JP2023100102A - 殺菌装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流体に紫外線を効果的に照射して殺菌できる殺菌装置を提供すること。【解決手段】殺菌装置は、流体に紫外線を照射して前記流体を殺菌処理する殺菌装置であって、前記流体を収容するための略球状の貯留部と、前記貯留部に開口し、前記貯留部内に前記流体を供給するための供給口と、前記貯留部に開口し、前記貯留部内の前記流体を取り出すための取出口と、前記貯留部内に紫外線を照射するための光源と、前記取出口の重心から前記貯留部の重心を通り延びる直線を直線Ｌ１としたときに、前記取出口の重心から延び、前記直線Ｌ１に対して１５°で傾く直線Ｌ２が直線Ｌ１を中心軸として回転したときの前記貯留部を取り囲む壁の内面との交点によって規定される領域内に配置された、流体の流れを整えるための整流凸部と、を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、流体に紫外線を照射して流体を殺菌処理する殺菌装置に関する。

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、流路内を流れる流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、紫外線を出射する半導体発光素子を含む光源と、殺菌対象の流体が軸方向に流れる流路を有する筐体と、を有する。上記光源は、筐体の軸方向の一端部に配置される。上記筐体は、上記一端部から他端部に向けて流路の断面積が徐々に大きくなるテーパ構造を有する。当該テーパ構造は、上記半導体発光素子の配向角に合わせた傾斜を有している。また、上記筐体の他端部に、流体の流れを整える整流手段が設けられている。

特許文献１では、筐体が半導体発光素子の配向角に合わせた傾斜を有するテーパ構造を有することにより、光源から遠い位置まで紫外線を到達させることができ、かつ、整流手段で流れを整えた流体に紫外線を照射することで、流体に万遍なく紫外線が照射されるので、殺菌効果を高めることができるとされている。

特開２０１９－９８０５５号公報

特許文献１に記載の殺菌装置には、流体に紫外線を効果的に照射する観点から改善の余地がある。

そこで、本発明の目的は、流体に紫外線を効果的に照射して殺菌できる殺菌装置を提供することである。

本発明の一実施の形態に係る殺菌装置は、流体に紫外線を照射して前記流体を殺菌処理する殺菌装置であって、前記流体を収容するための略球状の貯留部と、前記貯留部に開口し、前記貯留部内に前記流体を供給するための供給口と、前記貯留部に開口し、前記貯留部内の前記流体を取り出すための取出口と、前記貯留部内に紫外線を照射するための光源と、前記取出口の重心から前記貯留部の重心を通り延びる直線を直線Ｌ１としたときに、前記取出口の重心から延び、前記直線Ｌ１に対して１５°で傾く直線Ｌ２が直線Ｌ１を中心軸として回転したときの前記貯留部を取り囲む壁の内面との交点によって規定される領域内に配置された、流体の流れを整えるための整流凸部と、を有し、前記貯留部は、前記供給口における前記流体の流動方向において上流側に位置する略半球状の第１半貯留部と、下流側に位置する略半球状の第２半貯留部と、を含み、前記供給口は、前記第１半貯留部に開口し、前記取出口は、前記第２半貯留部に開口し、前記供給口において前記貯留部に接続される供給流路の内面の延在方向である第１方向に直交する第１仮想平面に前記供給口および前記取出口を投影したとき、前記供給口の重心と前記取出口の重心とは離間している。

本発明によれば、流体に紫外線を効果的に照射して殺菌できる殺菌装置を提供することができる。

図１は、実施の形態に係る殺菌装置の断面図である。 図２は、仮想平面に供給口、取出口および貯留部を投影したときの、供給口と取出口との位置関係を示す投影図である。 図３は、実施の形態に係る殺菌装置の貯留部内における流体の流れを示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係る殺菌装置について説明する。

（殺菌装置の構成）
図１は、本発明の一実施の形態に係る殺菌装置１００の構成を示す断面図である。この図では、ハッチングを省略している。

本実施の形態に係る殺菌装置１００は、流体に紫外線を照射して流体を殺菌処理する殺菌装置である。図１に示されるように、殺菌装置１００は、内壁部１１０と、窓１２０と、光源１３０とを有する。本実施の形態に係る殺菌装置１００は、上記の構成に加え、供給部１７０と、取出部１８０とをさらに有する。内壁部１１０は、図示しない外壁部（筐体）内に収容されている。

内壁部１１０は、貯留部２１０と、照射口２１５と、供給口２１６と、取出口２１７とを構成する。また、内壁部１１０の内面上には、整流凸部２１８が配置される。

貯留部２１０は、内壁部１１０の内部に配置された、流体を収容するための略球状の空間である。この後説明するように、本実施の形態では、貯留部２１０は、第１半貯留部２１１および第２半貯留部２１２により構成される。照射口２１５は、貯留部２１０に開口する凹部または貫通孔の開口部であり、凹部または貫通孔内にあるいは外部に配置された光源からの紫外線を貯留部２１０内に導くために設けられている。供給口２１６は、貯留部２１０および外部に開口する貫通孔の貯留部２１０側の開口部であり、貯留部２１０内に流体を供給するために設けられている。取出口２１７は、貯留部２１０および外部に開口する貫通孔の貯留部２１０側の開口部であり、貯留部２１０内の流体を取り出すために設けられている。

貯留部２１０の内径Ｗ１は、特に限定されない。貯留部２１０の内径Ｗ１は、例えば１０～６０ｍｍ程度である。貯留部２１０の内径Ｗ１を１０～６０ｍｍ程度にすることにより、光源１３０として１個のＵＶ－Ｃ ＬＥＤのみを用いた場合でも、内壁部１１０内の流体を十分に殺菌できる。

照射口２１５の内径は、貯留部２１０の内径Ｗ１の大きさに対して、２０～５０％の大きさであることが好ましい。照射口２１５の内径を大きくすることで、貯留部２１０の広い範囲に紫外線を直接照射できる。一方、照射口２１５の内径を小さくすることで、貯留部２１０の内面に占める紫外線反射面の割合を大きくすることができる。

供給口２１６の内径Ｗ２および取出口２１７の内径Ｗ３の大きさは、特に限定されないが、殺菌性能を維持しつつ流体の圧力損失を低減する観点からは、貯留部２１０の内径Ｗ１に対して、２５～４０％の範囲内が好ましい。供給口２１６の内径Ｗ２および取出口２１７の内径Ｗ３を大きくすることで、殺菌装置１００における流体の圧力損失を低減することができる。一方、供給口２１６の内径Ｗ２および取出口２１７の内径Ｗ３を小さくすることで、供給口２１６から供給された流体が貯留部２１０に留まる時間が長くなり、殺菌性能を向上させることができる。より具体的には、供給口２１６（供給流路２７０）の内径Ｗ２および取出口２１７（取出流路２８０）の内径Ｗ３の大きさは、例えば、貯留部２１０の内径Ｗ１に対して１０％以上であってもよい。

図２は、第１仮想平面に供給口２１６、取出口２１７および貯留部２１０を投影したときの、供給口２１６と取出口２１７との位置関係を示す投影図である。図２に示されるように、供給口２１６において貯留部２１０に接続される供給流路２７０の内面の延在方向（図１における矢印Ａ方向（第１方向））に直交する第１仮想平面に供給口２１６、取出口２１７および貯留部２１０を投影したとき、供給口２１６の重心と取出口２１７の重心とが離間するように、供給口２１６および取出口２１７は配置されている。さらに、本実施の形態では、上記のように投影したときに、供給口２１６と取出口２１７とが離間するように、供給口２１６および取出口２１７は配置されている。このように供給口２１６および取出口２１７を配置した場合、図３に示されるように、供給口２１６から貯留部２１０内に供給された流体は、取出口２１７に直線的に向かうことなく、貯留部２１０内を何度も旋回した上で取出口２１７に到達する。また、この後説明する整流凸部２１８は、この旋回を安定させる。したがって、流体は、十分な量の紫外線を照射され、十分に殺菌された上で取出口２１７に到達する。なお、本実施の形態では、上記のように投影したときに、窓１２０（光源１３０）は、供給口２１６および取出口２１７と重ならないように配置されている。

また、本実施の形態では、図２に示すように、上記仮想平面に供給口２１６、取出口２１７および貯留部２１０を投影したとき、供給口２１６の重心および貯留部２１０の重心を結ぶ直線と、取出口２１７の重心および貯留部２１０の重心を結ぶ直線とのなす角度αは、７５～１６５°の範囲内であることが好ましく、９０°～１６５°の範囲内であることがより好ましく、１２０～１５０°の範囲内であることがより好ましい。角度αを上記の範囲内とすることで、十分な殺菌性能を維持しつつ流体の圧力損失をより低減することができる。ここで２つの直線がなす角度とは、２つの直線がなす２つの角度のうち小さい方の角度を意味する。

内壁部１１０は、１つの部材で構成されていてもよいし、複数の部材で構成されていてもよい。本実施の形態では、内壁部１１０は、第１内壁部１１１と、第２内壁部１１２との２部材で構成されている。第１内壁部１１１および第２内壁部１１２は、図示しない外壁部（筐体）内に互いに離間しないように収容されている。

第１内壁部１１１は、供給口２１６と、供給口２１６における流体の流動方向（図１に示される矢印Ａ方向）において上流側に位置する略半球状の第１半貯留部２１１とを構成する。供給口２１６には、供給流路２７０が接続されている。

第２内壁部１１２は、取出口２１７と、照射口２１５と、供給口２１６における流体の流動方向（図１における矢印Ａ方向）において下流側に位置する略半球状の第２半貯留部２１２とを構成する。取出口２１７には、取出流路２８０が接続されている。照射口２１５は、窓１２０により覆われており、光源１３０から出射された紫外線が通過する。

なお、上記では供給口２１６は第１内壁部１１１に存在し、取出口２１７は第２内壁部１１２に存在するように説明したが、供給口２１６、取出口２１７の態様はこれに限定されない。供給口２１６は、第１内壁部１１１および第２内壁部１１２に亘って存在するように構成されてもよいし、取出口２１７は、第２内壁部１１２および第１内壁部１１１に亘って存在するように構成されてもよい。すなわち、供給口２１６は、第１半貯留部２１１および第２半貯留部２１２に亘って開口し、取出口２１７は第２半貯留部２１２および第１半貯留部２１１に亘って開口してもよい。

内壁部１１０は、流れる流体の圧力によって変形または破損しない部材で形成されている。内壁部１１０の材料の例には、アルミニウムなどの金属、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの樹脂が含まれる。また、内壁部１１０内の流体に対して効率よく紫外線を照射する観点から、内壁部１１０の内面は、光源１３０から照射される紫外線の反射率が８０％以上である紫外線反射面を含むことが好ましい。紫外線反射面の材料の例には、紫外線に対して高い反射率を有するアルミニウム、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が含まれる。また、紫外線反射面は、内壁部１１０の内面に紫外線反射塗料を塗布することや紫外線反射膜を形成することで構成されてもよい。本実施の形態では、内壁部１１０（第１内壁部１１１および第２内壁部１１２）の材料は、いずれもＰＴＦＥである。

窓１２０は、照射口２１５を覆うように配置されている。窓１２０の形状は、光源１３０から出射された紫外線を貯留部２１０に透過させることができれば、特に限定されない。窓１２０の形状は、平板状でもよいし、貯留部２１０の内面に合わせた形状でもよい。窓１２０の大きさは、照射口２１５を完全に塞げれば特に限定されない。

窓１２０の材料は、紫外線を透過させることができ、かつ必要な強度を有していれば、特に限定されない。殺菌性能を向上させる観点からは、窓１２０の材料は、波長２００ｎｍ以上３５０ｎｍ以下の紫外線を透過させる材料であることが好ましく、２００ｎｍ以上２８０ｎｍ以下の紫外線を透過させる材料であることがより好ましい。窓１２０の材料の例には、石英（ＳｉＯ_２）、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）および非晶質のフッ素系樹脂などが含まれる。

光源１３０は、貯留部２１０の流体に紫外線を照射する。光源１３０は、貯留部２１０の流体に直接紫外線を照射してもよいし、窓１２０などの他の部材を介して貯留部２１０の流体に紫外線を照射してもよい。本実施の形態では、光源１３０は、内壁部１１０（第２内壁部１１２）に固定されており、窓１２０を通して貯留部２１０に紫外線を照射する。光源１３０の種類は、紫外線を出射できれば特に限定されない。光源１３０の例には、発光ダイオード（ＬＥＤ）、水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ、レーザーダイオード（ＬＤ）が含まれる。本実施の形態では、光源１３０は、発光ダイオード（ＬＥＤ）である。光源１３０が出射する紫外線の波長は、特に限定されない。光源１３０が出射する紫外線の波長は、効果的に殺菌する観点から、２００ｎｍ以上３５０ｎｍ以下が好ましく、２００ｎｍ以上２８０ｎｍ以下がより好ましい。すなわち、光源１３０から出射される紫外線は、紫外線Ｃ波（ＵＶＣ）が好ましい。市販されている光源１３０の例には、ピーク波長が２８０ｎｍの紫外線発光ダイオードであるＮＣＳＵ３３４Ａ（日亜化学工業株式会社）が含まれる。また、ピーク波長が２８０ｎｍの紫外線発光ダイオードの他の例には、ＫＬＡＲＡＮ（旭化成株式会社）、ＺＥＵ１１０ＢＥＡＥ（スタンレー電気株式会社）が含まれる。

なお、上記では光源１３０が、第２半貯留部２１２側に配置されている態様を説明したが、本発明の殺菌装置はこの態様に限定されない。光源１３０は、第１半貯留部２１１側に配置されていてもよい。

光源１３０は、その光軸が、貯留部２１０の重心と、取出口２１７（より正確には貯留部２１０への取出口２１７の開口部）の重心とを結ぶ直線に対して交わるように配置されることが好ましい。このように光源１３０が配置されることで、流体に効率的に紫外線を照射することができる。

整流凸部２１８は、貯留部２１０を取り囲む壁の内面から突出する凸部であり、上記の様な流体の旋回を安定させる。流体の旋回が安定することで、流体の貯留部内での滞留時間が長くなり、効果的に殺菌できるようになる。

図１および図３に示されるように、整流凸部２１８は、貯留部２１０を取り囲む壁の内面のうち、直線Ｌ１（旋回の中心軸）の延長線との交点の近傍の領域２１８’内に配置され、流体の流れを整える。具体的には、領域２１８’は、取出口２１７の重心から貯留部２１０の重心を通り延びる直線を直線Ｌ１とした場合、取出口２１７の重心から延び、直線Ｌ１に対し１５°で傾く直線Ｌ２が直線Ｌ１を中心軸として回転したときの貯留部２１０を取り囲む壁の内面との交点によって規定される領域である。

整流凸部２１８の形状は、回転対称体であることが好ましく、円対称体であることがさらに好ましい。本実施の形態において、整流凸部２１８は円錐である。整流凸部２１８が回転対称体である場合、整流凸部２１８は、その対称軸と直線Ｌ１とが略平行になるように、領域２１８’内に配置されることが好ましい。

整流凸部２１８の高さは、特に制限されないが、貯留部２１０の直径（内径）の５％以上であることが好ましく、１０％以上であることがさらに好ましく、１５％以上であることがさらに好ましい。整流凸部２１８の高さの上限は、特に限定されないが、整流凸部２１８の高さは、例えば、貯留部２１０の直径（内径）の２５％以下であればよい。

表１は、整流凸部２１８の高さと、供給口２１６と取出口２１７との角度α（図２参照）と、流体の紫外線受光量との関係のシミュレーション結果を示す。

具体的には、実施例１は、整流凸部２１８の高さを２．５ｍｍとして、図２に示される角度αを変化させたときの殺菌装置における流体の紫外線受光量を示している。同様に、実施例２、３は、それぞれ整流凸部２１８の高さを５ｍｍ、８ｍｍとして、図２に示される角度αを変化させたときの流体の紫外線受光量を示している。なお、比較例は、整流凸部２１８がない殺菌装置における紫外線受光量を示している。

なお、実施例および比較例において、整流凸部２１８の形状は円錐形状とし、貯留部２１０の直径（内径）は４０ｍｍとし、流速は供給部１７０において８Ｌ／ｍｉｎとした。また、整流凸部２１８は、直線Ｌ１と貯留部２１０を取り囲む壁の内面との交点上に配置した。

表１からわかるように、整流凸部２１８を有する実施例１～３は、各角度αにおいて、整流凸部２１８を有さない比較例よりも紫外線受光量が多くなった。また、整流凸部２１８は、大きい方が、紫外線受光量が多くなった。

次に、上記の貯留部２１０に流体を供給するための供給部１７０と、貯留部２１０から流体を取り出すための取出部１８０について説明する。

供給部１７０は、内壁部１１０内の貯留部２１０内に流体を供給する。供給部１７０は、供給流路２７０を有する。供給流路２７０の一方の端部は、内壁部１１０の供給口２１６に接続しており、他方の端部は、図外の流体供給装置に接続されている。供給流路２７０は、貯留部２１０内に貯留部２１０の壁に沿って滑らかに流体を供給できるように配置されていることが好ましい。本実施の形態では、供給口２１６における流体の流動方向（図１における矢印Ａ方向）に沿い、かつ貯留部２１０の重心を含む断面における、供給流路２７０の内面と貯留部２１０の内面との第１接続部において、供給流路２７０の内面の一部は、第１接続部２７１における貯留部２１０の内面の接線と一致するように、貯留部２１０の内面と滑らかに連続して配置されている。

取出部１８０は、内壁部１１０内の貯留部２１０内の殺菌された流体を取り出す。取出部１８０は、取出流路２８０を構成する。取出流路２８０の一方の端部は、内壁部１１０の取出口２１７に接続しており、他方の端部は、図外の流体取出装置に接続されている。取出部１８０は、貯留部２１０（第２半貯留部２１２）において、光源１３０から出射された紫外線が直接到達しない位置に配置されていることが好ましい。取出流路２８０は、貯留部２１０から貯留部２１０の壁に沿って滑らかに流体を取り出せるように配置されていることが好ましい。

（殺菌装置の使用方法）
次に、本実施の形態に係る殺菌装置１００の使用方法について説明する。

光源１３０から紫外線を出射させた状態で、殺菌対象の流体（例えば水）を供給口２１６から貯留部２１０内に導入するとともに、貯留部２１０内の流体を取出口２１７から取り出す。このとき、供給口２１６（供給流路２７０）側を加圧して流体を移動させてもよいし、取出口２１７（取出流路２８０）側を減圧して流体を移動させてもよい。前述のとおり、本実施の形態に係る殺菌装置１００では、貯留部２１０の形状を略球状とし、かつ供給口２１６および取出口２１７を所定の条件を満たすように配置したため、殺菌対象の流体は、貯留部２１０内を旋回する。流体の旋回は整流凸部２１８によって安定する。

（効果）
以上のように、本実施の形態に係る殺菌装置１００は、整流凸部２１８を有するため、流体を効果的に殺菌することができる。

本実施の形態に係る殺菌装置は、例えば、浄水や農業用水、食品用洗浄水、各種洗浄水、浴場の水、プールの水などの殺菌において有用である。

１００ 殺菌装置
１１０ 内壁部
１１１ 第１内壁部
１１２ 第２内壁部
１２０ 窓
１３０ 光源
１７０ 供給部
１８０ 取出部
２１０ 貯留部
２１１ 第１半貯留部
２１２ 第２半貯留部
２１５ 照射口
２１６ 供給口
２１７ 取出口
２１８ 整流凸部
２１８’ 領域
２７０ 供給流路
２７１ 第１接続部
２８０ 取出流路

Claims (4)

1. 流体に紫外線を照射して前記流体を殺菌処理する殺菌装置であって、
   前記流体を収容するための略球状の貯留部と、
   前記貯留部に開口し、前記貯留部内に前記流体を供給するための供給口と、
   前記貯留部に開口し、前記貯留部内の前記流体を取り出すための取出口と、
   前記貯留部内に紫外線を照射するための光源と、
   前記取出口の重心から前記貯留部の重心を通り延びる直線を直線Ｌ１としたときに、前記取出口の重心から延び、前記直線Ｌ１に対して１５°で傾く直線Ｌ２が直線Ｌ１を中心軸として回転したときの前記貯留部を取り囲む壁の内面との交点によって規定される領域内に配置された、流体の流れを整えるための整流凸部と、
   を有し、
   前記貯留部は、前記供給口における前記流体の流動方向において上流側に位置する略半球状の第１半貯留部と、下流側に位置する略半球状の第２半貯留部と、を含み、
   前記供給口は、前記第１半貯留部に開口し、
   前記取出口は、前記第２半貯留部に開口し、
   前記供給口において前記貯留部に接続される供給流路の内面の延在方向である第１方向に直交する第１仮想平面に前記供給口および前記取出口を投影したとき、前記供給口の重心と前記取出口の重心とは離間している、
   殺菌装置。
2. 前記整流凸部は回転対称体である、請求項１に記載の殺菌装置。
3. 前記整流凸部の高さは、前記貯留部の直径の５％～２５％である、請求項１または２に記載の殺菌装置。
4. 前記第１仮想平面に前記供給口、前記取出口および前記貯留部を投影したとき、前記供給口の重心および前記貯留部の重心を結ぶ直線と、前記取出口の重心および前記貯留部の重心を結ぶ直線とのなす角度は、７５～１６５°の範囲内である、請求項１～３のいずれか一項に記載の殺菌装置。