JP2020044301A

JP2020044301A - 流体殺菌装置及び光源ユニット

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Publication number: JP2020044301A
Application number: JP2018189535A
Authority: JP
Inventors: 守萩原; Mamoru Hagiwara
Original assignee: Usk Tech Co Ltd; Usk Technology Co Ltd
Current assignee: Usk Tech Co Ltd; Usk Technology Co Ltd
Priority date: 2018-09-18
Filing date: 2018-09-18
Publication date: 2020-03-26
Anticipated expiration: 2038-09-18
Also published as: JP6994688B2

Abstract

【課題】レンズによる十分な集光効果が得られ、かつ狭い領域に複数の光源を配置可能な流体殺菌装置及び光源ユニットを提供する。【解決手段】流体が流れる殺菌用流路２２ａを構成する殺菌管２２と、殺菌用流路２２ａを流れる流体に紫外光を照射する光源ユニット３と、を備え、光源ユニット３は、紫外光を発光する複数の発光ダイオードチップ３１と、複数の発光ダイオードチップ３１が搭載された回路基板３６を収容する収容室３２ａを有するハウジング３２と、ハウジング３２に設けられた開口３２ｂを塞ぎ、発光ダイオードチップ３１からの紫外光を透過する窓部材３３と、発光ダイオードチップ３１の劣化を抑制するチップ劣化抑制手段と、を有し、窓部材３３は、発光ダイオードチップ３１毎にそれぞれ形成され、対応する発光ダイオードチップ３１からの紫外光を集光する複数のレンズ部３３２を一体に有する。【選択図】図１

Description

本発明は、流体殺菌装置及び光源ユニットに関する。

従来、水等の流体に紫外光を照射して殺菌（あるいは不活化）を行う流体殺菌装置が知られている。このような流体殺菌装置では、一般に、紫外光を発光する発光ダイオードチップをパッケージに封入した発光装置（発光デバイス、あるいは単に発光ダイオードと呼称される場合もある）を光源として用いている。発光ダイオードチップは湿気に弱いため、パッケージ内に封入し気密状態を維持することで、発光ダイオードチップの寿命を向上させることが可能である。

流体殺菌装置に用いる光源ユニットでは、紫外光を発光する発光装置を搭載した基板をハウジングの収容室内に収容し、ハウジングの開口に設けた窓部材を介して、発光装置からの紫外光を流体に照射する。発光装置に用いられる発光ダイオードは配光角（照射角）が広いので、光源ユニットでは、紫外光を効率よく流体に照射するために、レンズを用いた集光が行われる場合がある（例えば特許文献１参照）。

特開２０１４−２３３７１２号公報

しかしながら、上述の発光装置はパッケージを有しているために発光ダイオードチップ単体に比較してサイズが大きく、これに伴って使用するレンズも大型となってしまう。そのため、複数の光源を狭い領域に集約することが困難であった。なお、レンズによる集光の効果を高めるには、発光装置に個々にレンズを設けることが望ましく、複数の発光装置に１つのレンズを設けることは好ましくない。

例えば、小型の流体殺菌装置では、殺菌対象となる流体が流れる流路が細く（流路断面積が小さく）なり、流体の流速が早くなるため、照射する紫外光の光量を大きくして確実に殺菌効果を得ることが望まれる。このような場合、狭い領域に複数の光源を設けることが要求される場合があるが、従来技術では対応が困難であった。

そこで、本発明は、レンズによる十分な集光効果が得られ、かつ狭い領域に複数の光源を配置可能な流体殺菌装置及び光源ユニットを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、殺菌対象となる流体が流れる殺菌用流路を構成する殺菌管と、前記殺菌管の端部と対向して配置され、前記殺菌用流路を流れる流体に紫外光を照射する光源ユニットと、を備え、前記光源ユニットは、紫外光を発光する複数の発光ダイオードチップと、前記複数の発光ダイオードチップがサブマウント基板を介して、あるいは直接搭載される基板と、前記複数の発光ダイオードチップが搭載された基板を収容する収容室を有するハウジングと、前記ハウジングに設けられた開口を塞ぎ、前記ハウジングの外部空間と前記収容室とを区画するように設けられ、前記発光ダイオードチップからの紫外光を透過する窓部材と、前記発光ダイオードチップの劣化を抑制するチップ劣化抑制手段と、を有し、前記窓部材は、前記発光ダイオードチップ毎にそれぞれ形成され、対応する前記発光ダイオードチップからの紫外光を集光する複数のレンズ部を一体に有する、流体殺菌装置を提供する。

また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、紫外光を発光する複数の発光ダイオードチップと、前記複数の発光ダイオードチップがサブマウント基板を介して、あるいは直接搭載される基板と、前記複数の発光ダイオードチップが搭載された基板を収容する収容室を有するハウジングと、前記ハウジングに設けられた開口を塞ぎ、前記ハウジングの外部空間と前記収容室とを区画するように設けられ、前記発光ダイオードチップからの紫外光を透過する窓部材と、前記発光ダイオードチップの劣化を抑制するチップ劣化抑制手段と、を備え、前記窓部材は、前記発光ダイオードチップ毎にそれぞれ形成され、対応する前記発光ダイオードチップからの紫外光を集光する複数のレンズ部を一体に有する、光源ユニットを提供する。

本発明によれば、レンズによる十分な集光効果が得られ、かつ狭い領域に複数の光源を配置可能な流体殺菌装置及び光源ユニットを提供できる。

本発明の実施の形態に係る流体殺菌装置の断面図である。図１の排出管近傍を拡大した拡大断面図である。図１の流入管近傍を示す断面図である。光源ユニットを示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）はそのＡ部拡大図である。光源ユニットの一変形例を示す断面図である。光源ユニットの一変形例を示す断面図である。

［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

（流体殺菌装置の全体構成）
図１は、本実施の形態に係る流体殺菌装置の断面図である。図２は、図１の排出管近傍を拡大した拡大断面図であり、図３は図１の流入管近傍を示す断面図である。

図１乃至図３に示すように、流体殺菌装置１は、殺菌対象となる流体に紫外光を照射することで、流体の殺菌を行うものである。なお、本明細書において殺菌とは、細菌を殺すことのみならず、細菌を不活化すること（増殖能力を奪った状態にすること）を含んでいる。

流体殺菌装置１は、殺菌対象となる流体が流れる流路２と、流路２を流れる流体に紫外光を照射する光源ユニット３と、を備えている。殺菌対象となる流体は、例えば水であり、殺菌後の水は、例えば医療用途や飲用用途に用いられる。

流体殺菌装置１は、流入流路２１ａを構成する流入管２１と、殺菌用流路２２ａを構成する殺菌管２２と、排出流路２３ａを構成する排出管２３と、を有している。流入管２１と殺菌管２２とは、流入側接続部４を介して接続されており、殺菌管２２と排出管２３とは、排出側接続部５を介して接続されている。流入側接続部４内には、流入流路２１ａと殺菌用流路２２ａとを連通する接続流路４ａが形成されている。排出側接続部５内には、殺菌用流路２２ａと排出流路２３ａとを連通する冷却用流路５ａが形成されている。流路２は、流入流路２１ａ、接続流路４ａ、殺菌用流路２２ａ、冷却用流路５ａ、及び排出流路２３ａを順次接続して構成されている。

殺菌管２２は、円筒状の直管であり、その中空部が殺菌対象となる流体が流れる殺菌用流路２２ａである。殺菌管２２としては、紫外光を反射する材質からなるものを用いるとよく、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなるものを用いることができる。ＰＴＦＥは、紫外光で劣化しにくく溶出性も低いため、殺菌管２２として好適である。殺菌管２２の端部で流体の流れが滞留してしまうことがないよう、殺菌管２２の両端部において、内周面と端面との間の角部には面取り加工（あるいは丸め加工）が施されている。

流入側接続部４は、壁部４１１と周壁部４１２とに囲まれた凹部４１３を有する流入側管接続部材４１と、凹部４１３内に挿入される凸部４２１を有し、凹部４１３を塞ぐように設けられる蓋部材４２と、を有している。流入側管接続部材４１及び蓋部材４２は、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の樹脂からなる。ＰＶＤＦは、紫外光で劣化しにくく、かつ成型加工が可能であり、流入側管接続部材４１及び蓋部材４２として好適である。

流入側管接続部材４１は、板状の壁部４１１の周縁部から壁部４１１と直交する方向に環状の周壁部４１２を一体に形成して構成されている。本実施の形態では、壁部４１１が円板状に形成されると共に、周壁部４１２が円筒状に形成されている。壁部４１１の中央部（壁部４１１と直交する方向から見た際の中心部分）には、壁部４１１を貫通する殺菌管挿入穴４１１ａが形成されており、この殺菌管挿入穴４１１ａに殺菌管２２の端部が挿入され固定されている。また、周壁部４１２には、周壁部４１２を貫通する流入管挿入孔４１２ａが形成されており、この流入管挿入孔４１２ａに流入管２１が挿入され固定されている。なお、流入管２１は、その一部が周壁部４１２と一体に構成されていてもよい。

本実施の形態においては、流入管２１の軸方向と、殺菌管２２の軸方向とが交差（ここでは直交）している。本実施の形態では、殺菌管２２の出口側の端部から紫外光を照射するが、例えば、殺菌管２２と平行となるように流入管２１を接続すると、紫外光が流入管２１に照射されることとなり、流入管２１が紫外光により劣化するおそれが生じる。そのため、流入管２１として紫外光に対する耐性を有する材料を用いたり、紫外光を遮る斜光部材を別途設けたりする必要が生じ、コスト増加の原因となる。本実施の形態のように、流入管２１の軸方向と、殺菌管２２の軸方向とを交差（望ましくは直交）させることで、容易に流入管２１に紫外光が照射されない構造とすることができ、流入管２１を紫外光に対する耐性が低い低コストの材料で構成することが可能になる。

蓋部材４２は、凹部４１３内に挿入される円柱状の凸部４２１と、凸部４２１の軸方向における一方の端部から径方向外方に突出するフランジ部４２２と、を一体に有する。フランジ部４２２は、周壁部４１２の端部に水密に固定される。凸部４２１を凹部４１３内に挿入した状態において、凸部４２１の外面（外周面及び先端面）と、凹部４１３の内面（周壁部４１２の内周面、及び壁部４１１の凹部４１３側の面）との間には隙間が形成されるようになっている。この隙間が、流入管２１から殺菌管２２に流体を導く接続流路４ａとなっている。

接続流路４ａにおいて、凸部４２１の外周面に沿う部分から、凸部４２１の先端面に沿う部分へと流体が流れる際に、流体の流れが滞留してしまうことがないように、凸部４２１の外周面と先端面との間の角部には面取り加工（あるいは丸め加工）が施されている。

凸部４２１の外周面であって、流入管２１との対向位置には、凸部４２１の周方向に沿うように、凹状の整流溝４２１ａが形成されている。整流溝４２１ａを形成することで、図３に示すように、流入管２１から流入した流体（図示白抜き矢印）は、接続流路４ａに流れ込んだ際に、まず、比較的流路断面積が広い（流体抵抗が低い）整流溝４２１ａの位置で凸部４２１の全周に回り込み（図示破線矢印）、その後、流路断面積が狭い（流体抵抗が高い）殺菌管２２側の接続流路４ａへと流れ込む（図示実線矢印）。整流溝４２１ａが無い状態では、流入管２１の接続側の接続流路４ａばかりに流体が流れてしまい、接続流路４ａの周方向において流体の流れが均一とならない場合がある。本実施の形態のように整流溝４２１ａを形成することで、周方向のいずれの場所においても接続流路４ａを流体が均一に流れるようになる。これにより、接続流路４ａの下流の殺菌用流路２２ａにおいても、流体の流れを均一にすることが可能になる。なお、殺菌用流路２２ａでの流体の流れが均一でないと、流速が早い部分で紫外光の照射時間が短くなり、十分な殺菌効果が得られなくなる場合がある。整流溝４２１ａは、凸部４２１の外周面に沿った接続流路４ａを流れる流体の整流を行うものであるから、流入管２１との対向位置、または当該対向位置よりも下流側（殺菌管２２側）の凸部４２１の外周面に形成されていればよい。

凸部４２１の先端部（フランジ部４２２と反対側の端部）には、反射材収容凹部４２１ｂが形成されており、この反射材収容凹部４２１ｂに、紫外光を反射する反射材４３が設けられている。反射材４３は、光源ユニット３から照射された紫外光を殺菌用流路２２ａ内に反射させることで、殺菌効果を向上させるためのものであり、殺菌管２２の端部と対向するように設けられている。

排出側接続部５は、壁部５１１と周壁部５１２とに囲まれた凹部５１３を有し、壁部５１１に殺菌管２２の端部が接続された排出側管接続部材５１と、凹部５１３内に挿入される凸部３２１を有し、凹部５１３を塞ぐように設けられる光源ユニット３と、を有しており、排出側管接続部材５１と光源ユニット３間に冷却用流路５ａが形成されている。

排出側管接続部材５１は、流入側管接続部材４１と同じ形状となっており、これにより、部品点数の削減及び低コスト化が図られている。すなわち、排出側管接続部材５１は、板状の壁部５１１の周縁部から壁部５１１と直交する方向に環状の周壁部５１２を一体に形成して構成されている。本実施の形態では、壁部５１１が円板状に形成されると共に、周壁部５１２が円筒状に形成されている。壁部５１１の中央部（壁５１１と直交する方向から見た際の中心部分）には、壁部５１１を貫通する殺菌管挿入穴５１１ａが形成されており、この殺菌管挿入穴５１１ａに殺菌管２２の端部が挿入され固定されている。

また、周壁部５１２には、周壁部５１２を貫通する排出管挿入孔５１２ａが形成されており、この排出管挿入孔５１２ａに排出管２３が挿入され固定されている。このように、本実施の形態においては、排出管２３の軸方向と、殺菌管２２の軸方向とが交差（ここでは直交）している。換言すれば、排出流路２３ａは、その冷却用流路５ａから流体を排出する方向が、殺菌管２２を流体が流れる方向に対して交差する方向となっている。排出管２３は、その端部が光源ユニット３（ハウジング３２）の外周面と対向するように設けられることになる。また、流入管２１の流入側接続部４からの延出方向と、排出管２３の排出側接続部５からの延出方向とは同じ方向となっている。排出側管接続部材５１は、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の樹脂からなる。

（光源ユニット３）
図４は、光源ユニット３を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）はそのＡ部拡大図である。図１，２及び図４に示すように、光源ユニット３は、殺菌管２２の端部（ここでは殺菌用流路２２ａの出口）と対向して配置され、殺菌用流路２２ａを流れる流体（ここでは水）に紫外光を照射するものである。光源ユニット３は、全体として略円筒状に形成されており、その軸方向が殺菌用流路２２ａを流体が流れる方向（殺菌管２２の軸方向）と一致するように配置されている。

光源ユニット３は、紫外光を発光する光源としての複数の発光ダイオードチップ（ＬＥＤチップ）３１と、複数の発光ダイオードチップ３１がサブマウント基板３１１を介して搭載されている基板としての回路基板３６と、複数の発光ダイオードチップ３１が搭載された回路基板３６を収容する収容室３２ａを有するハウジング３２と、ハウジング３２に設けられた開口３２ｂを塞ぎ、ハウジング３２の外部空間（冷却用流路５ａ）と収容室３２ａとを区画するように設けられ、発光ダイオードチップ３１からの紫外光を透過する窓部材３３と、発光ダイオードチップ３０の劣化を抑制するチップ劣化抑制手段としての気密封止手段３４と、を有している。なお、本明細書において「気密」とは、厳密に密封された状態のみならず、空気中の水分の侵入を抑制できる程度に空気を通りにくくした状態を含むものとする。

（ハウジング３２）
ハウジング３２は、上述の流入側接続部４における蓋部材４２と略同じ外形に形成されている。ハウジング３２は、凹部５１３内に挿入される円筒状の凸部３２１と、凸部３２１の軸方向における一方の端部から径方向外方に突出するフランジ部３２２と、を一体に有する。フランジ部３２２は、周壁部５１２の端部に水密に固定される。ハウジング３２の前面（殺菌管２２側）には、開口３２ｂが設けられており、この開口３２ｂを塞ぐように窓部材３３が設けられている。冷却用流路５ａにおいて、凸部３２１の先端面及び窓部材３３に沿う部分から凸部３２１の外周面に沿う部分へと流体が流れる際に、流体の流れが滞留してしまうことがないように、凸部３２１の外周面と先端面との間の角部には面取り加工（あるいは丸め加工）が施されている。

凸部３２１を凹部５１３内に挿入した状態において、凸部３２１の外面（外周面）及び窓部材３３と、凹部４１３の内面（周壁部４１２の内周面、及び壁部４１１の凹部４１３側の面）との間には隙間が形成されるようになっている。この隙間が、殺菌管２２から排出管２３に流体を導きつつ、光源ユニット３の冷却を行う冷却用流路５ａである。冷却用流路５ａは、殺菌用流路２２ａの出口と接続されると共に、排出流路２３ａに接続されており、光源ユニット３の前面（紫外光照射側）及び側周を囲むように形成される。

冷却用流路５ａを流れる流体は、光源ユニット３のハウジング３２の外周面に接触する。ハウジング３２は、収容室３２ａに収容された発光ダイオードチップ３１で発生した熱を伝導し、冷却用流路５ａを流れる流体に放熱する熱伝導部材としての役割を果たす。そのため、ハウジング３２は、熱伝導性の高い材質で構成されることが望ましい。また、ハウジング３２は殺菌対象となる流体に接触するため、例えば殺菌後の流体を医療用途等に用いる場合には、ハウジング３２としてアルミニウムや銅等の溶出性の材料を用いることはできない。そこで、本実施の形態では、ハウジング３２として、ＳＵＳ３０４等のステンレス鋼からなるものを用いた。なお、これに限らず、ハウジング３２として、ＰＶＤＦ等の樹脂からなるものを用いることも可能である。

凸部３２１の外周面であって、排出管２３との対向位置には、凸部３２１の周方向に沿うように、凹状の整流溝３２１ａが形成されている。整流溝３２１ａを形成することで、流入側の整流溝４２１ａと同様に、殺菌管２２から排出管２３の接続側の冷却用流路５ａで流速が早くなってしまうことを抑制し、冷却用流路５ａ内を流体が均一に流れるようになる。その結果、殺菌用流路２２ａにおいても流体の流れを均一にすることができ、十分な殺菌効果を維持することが可能になる。整流溝３２１ａは、排出管２３との対向位置、または当該対向位置よりも上流側のハウジング３２の外周面に形成されていればよい。

また、ハウジング３２は、円筒状の凸部３２１の先端部において内周面から径方向内方に延出する円環状の庇部３２３を有する。庇部３２３は、窓部材３３を支持して窓部材３３を補強する役割と、後述する窓部材用シール部材３４１を保持する役割と、を兼ねた部材である。また、庇部３２３は、殺菌管２２と排出側管接続部材５１の境界部分に紫外光が照射されることを抑制し、殺菌管２２と排出側管接続部材５１との間に設けられるシール部材（不図示）が劣化することを抑制する役割も果たしている。庇部３２３の窓部材３３側（収容室３２ａ側）の面には、窓部材用シール部材３４１を収容する環状のシール収容溝３２３ａが形成されている。

（発光ダイオードチップ３１）
本実施の形態では、光源ユニット３の光源として、紫外光を発光する複数の発光ダイオードチップ３１を用いる。ここでは４つの発光ダイオードチップ３１を用いる場合を示しているが、発光ダイオードチップ３１の数は２つ、３つ、あるいは５個以上であってもよく、流体の流量や各発光ダイオードチップ３１の発光強度、波長（殺菌能力）等を考慮して、適宜選択するとよい。一般に、波長２６５ｎｍ近傍において殺菌効果が高まるため、発光ダイオードチップ３１としては、発光波長が２６５ｎｍ程度のものを使用するとよい。ただし、発光波長を２６５ｎｍ程度とした場合には十分な発光強度が得られない場合もあるため、発光波長と発光強度の組み合わせを考慮し、最も殺菌効果が高くなる発光ダイオードチップ３１を光源として用いることがより望ましい。

本実施の形態では、サブマウント基板３１１に発光ダイオードチップ３１が搭載されたチップ・オン・サブマウントと呼称される構造の光源を用いた。ただし、これに限らず、サブマウント基板３１１を省略して発光ダイオードチップ３１を直接回路基板３６に搭載したチップ・オン・ボードと呼称される構造となっていてもよい。このように、本実施の形態では、発光ダイオードチップ３１がパッケージに封入された構造となっていない。発光ダイオードチップ３１をパッケージに封入した発光装置は、例えば一辺の長さが略３ｍｍ程度の直方体形状であるが、発光ダイオードチップ３１は、一辺の長さが略１ｍｍ程度の直方体形状であり、発光装置と比べてサイズが非常に小さい。

図示していないが、回路基板３６の表面には、紫外光を反射するコーティング材が塗布されるか、あるいはアルミニウム等からなる紫外光反射シートが設けられていることが望ましい。これにより、回路基板３６の表面に照射された紫外光を窓部材３３側へと反射して、流体に照射される紫外光の強度をより向上できる。

（窓部材３３）
窓部材３３は、略円板状に形成された板状部３３１と、板状部３３１から収容室３２ａ側に突出するように形成された複数のレンズ部３３２と、を一体に有する。レンズ部３３２は、発光ダイオードチップ３１毎にそれぞれ形成され、対応する発光ダイオードチップ３１からの紫外光を集光する。本実施の形態では、４つの発光ダイオードチップ３１に対応して、４つのレンズ部３３２が形成されている。

各レンズ部３３２は、ＴＩＲ（ＴｏｔａｌＩｎｔｅｒｎａｌＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）レンズとして構成されている。より具体的には、各レンズ部３３２は、その表面３３２ａが曲面を構成するように形成されており、その頂部（平面視における中央部）に板状部３３１側に凹む凹部３３２ｂが形成されている。凹部３３２ｂは、回路基板３６側に開口しており、平面視で円形状に形成されている。各レンズ部３３２の凹部３３２ｂには、発光ダイオードチップ３１の一部が収容される。凹部３３２ｂの底面３３２ｃは、発光ダイオードチップ３１側に凸となる凸レンズ状に形成されている。なお、凹部３３２ｂの底面３３２ｃの形状は、凸レンズ状に限定されず、例えば平面状に形成されていてもよい。

発光ダイオードチップ３１から出射された紫外光の一部は、凸レンズ状の底面３３２ｃからレンズ部３３２に入射され、殺菌管２２の軸方向に略平行な光に変換されて、板状部３３１から出射される。発光ダイオードチップ３１から出射された紫外光の他の一部は、凹部３３２ｂの側面からレンズ部３３２内に入射され、レンズ部３３２の内部において表面３３２ａで反射されることで殺菌管２２の軸方向に略平行な光に変換されて、板状部３３１から出射される。レンズ部３３２をＴＩＲレンズとすることで、発光ダイオードチップ３１から側方に出射される光も集光することが可能となり、流体に照射される紫外光の強度をより高めて殺菌能力を高めることが可能になる。

なお、ここでは、窓部材３３と殺菌対象の流体である水との屈折率差が小さいため、板状部３３１の表面（レンズ部３３２と反対側の面）３３１ａを平面上としているが、窓部材３３と殺菌対象の流体との屈折率差が大きい場合には、板状部３３１と流体との境界となる表面３３１ａで反射による損失が発生することが考えられる。よって、このような場合、板状部３３１の表面３３１ａを曲面状として、反射による損失を抑制するようにしてもよい。

例えば、発光ダイオードチップ３１をパッケージに封入した発光装置を光源として用いた場合、発光装置が例えば一辺の長さが略３．５ｍｍ程度の直方体形状であるとすると、平面視におけるレンズ部３３２の直径は、略２０ｍｍ程度と非常に大きくなってしまう。本実施の形態においては、光源として一辺の長さが略１ｍｍ程度の直方体形状である発光ダイオードチップ３１を用いているため、レンズ部３３２の大きさを小さくすることができ、平面視におけるレンズ部３３２の直径を１５ｍｍ以下とすることができ、例えば８ｍｍ程度にすることができる。よって、複数の光源（発光ダイオードチップ３１及びレンズ部３３２）を狭い領域に配置することが可能になり、流体へ照射する紫外光の強度を向上させることができる。

窓部材３３としては、紫外光を透過するものであればよく、石英ガラス（ＳｉＯ_２）、サファイアガラス（Ａｌ_２Ｏ_３）からなるものを用いることができる。本実施の形態では、窓部材３３として、合成石英からなるモールド成型品を用いた。モールド成型品は、研削加工により得られたものと比較して低コストである。しかし、現状の合成石英のモールド技術において、大きな凹凸を有する形状を成型する際には、凹凸の境界部分にクラックが入る等の問題が生じ易くなり、成型が非常に困難である。

本実施の形態によれば、レンズ部３３２のサイズが小さくなり、凹凸が小さくなるために、現状の合成石英のモールド技術においても、成型が可能であることが確認された。つまり、発光ダイオードチップ３１をそのまま光源として使用することで、レンズ部３３２のサイズを従来と比べて非常に小さくでき、レンズ一体型の窓部材３３を、合成石英のモールド成型により形成することが可能になる。

レンズ部３３２の凹部３３２ｂの内面（底面３３２ｃ及び内周面）には、発光ダイオードチップ３１からの紫外光の反射を抑制する反射防止膜（ＡＲコート（Ａｎｔｉ−ＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎＣｏａｔｉｎｇ））が施されていることが望ましい。また、窓部材３３の殺菌管２２側の面、すなわち板状部３３１の殺菌管２２側の面には、光触媒効果により窓部材３３に汚れが付着することを抑制可能な酸化チタン膜を設けてもよい。酸化チタン膜の膜厚は、発光ダイオードチップ３１からの紫外光の透過率を低下させずに光触媒の効果を得るために、数ｎｍ程度（例えば、１ｎｍ以上５ｎｍ以下）とすればよい。さらに、レンズ部３３２の表面３３２ａには、表面３３２ａでの反射率を高めるために、アルミニウム等からなる反射膜が形成されていてもよい。

（ヒートシンク３５）
光源ユニット３は、その背面側でかつ冷却用流路５ａに覆われていない部分に設けられたヒートシンク３５を有している。ヒートシンク３５は、回路基板３６が載置される基台３５１と、基台３５１の背面から突出するように形成された複数の放熱フィン３５２と、を一体に有している。基台３５１は、ハウジング３２の背面側の開口３２ｃを塞ぐように設けられている。ヒートシンク３５としては、熱導電性の高い材質からなるものを用いることが望ましい。ヒートシンク３５は、流体と接触しないため、銅やアルミニウム等の溶出性の金属からなるものを使用することも可能である。なお、空冷式のヒートシンク３５に代えて、例えば、冷却水を導入し冷却水によって光源ユニット３を冷却する水冷ジャケット等を設けてもよい。

図示していないが、ヒートシンク３５とハウジング３２との間には、放熱シートあるいは放熱グリスが設けられるとよい。つまり、ヒートシンク３５とハウジング３２とは、放熱シートあるいは放熱グリスを介して接触しているとよい。これにより、ヒートシンク３５とハウジング３２間に隙間が発生して放熱効果が低下することを抑制でき、ハウジング３２からヒートシンク３５に効率よく熱を伝達して、放熱効果を高めることができる。

また、図示していないが、ヒートシンク３５に外気を送るファンユニットを光源ユニット３に一体に設けてもよい。これにより、冷却効果をより向上させることができる。回路基板３６への配線については、例えば、ハウジング３２やヒートシンク３５にコネクタを設ける等して、当該コネクタを介して光源ユニット３の背面側に引き出されるとよい。

（気密封止手段３４）
気密封止手段３４は、ハウジング３２に設けられ、収容室３２ａを気密に封止するものであり、本発明のチップ劣化抑制手段の一態様である。上述のように、「気密」とは、厳密に密封された状態である必要はなく、空気中の水分の侵入を抑制できる程度に空気が通りにくくなっていればよい。気密封止手段３４は、窓部材３３とハウジング３２間をシールする窓部材用シール部材３４１を有している。窓部材用シール部材３４１は、庇部３２３のシール収容溝３２３ａに収容されている。窓部材用シール部材３４１としては、例えばフッ素ゴム（ＦＫＭ）からなるＯリングを用いることができる。

また、気密封止手段３４は、ヒートシンク３５と窓部材３３（板状部３３１の縁部）との間に介設されたスペーサ３４２を有している。ヒートシンク３５をハウジング３２にボルト固定等により固定する際に、スペーサ３４２を介して窓部材３３を庇部３２３側に押し付けることで、窓部材用シール部材３４１が潰されて収容室３２ａ内の気密が維持される。なお、図示していないが、気密封止手段３４は、ヒートシンク３５とハウジング３２（凸部３２１の内周面）との間をシールする部材をさらに有していてもよい。

ところで、収容室３２ａ内の気密が維持されていても、光源ユニット３における収容室３２ａ内に湿った空気が存在すると、流体の冷却効果によって窓部材３３等に結露が発生してしまう。結露により発生した水滴が回路基板３６に付着すると、ショートを起こして故障が発生するおそれがある。さらに、収容室３２ａ内に湿った空気が存在すると、発光ダイオードチップ３１が劣化しやすくなり、寿命が低下してしまうおそれがある。そこで、本実施の形態では、収容室３２ａには、水分が０．０１％以下のドライエアーが封入され、外部から独立した雰囲気となるように構成されている。

このように、収容室３２ａ内は、結露による不具合を抑制するために、光源の形態にかかわらず、気密が維持される必要がある。光源として発光ダイオードチップ３１をパッケージに封入したものを用いる場合、パッケージによる気密封止と、収容室３２ａの気密封止とが重なって行われることになり、無駄である。そこで、本実施の形態では、パッケージを省略して、収容室３２ａの気密封止のみで発光ダイオードチップ３１の封止を行うようにしている。

また、収容室３２ａに封入されるドライエアーは、酸素を１％以上含んでいることが望ましい。発光ダイオードチップ３１として窒化ガリウムを含むものを用いる場合、収容室３２ａ内を酸素雰囲気とすることにより、発光ダイオードチップ３１の経年劣化（使用期間が長くなるにしたがって発光量が低下する現象）を抑制することができる。すなわち、収容室３２ａ内を酸素を１％以上含む雰囲気とすることにより、経年劣化が小さく長寿命な光源ユニット３を実現できる。

（実施の形態の作用及び効果）
以上説明したように、本実施の形態に係る流体殺菌装置１では、光源ユニット３は、紫外光を発光する複数の発光ダイオードチップ３１と、複数の発光ダイオードチップ３１が搭載された回路基板を収容する収容室を有するハウジング３２と、ハウジング３２に設けられた開口３２ｂを塞ぎ、ハウジング３２の外部空間と収容室３２ａとを区画するように設けられ、発光ダイオードチップ３１からの紫外光を透過する窓部材３３と、ハウジング３２に設けられ、収容室３２ａを気密に封止する気密封止手段３４と、を有し、窓部材３３は、発光ダイオードチップ３１毎にそれぞれ形成され、対応する発光ダイオードチップ３１からの紫外光を集光する複数のレンズ部３３２を一体に有している。

パッケージに封入されていない発光ダイオードチップ３１を光源として用いることで、レンズ部３３２のサイズを小さくすることが可能になる。その結果、パッケージを用いた従来と比較して、狭い領域に複数の発光ダイオードチップ３１及びレンズ部３３２を集約して配置することが可能になる。つまり、本実施の形態によれば、発光ダイオードチップ３１毎に個別にレンズ部３３２を形成してレンズ部３３２による十分な集光効果が得られつつも、狭い領域に複数の光源を配置可能となる。その結果、殺菌効果を向上でき、流体殺菌装置１全体の小型化に寄与する。

また、レンズ部３３２のサイズを小さくすることで、窓部材３３を合成石英のモールド成型品で形成することが可能になる。窓部材３３を研削加工により形成した場合には非常に高価となり、製品化することが現実的ではないが、窓部材３３を合成石英のモールド成型品で形成可能となることにより、現実的に製品化が可能なレベルにまで低コスト化が可能となる。さらに、本実施の形態ではパッケージを使用しないため、さらなる低コスト化も期待できる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。

さらに、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態では、殺菌用流路２２ａの下流側に光源ユニット３を設ける場合について説明したが、殺菌用流路２２ａの上流側に光源ユニット３を設けてもよい。この場合、図１において、流体の流れを上記実施の形態と反対向きにし、流体を排出流路２３ａ側から流入流路２１ａ側に流した場合と同じ構成になる。また、殺菌用流路２２ａの上流側と下流側の両方に光源ユニット３を設けてもよい。

また、上記実施の形態では、庇部３２３の収容室３２ａ側に窓部材３３を設ける場合について説明したが、これに限らず、図５に示すように、庇部３２３の殺菌管２２側（壁部５１１側）に窓部材３３を設けてもよい。この場合、排出側管接続部材５１には、窓部材３３と対向する冷却用流路５ａの内周面（壁部５１１）から突出し、窓部材３３を背面側へと押し付ける複数の柱状突起５１１ｂが形成されているとよい。殺菌管２２からの流体は、柱状突起５１１ｂの間を通って整流溝３２１ａ側へと流れていくことになる。また、図５に示されるように、気密封止手段３４は、ヒートシンク３５とハウジング３２との間をシールするヒートシンク側シール部材３４３をさらに有していてもよい。ヒートシンク側シール部材３４３としては、例えばフッ素ゴム（ＦＫＭ）からなるＯリングを用いることができる。

また、上記実施の形態では、流体殺菌装置１用の光源ユニット３について説明したが、光源ユニット３は、流体殺菌装置１以外の装置にも適用可能である。例えば、光源ユニット３は、紫外光硬化樹脂を硬化させるための樹脂硬化装置等に適用可能である。この際、例えば、図６に示すように、ヒートシンク３５やフランジ部３２２を省略した光源ユニット３を用いてもよい。

上記実施の形態では、チップ劣化抑制手段が気密封止手段３４で構成されている場合を説明したが、例えば、チップ劣化抑制手段は、収容室３２ａ内の水分を吸着するシリカゲル等の吸湿剤を含んでもよい。

１…流体殺菌装置
２２…殺菌管
２２ａ…殺菌用流路
３…光源ユニット
３１…発光ダイオードチップ
３１１…サブマウント基板
３２…ハウジング
３２ａ…収容室
３２ｂ…開口
３３…窓部材
３３１…板状部
３３２…レンズ部
３４…気密封止手段（チップ劣化抑制手段）
３６…回路基板（基板）

Claims

殺菌対象となる流体が流れる殺菌用流路を構成する殺菌管と、
前記殺菌管の端部と対向して配置され、前記殺菌用流路を流れる流体に紫外光を照射する光源ユニットと、を備え、
前記光源ユニットは、
紫外光を発光する複数の発光ダイオードチップと、
前記複数の発光ダイオードチップがサブマウント基板を介して、あるいは直接搭載される基板と、
前記複数の発光ダイオードチップが搭載された基板を収容する収容室を有するハウジングと、
前記ハウジングに設けられた開口を塞ぎ、前記ハウジングの外部空間と前記収容室とを区画するように設けられ、前記発光ダイオードチップからの紫外光を透過する窓部材と、
前記発光ダイオードチップの劣化を抑制するチップ劣化抑制手段と、を有し、
前記窓部材は、前記発光ダイオードチップ毎にそれぞれ形成され、対応する前記発光ダイオードチップからの紫外光を集光する複数のレンズ部を一体に有する、
流体殺菌装置。
前記チップ劣化抑制手段が、前記ハウジングに設けられ前記収容室を気密に封止する気密封止手段である、
請求項１に記載の流体殺菌装置。
前記窓部材は、板状に形成された板状部と、前記板状部から前記収容室側に突出するように形成された前記複数のレンズ部と、を一体に有する、
請求項１または２に記載の流体殺菌装置。
前記窓部材は、合成石英からなる、
請求項１乃至３の何れか１項に記載の流体殺菌装置。
前記各レンズ部は、ＴＩＲレンズとして構成されている、
請求項１乃至４の何れか１項に記載の流体殺菌装置。
紫外光の出射側から見た正面視における前記レンズ部の直径が、１５ｍｍ以下である、
請求項１乃至５の何れか１項に記載の流体殺菌装置。
前記収容室には、水分が０．０１％以下のドライエアーが封入されている、
請求項１乃至６の何れか１項に記載の流体殺菌装置。
前記収容室に封入されるドライエアーは、酸素を１％以上含んでいる、
請求項７に記載の流体殺菌装置。
紫外光を発光する複数の発光ダイオードチップと、
前記複数の発光ダイオードチップがサブマウント基板を介して、あるいは直接搭載される基板と、
前記複数の発光ダイオードチップが搭載された基板を収容する収容室を有するハウジングと、
前記ハウジングに設けられた開口を塞ぎ、前記ハウジングの外部空間と前記収容室とを区画するように設けられ、前記発光ダイオードチップからの紫外光を透過する窓部材と、
前記発光ダイオードチップの劣化を抑制するチップ劣化抑制手段と、を備え、
前記窓部材は、前記発光ダイオードチップ毎にそれぞれ形成され、対応する前記発光ダイオードチップからの紫外光を集光する複数のレンズ部を一体に有する、
光源ユニット。