JP2017064610A - 照射装置および流体殺菌方法 - Google Patents

Abstract

【課題】直管内部への紫外光の照射効率を高めた照射装置を提供する。【解決手段】照射装置１０は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で構成される直管２０と、直管２０の端部（第１端部２２）に配置され、直管２０の内部に向けて紫外光を照射する光源４０と、を備える。光源４０は、紫外光を発する発光素子４２と、発光素子４２からの紫外光が直管２０の内壁面２０ａに７５度以上の入射角θで入射するように紫外光の向きを整える調整機構５０と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、照射装置および流体殺菌方法に関し、特に、紫外光を照射して流体を殺菌する技術に関する。

紫外光には殺菌能力があることが知られており、医療や食品加工の現場などでの殺菌処理に紫外光を照射する装置が用いられている。また、水などの流体に紫外光を照射することで、流体を連続的に殺菌する装置も用いられている。このような装置として、例えば、直管状の金属パイプで形成される流路の管端部内壁に紫外線ＬＥＤを配置した装置が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−１６０７４号公報

直管状の流路内を流れる流体に高効率で紫外光を照射するためには、流路内壁面での紫外光反射率が高くなる構造とすることが望ましい。また、流路内を流れる流体によって腐食されにくい材料で流路内壁面を構成することが望ましい。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、直管内部への紫外光の照射効率を高めた照射装置を提供することにある。

本発明のある態様の照射装置は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で構成される直管と、直管の端部に配置され、直管の内部に向けて紫外光を照射する光源と、を備える。光源は、紫外光を発する発光素子と、発光素子からの紫外光が直管の内壁面に７５度以上の入射角で入射するように紫外光の向きを整える調整機構と、を有する。

この態様によると、ＰＴＦＥの内壁面に７５度以上の入射角で紫外光を入射させることにより、内壁面における紫外光の反射率を高めて直管の長手方向に紫外光を効率的に導くことができる。発明者らの知見により、ＰＴＦＥの表面に７５度以上の入射角で紫外光を入射させると、拡散反射成分よりも鏡面反射成分が大きくなり、かつ、紫外光がほぼ全反射することがわかっている。したがって、本態様によれば、ＰＴＦＥの内壁面において紫外光が透過したり、拡散反射が優位となることで光源側に紫外光が戻ったりする影響を抑え、直管の長手方向にわたって直管内部の紫外光強度を高く維持できる。これにより、直管内部における紫外光の照射効率を高めることができる。また、流路を構成する直管として化学的に安定なフッ素樹脂であるＰＴＦＥを用いるため、装置の耐久性を高めることができる。

調整機構は、直管の内部に照射される紫外光の配光角が３０度以下となるように紫外光の向きを整えてもよい。

直管は、直管の長さが直管の直径の３倍以上であってもよい。

光源は、直管の内部を流れる流体に紫外光を照射して流体に殺菌処理を施してもよい。

本発明の別の態様は、流体殺菌方法である。この方法は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で構成される直管の内部を流れる流体に紫外光を照射して流体に殺菌処理を施す工程を備える。紫外光は、直管の内壁面に７５度以上の入射角で入射する向きとなるように照射される。

この態様によると、ＰＴＦＥの内壁面に７５度以上の入射角で紫外光を入射させることにより、内壁面における紫外光の反射率を高めて直管の長手方向に紫外光を効率的に導くことができる。これにより、直管内部における紫外光の照射効率を高めて、直管内部を流れる流体への殺菌効率を向上させることができる。また、流路を構成する直管として化学的に安定なフッ素樹脂であるＰＴＦＥを用いることにより、直管の耐久性を高めることができる。

本発明によれば、直管内部への紫外光の照射効率を高めて殺菌能力を向上させることができる。

実施の形態に係る照射装置の構成を概略的に示す断面図である。 ＰＴＦＥ板の反射特性を計測する様子を模式的に示す図である。 ＰＴＦＥ板の反射特性を示すグラフである。 比較例に係る照射装置の構成を概略的に示す断面図である。 直管内部の紫外光強度を示すグラフである。 変形例に係る光源の構成を模式的に示す断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。

図１は、実施の形態に係る照射装置１０の構成を概略的に示す図である。照射装置１０は、直管２０と、接続管３０と、光源４０とを備える。光源４０は、直管２０の端部（第１端部２２）に配置され、直管２０の内部に向けて紫外光を照射する。照射装置１０は、例えば、直管２０の内部を流れる水などの流体に紫外光を照射して殺菌処理を施すために用いられる。

直管２０は、第１端部２２と、第２端部２４と、窓部２６と、第２フランジ２８とを有する。直管２０は、第１端部２２から第２端部２４に向けて長手方向に延びており、内径（直径）ｄの３倍以上の長さｌを有する。第１端部２２には、光源４０からの紫外光を透過させるための窓部２６が設けられる。窓部２６は、石英（ＳｉＯ_２）やサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、非晶質のフッ素系樹脂などの紫外光の透過率が高い部材で構成される。第２端部２４には、直管２０を他の配管等に接続するためのフランジ（第２フランジ２８）が設けられる。

また、第１端部２２には、直管２０の長手方向と交差する方向または直交する方向に延びる接続管３０が取り付けられている。接続管３０は、一端にフランジ（第１フランジ３２）が設けられ、他端に直管２０が取り付けられている。直管２０および接続管３０は、Ｌ字状の流路を形成する。例えば、第１フランジ３２から流入する流体は、接続管３０および直管２０を通って第２フランジ２８から流出する。なお、流体の流れる向きは逆方向であってもよく、第２フランジ２８から流入する流体が第１フランジ３２から流出するように構成されてもよい。

直管２０および接続管３０は、全フッ素化樹脂であるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で構成される。ＰＴＦＥは、化学的に安定した材料であり、耐久性、耐熱性および耐薬品性に優れた材料である。また、ＰＴＦＥは、紫外光の反射率が高い材料である。そのため、直管２０は、光源４０が発する紫外光を内壁面２０ａで反射させて直管２０の長手方向に紫外光を伝搬させることができる。

なお、直管２０および接続管３０は、その全体がＰＴＦＥで構成されている必要はなく、少なくとも流路を構成して流体と接触する内壁面がＰＴＦＥで構成されていればよい。例えば、他の樹脂材料もしくは金属材料で構成される管の内面にＰＴＦＥのライナを取り付けて直管２０や接続管３０を構成してもよい。

光源４０は、発光素子４２と、基板４４と、調整機構５０とを含む。発光素子４２は、紫外光を発するＬＥＤ（Light Emitting Diode）であり、その中心波長またはピーク波長が約２００ｎｍ〜３５０ｎｍの範囲に含まれる。発光素子４２は、殺菌効率の高い波長である２６０ｎｍ〜２７０ｎｍ付近の紫外光を発することが好ましい。このような紫外光ＬＥＤとして、例えば、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）を用いたものが知られている。

発光素子４２は、調整機構５０と対向するように基板４４に取り付けられる。基板４４は、熱伝導性の高い部材で構成され、例えば、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などがベース材料として用いられる。発光素子４２が発する熱は、基板４４を通じて放熱される。

発光素子４２は、指向角または配光角が６０度以上、９０度以上または１２０度以上の広配光角のＬＥＤである。このような発光素子４２として、出力強度の高い表面実装（ＳＭＤ；surface mount device)型のＬＥＤが挙げられる。発光素子４２が発する紫外光は、調整機構５０に入射し、調整機構５０によって紫外光の向きが整えられる。

調整機構５０は、発光素子４２からの紫外光が直管２０の内壁面２０ａに７５度以上の入射角θで入射するように紫外光の向きを整える。調整機構５０は、発光素子４２が発する紫外光の配光角を調整し、調整機構５０から出射される紫外光の配光角φが３０度以下となるようにする。また、調整機構５０は、調整機構５０から出射される紫外光の光軸方向が直管２０の長手方向となるように配置される。このような調整機構５０を用いて内壁面２０ａに入射する紫外光の入射角θを７５度以上とすることにより、内壁面２０ａにおける紫外光の反射率を高め、直管２０の長手方向にわたって高強度の紫外光を伝搬させることができる。

調整機構５０は、第１レンズ５１と、第２レンズ５２と、第３レンズ５３とを有する。各レンズは、紫外光の透過率が高い石英ガラスで構成される。発光素子４２が発する紫外光は、第１レンズ５１、第２レンズ５２、第３レンズ５３、窓部２６の順に透過し、直管２０の内部に照射される。図示されるように、第１レンズ５１は、平凸レンズであり、第２レンズ５２は、両凸レンズであり、第３レンズ５３は、平凸レンズである。なお、調整機構５０は、二枚以下のレンズで構成されてもよいし、四枚以上のレンズで構成されてもよい。また、調整機構５０が有する各レンズは、図示されるような形状のレンズであってもよいし、異なる形状のレンズであってもよい。

つづいて、直管２０の内壁面２０ａを構成するＰＴＦＥの反射特性について説明する。ＰＴＦＥは、様々な用途で汎用的に利用されている樹脂材料であるが、深紫外光に対する定量的な反射特性はあまり知られていない。ＰＴＦＥは、樹脂材料であるという特性上、入射光の角度によって反射光の角度成分が異なりうるという特徴が示唆されているが、深紫外光を照射したときの詳細な反射特性についてはあまり知られていない。そこで、本発明者らは、深紫外光に対するＰＴＦＥの反射特性を測定し、その特性をうまく利用することで、ＰＴＦＥを用いた照射装置１０の光学特性を向上させようと考えた。

図２は、ＰＴＦＥ板７０の反射特性を計測する様子を模式的に示す図である。紫外光を発する光源７１からの入射光７３は、ＰＴＦＥ板７０の表面７０ａにて透過、反射または散乱する。物体表面での反射は、一般に、第１鏡面反射（specular spike）成分７６、第２鏡面反射（specular lobe）成分７７、拡散反射（diffuse lobe）成分７８の三つに分類できることが知られている。本発明者らは、入射光７３の入射角θ_１と同じ反射角θ_２を有する反射光７４や、入射角θ_１と異なる散乱角θ_３を有する散乱光７５などの強度を測定器７２で計測することにより、ＰＴＦＥ板７０についてのこれら三成分の反射特性を求めた。

図２に示される三成分のうち、第１鏡面反射成分７６は、表面７０ａで反射され、鏡面反射方向θ_２に極めて狭い角度範囲に放射される非常に強い反射光のことをいう。第２鏡面反射成分７７は、表面７０ａで反射され、鏡面反射方向θ_２をほぼ中心として拡がりを持って放射される強い反射光のことをいう。拡散反射成分７８は、ＰＴＦＥ板７０の内部での散乱を繰り返して放射される反射光のことをいい、放射角θ_３に依存せずに表面７０ａから等方的に放射される。

図３は、ＰＴＦＥ板７０の反射特性を示すグラフであり、入射光７３の入射角θ_１に対する第１鏡面反射成分７６、第２鏡面反射成分７７および拡散反射成分７８の反射率と、これら三成分の反射率を合わせた合計反射率を示す。光源７１として、波長λ＝２８０ｎｍの紫外光を発するＬＥＤを用いた。図示されるように、入射角θ_１が０度から６０度までの範囲では、反射光のほとんどが拡散反射成分７８であり、第１鏡面反射成分７６および拡散反射成分７８の割合が小さいことがわかる。また、合計反射率が８０％未満であり、入射光７３の２０％以上が反射されずに透過していることがわかる。

一方、入射角θ_１が６０度を超えて７０度以上となると、拡散反射成分７８の割合が減り、第２鏡面反射成分７７の割合が増えていく。また、合計反射率が１００％となって入射光７３の透過による損失の影響がなくなっていく。さらに、入射角θ_１が７５度以上となると、拡散反射成分７８が２０％程度もしくは２０％以下となり、入射光７３の８０％程度もしくは８０％以上が鏡面反射方向に損失なく反射されることがわかる。この測定結果から、本発明者らは、ＰＴＦＥの内壁面２０ａに入射する紫外光の入射角θを７５度以上にすれば、反射光の多くを直管２０の長手方向に伝搬させてより遠くまで強度の高い紫外光を導光できると考えた。

つづいて、照射装置１０の効果について比較例を参照しながら説明する。図４は、比較例に係る照射装置１１０の構成を概略的に示す断面図である。照射装置１１０は、光源１４０に上述の調整機構５０が含まれず、発光素子４２が発する紫外光をそのまま直管２０の内部に照射させる構成としている点で上述の実施の形態と相違する。

光源１４０は、発光素子４２からの紫外光をそのまま直管２０の内部に照射しており、上述の実施の形態に係る光源４０よりも配光角φが大きい。そのため、光源１４０が照射される紫外光の一部は、図示されるように、７５度よりも小さい入射角θ_４、θ_５で直管２０の内壁面２０ａに入射する。このような入射角θ_４、θ_５を有する紫外光の鏡面反射成分は小さく、入射する紫外光の多くは拡散反射によって等方的に散乱されるか、直管２０の内壁を透過してしまう。そうすると、直管２０の長手方向に反射されていく成分が極めて小さくなり、直管２０の長手方向にわたって強度の高い紫外光を導光させることが難しくなる。

図５は、直管２０の内部の紫外光強度を示すグラフであり、調整機構５０を有する実施の形態に係る照射装置１０における紫外光強度と、調整機構５０を有しない比較例に係る照射装置１１０における紫外光強度を示している。図５は、直管２０の内径をｄ＝２０ｍｍとして直管２０の長さｌを変化させた場合における直管２０の中心位置での紫外光強度を示している。

図示されるように、調整機構５０を有しない比較例に係る計測結果では、紫外光強度が直管２０の長さｌに応じて徐々に減少していることがわかる。これは、直管２０の内壁面２０ａにおいて反射が生じるたびに直管２０の長手方向に向かう成分が減少していくためであると考えられる。一方、調整機構５０を有する実施の形態に係る計測結果では、直管２０の長さｌが長くなっても所定以上の強度が維持されることがわかる。特に、直管２０の長さｌが内径ｄ（２０ｍｍ）の３倍以上である６０ｍｍ以上となる範囲において、比較例よりも実施の形態における紫外光強度が有意に大きいことがわかる。

以上の構成において、照射装置１０は、ＰＴＦＥで構成される直管２０の内部を流れる流体に紫外光を照射して流体に殺菌処理を施す。紫外光は、直管２０の内壁面２０ａに７５度以上の入射角θで入射する向きとなるように照射される。内壁面２０ａに７５度以上の入射角θで入射する紫外光は、内壁面２０ａにおいてほぼ全ての成分が反射されるとともに、その大半の成分が鏡面反射されて直管２０の長手方向に進んでいく。したがって、直管２０の長手方向に沿って流れる流体に対して、その長手方向にわたって強度の高い紫外光を照射できる。これにより、流体に強度の高い紫外光が作用する範囲および時間を長くして、流体に対する殺菌作用を向上させることができる。

本実施の形態によれば、直管２０の内壁にＰＴＦＥを用いるため、アルミニウム（Ａｌ）などの金属材料を用いる場合と比べて直管２０の信頼性を高めることができる。アルミニウムは、紫外光反射率の高い材料として知られているが、流体として水を用いる場合には、水との接触により電蝕ないし腐蝕され、紫外光反射率が低下したり、衛生面での懸念が生じたりする。一方、本実施の形態によれば、化学的に安定なＰＴＦＥを用いるため、このような懸念を抑えることができる。したがって、本実施の形態によれば、紫外光の照射効率を高めるとともに照射装置１０の信頼性を高めることができる。

図６は、変形例に係る光源２４０の構成を模式的に示す断面図である。光源２４０は、発光素子４２と、基板４４と、調整機構２５０と、を含む。比較例に係る調整機構２５０は、反射型の構成によって発光素子４２からの紫外光の向きを整える点で上述の実施の形態と相違する。以下、相違点を中心に説明する。

調整機構２５０は、反射体２５２を有する。反射体２５２は、金属材料や樹脂材料で構成され、反射面２５４が紫外線反射率の高い材質で構成される。反射体２５２は、例えば、紫外線反射率の高いアルミニウム（Ａｌ）を鏡面研磨したもので構成され、反射面２５４がフッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）で被覆される。反射体２５２は、ＰＴＦＥなどのフッ素樹脂材料で構成されてもよい。

反射体２５２は、椀形状を有しており、凹曲面となる反射面２５４を有する。反射体２５２の底部付近には、発光素子４２を配置するための取付孔２５６が設けられる。反射体２５２は、発光素子４２が発する紫外光の一部を反射させ、開口部２５８から出射される紫外光の配光角が３０度以内となるように紫外光の向きを整える。本変形例に係る調整機構２５０を上述の照射装置に適用することにより、上述の実施の形態と同様の効果を奏することができる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

上述の実施の形態に係る照射装置１０は、流体に紫外光を照射して殺菌処理を施すための装置として説明した。変形例においては、紫外光の照射により流体に含まれる有機物を分解させる浄化処理に本照射装置を用いてもよい。

上述の実施の形態に係る照射装置１０は、流体の一例として水などの液体に紫外光を照射して殺菌処理を施すための装置として説明した。変形例においては、流体として気体を対象に紫外光を照射してもよい。

１０…照射装置、２０…直管、２０ａ…内壁面、４０…光源、４２…発光素子、５０…調整機構。

Claims (5)

1. ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で構成される直管と、
   前記直管の端部に配置され、前記直管の内部に向けて紫外光を照射する光源と、を備え、
   前記光源は、紫外光を発する発光素子と、前記発光素子からの紫外光が前記直管の内壁面に７５度以上の入射角で入射するように前記紫外光の向きを整える調整機構と、を有することを特徴とする照射装置。
2. 前記調整機構は、前記直管の内部に照射される紫外光の配光角が３０度以下となるように前記紫外光の向きを整えることを特徴とする請求項１に記載の照射装置。
3. 前記直管は、前記直管の長さが前記直管の直径の３倍以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の照射装置。
4. 前記光源は、前記直管の内部を流れる流体に紫外光を照射して前記流体に殺菌処理を施すことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の照射装置。
5. ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で構成される直管の内部を流れる流体に紫外光を照射して前記流体に殺菌処理を施す工程を備え、
   前記紫外光は、前記直管の内壁面に７５度以上の入射角で入射する向きとなるように照射されることを特徴とする流体殺菌方法。

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