JP5537871B2 - 紫外線照射装置 - Google Patents

Description

本発明は紫外線照射装置に関し、特に紫外線ランプが内挿された保護管を備えた紫外線照射装置に関する。

従来、紫外線を水等の被処理水に照射して被処理水中の微生物の殺滅、有機物の酸化分解、その他の有毒物質の分解などを行う紫外線照射装置が知られている。この紫外線照射装置の具体例としては、例えば特許文献１，特許文献２，特許文献３が知られている。

特許文献１は、紫外線ランプと、この紫外線ランプが挿入された紫外線透過性のガラス管と、このガラス管を被覆するふっ素樹脂膜と、ガラス管とふっ素樹脂膜と接合する，前記ガラス管を構成する分子と前記ふっ素樹脂膜を構成する分子とが化学結合した化学結合層とを備えた紫外線照射装置を開示している。

特許文献２は、光照射ランプを内蔵した投光管を処理筒内に挿填して、液体中の細菌の殺菌等の光照射を行う際に投光管の外部に設けた回転ネジ軸を正転及び逆転させて、回転ネジ軸に螺動可能に装填しているクリーニング体を投光管に沿って反復移動させて、投光管に付着するスケールを剥離等する光照射装置であり、投光管にふっ素樹脂又はふっ素膜が被覆されている光照射装置を開示している。

特許文献３は、殺菌ランプを使用して水の殺菌を行う装置において、紫外線透過ガラスと水とが接触するガラス表面を紫外線透過性防汚塗料でコーティングすることを特徴とする紫外線殺菌装置を開示している。

特開２００４−２４９２３９号公報 特開平１０−２４９３３４号公報 特開平２−２１８４９１号公報

しかしながら、上述した装置では、ガラス管又は投光管の外表面に被処理液の微生物、有機物質等のその他の汚物が付着すると、紫外線の照射が妨げられるため、所望の能力が得られないという課題があった。そこで、こうした課題を解決するためにガラス管又は投光管にふっ素樹脂チューブを被覆する方法が試みられている。しかし、この場合、ガラス管の内面，ガラス管の外面，ふっ素樹脂チューブの内面及びふっ素樹脂チューブの外面の４つの境界面が存在することになるため、正反射が増加することになり、紫外線の照射量が大幅に低下するという新たな課題があった。

本発明はこうした事情を考慮してなされたもので、ふっ素樹脂膜と接する保護管の内面及び外面の少なくともいずれか一方の面に凹凸面を形成することにより、紫外線の照射量の低下を抑制しつつ、被処理液の微生物の殺滅、有機物の酸化分解、その他の有毒物質の分解などをなし得る紫外線照射装置を提供することを目的とする。

本発明に係る紫外線照射装置は、被処理液の流入口及び流出口が設けられた容器と、この容器内に配置され，石英ガラス製の保護管と、この保護管内に挿入された紫外線ランプと、前記保護管の内面，外面の少なくともいずれか一方に被覆されたふっ素樹脂膜とを具備し、前記ふっ素樹脂膜と接する前記保護管の面が十点平均粗さが１５．３μｍ以上２３．２μｍ以下に粗面化処理された凹凸面であることを特徴とする。

本発明によれば、紫外線の照射量の低下を抑制しつつ、被処理液の微生物の殺滅、有機物の酸化分解、その他の有毒物質の分解などをなし得る紫外線照射装置を提供できる。

図１は、本発明の実施形態に係る紫外線照射装置の全体を示す概略図である。 図２は、図１の要部を部分的に拡大して示す断面図である。 図３は、本発明にかかる紫外線照射装置及び比較品である紫外線照射装置を用いて通水による水中残留塩素の分解試験を行う場合の試験装置の概略説明図である。 図４は、図３の試験装置による理論装置内滞留時間の特性図である。 図５は、石英製ガラス層とふっ素樹脂層との界面における反射光と拡散透過光との関係を示す説明図である。 図６は、石英製ガラス層に形成された凹凸面の凸部の山が小さい場合及び大きい場合において紫外線による拡散透過光の状態を示す説明図である。 図７は、図６（Ｂ）の部分拡大図である。 図８は、石英製ガラス層に形成された凹凸面の筒部の山の角度が広い場合の紫外線による反射光と拡散透過光の状態を示す説明図である。

以下、本発明の紫外線照射装置について更に詳しく説明する。
(1) 本発明に係る紫外線照射装置は、上述したように、容器と、紫外線透過性を有する保護管と、この保護管内の紫外線ランプと、保護管の内面，外面の少なくともいずれか一方に被覆されたふっ素樹脂膜とを具備し、ふっ素樹脂膜と接する前記保護管の面が凹凸面であることを特徴とする。

(2) 上記（１）の紫外線照射装置において、保護管の凹凸面が十点平均粗さ２３．２μｍ以下に粗面化処理されていることが好ましい。これにより、紫外線ランプから照射された紫外線が保護管とふっ素樹脂膜との境界での紫外線透過の減少を抑制することができる。なお、凹凸面が十点平均粗さ２３．２μｍを超えると、紫外線透過の減少を十分抑制することができない。

(3) 上記（２）の凹凸面は、例えばサンドブラスト処理，ケミカルエッチング処理，プラズマ処理旋盤による切削加工のいずれかにより形成することができる。ここで、サンドブラスト処理とは、アルミナを圧搾空気によって散布することによって施される。ケミカルエッチング処理は、フッ化アンモニウムを塗布して表面を腐食させることによって施される。プラズマ処理は、プラズマ中で発生するイオン，ラジカルなどによってエッチングすることにより施される。

ここで、保護管とふっ素樹脂膜の界面での光の正反射及び拡散透過光について、図５、図６（Ａ），（Ｂ）、図７及び図８を参照して説明する。なお、図７は図６（Ｂ）を拡大して示す説明図である。図５に示すように、一般に、紫外線１が保護管（石英ガラス層）２とふっ素樹脂層３の界面Ｓに達すると、反射光４は正反射し、拡散透過光５は外側に向って拡散する。この場合、反射光４は正反射によって紫外線ランプに戻ることによる損失が大きい。

図６（Ａ），（Ｂ）の場合は、夫々凹凸面の表面粗さが粗い場合（前者），細かい場合（後者）を示す。前者の場合、石英ガラス層２とふっ素樹脂層３との界面Ｓにおける反射光６は、ガラス層の先端に向って反射を繰り返すため、ランプ側に戻る損失分は無い。しかし、石英ガラス層２の凹凸が大きいため、反射回数が多くなって光路長が長くなるため、石英ガラス層２による吸収損失分がある。

一方、後者の場合、前者と同様にランプ側に戻る損失分は無いが、石英ガラス層２の凹凸が図６（Ｂ）及び図７に示すように小さく幅も狭いため、反射回数が少なくなって光路長が短くなるため、石英ガラス層２による吸収損失分も小さい。具体的には、全反射、又は正反射と拡散透過の複合のいずれの場合も、石英ガラスの凹凸の山の先端に向って反射を繰り返し、先端に近づくにつれて反射光６の入射角が小さくなる。従って、いずれ正反射と拡散透過の複合となり、反射回数が多いことによって拡散透過光の総和量が増える。

なお、図８のように、石英ガラス層２の凹凸の凸部の先端角度が広い場合、比較的少ない反射回数でランプ方向へと反射してしまうため、十分な拡散透過光の総和量を得ることができない（即ち、反射損失が大きくなる）。
図５〜図８より石英ガラス層に形成される凹凸面は、凹凸面の凸部の角度が鋭角でかつ高さが低い方が好ましい。具体的には、上記（２）のように、凹凸面が十点平均粗さ２３．２μｍ以下に粗面化処理されていることが好ましい。

(4) 上記（１）において、保護管は石英ガラス製であり、ふっ素樹脂膜は四ふっ化エチレン−六ふっ化プロピレン共重合樹脂製であることが好ましい。これにより、例えば被処理液が水を主体とする流体である場合、水に接する媒質の屈折率を水に比較的近づけることができる。従って、水の境界面における臨界角を大きくできるので、その分だけ大きな入射角で紫外線を照射、つまり広い範囲で紫外線を照射できるから紫外線照射量を増やすことができる。
(5) 上記（１）において、ふっ素樹脂膜の結晶化度は４０〜５０％であることが好ましい。ここで、結晶化度がこれ以上大きいと、成膜性が悪くなる。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、本実施形態は下記に述べることに限定されない。
（実施形態）
本発明に係る紫外線照射装置について図１及び図２（Ａ），（Ｂ）を参照して説明する。ここで、図１は本発明の実施形態に係る紫外線照射装置の全体を示す概略図である。図２は図１の要部を部分的に拡大して示す断面図であり、図２（Ａ）は図１の横断面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）の保護管及びふっ素樹脂膜の境界部を拡大して示す断面図である。

図中の符番１１は筒状体であり、底板１２及び上板１３と共に円筒状容器１４を構成している。筒状体１１の下部には被処理液例えば水の流入口１５が設けられ、筒状体１１の上部には水の流出口１６が設けられている。円筒状容器１１内には、該容器１１の軸方向に沿って紫外線を透過する石英製の保護管１７が配置されている。保護管１７は、底板１２及び上板１３を貫通するように配置されている。

保護管１７の外側の面は、サンドブラスト処理により図２（Ｂ）に示すように凹凸面１８が形成されている。保護管１７の凹凸面１８には、ふっ素樹脂膜としての厚さ１５０μｍの四ふっ化エチレン−六ふっ化プロピレン共重合樹脂（ＦＥＰ）膜１９が被覆されている。保護管１７内には、紫外線ランプ２０が挿入されている。この紫外線ランプ２０と図示しない電源とはケーブル２１により接続されている。前記円筒状容器１１の上部にはカバー２２が取付けられている。なお、紫外線ランプ２０からの紫外線が保護管１７とＦＥＰ膜１９との境界に達すると、図２（Ａ）のように、内側に向って正反射光２３が発生するとともに外側に向って拡散透過光２４が放射される。

上述したように、本実施形態に係る紫外線照射装置は、円筒状容器１４と、紫外線透過性を有する石英製の保護管１７と、この保護管１７内の紫外線ランプ２０と、保護管１７の外面に被覆されたＦＥＰ膜１９とを具備し、ＦＥＰ膜１９と接する保護管１７の外面がサンドブラスト処理で十点平均粗さ２３．２μｍ以下の凹凸面１８である構成となっている。従って、保護管１７とＦＥＰ膜１９の境界での紫外線ランプ２０からの紫外線の反射光は、凹凸面１８の先端に向って反射を繰り返すため、先端に近づくにつれた反射光の入射角が小さくなり、いずれ正反射と拡散透過の複合となり、反射回数が多いことによって拡散透過光２３の総和量が増える。

この理由は以下に述べるとおりである。即ち、ブラストスリーブの紫外線透過率は拡散透過光を含んでいるため、紫外線照度計による光学的測定では正確に測定することができない。そこで、水道水中の残留塩素分解率から紫外線透過率を算出した。水道水中の残留塩素の紫外線による分解反応は、一次反応速度式に従い、下記式（１）で表すことができる。
−（ｄＣ／ｄｔ）＝φ×ε×Ｃ×反応槽内平均紫外線照度 …（１）
但し、φは残留塩素の量子収率、εは残留塩素のモル吸光係数、Ｃは処理水の残留塩素濃度である。

紫外線透過率９５％程度における残留塩素分解試験では、反応槽内平均紫外線照度は照射時間によらず、ほぼ一定とみなすことができるため、式（１）を積分した下記式（２）で表すことができる。
−ｌｏｇ（Ｃ／Ｃ_０）＝φ×ε×反応槽内平均紫外線照度×平均滞留時間 …（２）
但し、Ｃ_０は原水の残留塩素濃度を示す。

図４は、横軸の装置内平均滞留時間に対して縦軸に−ｌｏｇ（Ｃ／Ｃ_０）をプロットしたものであり、反応速度定数ｋは直線の勾配として得られる。また、式（２）より反応速度定数ｋは、下記式（３）と表すことができる。
反応速度定数ｋ［ｓｅｃ^−１］＝φ×ε×反応槽内平均紫外線照度 …（３）
なお、φ及びεは水質によって一定であり、ブラストスリーブの拡散光を含めた透過率が大きいほど反応槽内平均紫外線照度も大きくなるため、反応速度定数の比は各ブラストスリーブの紫外線透過率の比と一致する。分解試験は、図３の概略的なフロー図に沿って行う。また、上記残留塩素分解率は、ＦＥＰをコーティングしたランプスリーブ（φ３０ｍｍ×長さ１０５０ｍｍ，両切）を用いて、紫外線透過性を塩素分解試験により確認した。

即ち、紫外線照射装置（ＵＥＸ−２）にＦＥＰコーティングランプスリーブと、未コーティングスランプスリーブの夫々を装着させ、通水による水中残留塩素の分解試験を行った。図３において、タンク３１には、ポンプ３２，流量計３３及び紫外線照射装置３４が順次接続された構成となっている。このとき、紫外線ランプは１本のみの点灯とし、もう１本のスリーブには空間紫外線強度計を設置し、試験中の紫外線出力に異常がないことを確認した。空間紫外線強度計を設置するスリーブは未コーティング品とした。また、残留塩素の分解速度は水質によって異なるため、３ｍ^３タンク満水に水道水を溜め、ＦＥＰコーティングランプスリーブと、未コーティングランプスリーブを用いた試験を同じタンクの水で実施した。試験条件は、使用装置：紫外線照射装置（千代田工販（株）製の商品名：ＵＥＸ−２）（ランプ１本点灯），使用ランプ：ＦＤ−１０．ｓｃ（商品名），使用安定器：千代田工販（株）製のＵＢＥ２１００（商品名），流量：１０〜１８ｍ^３／ｈ（各試験につき３流量），水温：２６℃とした。

図４は、各スリーブにおける理論装置内平均滞留時間と−ｌｏｇ（Ｃ／Ｃ_０）（但し、Ｃ：流出口の残留塩素濃度、Ｃ_０は流入口の残留塩素濃度との関係を示す特性図である。図４において、直線ａは未コーティングランプスリーブの場合を示す。直線ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆは、夫々ＦＥＰコーティングランプスリーブでかつサンドブラスト処理後の表面粗さが十点平均粗さで２４．６μｍ、２３．２μｍ、１７．１μｍ、１６．４μｍ、１５．３μｍの場合を示す。

事実、未処理（保護管の表面の処理なし）及びサンドブラスト処理した場合（十点平均粗さ：２４．６μｍ、２３．２μｍ、１７．１μｍ、１６．４μｍ、１５．３μｍ）の表面粗さ、ＦＥＰ膜の膜厚、残留塩素分解率、残留塩素分解反応速度定数、紫外線出力比、汚物付着性、及び殺菌効果について調べたところ、下記表１に示す結果が得られた。

表１より、保護管の外径表面サンドブラストをしない（未処理）の場合は、汚物付着性が不良であった。また、十点平均粗さ：２４．６μｍでは、未処理の場合と比較して、残留塩素分解率、紫外線出力比、及び殺菌効果の点で未処理の場合と同じであるが、汚物付着性は良好な結果が得られた。しかし、十点平均粗さ：２３．２μｍ以下の場合は、十点平均粗さが小さくなるにしたがって、残留塩素分解率、残留塩素分解反応速度定数、紫外線出力比、及び殺菌効果（ｌｏｇ生残率）が大きくなり、かつ汚物付着性も良好な結果が得られた。

なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態では、保護管の外面に凹凸面を形成したが、保護管の内面に凹凸面を形成しても良いし、保護管の外面及び内面の両方に凹凸面を形成してもよい。また、ＦＥＰ膜の厚みも１５０μｍに限らない。更に、凹凸面の形成もブラスト処理に限らない。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
被処理液の流入口及び流出口が設けられた容器と、この容器内に配置され，紫外線透過性を有する保護管と、この保護管内の挿入された紫外線ランプと、前記保護管の内面，外面の少なくともいずれか一方に被覆されたふっ素樹脂膜とを具備し、
前記ふっ素樹脂膜と接する前記保護管の面が凹凸面であることを特徴とする紫外線照射装置。

１１…筒状体、１２…底板、１３…上板、１４…円筒状容器、１５…流入口、１６…流出口、１７…保護管、１９…四ふっ化エチレン−六ふっ化プロピレン共重合樹脂（ＦＥＰ）膜、２０…紫外線ランプ、２２…カバー、２３…正反射光、２４…拡散透過光、３１…タンク、３２…ポンプ、３３…流量計、３４…紫外線照射装置。

Claims (3)

1. 被処理液の流入口及び流出口が設けられた容器と、この容器内に配置され，石英ガラス製の保護管と、この保護管内に挿入された紫外線ランプと、前記保護管の内面，外面の少なくともいずれか一方に被覆されたふっ素樹脂膜とを具備し、
   前記ふっ素樹脂膜と接する前記保護管の面が十点平均粗さが１５．３μｍ以上２３．２μｍ以下に粗面化処理された凹凸面であることを特徴とする紫外線照射装置。
2. 前記凹凸面は、サンドブラスト処理，ケミカルエッチング処理，プラズマ処理，旋盤による切削加工のいずれかにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載の紫外線照射装置。
3. 前記ふっ素樹脂膜は四ふっ化エチレン−六ふっ化プロピレン共重合樹脂製であることを特徴とする請求項１乃至２いずれか一記載の紫外線照射装置。

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