JP6654888B2 - 流体殺菌装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体殺菌装置に関し、特に、紫外光を照射して流体を殺菌する技術に関する。

紫外光には殺菌能力があることが知られており、医療や食品加工の現場などでの殺菌処理に紫外光を照射する装置が用いられている。また、水などの流体に紫外光を照射することで、流体を連続的に殺菌する装置も用いられている。このような装置として、例えば、直管状の金属パイプで形成される流路の管端部内壁に紫外線ＬＥＤを配置した装置が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−１６０７４号公報

直管状の流路内を流れる流体に高効率で紫外光を照射するためには、流路内壁面での紫外光反射率が高くなる構造とすることが望ましい。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、流路管内部への紫外光の照射効率を高めた流体殺菌装置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、流路を区画する流路管と、流路管の端部に配置され、流路を流れる流体に向けて流路管の軸方向に紫外光を照射する光源と、流路管の内面と流体との間に流体よりも紫外光に対する屈折率の低い物質を保持する保持機構と、を備える。

この態様によると、流体に向けて軸方向に照射される紫外光は、流体と低屈折率物質との界面において反射しながら軸方向に伝搬する。このとき、界面に入射する紫外光の入射角が界面における臨界角よりも大きければ全反射が生じるため、界面における反射損失を低減できる。したがって本態様によれば、光源から軸方向に離れた位置までより高強度の紫外光を伝搬させることができ、流路を通過する流体に作用する紫外光の総量を増やして殺菌効率を高めることができる。

保持機構は、流路管の内面に形成される微細な凹凸構造を有してもよい。

流体は、液相であってもよく、屈折率の低い物質は、気相であってもよい。

流路管の内面は、紫外光の反射率が高い材料で構成されてもよい。

本発明によれば、流路管内部の紫外光の照射効率を高めて殺菌能力を向上させることができる。

実施の形態に係る流体殺菌装置の構成を概略的に示す断面図である。 保持機構の構成を模式的に示す断面図である。 変形例に係る保持機構の構成を模式的に示す断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、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。

図１は、実施の形態に係る流体殺菌装置１０の構成を概略的に示す図である。流体殺菌装置１０は、光源１４と、流路管２０と、保持機構３０とを備える。光源１４は、流路管２０の端部（第１端部２１）に配置され、流路管２０により区画される流路１２を流れる流体４０に向けて軸方向に紫外光を照射する。流体殺菌装置１０は、例えば、水などの流体４０に紫外光を照射して殺菌処理を施すために用いられる。本実施の形態では、流体４０として水を用いる場合について述べる。

流路管２０は、第１端部２１と、第２端部２２と、流出口２３と、流入口２４とを有する。流路管２０は、第１端部２１から第２端部２２に向けて軸方向に延び、流体４０への紫外光照射がなされる流路１２を区画する。第１端部２１および第２端部２２は、流路管２０の軸方向に直交する端面により塞がれている。第１端部２１には流出口２３が設けられ、第２端部２２には流入口２４が設けられる。したがって処理対象となる流体４０は、流入口２４から流路１２に流入して紫外光の照射を受け、流出口２３から流出する。

流路管２０は、金属材料や樹脂材料で構成される。流路管２０は、光源１４が発する紫外光に対する耐久性の高い材料で構成されることが望ましく、また、紫外光の反射率が高い材料で構成されることが好ましい。このような材料として、例えばアルミニウム（Ａｌ）や全フッ素化樹脂であるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を用いることができる。

光源１４は、紫外光を発するＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの発光素子を含む。光源１４は、その中心波長またはピーク波長が約２００ｎｍ〜３５０ｎｍの範囲に含まれる紫外光を出力し、好ましくは、殺菌効率の高い波長である２６０ｎｍ〜２９０ｎｍ付近の紫外光を出力する。このような紫外光ＬＥＤとして、例えば、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）を用いたものが知られている。光源１４は、第１端部２１に設けられ、第１端部２１から第２端部２２に向けて軸方向に紫外光を照射するように配置される。

保持機構３０は、流路管２０の内面２６に設けられ、流体４０と流路管２０との間に流体４０よりも紫外光に対する屈折率が低い物質（気体）を保持する。保持機構３０は、低屈折率の物質を保持することにより、流路管２０の内面２６と流体４０の間に流体４０よりも実効屈折率または有効屈折率が低い境界領域を形成する。保持機構３０は、このような低屈折率の境界領域を形成することにより、光源１４からの紫外光の少なくとも一部が境界領域にて全反射され、流路管２０の軸方向に紫外光が低損失で伝搬されるようにする。

図２は、保持機構３０の構成を模式的に示す断面図である。保持機構３０は、流路管２０の内面２６に形成される凹凸構造３２を有する。凹凸構造３２は、多数の凸部３３および凹部３４を有し、その周期ｐおよび高さｈがサブミリメートル（ｍｍ）、サブミクロン（μｍ）、またはナノメートル（ｎｍ)程度となる微細構造である。凹凸構造３２は、液相である流体４０に対して撥水性または超撥水性を有するように形成され、凹部３４に流体４０が侵入せず空気等の気相の物質が留まるように形成される。保持機構３０は、このようにして、水などの流体４０よりも低屈折率である気体を流路管２０の内面２６と流体４０との間に保持する。

凹凸構造３２は、周期ｐが光源１４からの紫外光の波長と同程度または波長以下となるように形成されてもよい。凹凸構造３２の周期を波長程度以下にすることにより、凹凸構造３２に入射する紫外光から見たときの屈折率（実効屈折率）を波長オーダで平均化し、臨界角を超えて入射する紫外光が凹凸構造３２により効果的に全反射されるようにしてもよい。また凹凸構造３２は、高さｈが光源１４からの紫外光の波長と同程度または波長以上となるように形成されてもよい。凹凸構造３２の高さｈを波長程度以上とすることで、全反射時のエバネッセント光が染み出して反射率が低下する影響を抑えることができる。

凹凸構造３２は、超撥水性の表面を形成するために適した任意の形状を有してもよい。凹凸構造３２は、図示されるような規則的な形状を有してもよいし、不規則な形状を有してもよい。凹凸構造３２は、一次元的な周期構造であってもよいし、二次元的な周期構造であってもよい。凹凸構造３２は、フラクタル（自己相似）形状を有してもよい。

凹凸構造３２は、様々な方法で形成することができる。例えば、流路管２０として金属材料を用いる場合、金属材料の内面２６にプラズマ処理を加えて粗面化したり、ナノインプリント技術等により所望の凹凸形状を形成したりしてもよい。その他、流路管２０の内面２６に粒子状ないし繊維状の物質を付着させることにより、凹凸構造３２を形成してもよい。したがって、凹凸構造３２の凸部３３は、流路管２０と同じ材料で構成されてもよいし、流路管２０と異なる材料で構成されてもよい。

以上の構成により、流体殺菌装置１０は、流路管２０の内部を流れる流体に紫外光を軸方向に照射して流体に殺菌処理を施す。紫外光の一部は、流路管２０の内面２６に向かい、保持機構３０が形成する流体４０よりも低屈折率の境界領域により反射または全反射されながら軸方向に伝搬する。その結果、内面２６における紫外光の反射損失を低減させ、光源１４から軸方向に遠い位置までより高強度の紫外光を伝搬させることができる。したがって、本実施の形態によれば、高強度の紫外光が流体に作用する範囲および時間を長くして、流体に対する殺菌効果を高めることができる。

図３は、変形例に係る保持機構３０の構成を模式的に示す断面図である。本変形例に係る保持機構３０は、流路管２０の内面２６の内側に設けられる分離膜３６を有する。内面２６と分離膜３６の間には、気体供給路３７が設けられる。分離膜３６は、液相である流体４０を透過させない一方で、気体供給路３７から供給される気体を選択的に透過させる性質を有する気液分離膜である。本変形例では、分離膜３６を介して分離膜３６の内側に気体を供給することにより、分離膜３６の内側に気体層３８を形成させ、流体４０と内面２６の間に低屈折率の境界領域が生じるようにする。

分離膜３６は、液体と気体とを分離できる性質を有していればよく、無機材料で構成されてもよいし、有機材料で構成されてもよい。分離膜３６として、例えば、サブナノ領域の細孔径を有する多孔質セラミックフィルタなどを用いてもよいし、防水透湿性を有するようなフッ素樹脂（ＰＴＦＥなど）系のフィルムまたは布を用いてもよい。分離膜３６として可撓性ないし柔軟性を有するフィルムまたは布を用いる場合には、分離膜３６を内面２６の近傍に固定するための固定構造をさらに設けてもよい。この固定構造として、例えば、金属製のメッシュ構造などを用いることができる。この場合、メッシュ構造の間隙部分を気体供給路３７として用いてもよい。

気体供給路３７には、流路管２０の外に設けられる気体供給手段（不図示）が接続される。気体供給手段は、気体供給路３７の気圧が所望の値となるように気体を供給し、例えば、流路１２を流れる流体４０の流体圧と同程度または同程度以上の圧力値となるように気体を供給する。気体供給手段は、流路１２の内部に供給される気体が気泡となって流出口２３から排出されないように供給圧力を調整してもよい。気体供給手段が供給する気体の種類は特に限定されず、空気、酸素ガス（Ｏ_２）、窒素ガス（Ｎ_２）、炭酸ガス（ＣＯ_２）などを用いればよい。このような気体を選択することで、流体４０よりも低屈折率の境界領域を提供できる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

上述の実施の形態では、光源１４を第１端部２１のみに配置する場合を示した。さらなる変形例においては、光源を第２端部２２に配置し、第２端部２２から第１端部２１に向けて軸方向に紫外光が照射されるようにしてもよい。流路管２０の両端部に光源を設けることで殺菌能力をより高めることができる。

１０…流体殺菌装置、１２…流路、１４…光源、２０…流路管、２１…第１端部、２２…第２端部、２６…内面、３０…保持機構、３２…凹凸構造、４０…流体。

Claims (3)

1. 流路を区画する流路管と、
   前記流路管の端部に配置され、前記流路を流れる液相の流体に向けて前記流路管の軸方向に紫外光を照射する光源と、
   前記流路管の内面に形成される凹凸構造と、を備え、
   前記凹凸構造は、前記凹凸構造の周期および高さが１ｍｍ未満のサイズとなるよう構成され、前記液相の流体に対して撥水性を有するよう構成され、
   前記凹凸構造の凹部に前記液相の流体よりも前記紫外光に対する屈折率の低い気相の物質が保持され、前記凹部に保持される前記気相の物質が前記流路を流れる前記液相の流体と直接接触することを特徴とする流体殺菌装置。
2. 前記凹凸構造は、前記周期が前記紫外光の波長以下となり、前記高さが前記紫外光の波長以上となるよう構成されることを特徴とする請求項１に記載の流体殺菌装置。
3. 前記凹凸構造は、全フッ素化樹脂で構成され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。

Images