JP2015100780A - 紫外線照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】波長プロファイルの波長域が広い光を照射することができ、かつ様々な波長プロファイルを有する光を照射することができる紫外線照射装置を提供する。【解決手段】支持部材１１上に複数の凸部１２を一次元に並設し、各凸部１２上に発光ダイオード１３を備える、発光部材１０の対からなり、かつ、いずれか一方の発光部材１０Ａの凸部１２Ａと、いずれか他方の発光部材１０Ｂの凸部１２Ｂ相互間の凹部１４Ｂと、を嵌合してなり、発光ダイオード１３は、発光部材の一方１０Ａと他方１０Ｂとで放射光波長が異なり、かつ一次元に並ぶことを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は紫外線照射装置に関し、特に、波長プロファイルの波長域が広い光を照射することができ、かつ様々な波長プロファイルを有する光を構成して照射することができる紫外線照射装置に関するものである。

従来、水の殺菌や浄化等を行う手段として、高圧水銀ランプや発光ダイオードから放射される紫外線が使用されている。この紫外線による水の殺菌や浄化の原理は以下の通りである。すなわち、細菌を含めた全ての生物の細胞内には、遺伝情報をつかさどる核酸（ＤＮＡまたはＲＮＡ）が存在するが、こうした細胞に紫外線が照射されると、紫外線の光子が細胞中の核酸に吸収されて遺伝コードが破壊され、遺伝子の転写を正しく行うことができなくなって死滅する、というものである。

これまで、こうした殺菌原理に基づく様々な水の殺菌装置や浄化装置が提案されてきた。例えば、特許文献１には、逆浸透（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｏｓｍｏｓｉｓ，ＲＯ）膜を使用して原水を浄化して浄水タンクに貯留する浄水システムにおいて、浄水タンク内に紫外線照射灯を配置し、浄水タンク内に所定の上限量の浄水が貯留されるまで殺菌灯を点灯し、上限量の浄水が貯留された場合には消灯するように構成することにより、浄水タンク内の浄水の紫外線照射処理を低価格かつ効率的に行う紫外線浄水器について記載されている。

また、特許文献２には、殺菌通水部の下流側に設けた開閉バルブに、上流側から下流側へ水を通す切欠き通水部を形成するとともに、この切欠き通水部に直交する紫外線透過透明体を液密に嵌装することにより、殺菌通水部の紫外線が開閉バルブの透明体を通して下流側管路に照射されるようにして、紫外線照射灯を有する通水管路の排水バルブを閉じても、バルブ下流側管路に照射灯の殺菌力が作用する紫外線照射装置について記載されている。

特許第５２０２２８６号公報 特許第４２６６２４１号公報

ところで、水に含まれるある細菌を殺菌する際に、どのような波長スペクトルや発光強度が最適であるか不明な場合がある。このような場合、広範囲の波長域および発光強度に亘って殺菌効果を検証することが必要となる。

しかしながら、発光ダイオードの波長スペクトルの波長域は狭いため、広範囲の波長域および発光強度に亘って殺菌効果を検証するためには、様々なピーク波長および発光強度を有する発光ダイオードを多数用意し、発光ダイオードを１つ１つ点灯して放射紫外光の殺菌効果を検証する必要があるが、これは極めて非効率である。
そこで、本発明の目的は、波長プロファイルの波長域が広い光を照射することができ、かつ様々な波長プロファイルを有する光を構成することができる紫外線照射装置を提供することにある。

本発明者は、上記課題を解決する方途について鋭意検討した。上述のように、発光ダイオードの波長スペクトルの波長域は狭いが、このような発光ダイオードを用いて、波長域の広い波長スペクトルを有する光を照射する方途について鋭意検討した。その結果、異なるピーク波長を有する発光ダイオードを一次元に交互に並べ、それらの発光ダイオードから放射される光の波長スペクトルの一部を重複させ、２つの発光ダイオードのピーク波長間の波長に対応する光の強度を向上させることが有効であることを見出した。

さらに、様々なピーク波長および発光強度を有する発光ダイオードを組み合わせることによって、様々な波長プロファイルを有する光を構成して照射できる方途について鋭意検討した結果、支持部材上に複数の凸部を一次元に並設し、各凸部上に発光ダイオードを備える、発光部材の対を用意し、いずれか一方の発光部材の凸部と、いずれか他方の発光部材の凸部相互間の凹部とを嵌合させて紫外線照射装置を構成することが有効であることをさらに見出し、本発明を完成させるに到った。

すなわち、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）支持部材上に複数の凸部を一次元に並設し、各凸部上に発光ダイオードを備える、発光部材の対からなり、かつ、いずれか一方の発光部材の凸部と、いずれか他方の発光部材の凸部相互間の凹部と、を嵌合してなり、前記発光ダイオードは、前記発光部材の一方と他方とで放射光波長が異なり、かつ一次元に並ぶことを特徴とする紫外線照射装置。

（２）前記発光部材の一方と他方との着脱が可能である、前記（１）に記載の紫外線照射装置。

（３）放射光波長がより短い発光ダイオードを備える発光部材が放熱手段を有する、前記（１）または（２）に記載の紫外線照射装置。

（４）前記支持部材が筒状体であり、前記複数の凸部は前記筒状体一端面上に前記筒状体の軸方向に突出し、前記複数の凸部は前記筒状体の周方向に並設されている、前記（１）〜（３）のいずれか一項に記載の紫外線照射装置。

（５）前記発光部材の一方に配置された発光ダイオードは、前記発光部材の他方に配置された発光ダイオードに対向して配置されている、前記（４）に記載の紫外線照射装置。

本発明によれば、異なるピーク波長を有する発光ダイオードを一次元に交互に並べ、それらの発光ダイオードから放射される光の波長スペクトルの一部が重複するように構成したため、２つのピーク波長間の波長に対応する光の強度が向上し、波長プロファイルの波長域が広い光を照射することができる。

また、支持部材上に複数の凸部を一次元に並設し、各凸部上に発光ダイオードを備える、発光部材の対を用意し、いずれか一方の発光部材の凸部と、いずれか他方の発光部材の凸部相互間の凹部とを嵌合させて紫外線照射装置を構成したため、様々な波長プロファイルを有する光を構成して照射することができる。

本発明に係る紫外線照射装置の一例を示す図である。 図１に示した紫外線照射装置の分解図である。 本発明に係る紫外線照射装置により、２つのピーク波長間の波長を有する光の強度が向上する様子を説明する図である。 本発明に係る紫外線照射装置の別の例の斜視図である。 図４に示した紫外線照射装置の分解図である。 図４に示した紫外線照射装置を用いて殺菌対象の流体を殺菌する様子を示す図である。 発光ダイオードを筒状体の外側面に配置した紫外線照射装置を用いて殺菌対象の流体を殺菌する様子を示す図である。 発光ダイオードを筒状体の外側面に配置した紫外線照射装置および発光ダイオードを筒状体の内側面に配置した紫外線照射装置を組み合わせて殺菌対象の流体を殺菌する様子を示す図である。 図４に示した紫外線照射装置において、光の波長プロファイルの重複を効率的に行なうための発光ダイオードの好適な配置を説明する図である。

以下、図面を参照して本発明について詳しく説明する。図１は、本発明に係る紫外線照射装置の一例を示している。この図に示す紫外線照射装置１は、平面形状を有する発光部材１０の対からなり、発光部材１０の各々は、図２に示すように、支持部材１１上に複数の凸部１２を一次元に並設し、各凸部１２上に発光ダイオード１３を備えている。そして、紫外線照射装置１は、発光部材１０のいずれか一方の発光部材１０の凸部１２（１２Ａ）と、いずれか他方の発光部材１０の凸部１２（１２Ｂ）相互間の凹部１４（１４Ｂ）とを嵌合してなり、発光ダイオード１３は、少なくとも発光部材１０の一方（例えば、１３Ａ）と他方（例えば、１３Ｂ）とで放射光波長が異なり、かつ一次元に並ぶように構成されている。

上述のように、ある細菌を殺菌する際に、どのような波長スペクトルや発光強度が最適であるか不明な場合に、様々なピーク波長や発光強度を有する発光ダイオードを多数用意して、各発光ダイオードを１つずつ点灯して処理対象に光を照射し、照射光のピーク波長および発光強度と殺菌効果との関係を検証することが必要となる。

しかし、発光ダイオードの波長スペクトルの波長域は狭い。具体的には、図３（ａ）および（ｂ）にそれぞれ示すように、２６５ｎｍおよび２８０ｎｍのピーク波長を有する発光ダイオードの波長スペクトルの半値幅はせいぜい１０ｎｍ程度であり、２つのピーク波長の中間の波長である２７４ｎｍでの発光強度は、図３（ａ）に示したピーク波長が２６５ｎｍの波長プロファイルにおいては、１．３５６×１０^−２（Ｗ／ｎｍ）であり、図３（ｂ）に示したピーク波長が２８０ｎｍの波長プロファイルにおいては、６．６３２×１０^−３（Ｗ／ｎｍ）となる。

ところが、これらの異なるピーク波長を有する２種類の発光ダイオードを一次元に交互に並べ、それらの発光ダイオードから放射される光の波長スペクトルの一部を重複させると、２つのピーク波長間の波長に対応する光の強度が向上し、波長プロファイルの波長域が広い光を照射することができる。すなわち、図３（ｃ）に示すように、図３（ａ）および（ｂ）に示した波長プロファイルを重複させた波長プロファイルを有する光を照射させることができる。この場合、波長２７４ｎｍでの発光強度は、２．０１９×１０^−２（Ｗ／ｎｍ）となりピーク波長が２６５ｎｍである発光ダイオードを単独で照射する場合に比べて、発光強度が１．５倍程度に向上し、また、図３（ｃ）に示したように、波長プロファイルの波長域が広い光を照射することができるようになる。

なお、本発明において、「発光ダイオードが一次元に並ぶ」とは、嵌合された２つの発光部材１０上において、各発光ダイオード１３が、直線または変曲点を有しない曲線上に配置されている状態を指すものとする。

また、上述のように、異なるピーク波長を有する２種類の発光ダイオードを一次元に交互に並べ、それらの発光ダイオードから放射される光の波長スペクトルの一部を重複させて、波長プロファイルの波長域が広い光を照射するに当たり、異なるピーク波長を有する２つの発光ダイオードＡおよびＢを同一の支持部材上に設けた構成を有していると、発光ダイオードＢを別のピーク波長を有する発光ダイオードＣに変更したい場合、発光ダイオードＢを発光ダイオードＣに交換する必要があるが、これは極めて煩雑な作業である。

本発明者は、このような煩雑な作業なしに、異なるピーク波長を有する発光ダイオードを組み合わせて、様々な波長プロファイルを有する光を構成して照射できる方途について鋭意検討した結果、図２に示したように、支持部材１１上に複数の凸部１２を一次元に並設し、各凸部１２上に発光ダイオード１３を備える発光部材１０の対を用意し、いずれか一方の発光部材１０の凸部１２（例えば、１２Ａ）と、いずれか他方の発光部材１０の凸部１２（例えば、１２Ｂ）相互間の凹部１４（例えば、１４Ｂ）とを嵌合させ、発光部材１０の一方と他方との着脱が可能な構成とすることが有効であることを見出したのである。

すなわち、図２に示した構成を有する発光部材１０を、ピーク波長が異なる様々な発光ダイオード１３に対して予め用意しておけば、それらを自由に組み合わせて、様々な波長プロファイルを有する光を構成して照射できる照射装置１を容易に構成することができる。また、殺菌に用いる短波長の発光ダイオード１３は、既存の可視光の発光ダイオードに比べて発熱が大きく、その耐用年数は短い。この点、本発明に係る紫外線照射装置１においては、あるピーク波長を有する発光ダイオード１３の寿命が来た際には、その発光ダイオード１３が設けられた発光部材１０のみを交換すればよくなる。以下、紫外線照射装置１の各構成について説明する。

支持部材１１は、紫外線照射装置１の本体を構成する部材である。この支持部材１１（および凸部１２）を構成する材料としては、アルミニウムや銅、ステンレス、エンジニアリング・プラスチック等を使用することができる。ここで、放熱性が良く軽量であることから、アルミニウムを使用することが好ましい。

支持部材１１の形状は、図１に示したような平面に限定されず、殺菌対象に応じた適切な形状とすることができ、曲面形状や環状等とすることもできる。

こうした支持部材１１上には、複数の凸部１２が一次元に並設されている。この凸部１２は発光ダイオード１３を支持するとともに、他方の発光部材１０の凹部１４と嵌合される接続部としても機能し、発光部材１０の対を一体化させる。

この凸部１２（凹部１４）の間隔、すなわち、発光ダイオード１３の間隔は、第１の支持部材１１の凸部１２上に設けられた発光ダイオード１３Ａから放射される光の波長プロファイルと、他方の支持部材１１上の発光ダイオード１３Ｂから放射される光の波長プロファイルとが重複するような適切な間隔とすることが好ましい。例えば、発光ダイオードの上面の大きさが通常の１辺３００〜４００μｍの正方形の場合、発光ダイオード１３Ａと発光ダイオード１３Ｂの中心間の間隔は３ｍｍ〜３０ｍｍとすることができる。これは、発光ダイオードの凸部への実装と凸部の剛性の関係から、３ｍｍ未満とすることは困難であり、また、３０ｍｍを越えると、発光ダイオードから放射される光の強度が非常に弱い空間が生じ、２種類の発光ダイオードから放射される光を重複させるのが困難になるためである。

この凸部１２（支持部材１１、凹部１４）の厚みは、発光ダイオード１３のサイズや間隔、および他方の発光部材１０の凹部１４と嵌合させて一体化するに当たっての強度等の点から適切に決定すればよい。

また、凸部１２（凹部１４）の形状についても特に限定されず、図１に示したように矩形とする以外にも、三角形や台形、波形等とすることができる。

発光ダイオード１３は、殺菌対象に含まれる細菌を殺菌するための紫外光を放射する。この発光ダイオードは、具体的には、Ａｌ、Ｇａ、およびＮを含むIII族窒化物半導体で構成することができる。

発光ダイオード１３の波長については、殺菌対象に含まれる細菌を殺菌する効果を有するのは、３００ｎｍ以下の波長領域を含む紫外光である。よって、発光ダイオード１３のピーク波長は２９０ｎｍ以下とする。また、２種類の発光ダイオード１３Ａおよび１３Ｂ間のピーク波長の差は、１ｎｍ以上４０ｎｍ以下とすることが好ましい。これにより、２種類の発光ダイオード１３Ａおよび１３Ｂの波長スペクトルを重複させることができる。酸化チタンなどの触媒を励起することにより間接的に殺菌する場合には、３８０ｎｍ以下の波長領域を含む紫外光でもよい。

このような紫外線照射装置１を殺菌対象に照射することにより、殺菌対象に含まれる細菌を殺菌することができる。ここで、殺菌対象は、水や血液等の体液、空気等の気体、粉末やペースト状物体等の固体を含む全ての流体とすることができる。また、固形物が混入した気体のような、気体と固体の混合物からなる流体、気体と液体とが混合されたジェル状の混合物からなる流体、あるいは固体と液体とが混合された混合物からなる流体でもよい。

本発明に係る紫外線照射装置１を、例えば人工透析の殺菌に使用することができる。人工透析は、血液の「老廃物除去」「電解質維持」「水分量維持」を行なう血液透析療法であり、紫外線照射の目的として２つ挙げることができる。まず１つ目は、濃厚透析液（原液）を希釈する精製水の殺菌、滅菌であり、逆浸透装置を通過し、水中に含まれる不純物成分が除去された精製水を殺菌、滅菌するために紫外線を照射する。２つ目は、透析液バッグと接続チューブの接合部分の殺菌、滅菌であり、これは、患者自らが自宅等で透析装置を扱う場合に、患者を介して透析装置に移された細菌を殺菌するために紫外線を照射する。

以上の本発明に係る紫外線照射装置において、放射光波長がより短い発光ダイオードを備える発光部材が放熱手段を有することが好ましい。より短い波長の光を発光する発光ダイオード（例えば、１３Ａ）からは、より多くの熱が放射され、より長い波長の光を発光する発光ダイオード（例えば、１３Ｂ）の動作に悪影響を与える。そこで、より短い波長の光を発光する発光ダイオード（例えば、１３Ａ）が設けられた発光部材１０に放熱手段を設けることにより、放射された熱を効率的に放散し、より長い波長の光を発光する発光ダイオード（例えば、１３Ｂ）の動作に対する悪影響を低減することができる。このような放熱手段としては、自然空冷する放熱フィンや、強制的に空冷するファン、冷媒の循環による水冷装置、ヒートバイプによる吸熱およびペルチェユニットを使った冷却装置等を用いることができる。このうち、熱伝導性の優れた材料（たとえばアルミニウム、銅、タングステン銅）で発光ダイオードの熱を吸熱・伝導し、低い外気温と熱交換する方式は安価であることから、熱伝導性が良好で軽量な材料を使った放熱フィンを用いることが好ましい。

図４は、本発明に係る紫外線照射装置の別の例を示している。この図に示す紫外線照射装置２は、環状の発光部材２０の対からなり、発光部材２０の各々は、図５に示すように、筒状体２１の一端面２１Ａに、該筒状体２１の軸方向に突出する凸部２２の複数を該筒状体２１の周方向に並設し、各凸部２２の内側面２２Ａに発光ダイオード２３を備えている。そして、紫外線照射装置２は、発光部材２０のいずれか一方の発光部材２０の凸部２２と、いずれか他方の発光部材２０の凸部２２相互間の凹部２４とを嵌合してなり、発光ダイオード２３は、少なくとも発光部材２０の一方と他方とで放射光波長が異なり（２３Ａおよび２３Ｂ）、かつ同一周上に並ぶように構成されている。

この紫外線照射装置２の場合にも、例えば、発光ダイオード２３の上面の大きさが通常の１辺３００〜４００μｍの正方形の場合、発光ダイオード２３Ａと発光ダイオード２３Ｂの中心間の間隔は３ｍｍ〜３０ｍｍとすることができる。例えば、直径４０ｍｍの円筒管の周辺（外側面）に合計１０個の発光ダイオードを設ける場合には、発光ダイオード２３Ａおよび２３Ｂの中心間の間隔は約１２．５６ｍｍとなり、合計１８個の発光ダイオード２３を設ける場合には、発光ダイオード２３Ａおよび２３Ｂの中心間の間隔は約７ｍｍとなる。

図６は、図４に示した紫外線照射装置２を用いて殺菌対象の流体を殺菌する様子を示す図である。この紫外線照射装置２において、発光部材２０の内径は、殺菌対象の流体Ｆが流通する、石英やアクリル等からなる透明管２５の外径に略一致するように構成されており、紫外線照射装置２の内側に透明管２５を挿入して取り付け、装置２内の発光ダイオード２３（２３Ａ、２３Ｂ）を点灯して紫外光を照射した状態の下で、殺菌対象の流体Ｆを透明管２５内を流通させることにより、殺菌対象の流体Ｆに含まれる細菌を殺菌することができる。

なお、図４に示した紫外線照射装置２においては、発光ダイオード２３（２３Ａ、２３Ｂ）は、凸部２２の内側面２２Ａに配置されているが、図７に示すように、凸部２２の外側面に配置することもできる。この場合、照射装置２の外側面を覆う透明管２６と、この透明管２６の外側に、透明管２６よりも径の大きい管２７を配置し、殺菌対象の流体Ｆが透明管２６と管２７との間を流通するように構成することができる。これにより、装置２内の発光ダイオード２３を点灯して紫外光を照射した状態の下で、殺菌対象の流体Ｆを、透明管２５と管２６との間を流通させることにより、殺菌対象の流体Ｆに含まれる細菌を殺菌することができる。また、装置２の内側に管２８を挿入して冷却水Ｗを流通させるなどして、発光ダイオード２３を冷却するための機構を設けることができる。

ここで、発光ダイオード２３を凸部２２の外側面に配置した装置２を用いて光の波長プロファイルを良好に重複させるために、図７に示すように、管２７の内側面に反射鏡Ｍを配置する（あるいは管２７の内面自体を反射鏡とする）か、図８に示すように、図７に示した装置２において管２７を透明管とした上で、管２７の外側に、管２７の外径と同じ内径を有し発光ダイオード３３（３３Ａおよび３３Ｂ）を発光部材３０の内側面に配置した紫外線殺菌装置３を組み合わせて用いることが好ましい。

また、図４に示した環状の紫外線照射装置２の場合には、光の波長プロファイルの重複を効率的に行なうために、図９に示すように、発光ダイオード（例えば、２３Ａ）の対向する位置に、同じ発光ダイオード（例えば、２３Ａ）を配置せず、発光部材２０の一方に配置された発光ダイオード（例えば、２３Ａ）は、発光部材２０の他方に配置された発光ダイオード（例えば、２３Ｂ）に対向して配置されていることが好ましい。これは、例えば、各発光部材２０に並設された凸部２２の数、すなわち、発光ダイオード２３の数を奇数個とし、筒状体２１の一端面２１Ａ上において発光ダイオード２３を周方向に均等に配置し、２つの発光部材２０を嵌合させることにより、発光部材２０の一方に設けられた発光ダイオード（例えば、２３Ａ）の対向する位置に、発光部材２０の他方に設けられた発光ダイオード（例えば、２３Ｂ）が配置されることになる。このような構成とすることにより、発光部材２０の一方に備えられた発光ダイオード２３Ａから照射された紫外光と、発光部材２０の他方に設けられた発光ダイオード２３Ｂから照射された紫外光とが重ね合わされて、両発光ダイオード２３Ａおよび２３Ｂの波長スペクトルの合成が行いやすくなる。

また、光の強度が非常に弱い空間を作らないために、発光ダイオード２３の対向位置を、凸部２２の発光ダイオード２３が配置されない領域（例えば、発光ダイオード２３Ａと２３Ｂとの間の嵌合部分）とする、すなわち、ある発光ダイオード２３の対向位置に別の発光ダイオードが存在しないようにしてもよい。

本発明によれば、異なるピーク波長を有する発光ダイオードを一次元に交互に並べ、それらの発光ダイオードから放射される光の波長スペクトルの一部が重複するように構成し、また、支持部材上に複数の凸部を一次元に並設し、各凸部上に発光ダイオードを備える、発光部材の対を用意し、いずれか一方の発光部材の凸部と、いずれか他方の発光部材の凸部相互間の凹部とを嵌合させて紫外線照射装置を構成し、波長プロファイルの波長域が広い光を照射することができ、かつ様々な波長プロファイルを有する光を照射することができるため、水の殺菌や浄化の分野に有用である。

１，２，３ 紫外線照射装置
１０，２０，３０ 発光部材
１１ 支持部材
１２，２２ 凸部
１３，２３，３３ 発光ダイオード
１４，２４ 凹部
２１ 筒状体
２１Ａ 筒状体の一端面
２２Ａ 凸部の内側面
２５，２６ 透明管
２７，２８ 管
Ｆ 殺菌対象の流体
Ｗ 冷却水

Claims (5)

1. 支持部材上に複数の凸部を一次元に並設し、各凸部上に発光ダイオードを備える、発光部材の対からなり、かつ、いずれか一方の発光部材の凸部と、いずれか他方の発光部材の凸部相互間の凹部と、を嵌合してなり、
   前記発光ダイオードは、前記発光部材の一方と他方とで放射光波長が異なり、かつ一次元に並ぶことを特徴とする紫外線照射装置。
2. 前記発光部材の一方と他方との着脱が可能である、請求項１に記載の紫外線照射装置。
3. 放射光波長がより短い発光ダイオードを備える発光部材が放熱手段を有する、請求項１または２に記載の紫外線照射装置。
4. 前記支持部材が筒状体であり、前記複数の凸部は前記筒状体一端面上に前記筒状体の軸方向に突出し、前記複数の凸部は前記筒状体の周方向に並設されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の紫外線照射装置。
5. 前記発光部材の一方に配置された発光ダイオードは、前記発光部材の他方に配置された発光ダイオードに対向して配置されている、請求項４に記載の紫外線照射装置。

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