JP2019017496A - 流体殺菌装置 - Google Patents

Abstract

【課題】紫外線による流体の殺菌効率を向上する新たな技術を提供する。【解決手段】流体殺菌装置１０は、通過する流体が殺菌処理される処理流路１２と、処理流路１２に向かって紫外線を照射する光源１４と、処理流路１２を収容する筐体１６と、処理流路１２の周囲に満たされた、処理流路１２に入射する紫外線の反射を抑制する反射抑制物質１８と、を備える。処理流路１２は、紫外線を透過させる透過部材で構成されており、反射抑制物質１８は、空気より屈折率が高い。【選択図】図２

Description

本発明は、流体殺菌装置に関する。

紫外線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線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線を照射することで、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、直管状のパイプで形成される容器の端部に紫外線発光ダイオードを配置した装置が考案されている（特許文献１参照）。

特開２０１４−２３３７１２号公報

しかしながら、上述の装置では、容器を構成するパイプに流入した流体の流れを積極的に制御していないため、パイプの中心軸に対して非対称な流速分布が生じる。そのため、比較的短時間でパイプから流出する速い流れが生じる場合がある。このような速い流れに含まれている菌は、紫外線に十分な時間暴露されることなく装置外へ流出するおそれがあり、殺菌性能の低下の一因となり得る。

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、紫外線による流体の殺菌効率を向上する新たな技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の流体殺菌装置は、通過する流体が殺菌処理される処理流路と、処理流路に向かって紫外線を照射する光源と、処理流路を収容する筐体と、処理流路の周囲に満たされた、処理流路に入射する紫外線の反射を抑制する反射抑制物質と、を備える。処理流路は、紫外線を透過させる透過部材で構成されており、反射抑制物質は、空気より屈折率が高い。

この態様によると、処理流路の周囲が空気の場合と比較して、処理流路に入射する紫外線の反射を抑制できる。

筐体は、流体が処理流路に流入する流入路および流体が処理流路から流出する流出路を有しており、処理流路は、流入路および流出路を非直線的に連通してもよい。非直線的に連通とは、流入路と流出路とを最短距離で連通していない場合であり、例えば、処理流路が曲路や折り返し路を含む場合である。これにより、流入路から流入した流体が流出路に到達するまでの距離を長くできるため、処理流路に流れる流体に十分な紫外線を照射できる。

流入路は、筐体の外周面であって、該筐体の長手方向に対して交差する向きに形成されていてもよい。

処理流路は、らせん状に形成されていてもよい。これにより、コンパクトな筐体の中に経路の長い処理流路を配置できる。

透過部材は、非晶質のフッ素樹脂または無機材料で構成されていてもよい。

反射抑制物質は、屈折率が１．３以上の液体であってもよい。

光源は、中心波長またはピーク波長が２００ｎｍ〜３５０ｎｍの範囲に含まれる紫外線を発する半導体発光素子であってもよい。これにより、光源の大きさをコンパクトにでき、配置の自由度が増す。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、紫外線による流体の殺菌効率を向上できる。

参考例に係る流体殺菌装置の概略構成を示す断面図である。 第１の実施の形態に係る流体殺菌装置の概略構成を示す断面図である。 第２の実施の形態に係る流体殺菌装置の概略構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、図面の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。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

（参考例）
はじめに、参考例に係る流体殺菌装置を説明する。図１は、参考例に係る流体殺菌装置１００の概略構成を示す断面図である。

流体殺菌装置１００は、処理流路１０２を区画する直管１０４と、直管１０４の内部に紫外線を照射する光源１０６と、を備える。直管１０４は、一方の端部１０８に直管１０４の径方向に延びる流入路１１０が設けられており、他方の端部１１２に直管１０４の径方向に延びる流出路１１４が設けられている。他方の端部１１２には、光源１０６からの紫外線を透過させるための窓部１１６が設けられている。

流体殺菌装置１００において、流入路１１０から流入する流体は、処理流路１０２を直管１０４の軸方向に流れて流出路１１４から流出する。流入路１１０は、直管１０４の側方に直接取り付けられているため、一方の端部１０８の近傍では流体の流れに乱れが生じる。

具体的には、流入路１１０から流入した流体は、流入直後に流入路１１０と対向する直管１０４の側壁に衝突し、跳ね返った勢いで速い流れを生じさせる。つまり、流入路１１０から流入した流体は、直管１０４の流入路１１０が形成されている側壁の近くを流れる流体の速度が相対的に速くなる。その結果、図１に示されるように、直管１０４の中心軸に対して非対称な速度分布が生じ、光源１０６からの紫外線を効率的に流体に作用させることが難しくなる。特に、速い流れに乗った菌は紫外線に十分暴露されることなく流出するため、殺菌性能を大きく低下させる原因となり得る。

したがって、以下の各実施の形態に係る流体殺菌装置は、参考例に係る流体殺菌装置１００を鑑みて考案されたものである。

（第１の実施の形態）
図２は、第１の実施の形態に係る流体殺菌装置１０の概略構成を示す断面図である。流体殺菌装置１０は、通過する流体が殺菌処理される処理流路１２と、処理流路１２に向かって紫外線Ｌを照射する光源１４と、処理流路１２を収容する筒状の筐体１６と、処理流路１２の周囲に満たされた、処理流路１２に入射する紫外線Ｌの反射を抑制する反射抑制物質１８と、を備える。

筐体１６は、流体が処理流路１２に流入する流入路２０および流体が処理流路１２から流出する流出路２２を有している。流入路２０および流出路２２は、筐体１６の外周面であって、筐体１６の長手方向に対して交差する向きに形成されている。なお、処理流路１２は、流入路２０および流出路２２のそれぞれの近傍において筐体１６に接続されている。また、筐体１６と処理流路１２との間の、反射抑制物質１８が満たされる空間は、筐体１６の外部に対して水密構造になっている。そのため、処理流路１２を流れる流体と、反射抑制物質１８とが混ざることはない。

筐体１６は、金属材料や樹脂材料で構成されており、紫外線の反射率が高い材料で構成されることが望ましい。例えば、筐体１６の内周面１６ａが鏡面研磨されたアルミニウム（Ａｌ）や、全フッ素化樹脂であるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で構成されていてもよい。これらの材料で筐体１６を構成することで、光源１４が発する紫外線を内周面１６ａで反射させて筐体１６の長手方向に伝搬させることができる。特に、ＰＴＦＥは、化学的に安定した材料であり、紫外線の反射率が高い材料であるため、筐体１６の材料として好適である。

筐体１６の内部には、光源１４から出射された紫外線を透過する窓部１７が設けられている。窓部１７は、光源１４が設けられている空間と、処理流路１２が設けられている空間と、を隔てている。窓部１７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線の透過率が高い部材で一部または全部が構成されている。

本実施の形態に係る処理流路１２は、流入路２０および流出路２２を非直線的に連通している。非直線的に連通とは、流入路２０と流出路２２とを最短距離で連通していない場合、つまり迂回して（遠回りに）連通している場合である。例えば、処理流路１２が曲路や折り返し路（クランク路）を含む場合であってもよい。本実施の形態に係る処理流路１２は、らせん状に形成されており、流路の直径は８〜１５ｍｍ程度である。

これにより、流入路２０から流入した流体が流出路２２に到達するまでの距離を長くできるため、処理流路１２に流れる流体に十分な紫外線を照射できる。また、筐体１６の内部空間に対して、処理流路１２を細く長くすることで、処理流路１２内での速度分布を平準化し易くなる。

また、処理流路１２をらせん状とすることで、コンパクトな筐体１６の中に経路の長い処理流路を配置できる。なお、処理流路１２がらせん状の場合、外周部ほど流体の流速が速くなる（内周部ほど流体の速度が遅くなる）傾向がある。しかしながら、それと同時に流水の移動距離も長くなるため、処理流路１２内での速度分布の偏りは低減される。また、処理流路１２の途中でらせんの向き（右回りまたは左回り）を反転させて流路を構成してもよい。これにより、らせん状の処理流路１２の外周部を通過していた流体が、途中から内周部を通過することとなり、処理流路１２内での速度分布の偏りが更に低減される。

処理流路１２は、紫外線を透過させる透過部材で構成されている。具体的には、ガラス、石英（ＳｉＯ_２）、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）といった無機材料や、非晶質のフッ素系樹脂などの紫外線の透過率が高い部材で構成されている。このような透過部材は、屈折率が１．３〜１．５以上であり、空気と比較して屈折率が高い。そのため、空気を通過してきた紫外線は、空気と透過部材との屈折率差により処理流路１２の表面で反射を繰り返す。そのため、光源１４から出射した紫外線のうち、処理流路１２の流入路２０側まで到達する割合が減少し、流体の殺菌効率が低下する。

そこで、本実施の形態に係る流体殺菌装置１０では、処理流路１２の周囲を屈折率が空気より高い反射抑制物質１８で満たしている。本実施の形態に係る反射抑制物質１８は、水（屈折率１．３３）であるため、処理流路１２の周囲が空気の場合と比較して、処理流路１２に入射する紫外線Ｌの反射を抑制できる。

なお、反射抑制物質１８は、水以外でも良く、紫外線の波長域に対して透明な物質であって、屈折率が１．３以上の液体や、ガラスや樹脂といった固体であってもよい。また、反射抑制物質１８の屈折率は、処理流路１２を構成する部材の屈折率の±０．３以内、好ましくは±０．２以内、より好ましくは±０．１以内であるとよい。

反射抑制物質１８が液体の場合、筐体１６内の空間への充填が容易であり、処理流路１２の表面を確実に被覆することができる。また、反射抑制物質１８に対しては常に光源１４から出射した紫外線が照射されているため、交換しなくても菌の増殖は抑制される。なお、本実施の形態に係る流体殺菌装置１０においては、反射抑制物質１８を充填するための充填孔１６ｂが筐体１６の一部に設けられている。流体殺菌装置１０を使用する場合、はじめに充填孔１６ｂから反射抑制物質１８を筐体１６内部に充填し、充填孔１６ｂを封止した後、処理流路１２に殺菌対象である流体を流入させる。

光源１４は、中心波長またはピーク波長が２００ｎｍ〜３５０ｎｍの範囲に含まれる紫外線を発する半導体発光素子である。本実施の形態に係る光源１４は、紫外線を発するＬＥＤ（Light Emitting Diode）であり、殺菌効率の高い波長である２６０ｎｍ〜２９０ｎｍ付近の紫外線を発することが好ましい。このような紫外線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。これにより、紫外線を発する光源の大きさをコンパクトにでき、配置の自由度が増す。

（第２の実施の形態）
図３は、第２の実施の形態に係る流体殺菌装置３０の概略構成を示す断面図である。本実施の形態に係る流体殺菌装置３０は、光源として紫外線ランプを用いている以外は、第１の実施の形態に係る流体殺菌装置１０とほぼ同様の構成であり、同じ構成には同じ符号を付して説明を適宜省略する。

流体殺菌装置３０は、らせん状に形成されている処理流路１２の中心部分を貫通するように直管状の紫外線ランプ３２が配置されている。紫外線ランプ３２から出射した紫外線は、反射抑制物質１８を介して処理流路１２に入射するため、処理流路１２表面での反射が抑制される。

以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

上述の第１の実施の形態では、筐体の流出路側の端部近傍に光源を設けているが、筐体の流入路側の端部近傍に光源を設けてもよい。また、筐体の流出路側の端部近傍および筐体の流入路側の端部近傍の両方に光源を設けてもよい。

１０ 流体殺菌装置、 １２ 処理流路、 １４ 光源、 １６ 筐体、 １６ａ 内周面、 １７ 窓部、 １８ 反射抑制物質、 ２０ 流入路、 ２２ 流出路。

Claims (7)

1. 通過する流体が殺菌処理される処理流路と、
   前記処理流路に向かって紫外線を照射する光源と、
   前記処理流路を収容する筐体と、
   前記処理流路の周囲に満たされた、前記処理流路に入射する紫外線の反射を抑制する反射抑制物質と、を備え、
   前記処理流路は、紫外線を透過させる透過部材で構成されており、
   前記反射抑制物質は、空気より屈折率が高いことを特徴とする流体殺菌装置。
2. 前記筐体は、流体が前記処理流路に流入する流入路および流体が前記処理流路から流出する流出路を有しており、
   前記処理流路は、前記流入路および前記流出路を非直線的に連通することを特徴とする請求項１に記載の流体殺菌装置。
3. 前記流入路は、前記筐体の外周面であって、該筐体の長手方向に対して交差する向きに形成されていることを特徴とする請求項２に記載の流体殺菌装置。
4. 前記処理流路は、らせん状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の流体殺菌装置。
5. 前記透過部材は、非晶質のフッ素樹脂または無機材料で構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の流体殺菌装置。
6. 前記反射抑制物質は、屈折率が１．３以上の液体であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の流体殺菌装置。
7. 前記光源は、中心波長またはピーク波長が２００ｎｍ〜３５０ｎｍの範囲に含まれる紫外線を発する半導体発光素子であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の流体殺菌装置。