JP2020103629A - 流体殺菌装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子の温度上昇を抑えると共に、流路を流れる流体への紫外線の照射効率を高める。【解決手段】実施形態の流体殺菌装置は、管状部材と、基体と、発光素子と、光源部とを具備する。管状部材は、両端が開口し、内部に流体を流す。基体は、管状部材を収容する収容部と、収容部の一端と連通する貫通口とを有する。発光素子は、収容部の他端に対向して配置され、収容部に紫外線を照射する。光源部は、発光素子を挟んで収容部に対向する固定面から発光素子を覆うように収容部側に突出する周壁を有し、発光素子を収容する。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、流体殺菌装置に関する。

光源である発光素子が発する紫外線を、例えば、水、気体等の流体が流れる流路に向けて照射することで、流体を殺菌する流体殺菌装置が知られている。この種の流体殺菌装置では、発光素子として、紫外線を発するＬＥＤ（Light Emitting Diode）が実装された基板を有するものがある。

特開２０１４−２３３６４６号公報

ところで、流路を流れる流体に対してＬＥＤが発する紫外線を照射して流体を殺菌する場合、より一層高い殺菌効果を得るために、ＬＥＤの出力を高め、流体への紫外線の照射効率を高めることが望ましい。しかし、ＬＥＤへの供給電力を上げたり、ＬＥＤの実装数を増やしたりするだけでは、発熱による温度制限があるＬＥＤは、発光に伴う発熱により発光効率が低下するので、紫外線の照射効率を高めることが困難である。

そこで、本発明は、発光素子の温度上昇を抑えると共に、流路を流れる流体への紫外線の照射効率を高めることができる流体殺菌装置を提供することを目的とする。

実施形態の流体殺菌装置は、管状部材と、基体と、発光素子と、光源部とを具備する。管状部材は、両端が開口し、内部に流体を流す。基体は、管状部材を収容する収容部と、収容部の一端と連通する貫通口とを有する。発光素子は、収容部の他端に対向して配置され、収容部に紫外線を照射する。光源部は、発光素子を挟んで収容部に対向する固定面から発光素子を覆うように収容部側に突出する周壁を有し、発光素子を収容する。

本発明によれば、発光素子の温度上昇を抑えると共に、流路を流れる流体への紫外線の照射効率を高めることができる。

第１の実施形態に係る流体殺菌装置の適用例を示す模式図である。 第１の実施形態に係る流体殺菌装置を示す断面図である。 第１の実施形態に係る流体殺菌装置を示す図２のＩ−Ｉ断面図である。 第１の実施形態に係る流体殺菌装置を示す断面図である。 第２の実施形態に係る流体殺菌装置を示す断面図である。 変形例１に係る流体殺菌装置を示す断面図である。 変形例２に係る流体殺菌装置を示す断面図である。 変形例３に係る流体殺菌装置を示す断面図である。 変形例４に係る流体殺菌装置を示す断面図である。 変形例５に係る流体殺菌装置を示す断面図である。

以下に説明する実施形態に係る流体殺菌装置１は、管状部材２と、基体３と、発光素子６と、光源部２３とを具備する。管状部材２は、両端が開口し、内部に流体を流す。基体３は、管状部材２を収容する収容部４と、収容部４の一端４ａと連通する貫通口５とを有する。発光素子６は、収容部４の他端４ｂに対向して配置され、収容部４に紫外線を照射する。光源部２３は、発光素子６を挟んで収容部４に対向する固定面２３ｂから発光素子６を覆うように収容部４側に突出する周壁２３ａを有し、発光素子６を収容する。

また、以下に示す実施形態に係る流体殺菌装置１は、封止部２０を具備する。封止部２０は、基体３の収容部４側の端面３ａに対向して配置され、流体を封止する。封止部２０は、光源部２３を固定する固定部２０ｂと、収容部４の他端４ｂに対向する対向面２０ｃとを有する。

また、以下に説明する実施形態に係る封止部２０は、対向面２０ｃから収容部４側に突出する突出部２０１〜２０４を有する。

また、以下に説明する実施形態に係る光源部２３は、着脱可能に配置される。

以下、実施形態に係る流体殺菌装置について、図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態は、一例を示すものであって、発明を限定するものではない。また、以下に示す各実施形態は、矛盾しない範囲で適宜組合せることができる。また、各実施形態の説明において、同一構成には同一符号を付与して後出の説明を適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る流体殺菌装置の適用例を示す模式図である。図２は、第１の実施形態に係る流体殺菌装置を示す断面図である。図３は、図２と別の断面で示す断面図であり、具体的には、図２のＩ−Ｉ断面図である。

なお、説明を分かりやすくするために、図２には、鉛直上向きを正方向とし、鉛直下向きを負方向とするＺ軸を含む３次元の直交座標系を図示している。かかる直交座標系は、後出の説明に用いる他の図面でも示している。

（流体殺菌装置の構成）
図１に示すように、実施形態の流体殺菌装置１は、流体を供給する給水タンク１６に連結されると共に、紫外線が照射された流体を回収する回収タンク１７に連結されている。図１および図２に示すように、流体殺菌装置１は、上流側が、上流側流路部材１８を介して給水タンク１６に連結されている。上流側流路部材１８には、給水タンク１６から流体殺菌装置１へ流体を送るポンプ２１が設けられている。また、流体殺菌装置１は、下流側が、下流側流路部材１９を介して回収タンク１７に連結されている。下流側流路部材１９には、流体殺菌装置１から回収タンク１７へ送る流体の流量を調整する流量調整機構２２が設けられている。

流体殺菌装置１は、例えば、飲料水供給装置において、給水タンク１６内の水を殺菌処理するために用いられる。本実施形態では、流体として、例えば、上水等の液体に適用されるが、気体に適用されてもよい。

図２に示すように、流体殺菌装置１は、基体３と、管状部材２と、発光素子６と、基板７と、カバー部材８と、光源部２３と、封止部２０とを備える。

基体３は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）またはステンレス鋼（ＳＵＳ）であり、紫外線を反射する。基体３は、外形が略円柱状であり、収容部４と、第１貫通口５と、第２貫通口１０とを有する。収容部４は、外周をＹ軸方向に沿うように延びる周壁９で囲まれた円柱状の空間であり、一端４ａが第１貫通口５と連通し、他端４ｂがカバー部材８に対向している。また、収容部４は、内部に管状部材２が収容される。

第１貫通口５は、Ｙ軸方向に沿うように基体３のＹ軸正方向側の端面３ｂまで延びる開口であり、収容部４の一端４ａと連通する。第２貫通口１０は、管状部材２の長さ方向、すなわちＹ軸方向と交差する方向、例えばＺ軸方向に延び、収容部４の一端４ａ側における側面と連通する。すなわち、第１貫通口５および第２貫通口１０は、収容部４を介して連通している。第１貫通口５は、接続部１５を介して上流側流路部材１８に接続されている。また、第２貫通口１０には、下流側流路部材１９が取り付けられている。すなわち、流体殺菌装置１は、第１貫通口５から供給された流体を第２貫通口１０から排出する構成を有している。なお、第１貫通口５および第１貫通口５に連通する収容部４の一端４ａは、図示するように基体３の端面３ｂ寄りに配置すると、後述する第２流路１２の流路長を確保することができるが、Ｙ軸負方向側の端面３ａ寄りに配置されてもよく、端面３ａ、３ｂの中間に配置されてもよい。

ここで、第２貫通口１０と下流側流路部材１９との接続様式について説明する。図２に示すように、流体殺菌装置１は、基体３に設けられた第２貫通口１０に、下流側流路部材１９が挿入されるように取り付けられている。このような構成とすることで、基体３と下流側流路部材１９との接続を任意の形態とすることが可能となる。例えば、第２貫通口１０と下流側流路部材１９とのそれぞれにねじ山を設けることで、第２貫通口１０と下流側流路部材１９とがねじ山同士の嵌合により接続をより強固とすることができる。このような形態は、例えば、流体殺菌装置１の基体３にかかる圧力が高いとき、すなわち、流体殺菌装置１を流通する流体の流速が速いときに有効である。なお、第２貫通口１０と下流側流路部材１９との接続様式は特に限定されない。例えば、第２貫通口１０と下流側流路部材１９との間に介在する不図示のジョイントで接続されてもよい。

管状部材２は、例えば、石英管であり、紫外線を透過する。管状部材２は、両端が開口した円筒状の部材である。管状部材２は、収容部４の周壁９と一定の間隔となるようにＹ軸方向に沿って配置されており、図３に示すように管状部材２および周壁９は、断面視で同心円状に設けられている。また、管状部材２は、Ｙ軸負方向側の一端２ａが所定の間隔でカバー部材８と対向するように配置され、他端は接続部１５を介して上流側流路部材１８に連通している。接続部１５は、例えば上流側流路部材１８を基体３に接続するための継手部材である。なお、接続部１５は、管状部材２と一体であってもよく、基体３または上流側流路部材１８と一体であってもよい。

発光素子６は、基板７上に実装され、紫外線を発する。発光素子６は、例えばＬＥＤである。発光素子６は、図示しない電源から電力が供給され、発光する。発光素子６は、収容部４の他端４ｂに対向して配置され、収容部４に紫外線を照射する。また、発光素子６としては、寿命と出力とを勘案して波長２８０ｎｍ近辺にピーク波長を有するものが好ましいが、例えば２６０ｎｍ〜２９０ｎｍといった殺菌作用を奏する波長帯域であればよく、紫外線の波長を限定するものではない。すなわち、発光素子６は、ＬＥＤに限らず、レーザダイオード（ＬＤ）等の所定の波長帯域の紫外線を発する他の半導体素子であってもよい。

基板７は、金属材料を母材として形成されている。基板７上には、図示しないが、絶縁層を介して所望の導電パターン（配線パターン）が形成されており、導電パターン上に発光素子６が設けられている。なお、基板７の母材は、金属材料に限らず、例えばアルミナ等のセラミックスが用いられてもよい。基板７は、光源部２３の固定面２３ｂに固定されて支持される。基板７は、発光素子６を実装する主面が正方形の板状部材として図示したが、これに限らず、例えば主面が長方形であってもよく、三角形その他の多角形、円形、楕円形などであってもよい。

カバー部材８は、例えば、石英ガラスによって形成された紫外線透過部材であり、発光素子６および基板７の前面側であるＹ軸正方向側に配置されている。カバー部材８は、光源部２３の周壁２３ａに固定されており、光源部２３との間に囲まれた空間の内部が気密に閉じられている。カバー部材８は、発光素子６が発した紫外線を透過し、収容部４内を流れる流体に対して紫外線が照射される。カバー部材８の主面８ａは、収容部４の他端４ｂに対向しており、管状部材２の一端２ａとの間に後述する第１流路１１および第２流路１２を接続する接続流路としての第３流路１３が形成される。なお、カバー部材８は、深紫外領域の光に対する透過性を有し、劣化が少ないものであれば特に限定されるものではなく、例えば紫外線透過性を有するフッ素樹脂であってもよい。また、カバー部材８と基体３の他端４ｂとの配置は、図示したものに限られず、例えば、カバー部材８が他端４ｂに面してもよく、後述する周壁２３ａの一部およびカバー部材８が収容部４内に配置されてもよい。

光源部２３は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）またはステンレス鋼（ＳＵＳ）であり、発光素子６を収容する収容部材である。光源部２３は、発光素子６を実装する基板７が固定される固定面２３ｂと、固定面２３ｂから発光素子６を覆うように収容部４側に突出する周壁２３ａとを有する。光源部２３は、封止部２０の固定部２０ｂに着脱可能に固定される。このため、光源部２３は、発光素子６、基板７、カバー部材８とともに一体に着脱可能な光源ユニットとして形成することができ、流路内のメンテナンスや光源部２３の交換が容易になる。

固定面２３ｂは、発光素子６を挟んで収容部４に対向するように配置されている。基板７を介して固定面２３ｂに固定された発光素子６は、収容部４へ向けて紫外線を照射するよう位置決めされる。

周壁２３ａは、固定面２３ｂから発光素子６および基板７の周囲を覆うように収容部４側に突出する。周壁２３ａの端部には発光素子６および基板７の前面を覆うカバー部材８が固定されている。

封止部２０は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）またはステンレス鋼（ＳＵＳ）であり、基体３の端面３ａに対向して配置されている。封止部２０の一端面２０ａは、流体を封止するよう、例えば接着または接合により、基体３の端面３ａと密着している。封止部２０は、対向面２０ｃと固定部２０ｂとを有する。

対向面２０ｃは、収容部４の他端４ｂに対向するように形成されている。固定部２０ｂは、光源部２３を固定する部分である。固定部２０ｂは、封止部２０の他端面２０ｄと対向面２０ｃ側とを連通させる開口である。固定部２０ｂは、他端面２０ｄ側から挿入された光源部２３を着脱可能に固定する。必要に応じて、例えばパッキンなど、光源部２３を気密に固定するための弾性部材が適用されてもよい。

（流体殺菌装置の流路構成）
図２、図３に示すように、上流側流路部材１８から第１貫通口５を介して流体殺菌装置１に供給された流体は、第１流路１１としての管状部材２の内側に供給され、第３流路１３を経由してカバー部材８の主面８ａで折り返されて第２流路１２としての管状部材２の外側、具体的には管状部材２の外面１４と周壁９との間に送られる。また、第３流路１３を経由した流体の一部は、矢印２５で示したように周壁２３ａの外側を回り込み、対向面２０ｃで折り返されて第２流路１２に送られる。そして、第２流路１２に送られた流体は、第２貫通口１０から下流側流路部材１９に排出される。すなわち、第１流路１１および第２流路１２は、Ｙ軸方向に沿うように管状部材２を挟んで互いに反対の方向に流体が流動するように形成されており、流体殺菌装置１に送られた流体は、収容部４内をＹ軸方向に往復するように流動する。

発光素子６から出射された紫外線は、上記した各流路内を流れる流体を殺菌する。発光素子６から第３流路１３を経由して第２流路１２に向けて出射された紫外線は、周壁９で反射し、外面１４側から管状部材２を透過して第１流路１１を照射し、さらに内面２４側から管状部材２を透過して反対側の周壁９まで到達して反射され、以後、管状部材２の透過と周壁９での反射が繰り返される。また、発光素子６から第３流路１３を経由して管状部材２の内側の第１流路１１に向けて出射された紫外線は、管状部材２を透過して周壁９まで到達して反射され、管状部材２の透過と周壁９での反射が繰り返される。

このように、実施形態に係る流体殺菌装置１は、発光素子６から収容部４に向けて出射される紫外線により、収容部４内を往復するように流動する流体を継続的に照射する。このため、流路を流れる流体への紫外線の照射効率を高めることができる。

（発光素子の放熱）
次に、図４を用いて、発光素子６の放熱について説明する。図４は、第１の実施形態に係る流体殺菌装置を示す断面図である。図４（ａ）は、図２の部分拡大図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＩＩ−ＩＩ断面図である。

発光素子６から基板７を介して光源部２３に伝わった熱の一部は、固定部２０ｂを介して封止部２０に伝わり、対向面２０ｃに回り込む流体と熱交換される。また、光源部２３から周壁２３ａ、さらにカバー部材８に伝わった熱は、周壁２３ａおよびカバー部材８に接触する流体と熱交換される。熱交換により温度上昇した流体は第２流路１２に向けて順次移動するので、周壁２３ａや対向面２０ｃに接触する流体の温度は低い状態に保たれる。このため、発光素子６の温度上昇を抑えることができる。

また、収容部４の他端４ｂ（図２参照）と対向する部分のうち、領域Ｒ１として示す対向面２０ｃの面積をＳ１、領域Ｒ２として示すカバー部材８の主面８ａの面積をＳ２と規定したとき、Ｓ１≧Ｓ２とすることができる。これにより、流体殺菌装置１の内部を流れる流体との接触面積を大きくすることができ、放熱性を高めることができる。具体的には、４．５≦Ｓ１／Ｓ２≦１４とすることができるが、これに限られない。Ｓ１／Ｓ２が４．５未満となると、対向面２０ｃに回り込む流体が減少して熱交換の効果が少なくなるため、好ましくない。一方、Ｓ１／Ｓ２が１４を超過すると、基板７や基板７に搭載される発光素子６の寸法が制約を受けることとなるため、好ましくない。よって、４．５≦Ｓ１／Ｓ２≦１４とすることができる。

なお、図示した実施形態では、カバー部材８の主面８ａと周壁２３ａの端面２３ａａとはＹ軸方向に同じ位置に配置されているが、これに限らず、例えば主面８ａを端面２３ａａよりも発光素子６側に配置してもよい。これにより、流体殺菌装置１の内部を流れる流体との接触面積をさらに大きくすることができ、放熱性をさらに高めることができる。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係る流体殺菌装置を示す断面図である。図５（ａ）は、第２の実施形態に係る流体殺菌装置１Ａを図４（ａ）と同じ視点で示した部分拡大図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。

図５に示す流体殺菌装置１Ａは、封止部２０の対向面２０ｃからＹ軸正方向側に突出する突出部２０１を有する点で第１の実施形態に係る流体殺菌装置１と相違する。

封止部２０が突出部２０１を有することにより、発光素子６を収容する光源部２３から固定部２０ｂを介して封止部２０に伝わった熱の一部は、突出部２０１に伝わる。このため、封止部２０に伝わった熱は、対向面２０ｃおよび突出部２０１に接触する流体と熱交換されることとなる。このため、突出部２０１を有さない場合と比較して発光素子６の温度上昇をさらに抑えることができる。

また、対向面２０ｃから突出する突出部２０１は、周壁２３ａの外側を回り込み、対向面２０ｃ側に向かう流体に対する邪魔板の役割を担う。このため、対向面２０ｃの付近では渦等の乱流が生じやすくなり、突出部２０１の周囲で流体を局所的に滞留させることで紫外線の照射時間を延ばし、流体に対する紫外線の照射効率が高められる。

(変形例)
図６〜図１０は、変形例１〜５に係る流体殺菌装置を示す断面図である。図６〜図９に示す例では、変形例１〜４に係る流体殺菌装置を図４（ｂ）と同じ視点でそれぞれ示している。

図６〜図８に示すように、変形例１に係る封止部２０は、複数の突出部２０１〜２０３をそれぞれ有する点で第２の実施形態に係る流体殺菌装置１Ａと相違する。図６に示すように、変形例１に係る封止部２０は、複数の突出部２０１が同心円状に配置されている。また、図７に示すように、変形例２に係る封止部２０は、放射状に延びる複数の突出部２０２を有する。

また、図８に示すように、変形例３に係る封止部２０は、互いに平行に配置された複数の突出部２０３を有する。さらに、図９に示すように、変形例４に係る封止部２０は、互いに交差するように格子状に配置された突出部２０４を有する。

このように、封止部２０は、複数の突出部２０１〜２０３または格子状の突出部２０４をそれぞれ有することにより、発光素子の温度上昇を抑えると共に、流路を流れる流体への紫外線の照射効率を高めることができる。なお、封止部２０がそれぞれ有する突出部２０１〜２０４の形状、配置および数は例示にすぎず、図示したものに限られない。

次に、図１０について説明する。図１０（ａ）は、第１の実施形態に係る流体殺菌装置１の変形例を図４（ａ）と同じ視点で示したものであり、図１０（ｂ）は、第２の実施形態に係る流体殺菌装置１Ａの変形例を図５（ａ）と同じ視点で示したものである。

図１０に示す固定部２０ｂは、封止部２０の対向面２０ｃ側に設けられた凹部である点で各実施形態に係る流体殺菌装置１、１Ａと相違する。かかる構成によっても、発光素子の温度上昇を抑えると共に、流路を流れる流体への紫外線の照射効率を高めることができるものの、固定部２０ｂに装着された光源部２３は、他端面２０ｄ側から取り外すことはできない。そこで、光源部２３は、発光素子６、基板７、カバー部材８および封止部２０とともに、基体３の端面３ａ（図２参照）から一体に着脱可能な光源ユニットとして形成されると、流路内のメンテナンスや光源部２３の交換が容易になる。なお、このように基体３の端面３ａから着脱可能な構成は、第１および第２の実施形態に係る流体殺菌装置１、１Ａにおいても採用することができる。

上述したように、実施形態に係る流体殺菌装置１は、管状部材２と、基体３と、発光素子６、光源部２３とを具備する。管状部材２は、両端が開口し、内部に流体を流す。基体３は、管状部材２を収容する収容部４と、収容部４の一端４ａと連通する貫通口５とを有する。発光素子６は、収容部４の他端４ｂに対向して配置され、収容部４に紫外線を照射する。光源部２３は、発光素子６を挟んで収容部４に対向する固定面２３ｂから発光素子６を覆うように収容部４側に突出する周壁２３ａを有し、発光素子６を収容する。これにより、発光素子６の温度上昇を抑えると共に、流路を流れる流体への紫外線の照射効率を高めることができる。

また、実施形態に係る流体殺菌装置１は、封止部２０を具備する。封止部２０は、基体３の収容部４側の端面３ａに対向して配置され、流体を封止する。封止部２０は、光源部２３を固定する固定部２０ｂと、収容部４の他端４ｂに対向する対向面２０ｃとを有する。これにより、発光素子６の温度上昇を抑えることができる。

また、実施形態に係る封止部２０は、対向面２０ｃから収容部４側に突出する突出部２０１〜２０４を有する。これにより、発光素子６の温度上昇をさらに抑えると共に、流路を流れる流体への紫外線の照射効率をさらに高めることができる。

また、実施形態に係る光源部２３は、着脱可能に配置される。これにより、流路内のメンテナンスや光源部２３の交換作業が容易になる。

なお、上述した各実施形態では、基体３の外形が略円柱状として説明したが、これに限らず、例えば略直方体または略立方体であってもよい。

また、上述した各実施形態では、光源部２３は、全体が紫外線反射性を有する部材として説明したが、これに限らず、周壁２３ａが、例えば、石英ガラスなど、紫外線透過性を有する部材で構成されてもよい。かかる場合、周壁２３ａは、カバー部材８と一体に形成されてもよい。周壁２３ａが紫外線透過性を有すると、周壁２３ａを回り込むように流れる流体も殺菌することができ、流体殺菌装置１による殺菌性能が向上する。

また、上述した各実施形態では、流体は第１貫通口５側から供給されて第２貫通口１０側から排出されるとして説明したが、これに限らず、第２貫通口１０側から供給されて第１貫通口５側から排出される構成としてもよい。すなわち、第１貫通口５が下流側流路部材１９に接続され、第２貫通口１０が上流側流路部材１８に接続されてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１、１Ａ 流体殺菌装置
２ 管状部材
３ 基体
４ 収容部
５ 第１貫通口
６ 発光素子
９ 周壁
１０ 第２貫通口
２０ 封止部
２３ 光源部
２３ａ 周壁

Claims (4)

1. 両端が開口し、内部に流体を流すための管状部材と；
   前記管状部材を収容する収容部と、前記収容部の一端と連通する貫通口とを有する基体と；
   前記収容部の他端に対向して配置され、前記収容部に紫外線を照射する発光素子と；
   前記発光素子を挟んで前記収容部に対向する固定面から前記発光素子を覆うように前記収容部側に突出する周壁を有し、前記発光素子を収容する光源部と；
   を具備する、流体殺菌装置。
2. 前記基体の前記収容部側の端面に対向して配置され、前記流体を封止する封止部；
   を具備し、
   前記封止部は、前記光源部を固定する固定部と、前記収容部の他端に対向する対向面とを有する、請求項１に記載の流体殺菌装置。
3. 前記封止部は、前記対向面から前記収容部側に突出する突出部を有する、請求項２に記載の流体殺菌装置。
4. 前記光源部は、着脱可能に配置される、請求項１〜３のいずれか１つに記載の流体殺菌装置。

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