JP2020039800A - 流体殺菌装置 - Google Patents

Abstract

【課題】処理室の流体に対する紫外光の放射照度分布の一様性改善と処理室内での紫外光の到達距離増大と図ることのできる流体殺菌装置を提供する。【解決手段】流体殺菌装置１は、内部に処理室２３を内部にもつ筒状筐体２と、処理室２３に向けて紫外光を出射する紫外光出射部２６とを備える。紫外光出射部２６の各光源装置２８は、ＬＥＤ光源２９と、ＬＥＤ光源２９からの紫外光を反射して処理室２３に向けて出射するリフレクタ３０とを有する。【選択図】図３

Description

本発明は、紫外光によって流体を殺菌する流体殺菌装置に関する。

近年、紫外線の殺菌作用が、食品庫の殺菌灯や医療用装置に利用されている。また、流路を流れる流体に対して、紫外ＬＥＤの紫外光を照射して流体を殺菌し、洗浄用水等に用いる装置もよく知られている。

流体殺菌装置のように、紫外光を使って殺菌する殺菌装置では、紫外光の照射領域において適切な放射照度分布を得るために、リフレクタが使用されている。

例えば、特許文献１は、室内空間に漂流する細菌やウィルス類に紫外光を照射する殺菌装置を開示する。紫外光は、人には有害であるために、該殺菌装置は、紫外光が室内空間の下方に存在する人に向かうことを回避するために、室内空間の上部に配備され、水平方向に平行に紫外光を出射する。

該殺菌装置は、紫外光を水平方向に平行に出射するために、反射鏡が紫外線ランプの後ろ側に配設されている。反射鏡は、紫外線ランプから後方に出射して来る紫外光を水平方向に平行にして紫外線ランプの前方に向けて反射している。また、紫外線ランプの前方には、水平方向に平行に配列された複数の放射制御板から成る配列体が配設される。そして、紫外線ランプ又は反射鏡から前方に下向きに出射されて来る紫外光は、該配列体を通過することにより向きを水平に変更される。

特許文献２は、容器内の飼料に含まれるマイコトキシンを紫外光により除去するマイコトキシン除去装置を開示する。該マイコトキシン除去装置によれば、容器の上側を半球面の凹面反射板で覆うとともに、凹面反射板の焦点位置に紫外光源を配置する。紫外光源から上方に出射した紫外光は、凹面反射板により鉛直方向に向きを変更され、下方の飼料の上面に一様な照射分布で照射される。

特開２００６−２３１００７号公報 特許第４７５３１８３号公報

従来の流体殺菌装置で、流体に対する紫外光の放射照度分布の一様性をリフレクタで積極的に改善する構成を有するものは見当たらない。

本発明者は、所定の自由曲面リフレクタを用いることで、流体殺菌装置の処理室の所定断面における紫外光の放射照度分布の一様性と放射照度が改善でき、流体殺菌装置の性能が向上できることを見出した。

本発明の目的は、処理室の流体に対する紫外光の放射照度分布の一様性改善と処理室内での紫外光の放射照度の増大を図ることのできる流体殺菌装置を提供することである。

本発明は、
殺菌対象の流体が軸方向に流れる処理室を内部に有する筒状筐体と、
前記筒状筐体の前記処理室の一端側に配置された紫外光出射部を備え、
前記紫外光出射部は、少なくとも一つの光源装置を備え、
前記光源装置は、
紫外光を出射する光源と、
前記光源が配置された底部、前記底部の周縁から前記処理室に向かって径が大きくなる形状を有する筒部及び前記処理室側の端部が開口部となっているリフレクタを含み、
前記リフレクタは前記光源から出射される紫外光を反射して前記処理室へ向ける流体殺菌装置である。

本発明によれば、光源装置が、紫外光を出射する光源と共に、光源から出射した紫外光を反射して処理室の方へ出射するリフレクタを有する。この結果、流体殺菌装置における処理室の流体に対する紫外光の放射照度分布の一様性改善と処理室内での紫外光の放射照度増大とを図ることができる。

本発明の流体殺菌装置において、好ましくは、
前記処理室の前記軸方向の中間位置Ｌｐにおける前記処理室の横断面Ｗｐと、該横断面Ｗｐの中心Ｃｐと、該横断面Ｗｐ上で前記中心Ｃｐから最遠方点までの距離Ｒｐとを定義したとき、
前記横断面Ｗｐ上で前記中心Ｃｐから半径０．９×Ｒｐまでの円領域Ａｃでは、前記紫外光の放射照度は、前記流体の殺菌に必要な最小放射照度として予め設定した最小放射照度以上が確保されるように、前記光源装置の個数、配置及び発光強度の少なくとも１つが設定されている。

この構成によれば、リフレクタの曲面形状に加えて、光源装置の個数、配置、及び発光強度の少なくとも１つを調整することにより、流体殺菌装置における処理室の流体に対する紫外光の放射照度分布の一様性及び放射照度向上について一層の改善を図ることができる。

本発明の流体殺菌装置において、好ましくは、
前記中間位置Ｌｐは、前記筒状筐体の内部における前記流体の収容空間を前記軸方向に３等分割したときに、中央の分割部分に含まれる位置であることを特徴とする。

この構成によれば、中間位置Ｌｐは、処理装置の中央の等分割区分に位置する。これにより、処理室の中央区分で放射照度向上と分布の均一化を図り、かつ、処理室内面に紫外光が当たることによる損失を低減できる。このことにより、処理室の光源側の紫外線照射の抜けもれを低減し、かつ、処理室全体での殺菌効果を高めることができる。

本発明の流体殺菌装置において、好ましくは、
各光源装置からの前記紫外光が、前記横断面Ｗｐ上に生成する個別照射パターンは、径方向に内側の内側パターン部と外側の外側パターン部とに分割され、
各リフレクタの前記筒部は、前記底部側の内側反射部と前記開口部側の外側反射部とに分割され、
前記内側反射部で反射した内側反射紫外光及び前記外側反射部で反射した外側反射紫外光がそれぞれ前記内側パターン部及び前記外側パターン部の一方及び他方を生成する。

この構成によれば、個別照射パターン及びリフレクタの筒部が共に径方向に内側と外側とに２分割される。そして、リフレクタの内側及び外側で反射した紫外光により個別照射パターンの内側及び外側のパターン部の一方及び他方を生成する。これにより、均一な放射照度分布を得ることができる。

本発明の流体殺菌装置において、好ましくは、
前記内側反射部で反射した内側反射紫外光及び前記外側反射部で反射した外側反射紫外光がそれぞれ前記内側パターン部及び前記外側パターン部を生成し、
前記内側反射紫外光及び前記外側反射紫外光は、共に、前記横断面Ｗｐより前記紫外光出射部側で前記光源の光軸と交差し、
前記内側反射紫外光が前記光軸と交差する位置は、前記外側反射紫外光が前記光軸と交差する位置よりも前記横断面Ｗｐに近い位置になるように、前記内側反射部及び前記外側反射部の曲面が形成されている。

この構成によれば、内側反射紫外光及び外側反射紫外光は、それぞれ内側パターン部及び外側パターン部を生成する。これにより、リフレクタを径方向に小型化することができる。

本発明の流体殺菌装置において、好ましくは、
前記内側反射部で反射した内側反射紫外光及び前記外側反射部で反射した外側反射紫外光がそれぞれ前記外側パターン部及び前記内側パターン部を生成し、
前記内側反射紫外光は、前記横断面Ｗｐより前記紫外光出射部側で前記光源の光軸と交差し、前記外側反射紫外光は、前記横断面Ｗｐより前記紫外光出射部側では前記光軸と交差しないように、前記内側反射部及び前記外側反射部の曲面が形成されている。

この構成によれば、内側反射紫外光及び外側反射紫外光は、それぞれ外側パターン部及び内側パターン部を生成する。これにより、リフレクタを軸方向に小型化することができる。

本発明の流体殺菌装置において、好ましくは、
前記リフレクタの前記筒部の反射面は、回転対称の形状で形成されている。

この構成によれば、リフレクタの筒部の反射面が回転対称の形状で形成されている。これにより、反射面の製作を簡単化することができる。

本発明の流体殺菌装置において、好ましくは、
前記横断面Ｗｐは、円形であり、
各光源装置からの前記紫外光が前記横断面Ｗｐにおいて生成する個別照射パターンは、半径Ｒｌの円形の個別照射パターンであり、
各光源装置の前記リフレクタの前記開口部の直径をＤｓ、及び前記紫外光出射部において任意の前記光源装置について該光源装置から前記横断面Ｗｐに対して平行な配置面内で最接近距離にある光源装置までの距離をＤｍｉｎとしたとき、
Ｄｓ≦Ｄｍｉｎ≦Ｒｌの関係に設定されている。

この構成によれば、Ｄｓ≦Ｄｍｉｎ≦Ｒｌの関係が設定される。これにより、横断面Ｗｐの少なくとも９割を占める円領域Ａｃで必要な放射照度を確保することで、所望の殺菌性能を実現できる。

本発明の流体殺菌装置において、好ましくは、
前記横断面Ｗｐは、半径Ｒｐの円形の周囲輪郭であり、
各光源装置からの紫外光が前記横断面Ｗｐにおいて生成する個別照射パターンは、半径Ｒｌの円形の個別照射パターンであり、
前記横断面Ｗｐの径方向の最も外側に個別照射パターンを生成する複数の光源装置は、前記紫外光出射部においてそれらの中心を所定の円周上に置いて等角度間隔で配列された円周配列の光源装置として配設され、
前記横断面Ｗｐの円形の周囲輪郭と前記円周配列の光源装置の中心と間の前記横断面Ｗｐの径方向の距離をＤｅとしたとき、
Ｄｅ≦Ｒｌの関係に設定されている。

Ｄｅ＞Ｒｌであれば、横断面Ｗｐの境界は、Ｒｌの範囲外になる。すなわち、横断面Ｗｐの境界は、紫外光が照射されないことになる。この構成によれば、Ｄｅ≦Ｒｌの関係が設定される。これにより、横断面Ｗｐの境界に紫外光を照射して、境界近辺の半径方向範囲の紫外光の無照射領域を減少させて、殺菌効果を改善することができる。

本発明の流体殺菌装置において、好ましくは、
前記円周配列の光源装置において周方向に相互に隣接する光源装置が、前記横断面Ｗｐに平行な面方向の距離をＤｆとしたとき、
Ｄｆ≦Ｒｌの関係に設定されている。

この構成によれば、Ｄｆ≦Ｒｌの関係が設定される。これにより、横断面Ｗｐの境界近辺の周方向範囲の紫外光の無照射領域を減少させて、殺菌効果を改善することができる。

流体殺菌装置の外観斜視図。 流体殺菌装置の分解斜視図。 流体殺菌装置を中心線に沿って切った縦断面図。 光源装置からの紫外光の出射状態を示す図。 光源装置が横断面Ｗｐ上の生成する放射照度分布のグラフ。 第１比較例の光源装置の縦断面図。 第１比較例の光源装置による個別照射パターン上の放射照度分布のグラフ。 第２比較例としてＣＰＣ（Compound Parabolic Concentrator／複合放物面型集光器）リフレクタを備える光源装置の縦断面図。 図６Ａの光源装置による横断面上の個別照射パターンを示すグラフ。 流体殺菌装置において筒状筐体の縦断面における放射照度分布図。 流体殺菌装置において筒状筐体の各軸方向位置の横断面における放射照度分布図。 比較例の流体殺菌装置において筒状筐体の縦断面における放射照度分布図。 比較例の流体殺菌装置において筒状筐体の各軸方向位置の横断面における放射照度分布図。 光源装置とは別のＬＥＤ光源の縦断面図。 リフレクタ装置の正面図。 図１０ＡのＸＢ−ＸＢ矢視断面図。 リフレクタ装置の斜視図。 リフレクタから出射する紫外光の広がり状態を説明する模式図である 横断面と個別照射パターンとの関係を示す模式図。 本発明の変形例の外観斜視図。 本発明の変形例の分解斜視図。 本発明の変形例の中心線に沿って切った縦断面図。

［全体の構成］
図１は、流体殺菌装置１の外観斜視図である。図２は、流体殺菌装置１の分解斜視図である。流体殺菌装置１は、軸方向に順番に筒状筐体２、石英窓３、固定ブラケット４、リフレクタ装置５、光源基板６及びヒートシンク７を備える。

図３は、流体殺菌装置１をその中心線Ｃｌに沿って切った縦断面図である。中心線Ｃｌは、流体殺菌装置１の軸方向に平行である。説明の便宜上、流体殺菌装置１の軸方向において、ヒートシンク７側の端を一端、ヒートシンク７の反対側の端を他端という。

筒状筐体２は、入口管１１、円筒部１２、フランジ１３、出口管１４及び傾斜部１５を備える。円筒部１２の内部は、中心線Ｃｌの周りに回転対称の空間になっている。円筒部１２は、軸方向の一端側を開口し、他端側を傾斜部１５により閉鎖されている。出口管１４は、円筒部１２の一端側の端部の外周に形成される。

１本の入口管１１は、中心線Ｃｌに沿って延在し、傾斜部１５に連結されている。２本の出口管１４は、円筒部１２の周方向に１８０°離されて一端部の外周部に連結され、円筒部１２の径方向に突出している。入口１７は、入口管１１内の通路が円筒部１２内に開口する箇所に形成される。出口２１は、２本の出口管１４内の通路が円筒部１２内に開口する箇所に形成される。

石英窓３は、円筒部１２の一端側の開口部に配置される。石英窓３と固定ブラケット４とは、軸方向に突き合わされる。リフレクタ装置５は、固定ブラケット４の内周側に配置される。光源基板６は、周縁部を固定ブラケット４とヒートシンク７との間に挟まれて固定される。

円筒部１２内において、軸方向に石英窓３の流体接触側の端面から円筒部１２と傾斜部１５との境界点までの内部空間は、処理対象の流体の処理室２３を形成する。軸方向に傾斜部の１５の両端範囲の内部空間は、導入部２４を形成する。なお、処理対象の流体とは、例えば、水等の液体である。

石英窓３は、中心線Ｃｌの方向に出口２１より一端側に位置し、筒状筐体２内の該一端側を画成している。こうして、筒状筐体２内は、中心線Ｃｌの方向の両端を入口１７及び石英窓３により画成され、この画成された内部空間に含まれる処理室２３及び導入部２４は、流体の収容空間を構成する。

流体殺菌装置１の処理対象の流体は、図示していないポンプの作動により入口１７から前述の収容空間に導入され、出口２１から収容空間の外へ導出される。

筒状筐体２は、例えば、円筒部１２において断面の直径が１３９ｍｍ（内径１３３ｍｍ）の直管（円柱）形状になっている。筒状筐体２において、中心線Ｃｌの方向に入口１７から出口２１までの長さは、例えば、５６０ｍｍである。筒状筐体２の材料は、目的により異なるが、例えば、ステンレス製である。入口１７の径は、３５ｍｍである。流量は約１００（Ｌ／ｍｉｎ）である。

リフレクタ装置５は、中心線Ｃｌに対して垂直な面内方向にほぼ一様の分布密度で複数のリフレクタ３０を有する。光源基板６のリフレクタ装置５側の面には、複数のＬＥＤ光源２９が配置されている。リフレクタ装置５及び光源基板６の組付け状態では、光源基板６上の各ＬＥＤ光源２９は、リフレクタ装置５の各リフレクタ３０の内面側に中心線Ｃｌの方向の一端側から臨むように、各リフレクタ３０の中心に配置される。点灯時は、各ＬＥＤ光源２９から他端側に向けて、紫外光を出射する。この実施形態では、各ＬＥＤ光源２９が出射する紫外光の強度は、相互に等しい。

光源装置２８は、少なくとも１つのＬＥＤ光源２９と、該ＬＥＤ光源２９が一端側に配設された１つのリフレクタ３０とを有する。リフレクタ３０は、石英窓３側に開口３３（図４Ａ等）を有し、ＬＥＤ光源２９は、リフレクタ３０内に臨むように、リフレクタ３０の光源基板６側の端部に配置される。

リフレクタ装置５と光源基板６とは、紫外光出射部２６を構成する。ＬＥＤ光源２９は、点灯中、熱を発生する。また、リフレクタ３０は、ＬＥＤ光源２９からの紫外光の受光に伴い、熱を発生する。ヒートシンク７は、光源基板６のリフレクタ３０とは反対側の面に面接触して、紫外光出射部２６の熱を外部に放出する。なお、本実施形態におけるリフレクタ装置５は、複数のリフレクタ３０を一体として形成されたものであるが、個別のリフレクタ３０が光源基板６上に固定されたものであってもよい。また、本実施形態における光源基板６は、複数のＬＥＤ光源２９がその表面上に実装されたものであるが、各ＬＥＤ光源２９がそれぞれ分離した光源基板６上に実装されたものであってもよい。

［リフレクタ］
図４Ａは、光源装置２８からの紫外光の出射状態を示す図である。光源装置２８は、先端の直径Ｄｓの開口３３から紫外光を石英窓３の方（処理室２３の方）に向けて出射する。光源装置２８から出射した紫外光は、ＬＥＤ光源２９の光軸Ｏａにほぼ平行に石英窓３の方（処理室２３の方）へ出射する光を除いて、リフレクタ３０で反射されてから、石英窓３の方へ向かう。

リフレクタ３０は、自由曲面リフレクタとして形成され、リフレクタ３０の内面側の反射面は、ＬＥＤ光源２９の光軸Ｏａに対して回転対称の形状に形成されている。リフレクタ３０は、径方向に内側から外側の順番に底部３１ａ、内側反射部３１ｂ及び外側反射部３１ｃを有する。底部３１ａ、内側反射部３１ｂ及び外側反射部３１ｃの順番は、光軸Ｏａの方向にはＬＥＤ光源２９から処理室２３への順番に一致する。ＬＥＤ光源２９は、底部３１ａの中心に位置する。底部３１ａは、光軸Ｏａに対して直交している。内側反射部３１ｂ及び外側反射部３１ｃは、それらの中心線を光軸Ｏａに合わせた筒部を構成する。

図４Ａの出射状態図では、（ａ）はリフレクタ３０の全体からの紫外光の出射状態を示し、（ｂ）は内側反射部３１ｂ単独の反射による出射状態を示し、（ｃ）は外側反射部３１ｃ単独の反射による出射状態を示している。

図４Ｂは、光源装置２８が横断面Ｗｐ上に生成する放射照度分布のグラフである。横断面Ｗｐは、処理室２３の横断面のうち、処理室２３内の紫外光の放射照度を設計する際に代表として用いる基準横断面となる。設計者は、横断面Ｗｐ上の放射照度分布が所望の値になるように、ＬＥＤ光源２９の個数、配置及び発光強度を調整する。

横断面Ｗｐは、例えば、軸方向に処理室２３の中心位置である。処理室２３の中心位置は、筒状筐体２内の流体の収容空間を軸方向に３等分割したとき、中央の分割部分に含まれる位置である。横断面Ｗｐは、必ずしも、軸方向に処理室２３の中心の位置ではなくても、該中央の分割部分に含まれる位置であればよい。

横断面Ｗｐを該中央の分割部分に含まれる位置に設定することにより処理室２３を軸方向に流れる流体に対しての紫外光出射部２６からの紫外光による殺菌照射の有効度を高めることができる。すなわち、横断面Ｗｐの軸方向位置を３等分割の紫外光出射部２６側の端区分に設定すると、処理室内面に紫外光が当たることによる吸収損失によって、処理室２３全体で流体に対する紫外光の照射量が低下してしまう。逆に、横断面Ｗｐの軸方向位置を３等分割の入口管１１側の端区分に設定すると、紫外光の出射部側で、放射照度分布に抜けが生じて殺菌性能が低下してしまう。

横断面Ｗｐ等の処理室２３の横断面における放射照度分布は、該横断面における紫外光の照射パターンでもある。横断面Ｗｐに生成される配光パターンには、各光源装置２８が単独で生成する照射パターンと、紫外光出射部２６全体が生成する照射パターンとがある。以下、前者の照射パターンを「個別照射パターン」といい、後者の照射パターンを「全体照射パターン」という。

各光源装置２８は、横断面Ｗｐ上の一部に紫外光を照射して、個別照射パターンＷｌを生成する。個別照射パターンＷｌについては、図１１Ａで再説明する。図４Ｂは、１つの光源装置２８による個別照射パターンＷｌ上の放射照度分布を示すことになる。

個別照射パターンＷｌは、径方向に内側の内側パターン部と外側の外側パターン部とに分割される。

図４Ｂの（ａ）〜（ｃ）の放射照度分布のグラフは、図４Ａの（ａ）〜（ｃ）の出射状態に対応している。図４Ａにおいて、横軸は径方向位置であり、縦軸は放射照度である。個別照射パターンＷｌは、円形となるので、横軸の径方向位置は、円形の個別照射パターンＷｌの所定の直径上の位置になる。径方向位置＝０は、個別照射パターンＷｌの中心を意味し、光源装置２８の光軸Ｏａ上の位置である。

ここで、ＬＥＤ光源２９から処理室２３の方へ向かって出射する紫外光について出射角αを定義する。出射角αは、ＬＥＤ光源２９から出射する各紫外光が光軸Ｏａに対する角度と定義する。また、出射角αについての所定の閾値としてα１，α２を定義する。α１は、ＬＥＤ光源２９から出射する紫外光のうち内側反射部３１ｂと外側反射部３１ｃとの境界に向かう紫外光の出射角とする。α２は、ＬＥＤ光源２９から出射する紫外光のうち開口３３の周縁向かう紫外光の出射角とする。

α≧α１である出射角αでＬＥＤ光源２９から出射した紫外光は、内側反射部３１ｂに当たり、内側反射部３１ｂにおいて反射してから、開口３３へ向かい、開口３３から処理室２３の方へ出射する。これに対し、α１＜α≦α２の出射角αでＬＥＤ光源２９から出射した紫外光は、外側反射部３１ｃに当たり、外側反射部３１ｃにおいて反射してから開口３３へ向かい、開口３３から処理室２３の方へ出射する。

以下、内側反射部３１ｂ及び外側反射部３１ｃでそれぞれ反射した紫外光を、それぞれ「内側反射紫外光」及び「外側反射紫外光」という。内側反射紫外光及び外側反射紫外光は、共に、流体殺菌装置１の軸方向に横断面Ｗｐより手前側、すなわち紫外光出射部２６側で光軸Ｏａと交差する。また、内側反射紫外光が光軸Ｏａと交差する軸方向の位置は、外側反射紫外光が光軸Ｏａと交差する軸方向の位置より横断面Ｗｐ側になる。

この結果、内側反射紫外光は、個別照射パターンＷｌにおける照射パターンの内側パターン部を生成する。また、外側反射紫外光は、個別照射パターンＷｌにおける照射パターンの外側パターン部を生成する。

図４Ｂにおいて、（ａ）の放射照度分布は、（ｂ）及び（ｃ）の放射照度分布を合成（重畳）した放射照度分布に相当する。（ａ）の放射照度分布から、個別照射パターンにおける放射照度分布が一様化されていることが分かる。

図５Ａは、第１比較例の光源装置１２８ａの縦断面図、図５Ｂは光源装置１２８ａによる個別照射パターンＷｌ上の放射照度分布のグラフである。光源装置１２８ａは、反射面が自由曲面で形成されるリフレクタ３０に代えて、放物面リフレクタ１３０ａを備える。光源装置１２８ａの要素において、光源装置２８の要素と同一のものは、光源装置２８の要素に付けた符号と同一の符号を付けて、説明は、省略する。図５Ｂの放射照度分布のグラフにおける縦軸及び横軸は、図４Ｂの各放射照度分布のグラフにおける縦軸及び横軸と同一に定義されている。

光源装置１２８ａの放物面リフレクタ１３０ａは、光軸Ｏａの回りに回転対称の放物面から形成される。光源装置１２８ａによる横断面Ｗｐ上の個別照射パターンでは、中心部の放射照度が低下し、中心部より少し離れた両側に放射照度のピークが生じている。したがって、個別照射パターンにおける放射照度の一様性が光源装置２８のものより低下している。

図６Ａは、第２比較例の光源装置１２８ｂの縦断面図、図６Ｂは、第２比較例の光源装置１２８ｂによる横断面Ｗｐ上の個別照射パターンを示すグラフである。光源装置１２８ｂは、反射面が自由曲面で形成されるリフレクタ３０に代えて、ＣＰＣ（Compound Parabolic Concentrator／複合放物面型集光器）リフレクタ１３０ｂを備える。光源装置１２８ｂの要素において、光源装置２８の要素と同一のものは、光源装置２８の要素に付けた符号と同一の符号を付けて、説明は、省略する。

光源装置１２８ｂのＣＰＣリフレクタ１３０ｂは、光軸Ｏａの回りに回転対称に形成される。光源装置１２８ｂによる横断面Ｗｐ上の個別照射パターンでは、第１比較例の光源装置１２８ａより中心部の放射照度の落ち込みがさらに増大している。また、放射照度が落ち込んでいる中心部の径方向範囲が増大している。したがって、個別照射パターンにおける放射照度の一様性は、光源装置１２８ｂでは、第１比較例の光源装置１２８ａよりさらに悪化していることが分かる。

［処理室内の放射照度分布］
図７Ａは、ＬＥＤ光源２９の出力を所定の出力、例えば５０ｍＷにしたときの流体殺菌装置１の筒状筐体２の縦断面における放射照度分布図である。図７Ｂは、ＬＥＤ光源２９の出力を所定の出力、例えば５０ｍＷにしたときの流体殺菌装置１の筒状筐体２の各軸方向位置０，Ｐ１，Ｐ２，・・・Ｐ７における横断面における放射照度分布図である。なお、０，Ｐ１，Ｐ２，・・・Ｐ７は、筒状筐体２の軸方向に等間隔で設定している。また、軸方向位置＝０は、石英窓３（図３）の処理室２３側の面の位置に設定している。

図７Ａ、図７Ｂ及び後述の図８Ａ〜図１０Ｂの放射照度分布では、放射照度が５段階で表されている。図では、白っぽい色の領域ほど、紫外光の放射照度が高い段階であることを意味している。

ここで、本願発明の説明のために、流体殺菌装置１内部の紫外光の放射照度について最小放射照度Ｉｍｉを定義する。最小放射照度Ｉｍｉとは、処理室２３の流体を殺菌するために、流体殺菌装置１が横断面Ｗｐにおいて最低限必要な放射照度として設定した紫外光の放射照度になっている。図７Ａ〜図９Ｂの放射照度の５段階表示に対して、放射照度の大きい方の段階から第１段階〜第５段階とする。最小放射照度Ｉｍｉは、第４段階に属している。

図８Ａは、比較例の流体殺菌装置１０１においてＬＥＤ光源２９の出力を所定の出力、例えば５０ｍＷにしたときの筒状筐体２の縦断面における放射照度分布図である。流体殺菌装置１０１は、流体殺菌装置１のリフレクタ３０に代えて、ＣＰＣリフレクタ１３０ｂ（図６Ａ）を備えている。図８Ｂは、図８Ａの流体殺菌装置１０１においてＬＥＤ光源２９の出力を所定の出力、例えば５０ｍＷにしたときの筒状筐体１０２ａの各軸方向位置の横断面における放射照度分布図である。

図７Ａと図８Ａとの対比から、本願発明の流体殺菌装置１は、比較例の流体殺菌装置１０１より、第５段階の放射照度領域が入口１７の近傍まで達していることが分かる。すなわち、最小放射照度Ｉｍｉ以上の領域が、ＬＥＤ光源２９から十分に遠方まで達していることが分かる。

図７Ｂと図８Ｂとの対比から、同一の軸方向位置では、最小放射照度Ｉｍｉ以上の放射照度が確保される面積が本願発明の流体殺菌装置１の方が比較例の流体殺菌装置１０１より増大していることが分かる。また、筒状筐体２の内周が中心線Ｃｌを中心とする半径Ｒｐの円であるとすると、中心から０．９×Ｒｐの半径領域Ａｃ（図１１Ｂ参照）における紫外光の放射照度分布が、流体殺菌装置１の方が流体殺菌装置１０１より一様化している（放射照度のムラが少ない）ことが分かる。

［変更例によるリフレクタ］
図９は、光源装置２８とは別の光源装置４８の縦断面図である。光源装置４８は、光源装置２８と同様に、ＬＥＤ光源２９及び開口３３を有する。光源装置４８は、光源装置２８のリフレクタ３０に代えて、リフレクタ５０を備える。リフレクタ５０は、光軸Ｏａの方向にＬＥＤ光源２９側から順に底部５１ａ、内側反射部５１ｂ及び外側反射部５１ｃを有する。

リフレクタ５０も、リフレクタ３０と同様に、筒部の内面側の反射面が自由曲面で形成されたリフレクタとなっている。リフレクタ５０の場合も、リフレクタ３０の場合と同様に、α≧α１の出射角αでＬＥＤ光源２９から出射した紫外光は、内側の内側反射部５１ｂに当たり、α２≦α＜α１の出射角αでＬＥＤ光源２９から出射した紫外光は、外側反射部５１ｃに当たる。

しかしながら、内側反射部５１ｂで反射した内側反射紫外光及び外側反射部５１ｃで反射した外側反射紫外光の反射後の進行方向が、リフレクタ３０の場合と異なる。すなわち、リフレクタ５０では、リフレクタ３０の場合とは逆に、内側反射部５１ｂで反射した内側反射紫外光は、個別照射パターンＷｌの照射パターンの外側パターン部を生成し、外側反射部５１ｃで反射した外側反射紫外光は、個別照射パターンＷｌの照射パターンの内側パターン部を生成する。

具体的には、内側反射部５１ｂで反射した内側反射紫外光は、横断面Ｗｐの手前において光軸Ｏａを交差してから、横断面Ｗｐに向かう。これに対し、外側反射部５１ｃで反射した外側反射紫外光は、光軸Ｏａと交差することなく、横断面Ｗｐを照射する。

光源装置４８は、軸方向長さを小型化できる利点がある。これに対し、図４Ａの光源装置２８は、径方向に小型化することができる。

［リフレクタの配置］
図１０Ａはリフレクタ装置５の正面図、図１０Ｂは図１０ＡのＸＢ−ＸＢ線における断面図、図１０Ｃはリフレクタ装置５の斜視図である。リフレクタ装置５の正面とは、リフレクタ装置５を流体殺菌装置１の軸方向に処理室２３側から見た面と定義する。このリフレクタ装置５は、図９図４Ａのリフレクタ３０を備えている。

図１０Ａ−図１０Ｃでは、リフレクタ３０の底部５１ａは、図示を省略し、代わりに通孔５４を図示している。通孔５４には、ＬＥＤ光源２９が、リフレクタ３０の内周側に臨むように、配置される。図１０Ａの正面図では、内側反射部３１ｂにハッチングを付けて、内側反射部３１ｂの領域を分かり易くしている。また、図１０Ａにおいて、一部であるが、光軸Ｏａの位置を示している。光軸Ｏａは、通孔５４の中心を貫通する。

図１０Ａ−図１０Ｃの例では、リフレクタ３０の分布密度は、横断面内においてほぼ等密度で分布している。

図１０Ａにおいて、距離Ｄａは，光源装置２８の所定の配置面上で、縦、横又は斜めの各方向で相互に隣接関係にある光源装置２８の中心間の距離として定義されている。配置面は、例えば、リフレクタ装置５における光源基板６側の端において円筒部１２の中心線Ｃｌに対して直交する平面に設定される。各光源装置２８に対し、該光源装置２８とそれに配置面の平面方向に最接近距離にある光源装置２８までの距離ＤａをＤｍｉｎと定義する。

リフレクタ装置５では、周辺部の複数のリフレクタ３０が、リフレクタ装置５の円周に沿って等角度間隔θａで配列されている。以下、該周辺部の複数のリフレクタ３０を「円周配列のリフレクタ３０」という。また、円周配列の各リフレクタ３０を備える光源装置２８を円周配列の光源装置２８という。さらに、円周配列の光源装置２８が備えるＬＥＤ光源２９を円周配列のＬＥＤ光源２９という。

円周配列のリフレクタ３０は、中心部の複数のリフレクタ３０を包囲するように、配置されている。以下、中心部の複数のリフレクタ３０に対応付けられる光源装置２８及びＬＥＤ光源２９をそれぞれ中心部の光源装置２８及びＬＥＤ光源２９という。

Ｄａの両端は、各リフレクタ３０の光軸Ｏａの位置に設定する。配置面上のリフレクタ３０の分布密度は、配置面の部位によって僅かながら相違するので、縦方向の距離Ｄａと横方向の距離Ｄａとは、僅かながら相違する。しかしながら、両者の差は僅かであり、両者はほぼ等しいと考えられる。

補足すると、紫外光出射部２６における縦方向及び横方向の全部の距離Ｄａの平均値をＤａａと定義する。全部の距離Ｄａのうち、最大値を距離Ｄａｕ、最小値を距離Ｄａｖとする。正の所定値をΔｄとする。距離Ｄａ等には、Ｄａ−Δｄ≦Ｄａｖ≦Ｄａ≦Ｄａｕ≦Ｄａ＋Δｄの関係が設定されている。

この実施形態では、各リフレクタ３０は、リフレクタ装置５における複数のリフレクタ３０の配置面の中心部に配置されているか、周辺部に配置されているかを問わず、大きさ及び形状が同一である。また、各リフレクタ３０に通孔５４から挿入されるＬＥＤ光源２９の点灯時の光の強度は、同一である。

［個別照射パターン］
図１１Ａは、リフレクタ３０から出射する紫外光の広がり状態を説明する模式図である。図１１Ａにおいて、αｍａは、光源装置２８から出射される紫外光の最大出射角を示す。距離Ｌｌは、左端は、光軸Ｏａ上の光源装置２８の中心の位置であり、右端は、前述の横断面Ｗｐの軸方向位置に一致している。なお、横断面Ｗｐの軸方向位置は、処理室２３の軸方向の中間位置Ｌｐの一例である。

光源装置２８からの紫外光は、距離Ｌｌの箇所に設定された個別照射パターンＷｌに所定の照射パターンを生成する。個別照射パターンＷｌ上では、紫外光の放射照度は所定値以上になるように、ＬＥＤ光源２９の強度及びリフレクタ３０の反射面の曲面形状が設定される。また、横断面Ｗｐ上の個別照射パターンＷ１の照射半径をＲ１と定義する。

図１１Ｂは、横断面Ｗｐと個別照射パターンＷｌとの関係を示す模式図である。横断面Ｗｐの円形の形状は、円筒部１２の内周の円形の形状に一致し、半径Ｒｐである。横断面Ｗｐの中心は、Ｃｐで示している。Ｃｐは、中心線Ｃｌと横断面Ｗｐとの交点として定義される。

図１１Ｂでは、配置面上で隣接する所定の３つの光源装置２８が横断面Ｗｐ上に生成する紫外光照射部分としての個別照射パターンＷｌを示している。３つの光源装置２８及び３つの個別照射パターンＷｌを区別するために、光源装置２８については光源装置２８ａ〜２８ｃを用い、個別照射パターンＷｌについては個別照射パターンＷｌａ〜Ｗｌｃを用いる。

図１１Ｂにおいて、光源装置２８ａ〜２８ｃは、外形輪郭線が破線で示されている。これは、光源装置２８ａ〜２８ｃは、流体殺菌装置１の軸方向に横断面Ｗｐとは別の位置に存在するからである。光源装置２８ａ〜２８ｃの波線は、光源装置２８ａ〜２８ｃを流体殺菌装置１の軸方向に横断面Ｗｐに投影したときのリフレクタ３０の外周縁の投影線に相当する。

光源装置２８ａ，２８ｃは、円周配列の光源装置２８において周方向に隣接関係の光源装置２８に相当する。光源装置２８ｂは、中心部の光源装置２８に属し、横断面Ｗｐの周方向に光源装置２８ａ，２８ｃの間に位置し、かつ径方向に光源装置２８ａ，２８ｂに対して最小距離の中心部の光源装置２８になっている。

図１１Ｂにおいて、Ｄｅは、横断面Ｗｐの円形の周囲輪郭と円周配列の光源装置２８（例：光源装置２８ａ，２８ｃ）の中心光軸Ｏａと間の横断面Ｗｐの面方向の距離である。Ｄｆは、円周配列の光源装置２８のうち、周方向に隣接する光源装置２８間の横断面Ｗｐに平行な平面方向の距離である。

図１１Ｂでは、個別照射パターンＷｌａ，個別照射パターンＷｌｃが、径方向外側に横断面Ｗｐの円周の輪郭線を超えている部分（以下、「越境部分」という。）を有している。

本願発明の流体殺菌装置１では、Ｄｅ≦Ｒｌの関係に設定されている。これにより、越境部分の面積が減少し、円周配列の光源装置２８から紫外光の無駄な照射が抑制される。なお、処理室２３内の紫外光の実際の照射では、個別照射パターンＷｌｂは、中心部の光源装置２８ｂからのものであるため、越境部分は有しない。

横断面Ｗｐの各部位について、個別照射パターンＷｌの重なり数を定義する。横断面Ｗｐでは、横断面Ｗｐ上の各部位の個別照射パターンＷｌの重なり数が０〜３になるように設定されている。横断面Ｗｐ上で複数の個別照射パターンＷｌが重なっている領域は、放射照度が重なり数に相当する分だけ増大する。

図１１Ｂにおいて、Ａｃは、中心Ｃｐから半径０．９×Ｒｐの円領域（以下、「コア照射領域」ともいう。）を示している。コア領域Ａｃの任意の部位は、必ずいずれかの光源装置２８からの個別照射パターンＷｌに属し、個別照射パターンＷｌの重なり数が０となることはない。そして、コア領域Ａｃの紫外光の放射照度は、最小放射照度Ｉｍｉ以上が確保される。

具体的には、Ｄｓ≦Ｄｍｉｎ≦Ｒｌの関係が設定されている。これにより、コア領域Ａｃにおける紫外光の照射漏れ部分を確実に回避することができる。さらに、流体殺菌装置１では、反射面が自由曲面のリフレクタ３０，５０が装備されることにより、放射照度分布の一様化及び十分な放射照度領域の到達長さが一層改善することができる。

図１１Ｂでは、Ｄｅ≦Ｒｌの関係が設定されている。これにより、円周配列の光源装置２８から出射する紫外光が、円周方向に重なって、必要以上に高放射照度になることが防止される。すなわち、ＬＥＤ光源２９の消費電力の無駄が抑制される。

［変形例］
図１２は、本発明の変形例を表す流体殺菌装置１０１の外観斜視図である。図１３は、流体殺菌装置１０１の分解斜視図である。流体殺菌装置１０１は、上述した実施形態の流体殺菌装置１（図１〜図３）と同様に、軸方向に順番に筒状筐体２、石英窓３、固定ブラケット４、リフレクタ装置５、光源基板６及びヒートシンク７を備える。図１２〜１４において、流体殺菌装置１についての図１〜図３と同様の箇所には同一の符号を付した。

流体殺菌装置１０１において、図１〜図３の流体殺菌装置１と相違する点は、湾曲部１１５及び整流板１９ａ，１９ｂである。湾曲部１１５は、傾斜部１５（図１〜図３）が円錐側面状に形成されているのに対して、膨出面状に形成され、円筒部１２の軸方向の他端側を閉鎖している。流体殺菌装置１０１の処理対象の流体は、図示していないポンプの作動により入口１７から筒状筐体２内の収容空間に導入され、導入された流体は、整流板１９ａ，１９ｂを通過する際に軸方向に平行な流れに整流されるようになっている。

本変形例においては、処理室２３は、筒状筐体２内において、軸方向に石英窓３の流体接触側の端面と整流板１９ｂの下流側の端面との間を占める。導入部２４は、筒状筐体２内において、軸方向に整流板１９ｂの下流側の端面と入口１７との間を占める。処理室２３及び導入部２４は、筒状筐体２内における流体の収容空間を構成する。なお、処理室２３とは、筒状筐体２内の流動体の収容空間において横断面を定義した場合に、該横断面の総面積に対して、各部位流動体の軸方向の成分速度／径方向の速度成分の比が所定値以上になっている領域の面積が所定値以上（例：７０％、８０％又は９０％等）になっているとき、該横断面は処理室２３に属するものとして、定義することができる。

収容空間に導入される処理対象の流体は整流板の作用によって整流される。この変形例によれば、紫外光出射部からの紫外光を、流速が比較的均一になっている流体に照射することができ、紫外光の放射照度分布の一様性が向上した紫外光出射部と合わせて、より一層の殺菌効果の向上が図られる。

実施形態の流体殺菌装置１では、紫外光出射部２６は、処理室２３に対して軸方向の一端側に配置されている。本発明では、入口管１１を出口管１４と同様に、筒状筐体２が円筒部１２から軸方向ではなく、径方向へ延出するようにして、紫外光出射部２６は、処理室２３に対して軸方向の他端側に配置することもできる。

図１の流体殺菌装置１では、横断面Ｗｐは、処理室２３の軸方向の中心に設定されている。しかし、本発明の横断面Ｗｐは、処理室２３の軸方向の中心に設定しなくてもよい。処理室２３、又は筒状筐体２の流体の収容空間を軸方向に３つに等分割して、横断面Ｗｐは、中央の分割部分に属するように、設定することもできる。

本発明における処理室とは、例えば、殺菌対象の流体が軸方向に流れる円筒部１２内部の空間を言う。本発明では、横断面Ｗｐは、処理室を軸方向に３等分割して、中央の等分割部分に設定するので、処理室の軸方向の両端が多少ずれても、中央の等分割部分に収まっていれば、十分である。

実施形態の流体殺菌装置１では、各ＬＥＤ光源２９の強度（輝度）は、相互に等しくなっている。しかし、本発明では、光源の強度は、相互に等しくしなくてもよい。例えば、周辺部の光源と中心部の光源とで強度に差を付けてもよい。

実施形態の流体殺菌装置１では、全部の光源装置２８により横断面Ｗｐに生成される全体照射パターンは、回転対称の照射パターンとなるように、紫外光出射部２６における光源装置２８の個数及び分布が設定されている。図１２では、リフレクタ装置５の周輪郭に沿って周方向に円周配列される複数のリフレクタ３０は、θａの等角度間隔の配列となっている。したがって。図１２の例では、ｎ＝３６０／θａとしたとき、ｎ回対称の照射パターンとなる。

実施形態の流体殺菌装置１では、横断面Ｗｐは円形である。本発明では、横断面Ｗｐを正多角形に設定することも可能である。

石英窓３は、本発明の透明窓の一例である。透明窓は、流体に対する耐性を保証でき、かつ紫外光の所定の透過度を確保できるものであれば、石英以外の材料にすることができる。

実施形態の流体殺菌装置１では、殺菌対象の流体は、入口管１１を経て筒状筐体２の内部の流体の収容空間に導入され、出口管１４を経て該収容空間から導出される。流体殺菌装置１の変形例（本発明に包含される。）では、出口管１４を入口管として、また、入口管１１を出口管としてそれぞれ使用し、流体を石英窓３側から入口管１１側に逆向きに流すこともできる。

流体殺菌装置１におけるＬＥＤ光源２９は、半導体光源の一例である。本発明は、光源装置の光源として、半導体光源以外や、ＬＥＤ光源２９以外の半導体光源を用いることもできる。

１・・・流体殺菌装置、２・・・筒状筐体、１９ａ，１９ｂ・・・整流板、２３・・・処理室、２６・・・紫外光出射部、２８，４８・・・光源装置、２９・・・ＬＥＤ光源（光源）、３０，５０・・・リフレクタ、３１ｂ，５１ｂ・・・内側反射部、３１ｃ，５１ｃ・・・外側反射部、３３・・・開口。

Claims (10)

1. 殺菌対象の流体が軸方向に流れる処理室を内部に有する筒状筐体と、
   前記筒状筐体の前記処理室の一端側に配置された紫外光出射部を備え、
   前記紫外光出射部は、少なくとも一つの光源装置を備え、
   前記光源装置は、
   紫外光を出射する光源と、
   前記光源が配置された底部、前記底部の周縁から前記処理室に向かって径が大きくなる形状を有する筒部及び前記処理室側の端部が開口部となっているリフレクタを含み、
   前記リフレクタは前記光源から出射される紫外光を反射して前記処理室へ向ける流体殺菌装置。
2. 前記処理室の前記軸方向の中間位置Ｌｐにおける前記処理室の前記軸方向に垂直な横断面Ｗｐと、該横断面Ｗｐの中心Ｃｐと、該横断面Ｗｐ上で前記中心Ｃｐから最遠方点までの距離Ｒｐとを定義したとき、
   前記横断面Ｗｐ上で前記中心Ｃｐから半径０．９×Ｒｐまでの円領域Ａｃでは、前記紫外光の放射照度は、前記流体の殺菌に必要な放射照度として予め設定した最小放射照度以上が確保されるように、前記光源装置の個数、配置及び発光強度の少なくとも１つが設定されている請求項１に記載の流体殺菌装置。
3. 前記中間位置Ｌｐは、前記筒状筐体の内部における前記流体の収容空間を前記軸方向に３等分割したときに、中央の分割部分に含まれる位置である請求項２に記載の流体殺菌装置
   流体殺菌装置。
4. 各光源装置からの前記紫外光が、前記横断面Ｗｐ上に生成する個別照射パターンは、径方向に内側の内側パターン部と外側の外側パターン部とに分割され、
   各リフレクタの前記筒部は、前記底部側の内側反射部と前記開口部側の外側反射部とに分割され、
   前記内側反射部で反射した内側反射紫外光及び前記外側反射部で反射した外側反射紫外光がそれぞれ前記内側パターン部及び前記外側パターン部の一方及び他方を生成する請求項２又は３に記載の流体殺菌装置。
5. 前記内側反射部で反射した内側反射紫外光及び前記外側反射部で反射した外側反射紫外光がそれぞれ前記内側パターン部及び前記外側パターン部を生成し、
   前記内側反射紫外光及び前記外側反射紫外光は、共に、前記横断面Ｗｐより前記紫外光出射部側で前記光源の光軸と交差し、
   前記内側反射紫外光が前記光軸と交差する位置は、前記外側反射紫外光が前記光軸と交差する位置よりも前記横断面Ｗｐに近い位置になるように、前記内側反射部及び前記外側反射部の曲面が形成されている請求項４に記載の流体殺菌装置。
6. 前記内側反射部で反射した内側反射紫外光及び前記外側反射部で反射した外側反射紫外光がそれぞれ前記外側パターン部及び前記内側パターン部を生成し、
   前記内側反射紫外光は、前記横断面Ｗｐより前記紫外光出射部側で前記光源の光軸と交差し、前記外側反射紫外光は、前記横断面Ｗｐより前記紫外光出射部側では前記光軸と交差しないように、前記内側反射部及び前記外側反射部の曲面が形成されている請求項４に記載の流体殺菌装置。
7. 前記リフレクタの前記筒部の反射面は、回転対称の形状で形成されている請求項２〜６のいずれか１項に記載の流体殺菌装置。
8. 前記横断面Ｗｐは、円形であり、
   各光源装置からの前記紫外光が前記横断面Ｗｐにおいて生成する個別照射パターンは、半径Ｒｌの円形の個別照射パターンであり、
   各光源装置の前記リフレクタの前記開口部の直径をＤｓ、及び前記紫外光出射部において任意の前記光源装置について該光源装置から前記横断面Ｗｐに対して平行な配置面内で最接近距離にある光源装置までの距離をＤｍｉｎとしたとき、
   Ｄｓ≦Ｄｍｉｎ≦Ｒｌの関係に設定されている請求項２〜７のいずれか１項に記載の流体殺菌装置。
9. 前記横断面Ｗｐは、半径Ｒｐの円形の周囲輪郭であり、
   各光源装置からの前記紫外光が前記横断面Ｗｐにおいて生成する個別照射パターンは、半径Ｒｌの円形の個別照射パターンであり、
   前記横断面Ｗｐの径方向の最も外側に個別照射パターンを生成する複数の光源装置は、前記紫外光出射部においてそれらの中心を所定の円周上に置いて等角度間隔で配列された円周配列の光源装置として配置され、
   前記横断面Ｗｐの円形の周囲輪郭と前記円周配列の光源装置の中心と間の前記横断面Ｗｐの径方向の距離をＤｅとしたとき、
   Ｄｅ≦Ｒｌの関係に設定されている請求項２〜８のいずれか１項に記載の流体殺菌装置。
10. 前記円周配列の光源装置において周方向に相互に隣接する光源装置が、前記横断面Ｗｐに平行な面方向の距離をＤｆとしたとき、
    Ｄｆ≦Ｒｌの関係に設定されている請求項９に記載の流体殺菌装置。