JP5374697B2 - 紫外線殺菌浄水装置とそれに使用する紫外線ｌｅｄユニット - Google Patents

Description

本発明は、被処理水中に含まれる細菌、藻類、および不純物などを紫外線の照射により殺菌・光分解して水質浄化する紫外線殺菌浄水装置及びそれに使用する紫外線ＬＥＤユニットに関する。

一般に水の殺菌方法としては塩素などによる薬剤殺菌、加熱殺菌、紫外線殺菌、オゾン殺菌などが知られているが、薬剤による弊害や環境意識の高まりから、紫外線殺菌が広く用いられるようになってきている。
紫外線を水中に照射しても薬剤のように残留するものがなく、ウイルスが不活化されるので、安全性において優れている。また、紫外線はウイルスのＤＮＡ又はＲＮＡを破壊すると言われ、薬剤殺菌と違い耐性菌を作らないという利点もある。

紫外線の殺菌効果に対する波長特性は、２６０ｎｍ付近に最大値を有しており、ＤＮＡの吸収スペクトルの最大吸収係数を示す波長に重なる。これは、ＤＮＡを構成するチミン分子が二量体を形成し、ＤＮＡの複製機能が失われ細菌や微生物の細胞が死滅すると言われている。
このため、この波長に近い２５４ｎｍの紫外線を効率的に放射する低圧水銀灯が殺菌等として広く製品化されている。
しかし、大型大出力の低圧水銀灯の寿命は比較的短く、１年余りでランプ交換が要求されるだけでなく、電源を含めて大型であるため小型軽量化しにくい。
また、管内にはアルゴンガスと水銀が封入されており、廃棄時にその処理が煩雑で面倒なだけでなく、水銀は環境汚染につながるなどの問題点がある。

このため、殺菌灯に代わって、近年、ＬＥＤを使用する紫外線殺菌装置の提案がなされている（特許文献１及び２参照）。
これは、水を貯留する容器内に紫外線ＬＥＤを配したものであり、その容器内に水を入れて紫外線ＬＥＤを点灯させることにより、水が紫外線被曝されて殺菌処理されるようになっている。

図５は、このような従来の紫外線殺菌浄水装置６１を示し、容器６２の内壁６３に紫外線ＬＥＤユニット６４…が配されている。
紫外線ＬＥＤユニット６４は、メタル缶ケース６５のベース６６にＬＥＤチップ６７が取り付けられてワイヤボンディングされている。そして、水接触面となるウィンドウ６８に石英ガラス（硬質ガラス）などの透光部材が嵌め付けられて缶ケース６５が気密シールされている。
この容器６２に殺菌処理しようとする水を入れ、紫外線ＬＥＤユニット５１を点灯させると、ＬＥＤチップ６７の発光面６９から照射された紫外線は、メタル缶ケース６５内の空気層Ｌ１、ウィンドウ６８となるガラス層Ｌ２を透過して水中に放射され、水が殺菌処理される。

ところで、このような紫外線 ＬＥＤユニット６４を用いて紫外線を照射する場合に、紫外線が夫々の媒質を透過する際に、媒質の屈折率差及びガラス層Ｌ２の光透過率に起因して損失を生じる。
各媒質の屈折率は、空気層Ｌ１が１.０、石英ガラスでなるガラス層Ｌ２が１.５、水が１.３３であるため、この屈折率差に起因して各境界面で紫外線の一部が反射されて損失が生じる。
この場合、空気層Ｌ１とガラス層Ｌ２の境界面及びガラス層Ｌ２と水の境界面の屈折率差に起因する直進光だけでも反射損失が５％程度あり、ＬＥＤチップ６４から拡がってガラス層Ｌ２に入射される紫外線の反射損失はもっと高くなることを考慮すると、水に照射される紫外線はＬＥＤチップ６４から照射された紫外線の反射損失は１０％程度に達することが推測される。

また、殺菌対象となる水は、波長５００ｎｍ付近に吸収の極小値を有し、紫外側・赤外側とも吸収係数が大きくなる。
紫外域では、波長２５４ｎｍの吸収係数が６.５×１０^−４（ｃｍ^−１）であり、５００ｎｍに向って吸収係数が小さくなるので、波長を紫外域で長波長側へシフトさせることにより水中での光吸収が少なくなるため、水中の細菌類や微生物との相互作用が効果的に起こることが期待できる。

特開２００１−２９２９０２号公報 特開２００２−２１９４５５号公報

そこで本発明は、紫外線ＬＥＤユニットを光源として水質浄化する場合に、ＬＥＤチップから水に達するまでの紫外線の損失を低減すると共に、水中での損失をも低減し、より効率よく水を殺菌できるようにすることを技術的課題としている。

この課題を解決するために、本発明は、水を溜める容器又は水を流す流路の内壁に、水に対して紫外線を照射する紫外線ＬＥＤユニットが配された紫外線殺菌浄水装置において、前記紫外線ＬＥＤユニットは、中心発光波長２７５±５ｎｍに選定されたＬＥＤチップがベース表面にマウントされると共に、前記ＬＥＤチップの発光面から水接触面となるウィンドウまで、屈折率が１.３１以上、１.３５以下の紫外線透過性アモルファスフッ素樹脂が充填されたことを特徴としている。
アモルファスフッ素樹脂の屈折率は、請求項２に記載されているように、水の屈折率に実質的に等しいことがより好ましい。
また、アモルファスフッ素樹脂は種類によって物性が異なり、例えば、可視光から紫外線まで高い透過性を有するものは金属への結合性がないため、ＬＥＤユニットに充填しても脱落しやすい。このような場合は、請求項３に記載されているように、紫外線透過性アモルファスフッ素樹脂が、金属に対し結合可能な官能基を有する結合性フッ素樹脂膜と、フッ素樹脂に対しては結合可能で、金属に対しては結合不能な官能基を有する非結合性フッ素樹脂の二層構造とするのが好ましい。

本発明によれば、ＬＥＤチップの発光面から水接触面となるウィンドウまで、水の屈折率（１.３３）に実質的に等しい屈折率（１.３１〜１.３５）のアモルファスフッ素樹脂が充填されている。
紫外線透過性アモルファスフッ素樹脂を充填することにより、ＬＥＤチップの発光面とフッ素樹脂との間に空気層が存在しないので、その間で反射損失が生じることがない。
また、紫外線透過性フッ素樹脂と水との間で最大０.０２の屈折率差を生ずるが、その境界面における屈折率差に起因する直進光の反射損失は僅か１０^−３％程度しかなく、０に等しい。
また、紫外線ＬＥＤユニットの中心発光波長が２７５±５ｎｍであり、殺菌効果は２６０ｎｍの殺菌効果に比して数％低下するものの、水中での光吸収分は４０％小さくなるので、２６０ｎｍの紫外線と同等又はそれ以上の殺菌効果が期待できる。

本発明に係る紫外線殺菌浄水装置の一構成例を示す説明図。 他の実施形態を示す説明図。 他の実施形態を示す説明図。 他の実施形態を示す説明図。 従来装置を示す説明図。

本例では、紫外線ＬＥＤユニットを光源として水質浄化する場合に、ＬＥＤチップから水に達するまでの紫外線の損失を低減すると共に、水中での損失をも低減し、より効率よく水を殺菌できるようにするという目的を達成するために、水を溜める容器又は水を流す流路の内壁に、水に対して紫外線を照射する紫外線ＬＥＤユニットが配された紫外線殺菌浄水装置において、前記紫外線ＬＥＤユニットは、中心発光波長２７５±５ｎｍに選定されたＬＥＤチップがベース表面にマウントされると共に、前記ＬＥＤチップの発光面から水接触面となるウィンドウまで、屈折率が１.３１以上、１.３５以下と、水の屈折率に実質的に等しい紫外線透過性アモルファスフッ素樹脂が充填されたことを特徴とする。

図１に示す紫外線殺菌浄水装置１は、旅行などに携帯可能なタイプで、水を溜めるコップ状の容器２の底面内側（内壁）２Ｂに、水に対して紫外線を照射する紫外線ＬＥＤユニット３が配されている。
紫外線ＬＥＤユニット３は、メタル缶ケース４のベース表面５に、中心発光波長２７５±５ｎｍに選定されたＬＥＤチップ６がマウントされると共に、当該ＬＥＤチップ６の発光面６ａから水接触面となるウィンドウ７まで、屈折率が１.３１以上、１.３５以下と、水の屈折率に実質的に等しい紫外線透過性アモルファスフッ素樹脂８が充填されている。
ＬＥＤチップ６の中心発光波長を２７５±５ｎｍとしたのは、発光波長が２８０ｎｍを超えると水中吸収率の低下による効率上昇より、殺菌効果の低下による効率低下が影響し、発光波長が２７０ｎｍ以下の場合は、殺菌効果の上昇による効率上昇より水中吸収率の上昇による効率低下の影響を受けるためである。
なお、本例では、中心発光波長が２７５ｎｍのＬＥＤチップ６を用いた。

この紫外線透過性アモルファスフッ素樹脂８としては、例えば、（Ｃ_６Ｆ_１０Ｏ）ｎ−Ｒ（Ｒは官能基）の非晶質フッ素樹脂サイトップ（旭硝子株式会社の商品名）が用いられており、金属に対し結合可能な官能基（−ＣＯＯＨ）を有する結合性フッ素樹脂８Ａの薄膜と、フッ素樹脂に対しては結合可能で、金属に対しては結合不能な官能基（−ＣＦ_３）を有する非結合性フッ素樹脂８Ｂの二層構造から成る。

紫外線透過性アモルファスフッ素樹脂８を二層構造としたのは以下の理由による。
すなわち、非結合性フッ素樹脂８Ｂの方が、結合性フッ素樹脂に比して紫外線透過性に優れているものの、金属結合性がないため、メタル缶ケース４に直接充填しても剥離脱落するおそれがある。
そこで、金属結合性を有する同種のフッ素樹脂８Ａをプライマとして使用することで、紫外線透過性に優れた非結合性フッ素樹脂８Ｂを固定できるようにしている。
なお、アモルファスフッ素樹脂８の屈折率は、いずれも１.３１以上、１.３５以下であり本例ではいずれの樹脂８Ａ及び８Ｂも屈折率１.３４のものが用いられている。

容器２は、水を入れる容器本体１１と、その底部に対して例えばバヨネット式に着脱可能に装着されるドライブユニット１２と、上面開口を塞ぐ蓋体１３を備えている。
容器本体１１は、その内面に陽極酸化法により鏡面状酸化チタン膜１４が形成されたチタン容器でなる。
酸化チタン膜は、紫外線が照射されたときに光触媒として機能し、浄化処理しようとする水に含まれる有機物を分解する。
また、底面２に設けられたＬＥＤユニット３が発熱すると、その熱がチタン製の容器本体から水に伝導されて、容器本体１１内の水が対流を生じて効率よく光触媒となる酸化チタン膜１４に接触される。

なお、容器本体１１の底部には、紫外線ＬＥＤユニット３を嵌め付けられる透孔１５が形成され、ＬＥＤユニット３を装着したときにウィインドウ６が底面内側２Ｂに面一に固定されるように設計されており、透孔１５とＬＥＤユニット３の隙間から水が漏れないようにパッキンリング１６が設けられている。

また、容器本体１１の底部外側にはＬＥＤユニット３に電源を供給するためにコネクタ１７が配され、先端にプラグ１８を取り付けた給電線１９を介して、ドライブユニット１２に接続されている。
ドライブユニット１２は、スイッチ２０をオンすることによりバッテリ２１から紫外線ＬＥＤユニット３に電源を供給する電源回路２２が内蔵されている。

以上が本発明の一構成例であって、次にその作用について説明する。
容器本体１１にドライブユニット１２をセットした状態で、蓋体１３を外して浄化処理しようとする水を入れ、必要に応じて蓋体１３をする。
ここでスイッチ２０をオンすると、紫外線ＬＥＤユニット３が点灯され、ＬＥＤチップから２７５ｎｍの紫外線が照射される。

ＬＥＤチップ６の発光面６ａから所定の広がり角度で発せられた紫外線は、結合性フッ素樹脂８Ａ及び非結合性フッ素樹脂８Ｂからなる紫外線透過性アモルファスフッ素樹脂８を透過して水中に放射される。
このとき、結合性フッ素樹脂８Ａは発光面６ａに密着されており、その間に空気層が形成されていないので、紫外線が結合性フッ素樹脂８Ａ薄膜に入射するときに反射損失を生じることがない。
また、結合性フッ素樹脂８Ａ及び非結合性フッ素樹脂８Ｂは、いずれも屈折率が１.３４と等しいので、その境界面を透過するときに反射損失を生じることもない。
さらに、非結合性フッ素樹脂８Ｂから水中に放射されるとき、その境界面で反射損失を生ずるが、その損失Ｒは下式で算出され、僅かに１.４×１０^−３％にすぎない。
Ｒ＝［（ｎ_１−ｎ_２）／（ｎ_１＋ｎ_２）］^２
ｎ_１：非結合性フッ素樹脂８Ｂの屈折率（１.３４）
ｎ_２：水の屈折率（１.３３）

ＬＥＤユニット３から照射される紫外線の波長は２７５ｎｍであり、２６０ｎｍよりは殺菌効果が低下するものの、水中での吸収が少ないため、２６０ｎｍの紫外線を照射したときと同等かそれ以上の殺菌効果が期待できる。
また、水中に拡がりながら放射された紫外線は、容器本体１１の内面に形成された鏡面状酸化チタン膜１４に次々反射されるので、容器本体１１内の広範囲にわたって照射されて殺菌効果が向上する。
しかも、容器本体１１の内面に形成された酸化チタン膜１４は光触媒として作用するので、水中に含まれる有機物を効率的に分解することができる。

図２は本発明の他の実施形態を示す。なお、図１との共通部分は同一符号を付して詳細は省略する。
本例の紫外線殺菌浄水装置３１は水を入れる容器が楕円ポット３２で形成され、当該楕円ポット３２は、楕円体をその短軸が通る面の近傍で、下半体３２Ａ及び上半体３２Ｂに上下二分割して形成され、各半体３２Ａ及び３２Ｂが互いに螺合され、あるいは、嵌め合わされて組み立てられるようになっている。
下半体３２Ａには紫外線ＬＥＤユニット３とそのドライブユニット（図示セズ）を内蔵した脚３３が形成され、上半体３２Ｂには水を出し入れするキャップ３４が形成されている。
なお、本例でも、楕円ポット３２の各半体３２Ａ及び３２Ｂはチタンで形成され、その内面に陽極酸化法により鏡面状酸化チタン膜３５が形成されている。

ＬＥＤユニット３は、実施例１と同じ構造のものが用いられており、メタル缶ケース４のベース表面５に、中心発光波長２７５ｎｍのＬＥＤチップ６がマウントされ、当該ＬＥＤチップ６の発光面６ａから水接触面となるウィンドウ７まで、結合性フッ素樹脂８Ａの薄膜及び非結合性フッ素樹脂８Ｂの二層構造の紫外線透過性アモルファスフッ素樹脂８が充填されている。

この紫外線殺菌浄化装置３１によれば、下半体３２Ａ及び上半体３２Ｂを組み立てた状態でキャップ３４を外し、水を入れた後に再びキャップ３４をしてＬＥＤユニット３を点灯させれば、紫外線が水中に放射される。
このとき、反射損失が少ない点では実施例１と同様であるが、本例では、容器が楕円ポット３２に形成されているので、鏡面状酸化チタン膜３５により楕円反射鏡が形成されることと成り、水中に拡がりながら放射された紫外線が繰り返し反射されて、ポット３２内に満遍なく照射され、極めて高効率で殺菌浄化することができる。
また、光触媒作用により有機物を分解する際も、酸化チタン膜の全域に光が照射されるので、高効率で分解浄化することができる。

図３はさらに他の実施形態を示し、本例の紫外線殺菌浄水装置４１は、直管状の金属パイプ４２で形成された水を流す流路の管端部内壁４３に、水に対して紫外線を照射する紫外線ＬＥＤユニット３が配されている。
紫外線ＬＥＤユニット３は、管端部４２ａ及び４２ｂの一方又は双方から対向する管端部に向けて配されており、本例では、双方の管端部４２ａ及び４２ｂに設けられている。
また、上流となる一方の管端部４２ａにはその側面に流入口４４inが形成され、下流となる他方の管端部４２ｂにはその側面に流出口４４outが形成されて成る。
そして、パイプ４２の内周面には、鏡面状酸化チタン膜４５が形成されている。

なお、ＬＥＤユニット３は、実施例１と同じ構造のものが用いられており、メタル缶ケース４のベース表面５に、中心発光波長２７５ｎｍのＬＥＤチップ６がマウントされ、当該ＬＥＤチップ６の発光面６ａから水接触面となるウィンドウ７まで、結合性フッ素樹脂８Ａの薄膜及び非結合性フッ素樹脂８Ｂの二層構造の紫外線透過性アモルファスフッ素樹脂８が充填されている。

本例によれば、パイプ４２に水を流しながら紫外線ＬＥＤユニット３を点灯させて紫外線を水中に照射するときの反射損失が少なく、また、パイプ４２の双方の管端部４２ａ及び４２ｂから水中に拡がりながら放射された紫外線はパイプ４２の内周面に形成された鏡面状酸化チタン膜４５で反射されてパイプ４２内にくまなく照射されるので、効率的に紫外線浄水処理を行うことができる。
また、パイプ４２内を水が流れることにより、水中の有機物が酸化チタン膜４５に触れれると、酸化チタン膜４５の光触媒作用により有機物が分解されて水質浄化される。

図４はさらに他の実施形態を示し、本例の紫外線殺菌浄水装置５１は、直管状の金属パイプ５２で形成された水を流す流路の内周面（内壁）５３に、水に対して紫外線を照射する複数の紫外線ＬＥＤユニット３…が配されている。
紫外線ＬＥＤユニット３は、内周面５３の周方向に所定間隔（例えば中心角９０°）で設けられると共に、パイプ５２の長手方向に沿って所定間隔で配されている。
また、上流となる一方の管端部５２ａにはその側面に流入口５４inが形成され、下流となる他方の管端部５２ｂにはその側面に流出口５４outが形成されて成る。
そして、パイプ５２の内周面には、鏡面状酸化チタン膜５５が形成されている。

なお、個々のＬＥＤユニット３は、実施例１と同じ構造のものが用いられており、メタル缶ケース４のベース表面５に、中心発光波長２７５ｎｍのＬＥＤチップ６がマウントされ、当該ＬＥＤチップ６の発光面６ａから水接触面となるウィンドウ７まで、結合性フッ素樹脂８Ａの薄膜及び非結合性フッ素樹脂８Ｂの二層構造の紫外線透過性アモルファスフッ素樹脂８が充填されている。

本例においても、パイプ５２に水を流しながら多数の紫外線ＬＥＤユニット３…を点灯させて紫外線を水中に照射するときの反射損失が少なく、また、水中に拡がりながら放射された紫外線はパイプ５２の内周面に形成された鏡面状酸化チタン膜５５で反射されてパイプ５２内にくまなく照射されるので、効率的に紫外線浄水処理を行うことができる。
特に本例では、多数の紫外線ＬＥＤユニット３…から同時に紫外線を照射させることができるため、その分、紫外線のエネルギー強度を高くなり、浄水能力を向上させることができる。
さらに、パイプ５２内を水が流れることにより、水中の有機物が酸化チタン膜５５に触れると、酸化チタン膜５５の光触媒作用により有機物が分解されて水質浄化される。

以上述べたように、本発明は、紫外線ＬＥＤ光源を用いた紫外線殺菌浄水装置の用途に適用することができる。

１ 紫外線殺菌浄水装置
２ 容器
２Ｂ 底面内側（内壁）
３ 紫外線ＬＥＤユニット
５ ベース表面
６ ＬＥＤチップ
６ａ 発光面
７ ウィンドウ
８ 紫外線透過性アモルファスフッ素樹脂
１１ 容器本体
１２ ドライブユニット
１４ 鏡面状酸化チタン膜

Claims (11)

1. 水を溜める容器又は水を流す流路の内壁に、水に対して紫外線を照射する紫外線ＬＥＤユニットが配された紫外線殺菌浄水装置において、
   前記紫外線ＬＥＤユニットは、中心発光波長２７５±５ｎｍに選定されたＬＥＤチップがベース表面にマウントされると共に、前記ＬＥＤチップの発光面から水接触面となるウィンドウまで、屈折率が１.３１以上、１.３５以下の紫外線透過性アモルファスフッ素樹脂が充填されたことを特徴とする紫外線殺菌浄水装置。
2. 前記アモルファスフッ素樹脂の屈折率が水の屈折率に実質的に等しい請求項１記載の紫外線殺菌浄水装置。
3. 前記紫外線透過性アモルファスフッ素樹脂が、金属に対し結合可能な官能基を有する結合性フッ素樹脂膜と、フッ素樹脂に対しては結合可能で、金属に対しては結合不能な官能基を有する非結合性フッ素樹脂の二層構造から成る請求項１又は２記載の紫外線殺菌浄水装置。
4. 前記容器が、その内面に、鏡面状酸化チタン膜を形成したチタン容器からなる請求項１乃至３いずれか記載の紫外線殺菌浄水装置。
5. 前記容器が水を入れる容器本体の底面に形成された開口部に紫外線ＬＥＤユニットが嵌め付けられると共に、当該容器本体の底部に紫外線ＬＥＤユニットに電源を供給する電源回路を形成したドライブユニットが着脱可能に装着された請求項１乃至４いずれか記載の紫外線殺菌浄水装置。
6. 前記流路が、所定長さの直管で形成され、前記紫外線ＬＥＤユニットが、管端部の一方又は双方から対向する管端部に向けて配され、上流となる一方の管端部にはその側面に流入口が形成され、下流となる他方の管端部にはその側面に流出口が形成されて成る請求項１乃至３いずれか記載の紫外線殺菌浄水装置。
7. 前記流路が、所定長さの直管で形成され、前記紫外線ＬＥＤユニットが管内壁に配されて成る請求項１乃至３いずれか記載の紫外線殺菌浄水装置。
8. 前記流路の内壁面に、鏡面状酸化チタン膜が形成されて成る請求項５又は６記載の紫外線殺菌浄水装置。
9. ＬＥＤチップの発光面から照射された紫外線を水接触面となるウィンドウから水中に放射する殺菌浄水用の紫外線ＬＥＤユニットにおいて、
   中心発光波長２７５±５ｎｍに選定されたＬＥＤチップがベース表面にマウントされると共に、前記ＬＥＤチップの発光面から水接触面となるウィンドウまで、屈折率が１.３１以上、１.３５以下の紫外線透過性アモルファスフッ素樹脂が充填されたことを特徴とする紫外線ＬＥＤユニット。
10. 前記アモルファスフッ素樹脂の屈折率が水の屈折率に実質的に等しい請求項９記載の紫外線ＬＥＤユニット。
11. 前記紫外線透過性アモルファスフッ素樹脂が、金属に対し結合可能な官能基を有する結合性フッ素樹脂膜と、フッ素樹脂に対しては結合可能で、金属に対しては結合不能な官能基を有する非結合性フッ素樹脂の二層構造から成る請求項９又は１０記載の紫外線ＬＥＤユニット。

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