JP2020014647A - 紫外線殺菌装置および紫外線照射装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】処理流路内全体の殺菌効果を高めることができる、紫外線殺菌装置を提供すること。【解決手段】紫外線殺菌装置は、直線状の処理流路を内部に有する流路管と、処理流路に紫外線を照射する複数の紫外線照射ユニットとを有する。紫外線照射ユニットは、その光軸が処理流路の軸に対して略垂直方向に沿うように配置された、紫外線を出射する発光素子と、発光素子の発光面と対向するように配置された、発光素子から出射された紫外線を処理流路の軸に沿う方向に反射させる反射面とを有する。【選択図】図1

Description

本発明は、紫外線殺菌装置および紫外線照射装置に関する。
紫外線を用いて液体などの流体を殺菌処理できることは広く知られている。たとえば、特許文献1には、軸方向に延びる流路に対して、上記軸方向に紫外線を照射して、流路内を流れる液体を殺菌する流体殺菌装置が記載されている。
具体的には、特許文献1に記載の流体殺菌装置は、軸方向に延びる処理流路を規定する流路管と、上記流路管の一方の端部の近傍に設けられ、上記処理流路に向けて上記一方の端部から上記軸方向に紫外線を照射する広配向角の発光素子(LED光源)と、を有する。上記光源から広角に照射された紫外線は、流路管の内面で反射されながら処理流路の長手方向(軸方向)に伝播していき、処理流路内の流体を殺菌する。
特開2017−104230号公報
流路管を流れる流体に対して効果的に殺菌するためには、流れる流体をできるだけ高い照度もしくは長い時間、またはその両方で処理することが望ましい。
特許文献1に記載の流体殺菌装置のように広配向角の発光素子を使用する場合、通常、発光素子から光を出射すると、発光面近傍では、出射角度が小さい光が到達する部分(光束の中心部)において高い照度が得られるが、出射角度が大きくなるにつれ照度は低くなる。そのため、上記光束の中心部を処理流路の中心付近と略一致させれば、処理流路の中心付近での照度がより高くなるようにも思われる。しかし、広配向角の発光素子から発光された光は発光面からの距離が遠くなるにつれてより広い範囲に光束が拡がるため、光源から離れるにつれて照度分布が均一になりやすく、かつ、照度が低下しやすい。そうすると、特許文献1に記載の流体殺菌装置では、発光素子の近傍では、処理流路の中心でも高い照度が得られ得るが、発光素子から離れると、処理流路の中心での照度を高くしにくく、結果として処理流路の全体において高い照度または長い時間で処理することが難しく、殺菌効果を十分には高めにくい。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、処理流路内全体の殺菌効果を高めることができる、紫外線殺菌装置および紫外線照射装置を提供することを目的とする。
本発明に係る紫外線殺菌装置は、直線状の処理流路を流れる流体に対し紫外線を照射して前記流体を殺菌処理する紫外線殺菌装置であって、前記直線状の処理流路を内部に有する流路管と、前記処理流路に紫外線を照射する複数の紫外線照射ユニットと、を有し、前記紫外線照射ユニットは、その光軸が前記処理流路の軸に対して略垂直方向に沿うように配置された、紫外線を出射する発光素子と、前記発光素子の発光面と対向するように配置された、前記発光素子から出射された紫外線を前記処理流路の軸に沿う方向に反射させる反射面と、を有する。
本発明に係る紫外線照射装置は、直線状の処理流路を流れる流体に対し紫外線を照射して前記流体を殺菌処理するための紫外線照射装置であって、前記処理流路に紫外線を照射するための複数の紫外線照射ユニットを有し、前記紫外線照射ユニットは、紫外線を出射する発光素子と、前記発光素子の発光面と対向するように配置され、前記発光素子から出射された紫外線を発光素子の光軸と略垂直方向に反射させる反射面と、を有する。
本発明によれば、処理流路内全体の殺菌効果を高めることができる、紫外線殺菌装置および紫外線照射装置を提供することができる。
図1は、実施の形態に係る紫外線殺菌装置を示す断面図である。 図2は、実施の形態に係る紫外線照射ユニットを示す斜視図である。 図3は、実施の形態に係るリフレクタを示す斜視図である。 図4A〜4Fは、実施の形態に係るリフレクタの構成を示す図である。 図5は、発光素子から出射された紫外線に含まれる代表的な光線の光路を示す光路図である。 図6A〜6Cは、実施の形態に係る紫外線照射ユニットの変形例を示す斜視図である。 図7は、実施の形態に係る紫外線照射ユニットの変形例を示す斜視図である。 図8は、実施の形態に係る紫外線照射ユニットの変形例を示す斜視図である。 図9は、実施の形態に係る紫外線殺菌装置の変形例を示す断面図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施の形態に係る紫外線殺菌装置100を示す、流路管110の流体が流れる方向に沿う方向かつ鉛直方向における断面図である。図1に示されるように、紫外線殺菌装置100は、処理される流体が一端側(流入口120)から他端側(流出口140)に流れる直線状の処理流路130を内部に有する流路管110と、処理流路130に紫外線を照射する複数の紫外線照射ユニット200と、を有する。本実施の形態では、紫外線殺菌装置100は、2つの紫外線照射ユニット200を有している。なお、本明細書では、1つの処理流路130に対して設けられた複数の紫外線照射ユニット200の組み合わせを「紫外線照射装置」とも称する。
(流路管の構成)
流路管110は、内面が略円柱状に形成された流路壁111を有する直線状の管である。流路管110は、一体成形された、流入口120、処理流路130の外周を規定する流路壁111、および流出口140を有する。流入口120、処理流路130および流出口140は、この順に連通して流体が流れるように構成される。流路管110の流入口120とは反対側の端部160には、紫外線を透過可能な透明板150が配置されている。
流路管110は、流れる流体の圧力によって変形または破損しにくい材料(例えば金属材料および樹脂材料)などから形成されることが好ましい。また、いずれも処理流路130の外周を規定する流路壁111および端部160の内面は、紫外線の反射率が高い材料から形成されていてもよく、紫外線の反射率が低い材料から形成されていてもよい。
ここで、紫外線の反射率が高い材料の例には、鏡面研磨されたアルミニウム(Al)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などが含まれる。また、紫外線の反射率が低い材料の例には、塩化ビニルなどの合成樹脂などが含まれる。
流路壁111および端部160の内面が、紫外線の反射率が高い材料から形成される場合には、紫外線照射ユニット200から処理流路130に導入された紫外線のうち、わずかに拡がりながら伝播する光線を、これらの内面で反射することが可能である。また、流路壁111および端部160の内面が、紫外線の反射率が低い材料から形成されている場合であっても、光線がなるべく流路壁111および端部160の内面で反射せずに流路管130内を進むように紫外線照射ユニット200のリフレクタ220(後述)の形状を設計することで、高い殺菌効率を維持することができる。この場合、安価な材料を流路管110に使用することができ、装置のコストダウンも図ることができる。
流入口120は、紫外線の照射により殺菌処理される流体を処理流路130に導入するための流路管100の一端側に設けられた開口部である。流入口120は、図示しない外部の流体供給装置と連結され、流体供給装置からの流体を処理流路130内に流すように構成される。たとえば、図1に示すように、流入口120は、流体供給装置からのホースを嵌め込むためのはめ込み部121を有してもよい。また、はめ込み部121は、処理流路130の下流側に向けて突出した爪状の形状を有する係留部122を有してもよい。
流入口120から処理流路130に導入された流体は、処理流路130を流れる間に、透明板150を介して複数の紫外線照射ユニット200から紫外線を照射され、殺菌処理される。その後、殺菌処理された流体は、流出口140から排出される。
上記流体は、処理流路130を流れることができる物質であれば特に限定されず、例えば、飲用水および農業用水などを含む上水、および工場などからの排水を含む下水などである。
処理流路130は、処理される流体が流れる直線状の流路であり、直線状の処理流路130の上記直線方向に形成される軸PAに対して回転対称な形状を有する略円柱状の流路である。処理流路130は、紫外線の照射により流体を十分に殺菌処理できる大きさであればよい。たとえば、紫外線殺菌装置100が2つの紫外線照射ユニット200を有している場合であって、発光素子1個あたりの光出力が15mWであるとき、処理流路130は、内径を5cm以下とすることができ、流路長を2cm以上30cm以下とすることができる。なお、本明細書において、処理流路の軸PAとは、処理流路130の流体が流れる方向に直交する方向に沿った断面における処理流路130中心を結ぶ仮想直線を意味する。
流路壁111は、流路管110の内壁面であり、内面が略円柱状に形成されて、処理流路130の外周を規定する。
端部160は、処理流路130の流入口120とは反対側の端部である。端部160は、処理流路130の内径および透明板150の外径よりも大きい外径を有する透明板保持部170を有する。透明板保持部170に透明板150が保持されている。
流出口140は、端部160の近傍に形成された、処理流路130を流れる流体を排出するための流路管110の他端側に設けられた開口部である。流出口140は、処理流路130内の流体を外部に流すように構成される。流出口140は、処理流路130内を流れる流体の流れる方向と、流出口140から排出される流体の流れる方向とが同一直線上にならない位置に形成される。たとえば、流出口140は、端部160の近傍において処理流路130と略直交する方向に形成してもよい。また、流出口140は、殺菌された流体を流体貯蔵部などに導くためのホースをはめ込み可能な形状を有してもよい。また、流出口140は、処理流路130の上流側に向けて突出した爪状の形状を有する係留部141を有してもよい。
透明板150は、紫外線を透過可能な材料で構成される部材である。透明板150は、端部160に形成される透明板保持部170に保持されて、紫外線照射ユニット200から出射された紫外線を処理流路130の内部へ導く窓である。また、透明板150は、処理流路130の外周の一部となり、端部160から流体が流れる方向への漏れ出しを抑止する。
透明板150を構成する材料は、紫外線を透過させることができれば特に限定されないが、波長200nm以上350nm以下の紫外線を透過可能な材料であることが好ましく、より殺菌効率が高い波長260nm以上290nm以下の紫外線を透過可能な材料であることがより好ましい。上記波長領域を透過させることができる透明板150の材料の例には、石英(SiO)、サファイア(Al)および非晶質のフッ素系樹脂などが含まれる。
(紫外線照射ユニットの構成)
紫外線殺菌装置100は、複数の紫外線照射ユニット200を有している。前述のとおり、これらの複数の紫外線照射ユニット200は、まとめて「紫外線照射装置」とも称される。紫外線照射装置(複数の紫外線照射ユニット200)は、処理流路130に紫外線を照射する。本実施の形態では、紫外線照射装置(複数の紫外線照射ユニット200)は、処理流路130の外部に配置されており、透明板150を介して紫外線を処理流路130に照射する。
図2は、実施の形態に係る紫外線照射ユニット200を示す斜視図である。
図1および図2に示されるように、紫外線照射ユニット200は、紫外線を出射する発光素子210と、発光素子210から出射された紫外線を処理流路130の軸PAに沿う方向(発光素子210の光軸と略垂直方向)に反射させる反射面221と、を有する。本実施の形態では、紫外線照射ユニット200は、発光素子210、リフレクタ220およびヒートシンク240を有する。リフレクタ220の内面は、反射面221として機能する。
発光素子210は、紫外線を出射する素子である。発光素子210は、その光軸が処理流路130の軸PAに対して略垂直方向に沿うように配置されている。本実施の形態では、発光素子210は、その光軸が処理流路130の軸PAに対して垂直となるように配置されている。図2に示されるように、本実施の形態では、発光素子210は、基板230上に配置されており、基板230は、発光素子210の熱を吸収し放熱するためのヒートシンク240の上に取り付けられている。発光素子210の例には、中心波長またはピーク波長が200nm以上350nm以下であり、より殺菌効率が高い波長である260nm以上290nm以下である、発光ダイオード(LED)などが含まれる。
ヒートシンク240は、発光素子210が紫外線を出射する際に生じる熱を吸収し放熱する。ヒートシンク240の材料は、特に限定されず、公知の材料から適宜選択される。ヒートシンク240の材料の例には、金属、合金、セラミックスおよびダイヤモンドが含まれる。複数の紫外線照射ユニット200は、それぞれヒートシンク240を有していてもよいし、共通のヒートシンク240を有していてもよい。前者の場合、複数の紫外線照射ユニット200のそれぞれの発光素子210は、それぞれ異なるヒートシンク240の上に配置される。後者の場合、複数の紫外線照射ユニット200のそれぞれの発光素子210は、共通の1つのヒートシンク240の上に配置される。本実施の形態では、2つの紫外線照射ユニット200は、共通のヒートシンク240を有している。平板状のヒートシンク240の一方の面には、一方の紫外線照射ユニット200の発光素子210およびリフレクタ220が配置されており、ヒートシンク240の他方の面には、他方の紫外線照射ユニット200の発光素子210およびリフレクタ220が配置されている。
リフレクタ220は、反射面221が発光素子210の発光面と対向するように配置される。リフレクタ220の反射面221は、発光素子210から出射された紫外線を処理流路130の軸PAに沿う方向(発光素子210の光軸と略垂直方向)に反射させる。
図3は、実施の形態に係るリフレクタ220の斜視図である。図4Aは、リフレクタ220の平面図であり、図4Bは、リフレクタ220の底面図であり、図4Cは、リフレクタ220の正面図であり、図4Dは、リフレクタ220の背面図であり、図4Eは、リフレクタ220の側面図であり、図4Fは、リフレクタ220の断面図(図4BのA−A線の断面図)である。
図3に示されるように、リフレクタ220は、筐体223と、筐体223の側面から突出した筐体固定部224とを有する。筐体223の内面には、発光素子210から出射された紫外線を反射するための反射面221が形成されている。筐体固定部224は、後述するヒートシンク240上にリフレクタ220を固定するために設けられている。
図4B、4Fに示されるように、筐体223の内面には、略回転放物面を半分に切った形状の反射面221が形成されている。また、図4Cに示されるように、リフレクタ220の正面には半円状の出射口222が形成されている。ここで、リフレクタ220(筐体223)の全長および出射口222の大きさは、処理流路130の内径、処理流路130の流路長に合わせて適宜選択することができる。
反射面221は、反射面221を放物面と見なしたときにその焦点と見なされる位置FPに発光素子210が配置されたとき、発光素子210から発光された紫外線を反射して、その大部分が、出射口222から処理流路130の方向に向かう出射光線となる形状を有する(図5参照)。
リフレクタ220は、例えば、金属材料、ガラス、樹脂材料などから形成される。ただし、反射面221は、紫外線の反射率が高い材料から形成されることが好ましい。たとえば、反射面221は、鏡面研磨されたアルミニウム(Al)、ガラスまたは樹脂材料の表面に配置されたアルミニウム膜、あるいはポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などから形成されることが好ましい。アルミニウム膜の形成方法は、特に制限されない。アルミニウム膜は、例えば、真空蒸着等により形成されうる。
また、反射面221は、流路管110内の光線の進行を制御する観点から、紫外線が拡散反射する面であるよりも鏡面反射する面であることが好ましい。
図5に示されるように、本実施の形態においては、紫外線照射ユニット200は、基板230上に配置されている発光素子210と、発光素子210の発光面と対向するように配置されたリフレクタ220と、平板状のヒートシンク240とを有する。ここで、ヒートシンク240と発光素子210との固定方法は、発光素子210がヒートシンク240から取れなければ、特に限定されない。また、リフレクタ220(筐体223)は、筐体固定部224がヒートシンク240に固定される。筐体固定部224とヒートシンク240との固定方法は、特に限定されないが、例えば、ねじ止め、接着などがある。
このとき、リフレクタ220は、筺体223の底面が、発光素子210の上面(発光面)と略同一平面上となる位置に取り付けられることが好ましい。ただし、リフレクタ220は、筺体223の底面が、発光素子210の上面(発光面)よりも鉛直方向の上方または下方に位置するように取り付けられてもよい。
紫外線照射ユニット200は、流路管110の端部の透明板保持部170に嵌め込まれている透明板150からわずかに離間して配置される。このとき、リフレクタ220の出射口222は透明板150側を向いている。
(紫外線の光路)
次に、紫外線照射ユニット200から出射された紫外線の光路について説明する。
図5は、発光素子210から出射された紫外線に含まれる代表的な光線の光路を示す光路図である。図5に示されるように、発光素子210が配置された基板230およびリフレクタ220をヒートシンク240に取り付けると、リフレクタ220の底面に形成された開口部222またはその外部に発光素子210が配置され、筺体223の内面である反射面221が発光素子210の上面に対向して配置される。また、紫外線照射ユニット200を流路管110の端部に取り付けると、リフレクタ220の正面に形成された開口部(出射口222)は透明板150を介して処理流路130と対向して配置される。このとき、発光素子210の光軸OAは、処理流路220の軸PAと略直交し、反射面221で反射された紫外線の光束が出射口222から出射する方向に向けて設定される仮想軸EAは、発光素子310の光軸OAとは直交し、かつ、処理流路130の軸PAとは平行になる。これにより、発光素子210から出射された紫外線は、反射面221で反射されて集光され、出射口222から出射されて、透明板150を介して処理流路130に照射される(図1参照)。なお、発光素子210の光軸OAとは、発光素子210からの立体的な出射光束の中心の光線を意味する。
(効果)
以上のように、本実施の形態に係る紫外線殺菌装置100では、発光素子210をその光軸が処理流路130の軸に対して略垂直方向に沿うように配置し、リフレクタ220の反射面221を発光素子110の発光面と対向するように配置し、発光素子210から出射された紫外線を処理流路130の軸に沿う方向に反射させるような構成を有する紫外線照射ユニット200を採用することにより、紫外線照射ユニット200を小型化しつつ流路管110内に紫外線を効率的に入射させることができるので、流体の殺菌効率を向上させることができる。また、複数の紫外線照射ユニット200を流路管110の外部に配置することができるので、流路管110の反対側の端部(流入口120)まで紫外線を到達させて殺菌効果を向上させることもできる。
[変形例]
なお、上記実施の形態では、2つの紫外線照射ユニット200を有する紫外線殺菌装置100について説明したが、紫外線照射ユニット200の数は特に限定されない。たとえば、図6Aに示されるように、直方体形状のヒートシンク240の4つの面にそれぞれ紫外線照射ユニット200を取り付けてもよい。また、図6Bに示されるように、図6Aの構成に加えて、さらにヒートシンク240の別の面(流路管110と対向する面)に発光素子210のみを取り付けてもよい。また、図6Cに示されるように、図6Bの構成において、発光素子210の上に光束制御部材300を取り付けてもよい。
また、図7に示されるように、平板状のヒートシンク240の2つの面にそれぞれ横一列に複数の紫外線照射ユニット200を取り付けてもよい。図7では、ヒートシンク240の一方の面上に3つの紫外線照射ユニット200を配置しているが、紫外線照射ユニット200の数は特に限定されない。流路管110の内径の大きさに合わせて、紫外線照射ユニット200の配置する数は適宜変更されうる。
また、図8に示されるように、例えば、大型の流路管110を使用する場合には、処理流路130全体を照射するために、図7の構成の複数の紫外線照射ユニット200の集合体をさらに積層してもよい。図8では、6つの紫外線照射ユニット200の集合体が2層積層されているが、これに限定されるものではない。流路管110の内径の大きさに合わせて、集合体の積層数は適宜変更されうる。
また、上記実施の形態では、複数の紫外線照射ユニット200が、それぞれ別体のリフレクタ220を有する紫外線殺菌装置100について説明したが、複数のリフレクタ220は、一体であってもよい。
また、上記実施の形態では、処理流路130を流れた流体を流出口140から外部に取り出す紫外線殺菌装置100について説明したが、本発明はこれに限定されない。たとえば、図9に示されるように、ヒートシンク240は、処理流路130に連通し、処理流路130内を流れた流体が冷媒として流れる冷媒流路400を有していてもよい。この場合は、処理流路130を流れた流体は、流出口140の代わりに冷媒流路400を介して外部に取り出される。
本発明の紫外線殺菌装置は、例えば上水や農業用の流体などの殺菌において有用である。
100 紫外線殺菌装置
110 流路管
111 流路壁
120 流入口
121 はめ込み部
122、141 係留部
130 処理流路
140 流出口
150 透明板
160 端部
170 透明板保持部
200 紫外線照射ユニット
210 発光素子
220 リフレクタ
221 反射面
222 出射口
223 筐体
224 筐体固定部
230 基板
240 ヒートシンク
300 光束制御部材
400 冷媒流路

Claims (7)

  1. 直線状の処理流路を流れる流体に対し紫外線を照射して前記流体を殺菌処理する紫外線殺菌装置であって、
    前記直線状の処理流路を内部に有する流路管と、
    前記処理流路に紫外線を照射する複数の紫外線照射ユニットと、
    を有し、
    前記紫外線照射ユニットは、
    その光軸が前記処理流路の軸に対して略垂直方向に沿うように配置された、紫外線を出射する発光素子と、
    前記発光素子の発光面と対向するように配置された、前記発光素子から出射された紫外線を前記処理流路の軸に沿う方向に反射させる反射面と、
    を有する、
    紫外線殺菌装置。
  2. 前記複数の紫外線照射ユニットは、前記処理流路の外部に配置されている、請求項1に記載の紫外線殺菌装置。
  3. 前記流路管は、前記処理流路の端部に紫外線を透過可能な透明板を有し、
    前記複数の紫外線照射ユニットは、前記透明板を介して紫外線を前記処理流路に照射する、
    請求項2に記載の紫外線殺菌装置。
  4. 前記発光素子の熱を吸収し放熱するための少なくとも1つのヒートシンクをさらに有し、
    前記複数の紫外線照射ユニットのそれぞれの前記発光素子は、前記少なくとも1つのヒートシンク上に配置されている、
    請求項1〜3のいずれか一項に記載の紫外線殺菌装置。
  5. 前記複数の紫外線照射ユニットのそれぞれの前記発光素子は、同一の前記ヒートシンク上に配置されている、請求項4に記載の紫外線殺菌装置。
  6. 前記ヒートシンクは、前記処理流路に連通し、前記処理流路内を流れた流体が冷媒として流れる冷媒流路を有する、請求項4または請求項5に記載の紫外線殺菌装置。
  7. 直線状の処理流路を流れる流体に対し紫外線を照射して前記流体を殺菌処理するための紫外線照射装置であって、
    前記処理流路に紫外線を照射するための複数の紫外線照射ユニットを有し、
    前記紫外線照射ユニットは、
    紫外線を出射する発光素子と、
    前記発光素子の発光面と対向するように配置され、前記発光素子から出射された紫外線を発光素子の光軸と略垂直方向に反射させる反射面と、
    を有する、
    紫外線照射装置。
JP2018139160A 2018-07-25 2018-07-25 紫外線殺菌装置および紫外線照射装置 Pending JP2020014647A (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113896279A (zh) * 2021-11-18 2022-01-07 深圳市香亭科技有限公司 净水结构和应用该净水结构的净水装置

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