JP2018149213A - 紫外線照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】紫外線ＬＥＤの熱を流体中のウイルス等の殺菌のために有効利用でき、エネルギーの利用効率が高い紫外線照射装置を提供する。【解決手段】紫外線照射装置１は、流路３の途中に形成された流体溜まり２と、流体溜まり２の流体導入口４を開閉する第１開閉弁５と、流体溜まり２の流体排出口６を開閉する第２開閉弁７と、流体溜まり２の内部中央の下方に配置され、流体溜まり２の上方へ向けて紫外線を照射する紫外線ＬＥＤ１７と、を有している。流体溜まり２は、内部壁面が紫外線反射面になっている。そして、紫外線ＬＥＤ１７は、第１開閉弁５が流体導入口４を閉じ、第２開閉弁７が流体排出口６を閉じて、流体溜まり２内に流体を閉じ込めた状態で、紫外線を照射するようになっている。【選択図】図１

Description

この発明は、流体中のバクテリアやウイルスを紫外線で殺菌する紫外線照射装置に関するものである。

従来から、紫外線を流体に照射し、流体中のバクテリアやウイルスを紫外線で殺菌する紫外線照射装置が知られている（特許文献１及び２参照）。

このような紫外線照射装置は、紫外線光源として紫外線ＬＥＤを使用するものが多い。そして、紫外線光源として紫外線ＬＥＤを使用する紫外線照射装置は、紫外線ＬＥＤの温度上昇を抑えて、紫外線ＬＥＤの長寿命化を図るため、紫外線ＬＥＤの放熱用のヒートシンクを流路中に配置し、紫外線ＬＥＤの熱を流動する流体にヒートシンクを介して効率的に放熱し、紫外線ＬＥＤを冷却する技術が採用されている（特許文献３参照）。

特開２００４−５０００３号公報 特開２０１６−８７０７１号公報 特開２０１４−２２１４４５号公報

しかしながら、紫外線ＬＥＤの熱を流体中に放熱する従来の紫外線照射装置は、紫外線ＬＥＤの熱を流体中のウイルス等の殺菌のために有効利用することができず、エネルギーの利用効率が低かった。

そこで、本発明は、紫外線ＬＥＤの熱を流体中のウイルス等の殺菌のために有効利用でき、エネルギーの利用効率が高い紫外線照射装置の提供を目的とする。

本発明は、流体に紫外線を照射する紫外線照射装置１に関するものである。この発明に係る紫外線照射装置１は、流路３の途中に形成された流体溜まり２，３１，３７，４３と、流体溜まり２，３１，３７，４３の流体導入口４を開閉する第１開閉弁５と、流体溜まり２，３１，３７，４３の流体排出口６を開閉する第２開閉弁７と、流体溜まり２，３１，３７，４３の内部中央の下方に配置され、流体溜まり２，３１，３７，４３の上方へ向けて紫外線を照射する紫外線ＬＥＤ１７と、を有している。また、流体溜まり２，３１，３７，４３は、内部壁面が紫外線反射面になっている。そして、紫外線ＬＥＤ１７は、第１開閉弁５が流体導入口４を閉じ、第２開閉弁７が流体排出口６を閉じて、流体溜まり２，３１，３７，４３内に流体を閉じ込めた状態で、紫外線を照射するようになっている。

本発明に係る紫外線照射装置は、紫外線ＬＥＤの熱を流体溜まりの流体に放熱し、流体溜まり内の流体を対流させることにより、紫外線ＬＥＤから出射された紫外線を流体に均一に照射することができ、エネルギー利用効率を高めることができると共に、流体中のウイルス等の殺菌効果を向上させることができる。

図１（ａ）は本発明の実施形態に係る紫外線照射装置を示す図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ１−Ａ１線に沿って切断して示す紫外線照射装置の一部断面図である。 本発明の実施形態に係る紫外線照射装置を構成する流体溜まりを示す図であり、図２（ａ）は流体溜まりの平面図、図２（ｂ）は流体溜まりの正面図、図２（ｃ）は流体溜まりの右側面図である。 本発明の紫外線照射装置の第１変形例を示す図である。 流体溜まりの第１変形例を示す図であり、図４（ａ）は流体溜まりの平面図、図４（ｂ）は流体溜まりの正面図、図４（ｃ）は流体溜まりの右側面図である。 流体溜まりの第２変形例を示す図である。図５（ａ）は流体溜まりの平面図、図５（ｂ）は流体溜まりの正面図、図５（ｃ）は流体溜まりの右側面図である。 流体溜まりの第３変形例を示す図である。図６（ａ）は流体溜まりの平面図、図６（ｂ）は流体溜まりの正面図、図６（ｃ）は流体溜まりの右側面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき詳述する。

図１は、本発明の実施形態に係る紫外線照射装置１を示す図である。また、図２は、本発明の実施形態に係る紫外線照射装置１を構成する流体溜まり２を示す図である。この図２において、図２（ａ）は流体溜まり２の平面図であり、図２（ｂ）は流体溜まり２の正面図であり、図２（ｃ）は流体溜まり２の右側面図である。なお、図１及び図２において、＋Ｚ方向は上方を示し、−Ｚ方向は下方を示している。また、図１及び図２において、＋Ｘ方向は流路３内の流体（液体又は気体）の流動方向と逆方向（上流側へ向かう方向）を示し、−Ｘ方向は流路３内の流体の流動方向に沿う方向（下流側へ向かう方向）を示している。

図１に示すように、紫外線照射装置１は、流路３の途中に流体溜まり２が形成され、流体溜まり２の流体導入口４が第１開閉弁５によって開閉され、流体溜まり２の流体排出口６が第２開閉弁７によって開閉されるようになっている。

流路３は、流体溜まり２の流体導入口４に接続される上流側流路３Ａと、流体溜まり２の流体排出口６に接続される下流側流路３Ｂと、に大別される。上流側流路３Ａは、流体貯蔵容器８内に収容された被処理流体（液体又は気体）が流体供給手段１０（例えば、チュービングポンプ）によって送り込まれるようになっている。

第１開閉弁５は、丸穴状の流体導入口４を開閉する矩形形状の第１弁体５Ａと、この第１弁体５ＡをＺ軸方向（＋Ｚ方向、又は−Ｚ方向）に移動させる第１弁体駆動部５Ｂと、を有している。また、第２開閉弁７は、丸穴状の流体排出口６を開閉する矩形形状の第２弁体７Ａと、この第２弁体７ＡをＺ軸方向（＋Ｚ方向、又は−Ｚ方向）に移動させる第２弁体駆動部７Ｂと、を有している。なお、第１開閉弁５及び第２開閉弁７は、ノーマルクローズ型の直動式電磁弁を例示しているが、これに限られず、流体溜まり２の流体導入口４と流体排出口６のそれぞれを後述するコントローラ１１で作動制御されることによって確実に開閉できるものであればよい。

流体溜まり２は、上流側流路接続部１２及び下流側流路接続部１３を除き、平面視した形状が円形である。そして、上流側流路接続部１２は、流体溜まり２の側壁１４から＋Ｘ方向に沿って突出するように形成されている。また、下流側流路接続部１３は、流体溜まり２の側壁１４から−Ｘ方向に沿って突出するように形成されている。また、流体溜まり２の上壁（天井壁）１５は、上凸の滑らか曲線が流体溜まり２の中心軸１６（紫外線ＬＥＤ１７の光軸１８）を中心にして回転させられることにより形作られたような曲面壁であり、中心２０と径方向外方端２１とがほぼ同一の高さに位置し（ほぼ同一の＋Ｚ方向の高さに位置し）、中心２０と径方向外方端２１との中間位置が最も高くなっている。また、流体溜まり２の下壁（底壁）２２は、下凸の滑らかな曲線が中心軸１６を中心にして回転させられることにより形作られたような曲面壁であり、中心２３と径方向外方端２４とがほぼ同一の高さに位置し（ほぼ同一の−Ｚ軸方向の高さに位置し）、中心２３と径方向外方端２４との中間位置が最も低くなっている。そして、流体溜まり２は、上壁１５と下壁２２とが中心軸１６を中心とする円筒状の側壁１４によって接続されており、流路中心線２５が上壁１５の中心２０の高さ位置と下壁２２の中心２３の高さ位置の中間に位置し、上壁１５と下壁２２とが流路中心線２５を対称軸とする線対称の断面形状になっている（図１（ａ）参照）。また、この流体溜まり２は、上壁１５の内部壁面（天井面）、下壁２２の内部壁面（底面）、及び側壁１４の内部壁面（内側面）が紫外線を反射する紫外線反射面（例えば、紫外線反射部材で覆われた面）になっている。また、流体溜まり２は、発光素子取付台座２６が下壁２２の底面に設置され、紫外線ＬＥＤ１７の光軸１８が中心軸１６上に位置するように、紫外線ＬＥＤ１７が発光素子取付台座２６に取り付けられている。なお、流体溜まり２の中心軸１６とは、流体溜まり２の重心を通り、Ｚ軸（３次元空間の直交座標系におけるＺ軸）方向に延びる仮想軸をいうものとする。また、紫外線ＬＥＤ１７の光軸１８とは、紫外線ＬＥＤ１７からの立体的な出射光束の中心における光の進行方向をいうものとする。

また、流体溜まり２は、発光素子取付台座２６のＬＥＤ取付面２７（紫外線ＬＥＤ１７を取り付ける面）が直交座標系のＸＹ平面と平行に設けられ、この発光素子取付台座２６のＬＥＤ取付面２７にヒートシンク２８が設けられている。ヒートシンク２８は、発光素子取付台座２６と同様に熱伝導度の良い金属材料（例えば、アルミニウム）で形成されており、複数の板状のフィン２９が流路中心線２５と平行に配置されている。このヒートシンク２８は、流体溜まり２を平面視した際に、流路中心線２５を対称軸として線対称となるように形成されており、紫外線ＬＥＤ１７からの立体的な出射光束を妨げることがないように、紫外線ＬＥＤ１７からの距離及び発光素子取付台座２６からの高さ寸法が決定されている。このようなヒートシンク２８は、流体溜まり２の内部下方に位置している。

この紫外線照射装置１は、第１開閉弁５、第２開閉弁７、流体供給手段１０、及び紫外線ＬＥＤ１７の作動がコントローラ１１によって制御されるようになっている。この紫外線照射装置１は、作動停止状態において、第１開閉弁５が流体溜まり２の流体導入口４を閉じ、第２開閉弁７が流体溜まり２の流体排出口６を閉じている。そして、紫外線照射装置１は、図外のスタートボタンが押されると、第１開閉弁５の第１弁体駆動部５Ｂがコントローラ１１からの制御信号に基づいて通電させられ、第１弁体５Ａが流体溜まり２の流体導入口４を開く位置まで移動させられる。その後、紫外線照射装置１は、流体供給手段１０がコントローラ１１からの制御信号に基づいて通電させられて作動し、流体貯蔵容器８内に収容された被処理流体が流体供給手段１０によって上流側流路３Ａ及び流体導入口４を介して流体溜まり２の内部に送り込まれる。

紫外線照射装置１は、所定量の被処理流体が流体供給手段１０によって流体溜まり２内に送り込まれると、第１開閉弁５の第１弁体駆動部５Ｂへの通電がコントローラ１１からの制御信号に基づいて遮断され、第１弁体５Ａが流体溜まり２の流体導入口４を閉じると共に、流体供給手段１０への通電がコントローラ１１からの制御信号に基づいて遮断される（流体供給手段１０が停止させられる）。これにより、紫外線照射装置１は、流体溜まり２の流体導入口４が第１弁体５Ａで閉じられると共に、流体溜まり２の流体排出口６が第２弁体７Ａで閉じられ、流体溜まり２の内部に所定量の被処理流体が閉じ込められる。

次に、紫外線照射装置１は、通電スイッチ３０がコントローラ１１によってオンされ、紫外線ＬＥＤ１７が通電されて、紫外線が紫外線ＬＥＤ１７から流体溜まり２の上方へ向けて照射される。紫外線ＬＥＤ１７から出射された紫外線は、流体溜まり２の内部壁面で反射を繰り返し、流体溜まり２内に閉じ込められた被処理流体に満遍なく照射され、被処理流体が紫外線によって効率的に殺菌される。

また、紫外線照射装置１は、紫外線ＬＥＤ１７が通電されて紫外線を出射している間に、紫外線ＬＥＤ１７が発熱する。この紫外線ＬＥＤ１７の熱は、発光素子取付台座２６及びヒートシンク２８に伝熱され、発光素子取付台座２６及びヒートシンク２８から流体溜まり２内の被処理流体に放熱される。その結果、流体溜まり２内の被処理流体は、発光素子取付台座２６及びヒートシンク２８の近傍で暖められ、発光素子取付台座２６及びヒートシンク２８から離れた上壁１５及び側壁１４で冷やされるため、上壁１５、側壁１４、下壁２２に沿う流れ、及び下壁２２側から上壁１５側へ向かう流れから対流（旋回流）が生じ、流体溜まり２内で均一に撹拌される。その結果、紫外線照射装置１は、紫外線ＬＥＤ１７から出射された紫外線が流体溜まり２内の反射部材で反射されて被処理流体に満遍なく照射される効果と、流体溜まり２内の被処理流体が紫外線ＬＥＤ１７から生じる熱で撹拌される効果とが相俟って、被処理流体の殺菌をより一層効率的に行うことができる。

また、紫外線照射装置１は、流体溜まり２の内部に被処理流体の対流が生じ、紫外線ＬＥＤ１７から生じる熱が発光素子取付台座２６及びヒートシンク２８を介して被処理流体に効率的に熱伝達される。その結果、紫外線ＬＥＤ１７は、流体溜まり２の内部を対流する被処理流体によって効果的に冷却され、発熱に起因する寿命の低下を防止できる。

以上のように、本実施形態に係る紫外線照射装置１は、紫外線ＬＥＤ１７の熱を流体溜まり２内の被処理流体に放熱し、流体溜まり２内の被処理流体を対流させることにより、紫外線ＬＥＤ１７から出射された紫外線を被処理流体に均一に照射することができ、エネルギー利用効率を高めることができると共に、被処理流体中のウイルス等の殺菌効果を向上させることができる。

（第１変形例）
図３は、上記実施形態の第１変形例に係る紫外線照射装置１を示す図である。また、図４は、本変形例に係る紫外線照射装置１を構成する流体溜まり３１を示す図である。この図４において、図４（ａ）は流体溜まり３１の平面図であり、図４（ｂ）は流体溜まり３１の正面図であり、図４（ｃ）は流体溜まり３１の右側面図である。なお、図３及び図４において、＋Ｚ方向は上方を示し、−Ｚ方向は下方を示している。また、図３及び図４において、＋Ｘ方向は流路３内の流体の流動方向と逆方向（上流側へ向かう方向）を示し、−Ｘ方向は流路３内の流体の流動方向に沿う方向（下流側へ向かう方向）を示している。

図３及び図４に示す本変形例に係る紫外線照射装置１は、流体溜まり３１が上記実施形態に係る流体溜まり２の第１変形例であり、流体溜まり３１の形状が上記実施形態に係る紫外線照射装置１の流体溜まり２と相違するが、流体溜まり３１以外の構成が上記実施形態に係る紫外線照射装置１の流体溜まり２と同様である。従って、図３及び図４に示す本変形例に係る紫外線照射装置１は、図１及び図２に示す上記実施形態に係る紫外線照射装置１と同様の構成部分に同一符号を付し、上記実施形態に係る紫外線照射装置１の説明と重複する説明を省略する。

本変形例において、紫外線照射装置１の流体溜まり３１は、上流側流路接続部１２及び下流側流路接続部１３を除き、平面視した形状が円形である。流体溜まり３１の上壁（天井壁）３２は、上凸の滑らか曲線が流体溜まり３１の中心軸１６（紫外線ＬＥＤ１７の光軸１８）を中心にして回転させられることにより形作られたような曲面壁（球面の一部を切り取ったような壁）であり、中心軸１６上の位置が最も高く、径方向外方端２１の位置が最も低く位置するように形成されている。また、流体溜まり３１の下壁（底壁）３３は、下凸の滑らかな曲線が中心軸１６を中心にして回転させられることによって形作られたような曲面壁であり、中心軸１６上の位置が最も低く、径方向外方端２４の位置が最も高く位置するように形成されている。そして、流体溜まり３１は、上壁３２と下壁３３とが中心軸１６を中心とする円筒状の側壁３４によって接続されており、流路中心線２５が上壁３２の中心３５の高さ位置と下壁３３の中心３６の高さ位置の中間に位置し、上壁３２と下壁３３とが流路中心線２５を対称軸とする線対称の断面形状になっている（図３参照）。また、この流体溜まり３１は、上壁３２の内部壁面（天井面）、下壁３３の内部壁面（底面）、及び側壁３４の内部壁面（内側面）が紫外線反射面になっている。また、流体溜まり３１は、発光素子取付台座２６が底面の中央に設置され、紫外線ＬＥＤ１７の光軸１８が中心軸１６上に位置するように、紫外線ＬＥＤ１７が発光素子取付台座２６に取り付けられている。

また、流体溜まり３１は、発光素子取付台座２６のＬＥＤ取付面２７が直交座標系のＸＹ平面と平行に設けられ、この発光素子取付台座２６のＬＥＤ取付面２７にヒートシンク２８が設けられている。ヒートシンク２８は、熱伝導度の良い金属材料（例えば、アルミニウム）で形成されており、流体溜まり３１の内部下方に位置している。このような流体溜まり３１を備えた本変形例に係る紫外線照射装置１は、紫外線ＬＥＤ１７から生じる熱が発光素子取付台座２６及びヒートシンク２８を介して流体溜まり３１内の被処理流体に熱伝達され、上記実施形態に係る紫外線照射装置１と同様に、流体溜まり３１の内部の被処理流体に対流が生じる。

本変形例に係る紫外線照射装置１は、上記実施形態に係る紫外線照射装置１と同様に、紫外線ＬＥＤ１７の熱を流体溜まり３１内の被処理流体に放熱し、流体溜まり３１内の被処理流体を対流させることにより、紫外線ＬＥＤ１７から出射された紫外線を被処理流体に均一に照射することができ、エネルギー利用効率を高めることができると共に、被処理流体中のウイルス等の殺菌効果を向上させることができる。

（第２変形例）
図５は、上記実施形態に係る紫外線照射装置１の流体溜まり２の第２変形例に係る流体溜まり３７を示す図である。そして、この図５において、図５（ａ）は流体溜まり３７の平面図であり、図５（ｂ）は流体溜まり３７の正面図であり、図５（ｃ）は流体溜まり３７の右側面図である。なお、本変形例に係る流体溜まり３７は、上記実施形態に係る紫外線照射装置１の流体溜まり２と共通する構成部分に同一符号を付し、上記実施形態に係る紫外線照射装置１の流体溜まり２と重複する説明を省略する。

図５に示すように、本変形例に係る流体溜まり３７は、上壁３８が頂点４０を上にした円錐状に形成され、円錐の頂点４０が中心軸１６（紫外線ＬＥＤ１７の光軸１８）上に位置するように形成されている。また、本変形例に係る流体溜まり３７は、下壁４１が頂点４２を下にした円錐状に形成され、円錐の頂点４２が中心軸１６（紫外線ＬＥＤ１７の光軸１８）上に位置するように形成されている。そして、流体溜まり３７は、紫外線ＬＥＤ１７が下壁４１の内面の中央部に発光素子取付台座２６を介して取り付けられ（紫外線ＬＥＤ１７の光軸１８が流体溜まり３７の中心軸１６と同心に位置するように取り付けられ）、紫外線ＬＥＤ１７が流体溜まり３７内の下方（流路中心線２５よりも下方）に位置し、紫外線ＬＥＤ１７から上方へ向けて紫外線が照射されるようになっている。また、流体溜まり３７は、発光素子取付台座２６のＬＥＤ取付面２７にヒートシンク２８が設けられている。

本変形例に係る流体溜まり３７を備えた紫外線照射装置１は、上記実施形態に係る紫外線照射装置１と同様に、紫外線ＬＥＤ１７の熱を流体溜まり３７の被処理流体に放熱し、流体溜まり３７内の被処理流体を対流させることにより、紫外線ＬＥＤ１７から出射された紫外線を被処理流体に均一に照射することができ、エネルギー利用効率を高めることができると共に、被処理流体中のウイルス等の殺菌効果を向上させることができる。

（第３変形例）
図６は、上記実施形態に係る紫外線照射装置１の流体溜まり２の第３変形例に係る流体溜まり４３を示す図である。そして、この図６において、図６（ａ）は流体溜まり４３の平面図であり、図６（ｂ）は流体溜まり４３の正面図であり、図６（ｃ）は流体溜まり４３の右側面図である。なお、本変形例に係る流体溜まり４３は、上記実施形態に係る紫外線照射装置１の流体溜まり２と共通する構成部分に同一符号を付し、上記実施形態に係る紫外線照射装置１の流体溜まり２と重複する説明を省略する。

図６に示すように、本変形例に係る流体溜まり４３は、立方体形状であり、上壁４４と下壁４５がＸＹ平面と平行に形成され、４側壁（正面側側壁２６ａ、左側側壁２６ｂ、背面側側壁２６ｃ、及び右側側壁２６ｄ）が上壁４４及び下壁４５に直交するように形成されている。そして、右側側壁４６ｄの中央には上流側流路接続部１２が形成され、左側側壁４６ｂの中央には下流側流路接続部１３が形成されている。そして、流体溜まり４３は、紫外線ＬＥＤ１７が下壁４５の内面の中央に発光素子取付台座２６を介して取り付けられ（紫外線ＬＥＤ１７の光軸１８が流体溜まり４３の中心軸１６と同心に位置するように取り付けられ）、紫外線ＬＥＤ１７が流体溜まり４３内の下方（流路中心線２５よりも下方）に位置し、紫外線ＬＥＤ１７から上方へ向けて紫外線が照射されるようになっている。また、流体溜まり４３は、発光素子取付台座２６のＬＥＤ取付面２７にヒートシンク２８が設けられている。

本変形例に係る流体溜まり４３を備えた紫外線照射装置１は、上記実施形態に係る紫外線照射装置１と同様に、紫外線ＬＥＤ１７の熱を流体溜まり４３内の被処理流体に放熱し、流体溜まり４３内の被処理流体を対流させることにより、紫外線ＬＥＤ１７から出射された紫外線を被処理流体に均一に照射することができ、エネルギー利用効率を高めることができると共に、被処理流体中のウイルス等の殺菌効果を向上させることができる。

１……紫外線照射装置、２，３１，３７，４３……流体溜まり、３……流路、４……流体導入口、５……第１開閉弁、６……流体排出口、７……第２開閉弁、１７……紫外線ＬＥＤ

Claims (3)

1. 流体に紫外線を照射する紫外線照射装置において、
   流路の途中に形成された流体溜まりと、
   前記流体溜まりの流体導入口を開閉する第１開閉弁と、
   前記流体溜まりの流体排出口を開閉する第２開閉弁と、
   前記流体溜まりの内部中央の下方に配置され、前記流体溜まりの上方へ向けて紫外線を照射する紫外線ＬＥＤと、を有し、
   前記流体溜まりは、内部壁面が紫外線反射面になっており、
   前記紫外線ＬＥＤは、前記第１開閉弁が前記流体導入口を閉じ、前記第２開閉弁が前記流体排出口を閉じて、前記流体溜まり内に前記流体を閉じ込めた状態で、紫外線を照射する、
   ことを特徴とする紫外線照射装置。
2. 前記流体溜まりは、前記紫外線ＬＥＤの熱を前記流体に放熱するヒートシンクが内部下方に設置された、
   ことを特徴とする請求項１に記載の紫外線照射装置。
3. 前記流体溜まりは、前記紫外線ＬＥＤが設置される側を下面側とすると、前記下面側に対向するように上面側が位置し、
   前記流体溜まりの前記上面側は、前記紫外線ＬＥＤの光軸の回りに曲線を回転させることによって形成される曲面形状である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の紫外線照射装置。

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