JP6549456B2 - 流体殺菌装置 - Google Patents
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Description
本発明は、流体殺菌装置に関する。
従来、紫外線照射による殺菌が様々な分野で行われている。例えば、水などの流体を殺菌する殺菌装置が考案されている（特許文献１参照）。また、紫外線殺菌装置に用いられる光源としては、低圧の水銀蒸気の放電によって発生する２５３．７ｎｍの波長の光を放射する水銀ランプが知られている。
このような紫外線光源は、消費電力や発熱量が大きく、光源自体も大型である。そこで、近年は、水銀ランプに比べて寿命が長く、消費電力も低い紫外線発光ダイオードを光源として使用した紫外線殺菌装置が開発されている。また、紫外線発光ダイオードは、使用するにつれて出力が徐々に低下するため、紫外線の光量を受光素子で検出し、検出された紫外線光量の情報に基づいて発光ダイオードの紫外線照射量が所望値となるように駆動信号を調整する技術も考案されている（特許文献２参照）。
ところで、流体を通過させる空間内に入射した紫外線は、そのまま空間の内部で反射を繰り返しながら流体を照射し続けることができれば、紫外線光源の数や出力を低減できる。一方、紫外線光源の出力を一定に保つために、紫外線光源から出射する一部の紫外線を何らかの方法で検出する必要がある。
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、効率よく殺菌するとともに紫外線光源の出力を安定化する技術を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある態様の流体殺菌装置は、紫外線を出射する半導体発光素子を有する光源と、殺菌対象である流体が通過する流路を形成する筐体と、光源から出射した紫外線の一部を受光し、受光した紫外線の光量を検出する受光部と、受光部から取得した紫外線の光量の情報に基づいて半導体発光素子の出力を制御する制御部と、を備える。筐体は、紫外線が入射する入射部と、紫外線を内面で反射する反射部とを有する。反射部は、紫外線の一部を透過させる材料で構成されており、受光部は、反射部を透過した一部の紫外線を受光できる位置に設けられている。
この態様によると、受光部で検出する紫外線は、反射部を透過した一部の紫外線である。反射部を透過した紫外線は殺菌に寄与しないため、このような紫外線を利用して受光部で光量を検出することで、殺菌に利用する紫外線の量を減らさずに済む。また、受光部から取得した紫外線の光量の情報に基づいて半導体発光素子の出力を制御することで、光源の出力を安定化できる。
受光部は、反射部を挟んで入射部と反対側の領域に配置されていてもよい。これにより、受光部を筐体の外部に設けることができる。
反射部は、波長が２８５ｎｍの紫外線の拡散反射率が７８．５〜９５．４％の範囲であり、波長が２８５ｎｍの紫外線の拡散透過率が０．６〜１３．１％の範囲である材料で構成されていてもよい。これにより、反射部で反射した紫外線は再度殺菌に利用できるため、筐体内の流体に対する殺菌を効率よく行える。また、透過した一部の紫外線を筐体外部に配置した受光部で検出することができる。
反射部は、アモルファス結晶構造を一部に有するポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）であってもよい。これにより、拡散反射率を高めることができる。
反射部は、厚みが１〜２０ｍｍの範囲であってもよい。好ましくは、厚みが２ｍｍ以上であるとよく、また、厚みが９ｍｍ以下であるとよい。これにより、反射部での紫外線の反射と透過とを両立できる。
半導体発光素子は、ピーク発光波長が２５０ｎｍ〜３５０ｎｍの範囲にある紫外線を発してもよい。これにより、殺菌効果を高めることができる。
筐体は、反射部を有する筒状の殺菌室と、殺菌室の長手方向に対して交差する方向に設けられている、流体の流入口および流体の流出口と、を有してもよい。光源は、殺菌室の長手方向の両端の少なくとも一方の外側に配置されており、入射部は、光源と殺菌室との間に設けられている。
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、他の装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、効率よく殺菌するとともに紫外線光源の出力を安定化できる。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。
（流体殺菌装置）
図１は、本実施の形態に係る殺菌装置の概略構成を示す模式図である。流体殺菌装置１００は、紫外線を殺菌室に照射することで、殺菌室を通過する流体に含まれている細菌等を殺菌するものである。
図１は、本実施の形態に係る殺菌装置の概略構成を示す模式図である。流体殺菌装置１００は、紫外線を殺菌室に照射することで、殺菌室を通過する流体に含まれている細菌等を殺菌するものである。
流体殺菌装置１００は、殺菌対象である流体Ｆが通過する流路を形成する筐体１０と、紫外線を出射する半導体発光素子１２を有する光源１４と、光源１４から出射した紫外線の一部を受光し、受光した紫外線の光量を検出する受光部１６と、受光部１６から取得した紫外線の光量の情報に基づいて半導体発光素子１２の出力を制御する制御部１８と、を備える。筐体１０は、紫外線が入射する入射部２０と、紫外線を内面で反射する反射部２２とを有する。
反射部２２は、紫外線の一部を透過させる材料で構成されており、受光部１６は、反射部２２を透過した一部の紫外線Ｌ１を受光できる位置に設けられている。受光部１６は、フォトダイオード等が用いられる。
筐体１０は、反射部２２を有する筒状の殺菌室２４と、殺菌室２４の長手方向に対して交差する方向に設けられている、流体Ｆの流入口２６および流体の流出口２８と、を有している。本実施の形態に係る筐体１０は、アモルファス結晶構造を少なくとも一部に有するアモルファスフッ素樹脂（例えば、アモルファス結晶構造を有するポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ））からなる筒部３０と、筒部３０の両端の開口部に装着されたフランジ部３２，３４と、を有する。
筒部３０は、内径が１５〜２５ｍｍ程度の部材である。フランジ部３２は、入射部２０および流入口２６が形成されたＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）からなる部品であり、紫外線をほぼ透過させる部材である。同様に、フランジ部３４は、入射部２０および流出口２８が形成されたＰＦＡからなる部品である。なお、加工を工夫することで筒部３０およびフランジ部３２，３４をアモルファスフッ素樹脂からなる一部品としてもよい。
本実施の形態に係る２つの光源１４は、殺菌室２４の長手方向の両端の外側に配置されており、入射部２０は、光源１４と殺菌室２４との間に設けられている。
光源１４は、半導体発光素子１２と、半導体発光素子１２を搭載する基板３６と、半導体発光素子１２に駆動信号を供給する給電部３８と、を有する。光源１４は、基板３６を介して光源搭載部材４０に締結部材４２で固定されている。
本実施の形態に係る半導体発光素子１２は、紫外線を発する発光ダイオードである。本実施の形態に係る発光ダイオードは、サファイアからなる基板と、ＡｌＧａＮ系の発光層と、基板と発光層との間に積層されたＡｌＮからなる格子不整緩衝層と、を有している。これにより、小型で高効率の殺菌装置を実現できる。なお、本実施の形態に係る半導体発光素子１２は、ピーク発光波長が２５０ｎｍ〜３５０ｎｍの範囲にある紫外線を発するものが好ましい。本実施の形態に係る発光ダイオードは、ピーク発光波長が２８５ｎｍのものを用いている。これにより、殺菌効果を高めることができる。
光源搭載部材４０は、例えばアルミ等の金属材料からなり、ヒートシンクとして機能する。また、光源搭載部材４０は、フランジ部３２（またはフランジ部３４）および筒部３０と締結部材４４で一体化されている。また、光源１４が搭載される凹部４０ａの底部４０ｂには、半導体発光素子１２の発光面と対向するように円錐（多角錘）状の貫通孔４０ｃが形成されている。貫通孔４０ｃの内面４０ｄは金属鏡面加工されており、リフレクタとして機能する。
したがって、半導体発光素子１２から出射した紫外線は、一部が内面４０ｄで反射されながら入射部２０から殺菌室２４に入射するため、入射部２０から入射する紫外線の照射角の広がりを抑えることができる。その結果、入射部２０から入射した紫外線は、殺菌室２４の反射部２２で反射しながらより遠方まで照射されることとなり、効率よく流体Ｆを殺菌できる。
なお、本実施の形態では、殺菌室２４の両端に光源１４を設けているが、一方の端部のみであってもよい。その場合は、殺菌室の他方の端部に紫外線を反射する部材を設けてもよい。また、図１では、左側の光源１４に対応する受光部１６しか図示していないが、右側の光源１４に対応する受光部を設けてもよい。
次に、筒部３０を構成するフッ素系樹脂について詳述する。図２は、本実施の形態に係るＰＴＦＥの波長毎の拡散反射率を示すグラフである。図３は、本実施の形態に係るＰＴＦＥの波長毎の拡散透過率を示すグラフである。
図２に示す拡散反射率の測定は、厚みｔが１ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍ、７ｍｍ、９ｍｍのＰＴＦＥ試料に対して行った。また、各厚みのＰＴＦＥ試料を３つ用意し、それぞれの測定値の平均値を算出しグラフ化した。
図２に示すように、厚みｔが大きくなると拡散反射率が上昇することがわかる。また、波長が長波長側になるにつれて徐々に拡散反射率は低下する。本実施の形態に係る半導体発光素子１２のピーク発光波長２８５ｎｍにおいては、ＰＴＦＥの厚みｔが１ｍｍの場合の拡散反射率は７８．５［％］、厚みｔが３ｍｍの場合の拡散反射率は９２．５［％］、厚みｔが５ｍｍの場合の拡散反射率は９４．３［％］、厚みｔが７ｍｍの場合の拡散反射率は９５．１［％］、厚みｔが９ｍｍの場合の拡散反射率は９５．４［％］である。このように、本実施の形態に係るＰＴＦＥ樹脂を用いることで紫外線に対する拡散反射率を高めることができる。
図３に示す拡散透過率の測定は、厚みｔが１ｍｍ、１．５ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍ、７ｍｍ、９ｍｍ、１０ｍｍのＰＴＦＥ試料に対して行った。また、各厚みのＰＴＦＥ試料を３つ用意し、それぞれの測定値の平均値を算出しグラフ化した。
図３に示すように、厚みｔが大きくなると拡散透過率が低下することがわかる。また、波長が長波長側になるにつれて徐々に拡散反射率は増加する。本実施の形態に係る半導体発光素子１２のピーク発光波長２８５ｎｍにおいては、ＰＴＦＥの厚みｔが１ｍｍの場合の拡散透過率は１３．１［％］、厚みｔが１．５ｍｍの場合の拡散透過率は７．７［％］、厚みｔが３ｍｍの場合の拡散透過率は５．０［％］、厚みｔが５ｍｍの場合の拡散透過率は２．９［％］、厚みｔが７ｍｍの場合の拡散透過率は１．８［％］、厚みｔが９ｍｍの場合の拡散透過率は１．２［％］、厚みが１０ｍｍの場合の拡散透過率は０．６［％］である。
このように本実施の形態に係る筒部を構成するＰＴＦＥは、大半の紫外線を反射しつつ一部の紫外線を透過させることできる。つまり、本実施の形態に係る流体殺菌装置１００の受光部１６で検出する紫外線は、反射部２２を透過した一部の紫外線である。反射部２２を透過した紫外線は殺菌に寄与しないため、このような紫外線を利用して受光部１６で光量を検出することで、殺菌に利用する紫外線の量を減らさずに済む。また、受光部１６から取得した紫外線の光量の情報に基づいて半導体発光素子１２の出力を制御することで、光源の出力を安定化できる。
また、受光部１６は、反射部２２を挟んで入射部２０と反対側の領域に配置されている。これにより、受光部１６を筐体１０の外部に設けることができ、各部品のレイアウト設計の自由度が増す。
反射部２２は、例えば厚みが１〜２０ｍｍの範囲で選択することができる。好ましくは、上述のように１〜９ｍｍの範囲であるとよく、より好ましくは厚みが２ｍｍ以上であるとよく、また、厚みが５ｍｍ以下であるとよい。これにより、反射部での紫外線の反射と透過とを両立できる。
また、反射部２２は、上述のように波長が２８５ｎｍの紫外線の拡散反射率が７８．５〜９５．４％の範囲であり、波長が２８５ｎｍの紫外線の拡散透過率が０．６〜１３．１％の範囲である材料で構成されているとよい。これにより、反射部２２で反射した紫外線は再度殺菌に利用できるため、筐体１０内の流体Ｆに対する殺菌を効率よく行える。また、透過した一部の紫外線を筐体１０外部に配置した受光部１６で検出することができる。
以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。
１０ 筐体、 １２ 半導体発光素子、 １４ 光源、 １６ 受光部、 １８ 制御部、 ２０ 入射部、 ２２ 反射部、 ２４ 殺菌室、 ２６ 流入口、 ２８ 流出口、 ３０ 筒部、 ３２，３４ フランジ部、 ３６ 基板、 ４０ 光源搭載部材、 １００ 流体殺菌装置。
Claims (6)
- 紫外線を出射する半導体発光素子を有する光源と、
殺菌対象である流体が通過する流路を形成する筐体と、
前記光源から出射した紫外線の一部を受光し、受光した紫外線の光量を検出する受光部と、
前記受光部から取得した紫外線の光量の情報に基づいて前記半導体発光素子の出力を制御する制御部と、を備え、
前記筐体は、外部から紫外線が入射する入射部と、流体と接している内面で紫外線を反射する反射部とを有し、
前記反射部は、紫外線の一部を透過させる材料で構成されており、
前記受光部は、反射部を透過した一部の紫外線を受光できる位置に設けられており、
前記反射部は、波長が２８５ｎｍの紫外線の拡散反射率が７８．５〜９５．４％の範囲であり、波長が２８５ｎｍの紫外線の拡散透過率が０．６〜１３．１％の範囲である材料で構成されていることを特徴とする流体殺菌装置。 - 前記受光部は、前記反射部を挟んで前記入射部と反対側の領域に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の流体殺菌装置。
- 前記反射部は、アモルファス結晶構造を一部に有するポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）であることを特徴とする請求項１または２に記載の流体殺菌装置。
- 前記反射部は、厚みが１〜２０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の流体殺菌装置。
- 前記半導体発光素子は、ピーク発光波長が２５０ｎｍ〜３５０ｎｍの範囲にある紫外線を発することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の流体殺菌装置。
- 紫外線を出射する半導体発光素子を有する光源と、
殺菌対象である流体が通過する流路を形成する筐体と、
前記光源から出射した紫外線の一部を受光し、受光した紫外線の光量を検出する受光部と、
前記受光部から取得した紫外線の光量の情報に基づいて前記半導体発光素子の出力を制御する制御部と、を備え、
前記筐体は、紫外線が入射する入射部と、紫外線を内面で反射する反射部と、前記反射部を有する筒状の殺菌室と、前記殺菌室の長手方向に対して交差する方向に設けられている、流体の流入口および流体の流出口と、を有し、
前記反射部は、紫外線の一部を透過させる材料で構成されており、
前記受光部は、反射部を透過した一部の紫外線を受光できる位置に設けられており、
前記反射部は、波長が２８５ｎｍの紫外線の拡散反射率が７８．５〜９５．４％の範囲であり、波長が２８５ｎｍの紫外線の拡散透過率が０．６〜１３．１％の範囲である材料で構成されており、
前記光源は、前記殺菌室の長手方向の両端の少なくとも一方の外側に配置されており、 前記入射部は、前記光源と前記殺菌室との間に設けられている、
ことを特徴とする流体殺菌装置。
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