JP6675287B2 - 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、処理槽の内部に直管状の紫外線ランプと円筒状のランプスリープとを設け、処理槽内の被処理水に紫外線を照射する紫外線照射装置が挙げられる。紫外線ランプの照度は紫外線モニタを用いて計測され、紫外線モニタと紫外線ランプの間に石英ガラス等で形成される透過窓が設けられる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−１８３２９５号公報

紫外線モニタで計測される光量は、処理槽内の流体の紫外線透過率やモニタ前方の透過窓への汚れの付着による透過率低下などの影響を受けてしまい、光源自体の光強度を適切に測定することが難しい場合がある。

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、光源のモニタリング精度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、処理流路を区画する直管と、処理流路に向けて直管の軸方向に紫外光を照射する光源と、光源から出力される紫外光の一部を受光する受光部と、を備える。直管は、フッ素系樹脂で構成され、かつ、直管の内壁面からの径方向の厚さが他の部分の厚さより小さい肉薄部が部分的に設けられるよう直管の外壁面の一部に形成される凹部を有する。受光部は、凹部にて肉薄部を透過した紫外光を受光するよう配置される。

この態様によると、処理流路内を軸方向に紫外光を照射する構成において、処理流路の側方に受光部を設けて光源からの紫外光の光量を検出することができる。検出部の前方にフッ素系樹脂で構成される肉薄部を設けることにより、肉薄部を紫外光の透過窓として用いることができる。フッ素系樹脂はガラス材料に比べて汚れが付着しにくいため、透過窓となる肉薄部を汚れにくくできる。また、処理流路の内壁面に高入射角で入射する紫外光の一部を肉薄部で散乱ないし拡散させることにより、透過する紫外光の一部の進行方向を変化させ、透過した紫外光を受光部に向かわせることができる。これにより、受光部に入射する紫外光の光量割合を増やし、光源のモニタリング精度を高めることができる。

光源は、直管の第１端部から第２端部に向けて紫外光を照射するよう配置され、凹部は、第２端部より第１端部に近い位置に設けられてもよい。

第１端部は、処理流路の下流側に位置し、第２端部は、処理流路の上流側に位置してもよい。

凹部は、光源からの紫外光が直接入射しうる位置に設けられてもよい。

光源と処理流路の間を区画する窓部材と、窓部材を振動させる振動子と、をさらに備えてもよい。

受光部に入射する紫外光の光量に基づいて振動子を作動させる制御装置をさらに備えてもよい。

受光部に入射する紫外光の光量に基づいて光源の出力を制御する制御装置を備えてもよい。

本発明によれば、光源のモニタリング精度を高めた流体殺菌装置を提供できる。

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。

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、直管１２と、筐体２０と、流入管３１と、流出管３２と、光源４０と、振動子４２と、振動板４４と、受光部４６と、制御装置５０とを備える。流体殺菌装置１０は、直管１２で区画される処理流路２８を流れる流体に紫外光を照射して殺菌処理を施すために用いられる。

筐体２０は、流入側端部２１と、流出側端部２２と、流入口２３と、流出口２４と、窓部材２６とを有する。筐体２０は、流入側端部２１から流出側端部２２に向けて軸方向に延びており、内部に直管１２を収容する。流入側端部２１には振動板４４を介して振動子４２が取り付けられている。流出側端部２２には、光源４０からの紫外光を透過する窓部材２６が設けられる。窓部材２６は、石英（ＳｉＯ_２）やサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、非晶質のフッ素系樹脂といった紫外光の透過率が高い部材で構成される。

流入口２３は、流入側端部２１の近傍に設けられる。流入口２３には、筐体２０の軸方向と交差または直交する方向に延びる流入管３１が取り付けられている。流出口２４は、流出側端部２２の近傍に設けられている。流出口２４には、筐体２０の軸方向と交差または直交する方向に延びる流出管３２が取り付けられている。

直管１２は、上流側端部１３と、下流側端部１４と、内壁面１６と、外壁面１７と、凹部１８とを有する。直管１２は、上流側端部１３から下流側端部１４に向けて軸方向に延びており、例えば内直径の３倍以上の長さを有する。直管１２は、筐体２０の内面を被覆するライナであり、流入口２３と流出口２４の間の位置において筐体２０の内部に収容され、処理流路２８を区画する。直管１２は、上流側端部１３が流入口２３の近傍に位置し、下流側端部１４が流出口２４の近傍に位置するように配置される。

直管１２は、フッ素系樹脂材料で構成され、例えば、全フッ素化樹脂であるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で構成される。ＰＴＦＥは、化学的に安定した材料であり、耐久性、耐熱性および耐薬品性に優れた材料である。また、ＰＴＦＥは、紫外光の反射率が高い材料である。そのため、ＰＴＦＥで構成される直管１２を設けることにより、光源４０からの紫外光を内壁面１６で反射させながら直管１２の軸方向に伝搬させることができる。

直管１２は、内壁面１６と外壁面１７の間の厚さが凹部１８を除いて均一となるように構成される。直管１２の厚さｔ_１は、３ｍｍ以上であり、好ましくは５ｍｍ以上である。直管１２の厚さｔ_１をある程度以上とすることにより、内壁面１６に入射する紫外光の反射率を高めることができる。直管１２がＰＴＦＥで構成される場合、直管１２の厚さｔ_１を３ｍｍ以上とすることで紫外光の拡散反射率が約９０％以上となることが本発明者らの知見により分かっている。

直管１２は、外壁面１７の一部に凹部１８が形成されている。凹部１８は、受光部４６の取付用に設けられ、内壁面１６からの径方向の厚さｔ_２が他の部分の厚さｔ_１より小さい肉薄部１９となっている。肉薄部１９の厚さｔ_２は、光源４０からの紫外光の一部が肉薄部１９を透過できる程度に薄く形成され、機械的強度を保てる程度に厚く形成される。肉薄部１９の厚さは、例えば０．２ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であり、好ましくは０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である。直管１２がＰＴＦＥで構成される場合、肉薄部１９の厚さｔ_２が２．０ｍｍであれば紫外光の拡散透過率が５％〜１０％程度となり、厚さｔ_２が１．０ｍｍであれば紫外光の拡散透過率が１０％〜１５％程度となることが本発明者らの知見により分かっている。このような厚さｔ_２の肉薄部１９を設けることにより、肉薄部１９に入射する紫外光の一部を透過させ、受光部４６に紫外光の一部を入射させることができる。

凹部１８は、上流側端部１３よりも下流側端部１４に近い位置に設けられ、光源４０に近い位置に設けられることが好ましい。凹部１８は、例えば図示されるように、下流側端部１４の近傍の位置であって、光源４０からの紫外光が直接入射する位置に設けられる。光源４０の近くに凹部１８を設けることにより、処理流路２８を通る流体によって受光部４６に入射する紫外光強度が減衰する割合を小さくできる。

光源４０は、紫外光を発する発光素子を含むいわゆるＵＶ−ＬＥＤ（Ultra Violet-Light Emitting Diode）光源である。光源に含まれる発光素子は、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、殺菌効率の高い波長である２６０ｎｍ〜２７０ｎｍ付近の紫外光を発することが好ましい。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４０は、窓部材２６の近傍に設けられ、窓部材２６を介して処理流路２８に軸方向に紫外光を照射するよう配置される。光源４０は、発光素子の配光角を調整するための調整機構を含んでもよい。調整機構は、例えば、光源４０に含まれる発光素子の指向角または配向角が６０度以上、９０度以上または１２０度以上である場合に、その出射角を調整して配向角φが３０度以下となるようにする。調整機構は、レンズなどの透過型の光学系で構成されてもよいし、凹面鏡などの反射型の光学系で構成されてもい。

調整機構は、配光角φを調整することにより、光源４０から出力される紫外光の大半が直管１２の内部に入射するようにする。調整機構は、処理流路２８の内壁面１６に入射する紫外光の入射角が７５度以上となるようにしてもよい。特に内壁面１６がＰＴＦＥで構成される場合、ＰＴＦＥへの入射角が７０度以上となると表面での反射率が非常に高くなることが本発明者らの知見により分かっている。そのため、調整機構により紫外光の配向角を調整することで、より高強度の紫外光が処理流路２８のより遠くまで伝搬するようにできる。

振動子４２は、例えば超音波振動子であり、筐体２０に振動を与えて筐体２０の内面や窓部材２６の内面に付着する汚れの除去を助ける。振動子４２は、例えば振動板４４を介して筐体２０の流入側端部２１に取り付けられる。振動子４２は、制御装置５０からの指令により動作する。振動子４２は、例えば３０分や１時間などの所定の時間間隔ごとに間欠的に動作して筐体２０や窓部材２６の内面に付着する汚れが除去されるようにする。

受光部４６は、光源４０から出力される紫外光の一部を受光し、受光した紫外光の光量に関する情報を制御装置５０に送信する。受光部４６は、例えばフォトダイオードなどの光量センサを有する。受光部４６が有する光量センサは、凹部１８に設けられてもよいし、筐体２０の外に設けられてもよい。後者の場合、凹部１８に光ファイバの一端が挿入され、光ファイバの他端から出射される紫外光が光量センサに入射するよう構成されてもよい。

制御装置５０は、受光部４６からの光量情報に基づいて光源４０や振動子４２を動作させる。制御装置５０は、取得する光量情報が所定の閾値を下回る場合、窓部材２６の内面に付着する汚れが除去されるよう振動子４２を動作させてもよい。制御装置５０は、振動子４２の動作後に取得する光量情報が依然として所定の閾値を下回る場合、光源４０の出力強度が高まるように光源４０を動作させてもよい。制御装置５０は、光源４０の出力強度が高まるよう動作させた後に取得する光量情報が依然として所定の閾値を下回る場合、所望の殺菌効果が実現できない旨を示すアラート情報を出力してもよい。

以上の構成によれば、流体殺菌装置１０は、処理流路２８を流れる流体に光源４０からの紫外光を照射する。光源４０から出力される紫外光の光量は受光部４６により検出され、制御装置５０に送信される。したがって、本実施の形態によれば、光源４０の出力強度をモニタリングしながら流体の殺菌処理を施すことができる。制御装置５０は、紫外光の光量が低下した場合に振動子４２を動作させたり光源４０の駆動条件を変えたりすることにより、殺菌処理に十分な強度の紫外光が処理流路２８を流れる流体に照射されるようにする。これにより、筐体２０の内部の汚れや光源４０の劣化により紫外光の照射量が不足し、十分に殺菌されていない流体が流出されることを防ぐことができる。これにより、信頼性の高い流体殺菌装置１０を提供できる。

本実施の形態によれば、内壁面１６が疎水性のフッ素系樹脂で構成されるため、内壁面１６に汚れが付着しにくい。その結果、処理流路２８を衛生的に保ちやすくできる。また、受光部４６の透過窓となる肉薄部１９の表面にも汚れが付着しにくいため、透過窓の汚れによる検出光量の低下を防ぐことができる。仮に、受光部４６の透過窓として石英などのガラス材料を用いた場合、ガラスは親水性であるために汚れが付着しやすい。そのため、使用に伴って透過窓に汚れが蓄積して正確に紫外光の光量を計測できなくなるおそれがある。一方、本実施の形態では、ＰＴＦＥなどのフッ素系樹脂により受光部４６の透過窓を構成しているため、汚れの付着を好適に防ぎ、汚れの蓄積による計測精度の低下を防ぐことができる。

本実施の形態によれば、光源４０の近い位置に受光部４６を設けることで、処理流路２８を通る流体の紫外光透過率の影響が少ない光量検出を実現できる。直管１２の軸方向に紫外光を照射する構成の場合、光源４０に対向する反対側の端部（上流側端部１３または流入側端部２１）に受光部を設ける構成が考えられる。この場合、処理流路２８の長さによっては光源４０から受光部４６までの距離が長くなり、処理流路２８を通る流体の紫外光透過率によって検出される光量が大きく変動してしまう。一方、本実施の形態によれば、直管１２の側方に受光部４６を設けることにより、受光部４６を光源４０の近傍に配置することができる。これにより、流体の紫外光透過率により検出光量が変動する要素を少なくし、より正確に光源４０の出力強度を計測することができる。

本実施の形態によれば、受光部４６の透過窓となる肉薄部１９にフッ素系樹脂を用いることで、肉薄部１９に入射する紫外光を拡散透過させて受光部４６に入射させることができる。仮に受光部４６の透過窓として透明なガラス材料を用いた場合、ガラス窓に高入射角で入射する紫外光をうまく受光部４６に導くことができないかもしれない。また、ガラス窓の表面で反射してしまう成分の割合も大きくなるかもしれない。特に本実施の形態では光源４０の配光角φを小さく（例えば３０度以内に）しているため、肉薄部１９に入射する紫外光の大半の入射角は大きい（例えば７５度以上）。本実施の形態では、肉薄部１９がフッ素系樹脂で構成されるため、肉薄部１９に入射する紫外光は直線的に肉薄部１９を透過するのではなく、樹脂の内部で散乱を繰り返しながら拡散透過する。その結果、肉薄部１９を透過した後の紫外光の一部は、進行方向を変えて受光部４６に向かうこととなる。その結果、紫外光が軸方向に照射される構成において直管１２の側方に受光部４６を設ける場合であっても、より多くの紫外光が受光部４６に入射するようにできる。

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、流入側端部２１に振動子４２を設け、流出側端部２２に光源４０を設ける場合を示した。変形例においては、振動子４２と光源４０の配置を逆にして、流入側端部２１に光源および窓部材を配置し、流出側端部２２に振動子を配置してもよい。この場合、受光部を設ける凹部は上流側端部１３の近傍に設けられてもよい。つまり、受光部を設ける凹部は、光源の近傍に配置されてもよい。

変形例においては、流入側端部２１と流出側端部２２のそれぞれに光源を配置してもよい。この場合、上流側端部１３と下流側端部１４のそれぞれの近傍に凹部を設け、それぞれの凹部に受光部を配置してもよい。この変形例の場合、振動子が筐体２０の側方に設けられてもよい。

上述の実施の形態では、水などの流体に紫外光を照射して殺菌処理を施すための装置として説明した。変形例においては、紫外光の照射により流体に含まれる有機物を分解させる浄化処理に本装置を用いてもよい。

１０…流体殺菌装置、１２…直管、１３…上流側端部、１４…下流側端部、１６…内壁面、１７…外壁面、１８…凹部、１９…肉薄部、２６…窓部材、２８…処理流路、４０…光源、４２…振動子、４６…受光部、５０…制御装置。

Claims (8)

1. 処理流路を区画する直管と、
   前記処理流路に向けて前記直管の軸方向に紫外光を照射する光源と、
   前記光源から出力される紫外光の一部を光量検出のために受光する受光部と、を備え、
   前記直管は、フッ素系樹脂で構成され、かつ、前記直管の内壁面からの径方向の厚さが他の部分の厚さより小さい肉薄部が部分的に設けられるよう前記直管の外壁面の一部に形成される凹部を有し、
   前記受光部は、前記凹部内に配置され、前記処理流路の内部から外部に向けて前記肉薄部を透過した紫外光を受光するよう配置されることを特徴とする流体殺菌装置。
2. 前記光源は、前記直管の第１端部から第２端部に向けて紫外光を照射するよう配置され、
   前記凹部は、前記第２端部より前記第１端部に近い位置に設けら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. 前記第１端部は、前記処理流路の下流側に位置し、前記第２端部は、前記処理流路の上流側に位置することを特徴とする請求項２に記載の流体殺菌装置。
4. 前記凹部は、前記光源からの紫外光が直接入射しうる位置に設けられることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の流体殺菌装置。
5. 前記光源と前記処理流路の間を区画する窓部材と、
   前記窓部材を振動させる振動子と、をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の流体殺菌装置。
6. 前記受光部に入射する紫外光の光量に基づいて前記振動子を作動させる制御装置をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の流体殺菌装置。
7. 前記受光部に入射する紫外光の光量に基づいて前記光源の出力を制御する制御装置を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の流体殺菌装置。
8. 前記直管は、ポリテトラフルオロエチレンで構成され、前記直管の前記肉薄部の厚さは２ｍｍ以下であり、前記直管の前記肉薄部以外の厚さは３ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の流体殺菌装置。

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