JP5798645B2 - 照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、照射装置に関する。

従来より、発光ダイオード（ＬＥＤ）から発せられる紫外線を被照射体（例えば水道水）に照射して殺菌を行う照射装置が開示されている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開２０１１−１６０７４号公報 特開２００８−１６１０９５号公報

上記紫外線を照射する照射装置の照射強度を強め殺菌力を向上する方法の１つに、紫外線を出射する複数のＬＥＤを２次元平面状に密集配置する方法がある。しかしながら、複数のＬＥＤを密集配置すると、各ＬＥＤの温度が上昇し、各ＬＥＤの発光効率が低下する。このため、上記特許文献１、２に開示された照射装置のように、ＬＥＤを単体で用いているのが通常である。

本発明は、上記実情の下になされたものであり、光源の発光効率の低下を抑制するとともに寿命を延ばすことができる照射装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためには、本発明の第１の観点に係る照射装置は、
基板上に配置され紫外線を照射する発光ダイオードと、
前記発光ダイオードから出射される紫外線を透過し、照射対象との間に設けられた保護カバーと、
前記発光ダイオードと前記保護カバーとの間に設けられた側面カバーと、
を備え、
前記側面カバーの表面には、前記保護カバーで反射された紫外線を吸収する光触媒がコーティングされ、
前記保護カバーと前記側面カバーとの間には、不活性ガスが封入されている。

この場合、前記光触媒は、酸化チタンである、
こととしてもよい。

本発明によれば、側面カバーにコーティングされた光触媒により、光源に入射する反射紫外線の量を少なくして、光源の発光効率の低下を抑制するとともに寿命を延ばすことができる。

本発明の実施の形態１に係る照射装置の全体的な構成を示す断面図である。 照射ユニットの構成を示す断面図である。 基板に密集配置された複数のＬＥＤの斜視図である。 基板に形成された複数の凹部の斜視図である。 図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、気泡が発生する様子を説明する図である。 冷却塔の構成を示す断面図である。 浄化槽の構成を示す断面図である。 ＬＥＤ単体の温度と発光効率との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態２に係る照射装置の全体的な構成を示す断面図である。 制御ユニットで実行される制御処理のフローチャートである。 本発明の実施の形態３に係る照射装置における照射ユニットの断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

実施の形態１．
まず、本発明の実施の形態１について説明する。

図１には、照射装置１００の全体的な構成が示されている。図１に示すように、照射装置１００は、照射ユニット１と、冷却塔２と、浄化槽３と、を備える。

照射ユニット１では、基板１０上に複数のＬＥＤ１１が設けられている。各ＬＥＤ１１は、紫外線を出射する。冷却塔２は、照射ユニット１の基板１０を冷却するために設けられている。浄化槽３は、照射ユニット１から出射された紫外線が照射される被照射体を保持する。被照射体には、例えば、紫外線によって殺菌される処理水がある。

図２には、照射ユニット１の構成が示されている。図２に示すように、照射ユニット１は、基板１０と、複数のＬＥＤ１１とに加え、ＬＥＤ保護カバー１２と、側面カバー１３とをさらに備える。基板１０としては、熱伝導率が所定レベル以上の材質のものが用いられる。例えば、基板１０は、純銅の基板である。熱伝導率は、例えば、３８６Ｗ／（ｍ・ｋ）以上であるのが望ましい。基板１０の厚みは、例えば、５ｍｍである。冷却効率のため、基板１０の厚みは、その強度を保つことができる程度に薄くなっている。

ＬＥＤ保護カバー１２は、石英で形成されている。ＬＥＤ保護カバー１２は、ＬＥＤ１１から出射された紫外線を透過する。複数のＬＥＤ１１から発せられた紫外線は、ＬＥＤ保護カバー１２を介して浄化槽３内に入射する。

基板１０と、ＬＥＤ保護カバー１２との間には、側面カバー１３が設けられている。側面カバー１３は、基板１０からＬＥＤ保護カバー１２に行くにしたがって、広がっている。基板１０と、ＬＥＤ保護カバー１２と、側面カバー１３との間には、アルゴン等の不活性ガスが封入され、紫外線の減衰が抑制されている。側面カバー１３と照射装置１００の外側筐体と、基板１０とで仕切られる空間には、複数のＬＥＤ１１へ電力を供給するための配線等が、収納される。

複数のＬＥＤ１１は、基板の一方の面（下側の面）である第１の面１０Ａ上に裏面を直付けすることにより、密集配置されている。より具体的には、各ＬＥＤ１１の裏面には、放熱部が設けられており、この放熱部が、基板１０と直接接合している。これにより、ＬＥＤ１１で発生した熱が、放熱部を介して、基板１０に伝わりやすくなっている。各ＬＥＤ１１の電極は、絶縁シート等で、基板１０と絶縁されている。

図３には、基板１０の一方の面である第１の面１０Ａに密集配置されたＬＥＤ１１の斜視図が示されている。図３に示すように、各ＬＥＤ１１は、基板１０上にマトリクス状に密集配置されている。この密集配置により、複数のＬＥＤ１１から発せられる紫外線の強度は、大きくなっている。

図２に示すように、基板１０のもう一方の面（上面）である第２の面１０Ｂには、冷却塔２の溶媒２１が接している。溶媒２１は、基板１０の熱を奪うことにより、揮発する。第２の面１０Ｂには、複数の凹凸が設けられている。

図４には、第２の面１０Ｂから見た基板１０の斜視図が示されている。図４に示すように、第２の面１０Ｂは、複数の凹部１５がマトリクス状に設けられている。凹部１５は、矩形状である。複数の凹部１５が設けられているため、基板１０と溶媒２１とが接する表面積は広くなっている。これにより、基板１０から熱が放出され易くなっている。

図５（Ａ）に示すように、基板１０の第２の面１０Ｂに接する溶媒２１には、ほぼ均一に、小気泡３０が発生する。凹部１５の角部１６に形成された小気泡３０は、他の小気泡３０よりも、第２の面１０Ｂとの接触面積が小さいため、第２の面１０Ｂから離れやすくなっている。角部１６から離れた小気泡３０は上昇する。この小気泡３０の上昇により、角部１６周辺には、溶媒２１の上方向への流れができる。

この溶媒２１の流れは、図５（Ｂ）に示すように、第２の面１０Ｂの表面に、角部１６へ向かうさらに大規模な溶媒２１の流れを形成する。この流れにより、第２の面１０Ｂに均一に形成された小気泡３０は、角部１６に集まり、大気泡３１を形成する。大気泡３１は、角部１６から離れて、上昇する。

基板１０の効率的な冷却のためには、第２の面１０Ｂに直接大きな気泡ができるのは得策ではない。大気泡ができた部分では、基板１０から熱を奪うことができないからである。上述のように、凹部１５をマトリクス状に配置していれば、第２の面１０Ｂでは、小気泡３０が形成され、その小気泡３０が角部１６に集まって大気泡３１が形成され、大気泡３１を上昇させる流れを作ることができる。このようにすれば、第２の面１０Ｂの大部分で、大気泡３１が直接形成されるのを防止するとともに、小気泡３０を角部１６に集めて大気泡３１として、円滑に揮発させることができる。

図４に示すように、第２の面１０Ｂでは、凹部１５がマトリクス状に配置されているため、凹凸によって形成される角部１６が、第２の面１０Ｂ上に均等に配置されるようになる。このようにすれば、大気泡３１が形成される地点を第２の面１０Ｂに均等に配置することができるので、第２の面１０Ｂにおける冷却状態を、より均一化することができる。

また、この実施の形態では、第２の面１０Ｂが、冷却塔２における溶媒２１を封入する壁面（冷媒室４０）の一部となっている。すなわち、冷却塔２は、基板１０のもう一方の面である第２の面１０Ｂに接するように設けられている。これにより、基板１０の熱を溶媒２１に直接伝えることができるようになるため、冷却効率をさらに向上させることができる。

冷却塔２は、基板１０を冷却する。図６には、冷却塔２の構成が示されている。図６に示すように、冷却塔２には、互いに連通する２つの空間が形成されている。この２つの空間が、冷媒室４０と気化室４１である。気化室４１には、複数枚のディスクからなるフィンが設けられている。気化室４１には、溶媒２１の供給口であり、内部を減圧するための減圧弁４２が設けられている。

冷却塔２では、冷媒室４０において、第２の面１０Ｂ上に溶媒２１を供給した溶媒２１を、基板１０から熱を奪って揮発させる。これにより、基板１０が冷却される。揮発した溶媒２１により、冷媒室４０内の圧力は、気化室４１の圧力よりも高くなるため、揮発した溶媒２１は、上昇して、気化室４１に注入される。気化室４１では、フィンにより、揮発した溶媒２１が冷却されて、再び液化して冷媒室４０に戻り、第２の面１０Ｂ上に堆積する。これにより、溶媒循環サイクルが形成される。

冷媒室４０及び気化室４１の内部は、外気圧（大気圧）に比べ、２０％以下に減圧されている。これにより、溶媒循環サイクルは、停止することなく、循環する。

図７には、浄化槽３の構成が示されている。図７に示すように、浄化槽３では、供給口５０から処理水が供給される。浄化槽３内の処理水は、排出口５１から排出される。処理水には、大腸菌が含まれている。照射ユニット１（ＬＥＤ保護カバー１２）から照射される紫外線により、処理水の大腸菌が殺菌される。

図８には、周囲温度とＬＥＤ１１の発光効率（相対放射束）との関係を示すグラフが示されている。図８では、ＬＥＤに流す電流が、３００ｍＡ、４００ｍＡ、５００ｍＡ、６００ｍＡ、７００ｍＡであるときのＬＥＤ１１の特性がそれぞれ示されている。図８に示すように、ＬＥＤ１１では、温度が上がれば上がるほど、発光効率が低下している。この低下の度合い（傾き）は、電流が大きくなるにつれて大きくなっている。このことから、ＬＥＤ１１の輝度を高くすればするほど、ＬＥＤ１１の温度調整が重要となってくることがわかる。

このため、本実施の形態に係る照射装置１００では、冷却塔２の溶媒循環サイクルにより、基板１０を冷却して、ＬＥＤ１１の周囲温度を所定温度に保っている。ＬＥＤ１１の周囲の温度が上がれば、基板１０からの熱により、溶媒２１の循環サイクルが早くなり、基板１０の冷却速度が高まる。一方、ＬＥＤ１１の温度が下がれば、溶媒２１の循環サイクルが遅くなり、基板１０の冷却速度が弱まる。このサイクルにより、ＬＥＤ１１の温度がほぼ一定に保たれ、ＬＥＤ１１の発光効率を一定に保つことができるようになる。

基板１０の温度は、５０度以下に保たれるようにするのが望ましい。図８に示すように、すべての電流においても、−１０度におけるＬＥＤ１１の発光効率を１１０％とすると、５０度におけるＬＥＤ１１の発光効率は、８０％となる。すなわち、ＬＥＤ１１の周囲温度を５０度以下に維持すれば、ＬＥＤ１１の発光効率を８０％以上に保つことができる。ＬＥＤ１１を密集配列した場合には、個々のＬＥＤ１１の発光効率を８０％以上に保たなければ、全体の輝度が著しく低下する。このため、この照射装置１００では、基板１０の温度を５０度以下に保つ必要がある。

（実施の形態１のまとめ）
以上詳細に説明したように、本実施の形態によれば、複数のＬＥＤ１１が、熱伝導率が高い銅基板の第１の面１０Ａに直付けされ、その基板１０が冷却塔２に接している。これにより、ＬＥＤ１１から発せられる熱を、効率良く冷却塔２へ逃がすことができるので、複数のＬＥＤ１１を基板１０上に密集配置しても、各ＬＥＤ１１の温度上昇を抑制することができる。この結果、各ＬＥＤ１１の発光効率の低下を抑制することができる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。

図９には、この実施の形態に係る照射装置１００の構成が示されている。図９に示すように、温度センサ４と、制御ユニット６と、電源ユニット７とをさらに備える。

温度センサ４は、照射ユニット１の基板１０の温度情報を検出する。制御ユニット６は、温度センサ４で検出された温度情報に基づいて、電源ユニット７を駆動して、冷却塔２による基板１０の温度を制御する。電源ユニット７は、各ＬＥＤ１１の電源である。制御ユニット６は、電源ユニット７を駆動して、各ＬＥＤ１１に流れる電流を調整する。

続いて、制御ユニット６について、より詳細に説明する。制御ユニット６は、コンピュータである。コンピュータでは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）又はＤＳＰ（Digital Signal Processor）がメモリに格納されたプログラムを実行することにより、その機能を実現する。コンピュータは、パーソナルコンピュータのようなものであってもよいし、１つのＩＣチップで形成されたマイクロコンピュータのようなものであってもよい。また、制御ユニット６は、電気回路等のハードウエアのみで構成されていてもよい。

制御ユニット６は、例えば、基板１０の温度が、例えば５０℃以下となるように電源ユニット７を介してＬＥＤ１１の電流を制御する。前述のように、基板１０の温度を、５０度以下とすれば、ＬＥＤ１１の発光効率を８０％以上に保つことができるためである。

また、制御ユニット６は、照射ユニット１におけるＬＥＤ１１のパルス点灯の自動制御を行うようにしてもよい。基板１０の温度が上昇すれば、ＬＥＤ１１のパルス点灯の間隔を長くするようにすればよい。

電源ユニット７は、ＬＥＤ１１の電源である。電源ユニット７を制御することにより、ＬＥＤ１１に流れる電流を調整することができる。

次に、本実施の形態に係る照射装置１００の動作について説明する。図１０には、制御ユニット６で実行される制御処理のフローチャートが示されている。図１０に示すように、制御ユニット６は、温度センサ４の出力に基づいて、基板１０の温度がＴ度以上であるか否かを判定する（ステップＳ１）。

基板１０の温度が、Ｔ度以上である場合（ステップＳ１；Ｙｅｓ）、制御ユニット６は、ＬＥＤ１１に流す電流が小さくなるように電源ユニット７を調整する（ステップＳ２）。これにより、ＬＥＤ１１から発せられる紫外線の強度が弱くなり、ＬＥＤ１１から発せられる熱も弱くなる。制御ユニット６は、ステップＳ２終了後は、ステップＳ１に戻る。

基板１０の温度が、Ｔ度以上でない場合（ステップＳ１；Ｎｏ）、制御ユニット６は、ＬＥＤ１１に流す電流が大きくなるように電源ユニット７を調整する（ステップＳ３）。これにより、ＬＥＤ１１から発せられる紫外線の強度が強くなり、ＬＥＤ１１から発せられる熱も強くなる。制御ユニット６は、ステップＳ２終了後は、ステップＳ１に戻る。

このような処理を繰り返すことにより、制御ユニット６は、基板１０の温度を、５０度以下に制御している。

なお、冷却塔２には、強制的に溶媒２１を順回させるポンプを設けるようにしてもよい。この場合には、冷媒室４０の温度と、気化室４１の温度とを計測し、それらの温度差が、所定レベルより小さくなった場合には、ポンプを起動して、溶媒２１を冷媒室４０から気化室４１へ強制的に送るようにしてもよい。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について説明する。

この実施の形態に係る照射装置１００の構成は、図１に示すものと同じであるが、照射ユニット１の構成が、上記実施の形態１と異なる。

図１１には、照射ユニット１の断面図が示されている。図１１に示すように、照射ユニット１では、ＬＥＤ１１と、ＬＥＤ保護カバー１２の間の側面カバー１３の表面に、酸化チタン（ＴｉＯ₂）６０がコーティングされている。

ＬＥＤ１１から出射した紫外線は、その大部分がＬＥＤ保護カバー１２を透過して、処理水に到達するが、ごく一部は、ＬＥＤ保護カバー１２を反射して、さらに側面カバー１３を反射して、ＬＥＤ１１に戻る。この反射紫外線は、ＬＥＤ１１の寿命を著しく低下させる。

酸化チタン６０は、この反射した紫外線を吸収する光触媒である。これにより、ＬＥＤ１１に入射する反射紫外線の量を少なくして、ＬＥＤ１１の寿命を伸ばすことができる。

なお、本実施の形態では、酸化チタン６０を、コーティングしたが、本発明は、これには限られない。他の光触媒を側面カバー１３にコーティングするようにしてもよい。

なお、上記実施の形態では、第２の面１０Ｂで、複数の凹部１５を設けたが、本発明はこれには限られない。例えば、第２の面１０Ｂに凸部を設けるようにしてもよい。

また、上記各実施の形態では、基板１０に矩形状の凹部１５をマトリクス状に配置したが、これには限られない。例えば、凹部１５は、円形であってもよい。この場合、円形の縁をのこぎり状にすれば、冷却効率を上げることができる。

上記各実施の形態に係る照射装置は、処理水における大腸菌の殺菌に用いることができる。しかしながら、本発明はこれには限られない。例えば、処理水中の他の菌の殺菌に用いるようにしてもよい。また、本発明を、気体の殺菌に用いることも可能である。さらには、本発明を、フィルムの硬化に用いることも可能である。紫外線の強度を強くすれば、より滑らかなフィルムを作ることが可能になる。

なお、上記各実施の形態では、紫外線を照射するＬＥＤであったが、本発明はこれには限られず、その他の帯域の光、例えば、可視光域の光を発するＬＥＤであってもよい。要は、本発明は、市販されている全てのＬＥＤに対応可能である。

また、上記各実施の形態では、基板１０の材質を、銅としたが、基板１０の材質は、アルミニウムであってもよい。また、基板１０の材質を、銅又はアルミニウムと、ニッケル、金との合金であってもよい。

また、処理水の温度をモニタリングするようにしてもよい。

この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

本発明は、下水等の殺菌等に用いられる照射装置など、ＬＥＤにより、高輝度の光を照射する照射装置として好適である。

１ 照射ユニット
２ 冷却塔
３ 浄化槽
４ 温度センサ
６ 制御ユニット
７ 電源ユニット
１０ 基板
１０Ａ 第１の面
１０Ｂ 第２の面
１１ 発光ダイオード（ＬＥＤ）
１２ ＬＥＤ保護カバー
１３ 側面カバー
１５ 凹部
１６ 角部
２１ 溶媒
３０ 小気泡
３１ 大気泡
４０ 冷媒室
４１ 気化室
４２ 減圧弁
５０ 供給口
５１ 排出口
６０ 酸化チタン
１００ 照射装置

Claims (2)

1. 基板上に配置され紫外線を照射する発光ダイオードと、
   前記発光ダイオードから出射される紫外線を透過し、照射対象との間に設けられた保護カバーと、
   前記発光ダイオードと前記保護カバーとの間に設けられた側面カバーと、
   を備え、
   前記側面カバーの表面には、前記保護カバーで反射された紫外線を吸収する光触媒がコーティングされ、
   前記保護カバーと前記側面カバーとの間には、不活性ガスが封入されている、
   照射装置。
2. 前記光触媒は、酸化チタンである、
   請求項１に記載の照射装置。