３の実施形態について説明するためのものである。

この実施形態では、点灯手段を２個設け、それら点灯手段の冷却部を送水手段で並列的に接続している。

具体的には、紫外線照射ユニット２は、紫外線光源２３の管軸方向に沿って、点灯手段２５ａと２５ｂを２個配置しており、マイクロ波の発生源を分散させることにより、紫外線光源２３の発光の均一性を高める構成としている。点灯手段２５ａと２５ｂの発熱部には、それぞれ、冷却部３３ａと冷却部３３ｂが設けられている。冷却部３３ａと冷却部３３ｂはそれぞれが二股状に分岐した送水管３２と送水管３４に繋がっている。

そのため、ポンプ３１により取水された被処理水は、冷却媒体として送水管３２で二手に分岐して、冷却部３３ａ及び冷却部３３ｂに送りこまれ、点灯手段２５ａ及び点灯手段２５ｂが水冷却される。次に、冷却部３３ａ及び冷却部３３ｂの排水は、送水管３４を介して一つに集合し、処理槽１内に排水される。

上述した第３の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、大型化を伴うことなく、点灯手段２５ａ、２５ｂ等の冷却が可能な紫外線照射装置を提供することができる。また、点灯手段２５ａ、２５ｂを複数設けた場合でも、それら点灯手段の冷却部３３ａ、３３ｂを送水手段で並列的に接続して、冷却するようにしたことで、それぞれの点灯手段２５ａ、２５ｂをほぼ同じ温度で冷却することができる。特に、点灯手段２５ａ、２５ｂがマグネトロンである場合、マグネトロンはその温度によってマイクロ波の発生効率が異なるため、複数のマグネトロンを均一に冷却することで、ランプの発光の不均一を抑制することができる。

（第４の実施形態）
図６は、紫外線照射装置に関する第４の実施形態について説明するためのものである。

この実施形態では、点灯手段２５のマイクロ波発生部２５３を水冷するための冷却水を、処理槽１の内部で取水したのち、流入手段のポンプ１８ｂと被処理水源の間の流入管１８ａに排水して、循環させるようにしている。

流入管１８ａの水圧は、処理槽１内の水圧よりも低いため、図２に示す循環用のポンプ３１を使用しなくても、冷却水を循環することができる。その結果、付帯設備となるポンプ３１の省略、または、ポンプ３１の駆動に必要な消費電力を低減することができる。

また、冷却用の被処理水は、流入手段１８を介して、再度、処理槽１の内部に送られるため、第１の実施形態に対して、被処理水の処理槽１内での紫外線照射時間を増やすことができ、更に、光処理効果を高めることが出来る。

上述した第４の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、大型化を伴うことなく、点灯手段２５等の冷却が可能な紫外線照射装置を提供することができる。また、装置の小型化または省電力化ができるとともに、光処理効果を高めることができる。

（第５の実施形態）
図７と図８は、紫外線照射装置に関する第５の実施形態について説明するためのもので、図７は分解斜視図で、図８は図７の組み立て状態の断面図である。

紫外線照射ユニット２は、筐体２１内に、紫外線光源２３であるＵＶ−ＬＥＤと、図９に示すように多数のＵＶ−ＬＥＤを実装して電気配線した点灯手段２５と、を収納した構成である。外部電源２５６から、点灯手段２５に電力を供給すると、紫外線光源２３から紫外線が放射される。

点灯手段２５の一面には、冷却部３３が接続されており、ポンプ３１と送水管３２、３４を介して、処理槽１内の被処理水を循環させて、水冷却させている。

上述した第５の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、大型化を伴うことなく、点灯手段２５等の冷却が可能な紫外線照射装置を提供することができる。また、点灯手段２５に接する紫外線光源２３も同時に冷却できるので、空冷設備を不要とすることができる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、処理槽１の形状は、楕円形や方形形状などの任意の形状とすることができる。また、底部１２や蓋部１３の形状も、半球形状などの曲線形状など、任意の形状とすることができる。

流入手段１８の個数や形状は、処理槽１の大きさや形状、被処理水の深さに応じて調整をすることができる。流入手段１８の設置個所は、図示した処理槽１の底部１２以外に、処理槽１の本体部１１や処理槽の蓋部１３の一部にも設置することができる。また、流入手段１８の水量を微調整するための水量計や水量調整機を、または、被処理水の水温や濁度を検出するセンサーを設けることができる。

処理槽１内に紫外線を照射するための開口部１５の設置位置は、蓋部１３以外に、例えば、本体部１１または底部１２の一部にも設けることが出来る。

紫外線光源２３は、被処理水に対して光処理を行うのに適切な波長域の紫外線を発光させることができる光源であればよいので、メタルハライドランプ、低圧水銀ランプ、ＨＩＤランプ、または、レーザーダイオード等に置き換えが可能である。

点灯手段２５は、夫々の光源に適した構成とすることができ、また、点灯回路の全部または一部を紫外線照射ユニット２の筐体２１の外部に配置することも可能である。点灯手段２５の水冷却は、紫外線照射ユニット２内の点灯手段２５だけでなく、紫外線照射ユニット２の外部に配置された外部電源２５６に対しても実施することができる。また、点灯手段２５のみの水冷却だけでなく、その他の発熱部材、例えば、紫外線光源２３や、筐体２１等の水冷却も同時に行う構成も可能である。

点灯手段２５の一部を水冷却するために用いる冷却媒体は、流入手段１８からの被処理水や、排出手段１９からの被処理水を使用することができる。また、冷却後の水も、処理槽１４、流入手段１８、または排出手段１９の何れかに戻す構成も可能である。

送水管３２による被処理水の取水位置を、紫外線光源２３から離れた位置にしてもよい。この構造では、点灯手段２５の冷却効果を更に高めることが出来る。紫外線光源２３が無電極ランプ等の高出力のランプである場合、その点灯時に発生する熱の影響で、紫外線光源２３近傍の被処理水の温度が、流入手段１８近傍の被処理水の温度よりも数度上昇することがあるためである。紫外線光源２３から離れた位置とは、例えば、処理槽１の深さ方向の中間付近や流入手段１８の近傍である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１処理槽
１８流入手段
１９排出手段
２紫外線照射ユニット
２３紫外線光源
２５点灯手段
３１〜３４点灯手段の水冷却手段

Claims

内部に被処理水を満たすことが可能な処理槽と、前記処理槽内に前記処理水を供給する流入手段と、前記処理槽内から前記被処理水を排出する排出手段と、前記処理槽内の前記被処理水に紫外線を照射する紫外線光源と、前記紫外線光源の点灯手段と、を備えた紫外線照射装置において、前記点灯手段は、前記被処理水を冷却媒体として循環させることにより、水冷却される紫外線照射装置。
前記冷却媒体は、送水手段により循環され、前記送水手段の前記冷却媒体の排水位置が、前記冷却媒体の取水位置に対して、前記流入手段側に配置される請求項１に記載の紫外線照射装置。