JP2017059321A - 紫外線照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体の流体に紫外線を照射する紫外線照射装置において、液体の流体を効果的に紫外線処理するとともに、装置を小型化、簡略化することができる。【解決手段】紫外線を放射する放電ランプと、放電ランプにより紫外線が照射される液体の流体とを収容する容器を有する紫外線照射装置において、放電ランプは、外側管と、内側管と、外側管と内側管との間に形成された放電空間と、外側管の管壁内部に埋設された内側電極と、外側管の管壁の外表面上に配設され、少なくとも一部が放電空間を挟んで内側電極と対向する外側電極とを有する放電ランプであり、内側管の内側に流体の一部を流入させて満たされることで流体に紫外線を照射する。【選択図】図１

Description

本発明は、紫外線照射装置に関し、特に、容器内の流体に紫外線照射する紫外線照射装置に関する。

紫外線照射装置は殺菌、脱臭、洗浄など様々な分野で取り扱われている。例えば、水槽内の液体に紫外線を照射するには、水槽より上部に紫外線ランプを設け、液体の液面より上方から紫外線を液体に照射することが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、水槽内に液体と放電ランプとを配置し、放電ランプから紫外線を放射することで、水槽内の液体に紫外線を照射することも知られている。（例えば、特許文献２参照）。

実開平０１−１０７４８４号公報 特開２００２−３０４９７１号公報

液体などの流体の液面上に配置した放電ランプから、紫外線を流体に向けて照射した場合、その一部は大気に吸収されることになり、流体全体に対して紫外線を効率よく照射することができない。また、流体全体へ均一に紫外線を照射することができず、液面付近の流体と、液面から離れた深い位置にある流体に対する紫外線照射量に差が生じ、確実な紫外線照射を施すことが難しい。

放電ランプを水槽内に配置するには、放電ランプを収納するランプ収納管（ジャケット管）や、放電ランプに電力を供給する配線の防水処理が必要となる。ランプ収納管を用いることによって、紫外線の照射効率の低下や、ランプ収納管を配置する水槽の大型化が生じ、放電ランプの配線の防水処理により、装置構造が複雑になる。

本発明の紫外線照射装置は、紫外線を放射する放電ランプと、放電ランプにより紫外線が照射される液体の流体とを収容する容器を有する紫外線照射装置である。放電ランプは、外側管と、内側管と、外側管と内側管との間に形成された放電空間と、外側管の管壁内部に埋設された内側電極と、外側管の管壁の外表面上に配設され、少なくとも一部が放電空間を挟んで内側電極と対向する外側電極とを有する放電ランプであり、例えば、二重管構造のエキシマランプである。内側管の内側に流体の一部を流入させて満たされることで流体に紫外線を照射する。

流体は内側管の内側を流れることで放電ランプより紫外線を照射される。さらに流体が内側管の内側と流体を収納する容器との間を循環することにより、流体全体が均一に紫外線を照射される。

容器内の流体液面下において紫外線照射区画を形成することで、紫外線照射装置をより一層小型化、簡略化することが可能である。

放電ランプの取り扱いを容易にする、または紫外線装置の構造を簡略（簡単）にすることを考慮すれば、放電ランプの外側電極はアース電極であり、放電ランプの内側電極は高電圧が印加された電極である。さらに放電ランプの始動電圧の低下、または放電の斑による紫外線量の偏りを考慮すると、外側電極の外側管周方向長さは、内側電極の外側管周方向長さ以上であり、外側管表面周方向長さ全体にわたることが望ましい。また、外側電極を、内側電極と対向する主電極と、主電極と離れて配置される主電極と同電位の補助電極とで構成することも可能である。放電しやすくするため、補助電極と内側電極との外側管周方向に沿った距離間隔は、補助電極と主電極との外側管周方向に沿った距離間隔と略等しくなるようにすればよい。

放電ランプは１８５ｎｍ、２０７ｎｍ、２２２ｎｍ、２５３ｎｍ、または２５４ｎｍの少なくとも一つの波長を含む紫外線を放射する放電ランプであり、紫外線を流体に照射することで、流体を殺菌する。また、放電ランプは１７２ｎｍの波長を含む紫外線を放射する放電ランプであり、酸素を含む（溶存する）液体の流体に紫外線を照射することで、流体中のオゾンを生成する。また、放電ランプは２５３ｎｍの波長を含む紫外線を放射する放電ランプであり、オゾンを含む（溶存する）液体の流体に紫外線を照射することで、流体中のオゾンを除去する。

本発明によれば、紫外線照射装置において、流体に対して効果的に紫外線照射を行なうともに、装置を小型化、簡略化することができる。

第１の実施形態である紫外線照射装置の内部構成を示した図である。 放電ランプの軸線に沿った断面図である。 図２のラインIII―IIIに沿った断面図である。 外側電極の構成が第１の実施形態と異なる放電ランプの断面図である。 補助電極を備えた放電ランプの断面図である。

以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、第１の実施形態である液体の流体に紫外線を照射する紫外線照射装置の内部構造を示した図である。

紫外線照射装置１は、紫外線が照射される流体である液体Ｙを収容する液体収容部２を備えた紫外線照射装置であり、液体収容部（水槽）２は内部に放電ランプ６０を備える。放電ランプ６０は石英ガラスからなる外側管６２と、石英ガラスからなる内側管６１と、外側管６２と内側管６１との間に形成された放電空間ＤＳと、外側管６２の管壁内部に埋設された帯状電極６４（以下、内側電極という）と、外側管の管壁の外表面上に配設された帯状電極６６（以下、外側電極という）とを備え、内側管６１および外側管６２を一体的に同軸配置させた二重管構造のエキシマランプである。内側管６１の両端部は、液体収容部２の液体が収容される領域に対して開放され、液体Ｙが内側管６１の内側に流入して満たされる。

放電ランプ６０の内側電極６４と外側電極６６にはそれぞれ電力を供給する給電線（図示せず）が接続され、給電線はランプ電源（図示せず）に接続される。内側電極６４と外側電極６６との間に電圧を印加することで、放電空間ＤＳに放電を生じさせ、紫外線（紫外光）を生じさせる。放電空間ＤＳで生じた紫外線は、内側管６１を透過して、内側管６１内側の液体Ｙに照射される。これにより、紫外線照射装置１の構造を簡単化し、小型化することが可能となる。

紫外線照射装置１は、放電ランプ６０を発熱に起因する対流を利用する、または内側管６１の内側に液体Ｙを流入させる流入手段（図示せず）を備えることで、液体Ｙを内側管６１の内側に流入させても良く、これにより液体Ｙに効率良く紫外線を照射することができる。あわせて、液体Ｙを、内側管６１の内側と、液体Ｙを収納する容器との間を循環させても良く、これにより液体Ｙ全体を均一に紫外線照射することができる。

放電ランプの構成が内側管に電極を設けない構成であるため、内側管６１内側の液体Ｙに対して全周方向から紫外線を照射することができる。後述するように、外側電極が外側管周方向全体に渡る断面環状の電極であることから、始動電圧が低い状態で放電が開始され、誘電体バリア放電において安定した始動性を得ることができる。そして、放電空間ＤＳの周方向ほぼ全域において放電が発生し、放電に斑が生じるのを抑制する。

また、外側電極６６をアース電極とし、内側電極６４を高電圧が印加される電極としているため、液体Ｙと接する内側管６１の内表面も含めて、放電ランプ周りの絶縁処理を簡略化（簡単化）することができる。

図２は、放電ランプの軸線に沿った断面図である。図３は、図２のラインIII―IIIに沿った断面図である。

放電ランプ６０は、それぞれ石英ガラスなどの誘電材料から成る内側管６１および外側管６２を一体的に同軸配置させた二重管構造のエキシマランプであり、外側管６２の外表面に外側電極６６を配設する一方、外側管６２の管壁６２Ｗには内側電極６４が埋設されている。

放電ランプ６０の外側管６２は、筒状石英管６２Ｗ２とその内側に配置される筒状石英管６２Ｗ１とを溶着して一体成形されたものであり、外側管６２の両端部における縮径によって外側管６２と内側管６１とが溶着する。内側管６１の両端部は、軸方向に沿って外側管６２から突出している。

外側管６２と内側管６１との間には、中空筒状（断面環状）の放電空間ＤＳが形成されている。放電空間ＤＳには、希ガスや、希ガスとハロゲンガスとの混合ガスなどが放電ガスとして封入されている。例えば、希ガスとしては、Ｘｅガス、Ａｒガス、Ｋｒガスであり、希ガスとハロゲンガスとの混合ガスとしては、ＡｒＢｒガス、ＡｒＦガス、ＫｒＣｌガス、ＸｅＩガス、ＸｅＣｌガス、ＸｅＢｒガス、ＫｒＢｒガスなどが封入される。内側電極６４の内表面は紫外線反射特性を有する。外側電極６６の内表面は紫外線反射特性を有する。

図３に示すように、外側電極６６は、外側管６２の外表面の周方向全体を覆う膜あるいは箔状の電極で構成されている。外側電極６６の端部には、給電線６７Ｂが接続されている。外側電極６６の軸方向長さは、外側管６２の軸方向長さよりも両端部においてＥだけ短くなるように定められている。

内側電極６４は、扇状の膜あるいは箔状の電極で構成されており、外側管６２の径方向に沿った中央付近に埋設され、放電空間ＤＳに露出していない。内側電極６４の軸方向長さは、外側電極６６の軸方向長さよりも短く、その端部は給電線６７Ａと接続されている。

外側管６２の管壁６２Ｗに埋設された内側電極６４の周方向長さは、外側管６２の周方向長さに対して十分短い。ここでは、中心軸Ｘに対する扇角が３０度以内に定められている。これによって、内側電極６４は、液体Ｙが満たされる（流れる）流路Ｆを形成する内側管６１周りに形成された放電空間ＤＳを間に挟んで、外側電極６６の一部と対向する。

例えば、内側管６１の内径は０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であり、放電空間ＤＳの軸方向長さが２０ｍｍ以上２００ｍｍ以下であり、放電空間ＤＳの径方向長さ（厚さ）が５ｍｍ以上１７ｍｍ以下に定められる。

放電ランプ６０の電源部（図示せず）は、高周波交流方式の電源装置であり、外側電極６６はアース電極であり、内側電極６４は高電圧が印加された電極である。外側電極６６をアース電極とし、内側電極６４を高電圧が印加される電極としているため、液体Ｙと接する内側管６１の内表面の防水処理（絶縁処理）をする必要がなくなり、放電ランプ全体の防水処理（絶縁処理）を簡略化できる。電圧が印加されると、図３の破線ＡＤ１で示す放電距離間で誘電体バリア放電がまず発生し、その後、破線ＡＤ２、ＡＤ３の順で順次放電が発生する。その結果、エキシマ光、すなわち紫外線（紫外光）が放射される。この紫外線の波長は放電空間ＤＳに封入されている放電ガスの種類によって異なる。例えば、放電ガスがＸｅガスでは１７２ｎｍ、Ａｒガスでは１２６ｎｍ、Ｋｒガスでは１４６ｎｍ、ＡｒＢｒガスでは１６５ｎｍ、ＡｒＦガスでは１９３ｎｍ、ＫｒＣｌガスでは２２２ｎｍ、ＸｅＩガスでは２５３ｎｍ、ＸｅＣｌガスでは３０８ｎｍ、ＸｅＢｒガスでは２８３ｎｍ、ＫｒＢｒガスでは２０７ｎｍの波長を含む紫外線が放射される。

ここで、外側管６２を構成するガラス管６２Ｗ１の端部が軸方向距離Ｅだけ突出することにより、外側電極６６と給電線６７Ａが十分絶縁することになり、給電線６７Ａと外側電極６６との間での沿面放電が防止される。同様に、外側管６２を構成するガラス管６２Ｗ２の端部が、ガラス管６２Ｗ１の縮径開始部分６２Ｊよりも軸方向に沿って突出していることにより、給電線６７Ａの引き出し部分を介して外側電極６６と内側電極６４が沿面放電することが防止される。

放電空間ＤＳを挟んで内側電極６４と外側電極６６の一部が対向することにより、流路Ｆが形成される内側管６１を覆うように誘電体バリア放電が発生する（破線ＡＤ３参照）。その結果、内側管６１全体に紫外線が照射され、内部の流路Ｆを流れる液体Ｙに対して紫外線が均一に照射される。また、外側管６２の内面および内側管６１の内面が紫外線反射特性を有するため、紫外線は放電ランプ６０の外部（特にランプ径方向外部）へ漏れない。

放電ランプの内側電極６４が流路Ｆを形成することにより、紫外線照射装置を小型化することが可能となる。また、放電ランプの電極、配線部分に対する防水処理（絶縁処理）を簡略化でき、より簡略な構成を採用することができる。

放電ランプの構成が内側管に電極を設けない構成であるため、流路を流れる液体Ｙに対して全周方向から紫外線を照射することができる。特に、外側電極が外側管周方向全体に渡る断面環状の電極であることから、始動電圧が低い状態で放電が開始され、誘電体バリア放電において安定した始動性を得ることができる。そして、放電空間ＤＳの径方向ほぼ全域において放電が発生し（破線ＡＤ１〜ＡＤ３参照）、放電に斑が生じるのを抑制する。

ところで、放電ランプについては、上述した電極構成以外でも可能である。以下、放電ランプの他の構造について説明する。

図４は、外側電極の構成が第１の実施形態と異なる放電ランプ６０’の断面図である。図５は、補助電極を備えた放電ランプ６０’’の断面図である。

図４では、外側電極６６’が内側電極６４と同等のサイズで構成されている。外側電極６６’の周方向長さは、内側電極６４の周方向長さにほぼ等しい。また、外側電極６６’は、内側管６１を間に挟んで内側電極６４と対向するように配置されている。このような電極構造によっても、内側管６１を包含する範囲で誘電体バリア放電が発生する。

図５では、図４の外側電極６６’に加えて、補助用外側電極６７が外側管６２の外表面６２Ｓに設けられている。補助用外側電極６７のサイズ、外側管周方向長さは、外側電極６６’と略同等である。また、外側電極６６’と補助用外側電極６７との間の外側管周方向に沿った距離間隔は、補助用外側電極６７と内側電極６４との間の外側管周方向に沿った距離間隔と略等しい。このような電極構造によっても、始動電圧を低くすることができる。

このように、外側電極については、単体でその周方向長さを調整し、あるいは、複数の外側電極を配置しながら補助用外側電極の位置を調整することで、紫外線を内側管内の流路へ均一に照射するとともに、安定して放電させることが可能である。１つの外側電極で構成する場合、その周方向長さは、電極断面形状が半円、すなわち１８０度以上の弧を描くような扇型の電極形状となるようにするのが良い。

本実施形態では、誘電体バリア放電によってエキシマ光（紫外線）を照射するエキシマランプを放電ランプとして適用しているが、高周波放電や静電容量型放電によって紫外光を照射する放電ランプも適用することが可能である。

本発明は、容器内の流体（液体）に紫外線を照射する装置や、紫外線を照射した液体を循環させる装置等の各種の液体紫外線照射装置に用いることができる。たとえば、紫外線照射機能を備える超音波洗浄装置やオゾン発生装置、オゾン分解装置、恒温水槽、恒温水循環装置（チラー）などの装置に用いることで、各種の装置に殺菌機能やオゾン生成機能、オゾン分解機能、所定物質の紫外線化学反応機能などの紫外線照射機能を付加することができ、あわせて装置を小型化、簡略化することができる。

オゾン発生機能としては、たとえば放電ランプにＸｅガスを封入し、放電ランプから酸素が溶存する水などの酸素を含有する液体に対して、１７２ｎｍの波長を含む紫外線を照射することで、酸化作用によってオゾン（Ｏ₃）が発生する。たとえば酸素が溶存する水に１７２ｎｍの波長を含む紫外線を照射すると、オゾン水が生成される。これは以下の（１）および（２）式のように、１７２ｎｍの波長を含む紫外線が酸素を分解して活性酸素を作り、活性酸素（酸素原子）が酸素（酸素分子）と結合してオゾンが生成されるためである。

Ｏ₂＋ 紫外線→ ２Ｏ ・・・（１）
Ｏ＋Ｏ₂→Ｏ₃ ・・・（２）

オゾン分解機能としては、たとえば放電ランプにＸｅＩガスを封入し、放電ランプがオゾン水などのオゾンを含有する液体に２５３ｎｍ付近の波長を含む紫外線を洗浄液に照射することで、オゾンが分解される。たとえば、オゾン水に２５３ｎｍ付近の波長を含む紫外線を洗浄液に照射すると、（３）（４）（５）式に表すようにオゾンが水と酸素に分解される。

Ｏ₃＋ 紫外線 →Ｏ＋Ｏ₂ ・・・（３）
Ｏ＋Ｈ₂Ｏ→２ＯＨ ・・・（４）
Ｏ₃＋２ＯＨ → Ｈ₂Ｏ＋２Ｏ₂ ・・・（５）

殺菌機能としては、たとえば放電ランプにＫｒＢｒガスやＫｒＣｌガスやＸｅＩガスを封入し、放電ランプから液体に対して、１８５ｎｍ、２０７ｎｍ、２２２ｎｍ、２５３ｎｍ、または２５４ｎｍの少なくとも一つの波長を含む紫外線を照射することにより、液体を好適に殺菌することもできる。これは、１８５ｎｍ、２０７ｎｍ、２２２ｎｍ、２５３ｎｍ、または２５４ｎｍなどの波長を含む紫外線は、生物のＤＮＡを構成する分子結合を切断する能力があり、ＤＮＡを破壊することで菌を死滅させるためである。

超音波洗浄装置に本発明を用いて殺菌機能を付加することによって、被洗浄物の汚れや、洗浄水の加熱によって細菌が発生しやすい洗浄水を殺菌し、常に清浄に保つことができる。また、オゾン発生機能を付加することによって、発生したオゾンで洗浄水を殺菌することができ、さらにオゾン分解機能を付加することによって、殺菌後の洗浄水からオゾンを分解除去することもできる。

恒温水槽などの水槽内の液体が所定の温度に保たれる装置に本発明を用いることによって、水槽内に殺菌機能などを付加され、装置を大型化せずに、容易に液体に紫外線照射を行なうことができる。さらに、所定の温度の液体を、水槽と外部装置との間で循環させ、外部装置の温度制御を行なう装置においても、水槽もしくは循環経路に放電ランプを配置することで、同様に装置を大型化せずに、容易に液体に紫外線照射を行なうことができる。

所定の液体に紫外線を照射し、化学反応を生じさせる反応装置に本発明を用いることで、液体が収容される容器や、液体が流動する経路に紫外線照射機能を付加するとともに、装置の小型化、簡略化を行なうことができる。

本発明の放電ランプについては、二重管エキシマランプ以外の放電ランプ、高周波放電や静電容量型放電ランプも適用可能である。放電ランプを備えた紫外線照射装置として適用可能である。

１ 紫外線照射装置
２ 液体収容部（水槽）
６０ 放電ランプ
６１ 内側管
６２ 外側管
６４ 内側電極
６６ 外側電極

Claims (9)

1. 紫外線を放射する放電ランプと、前記放電ランプにより紫外線が照射される液体の流体とを収容する容器とを有する紫外線照射装置において、
   前記放電ランプは、
   外側管と、
   内側管と、
   前記外側管と前記内側管との間に形成された放電空間と、
   前記外側管の管壁内部に埋設された内側電極と、
   前記外側管の管壁の外表面上に配設され、少なくとも一部が前記放電空間を挟んで前記内側電極と対向する外側電極とを有し、
   前記内側管の内側は前記流体の一部が流入して満たされることを特徴とする紫外線照射装置。
2. 前記流体が前記内側管の内側を流れることを特徴とする請求項１に記載の紫外線照射装置。
3. 前記流体は前記内側管の内側と前記容器内とを循環することを特徴とする請求項２に記載の紫外線照射装置。
4. 前記外側電極はアース電極であり、
   前記内側電極は高電圧が印加された電極であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の紫外線照射装置。
5. 前記外側電極が一体の導電製部材により構成されていて、
   前記外側電極の外側管周方向長さが、前記内側電極の外側管周方向長さ以上であることを特徴とする請求項１乃至４に記載の紫外線照射装置。
6. 前記外側電極が、
   前記内側電極と前記放電空間を挟んで径方向に対向する主電極と、
   前記主電極と同電位であって、前記主電極と周方向に離れて配置される補助電極と
   を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の紫外線照射装置。
7. 前記放電ランプは、１８５ｎｍ、２０７ｎｍ、２２２ｎｍ、２５３ｎｍ、または２５４ｎｍの少なくとも一つの波長を含む紫外線を放射する放電ランプであり、
   前記紫外線を前記流体に照射することで、前記流体を殺菌することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の紫外線照射装置。
8. 前記放電ランプは、１７２ｎｍの波長を含む紫外線を放射する放電ランプであり、
   前記流体は酸素を含む液体であり、
   前記紫外線を前記流体に照射することで、前記流体中にオゾンが発生することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の紫外線照射装置。
9. 前記放電ランプは、２５３ｎｍの波長を含む紫外線を放射する放電ランプであり、
   前記流体はオゾンを含む液体であり、
   前記紫外線を前記流体に照射することで、前記流体中のオゾンを除去することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の紫外線照射装置。

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