JP6826141B2 - 紫外線照射装置 - Google Patents
紫外線照射装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP6826141B2 JP6826141B2 JP2019042054A JP2019042054A JP6826141B2 JP 6826141 B2 JP6826141 B2 JP 6826141B2 JP 2019042054 A JP2019042054 A JP 2019042054A JP 2019042054 A JP2019042054 A JP 2019042054A JP 6826141 B2 JP6826141 B2 JP 6826141B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- ratio
- flow path
- ultraviolet light
- plate
- ultraviolet
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Apparatus For Disinfection Or Sterilisation (AREA)
- Disinfection, Sterilisation Or Deodorisation Of Air (AREA)
- Physical Water Treatments (AREA)
Description
この流体殺菌装置では、流路のレイノルズ数が層流状態の臨界レイノルズ数以下となるように、流体殺菌装置の内径及び平均流速を調整するようにしており、例えばレイノルズ数が3000以下(好ましくは2320以下)の層流で流体を導入し、ポワズイユ分布状の流れの流体の流速が大きい領域に高いLED強度の光が照射されるようにすることで、殺菌効率を向上させるようにしている。
しかしながら、円管内の流れのレイノルズ数は、円管の径と、流体を導入する速度とに依存する。そのため、レイノルズ数を小さくするためには、流量を一定とすると、円管内を流れる流体の速度を遅くするために円管の径を大きくする必要があり、円管の径を大きくするということはすなわち装置の大型化につながる。
そこで、この発明は従来の未解決の問題に着目してなされたものであり、流速を低下させることなく小型且つ簡易な装置で流体に対して効率よく紫外線照射を行うことの可能な紫外線照射装置を提供することを目的としている。
殺菌モジュール1は、図1に示すように、流入部2と、円筒部(筒状部)3と、発光部4と、流出部5と、を備える。流入部2は円筒部3の一端に取り付けられ、円筒部3の他端に発光部4が取り付けられている。
流入部2は、端部21と、テーパ部22とを備え、端部21の一端には円筒部3の長手方向に沿って流体を流入させる流入口21aと、流入口21aを他の配管等に接続するためのフランジ21bと、が形成されている。
テーパ部22は、流入された流体の流れをポワズイユ分布状の流れにする目的で設けられている。ポワズイユ分布状の流れは、流体の流入口が狭く、その後広がるテーパ形状とすることで形成することができる。テーパ形状としては、テーパ比が0.2以上0.68以下であることが好ましい。テーパ比をこの範囲とすることで、より長い距離においてポワズイユ分布状の流れを実現することができる。
テーパ比=(D−d)/L ……(1)
円筒部3は、図1に示すように流入部2側の第一部材31と、発光部4側の第二部材32とを有し、第一部材31と第二部材32とは、接合部材33によって一体に結合されている。また、円筒部3の発光部4側の端面には、図2に示すように発光部4に収容されている光源41からの紫外光を透過させるための窓部34が設けられている。窓部34は、石英(SiO2)やサファイア(Al2O3)、非晶質のフッ素系樹脂などの紫外光の透過率が高い部材で構成される。
また、円筒部3の流入部2側の端部寄りの外周には、殺菌モジュール1内の流体を流出する流出部5が設けられている。流出部5の一端は外側流路36と連通し、他端には流体を流出させる流出口51と、流出口51を他の配管等に接続するためのフランジ52とが形成されている。
発光部4は光源41を備え、光源41は照射面が窓部34と対向し、且つ、照射面の中心と、流体の流れる方向から見て内側流路35の中心とが対向するように配置される。光源41は、殺菌効率の高い波長である260nm〜270nm付近の紫外光を発光し、例えば、中心波長が230nm以上300nm以下の紫外線発光ダイオード等の発光素子で構成される。
また、板6は、開口率を三段階に分ける場合に限るものではなく、任意の段階に分けてもよく、要は、レイノルズ数3000以上で導入される流体を、板6を通過させることで、ポワズイユ分布状の流れを形成することができればよく、同様に、開口孔6aの大きさや配置位置も任意に設定することができる。
図5は、開口率を三段階に分けたものであり、内側エリアAinと、中間エリアAmidと、外側エリアAoutとで、開口孔6aの配置数を異ならせることによって開口率を異ならせるようにしたものである。つまり、開口孔6aの大きさは同一であり、内側エリアAinにおける開口孔6aの配置数が最も多く、次に中間エリアAmidにおける開口孔6aの配置数が多く、外側エリアAoutにおける開口孔6aの配置数が最も少なくなるように配置すればよい。
図7は、開口孔の配置数を異ならせることによって、開口率を二段階に分けるようにしたものである。開口孔6dは同一の孔径を有し、図7(a)は、内側エリアAinに145個の開口孔6dを配置し、外側エリアAoutに124個の開口孔6dを配置し、開口率比が2:1となるようにしている。図7(b)は、内側エリアAinに165個の開口孔6dを配置し、外側エリアAoutに104個の開口孔6dを配置し、開口率比が3:1となるようにしている。
ここで、流路を流れる流体がポワズイユ分布状の流れを形成するためには、流路を流れる流体のレイノズル数を層流状態の臨界レイノルズ数以下とする必要があり、例えば、円管内の流れの臨界レイノズル数は約2300であることが知られている。そのため、レイノズル数が3000以上の流体を円管に流入したとしてもこの状態では、ポワズイユ分布状の流れとなりにくい。
ここで、テーパ部22は入り口側の管径が小さく、その後拡径するため、テーパ部22内では、流体の流れがテーパ部22の側壁方向に広がることになる。つまり、図2中に矢印で示すように、流体が流れる方向から見て、テーパ部22の中心部分に流れが集中することになり、すなわち、ポワズイユ分布状の流れが形成されることになる。そして、テーパ部22のテーパ比を、0.2以上0.68以下となるようにしているため、内側流路35の長い距離においてポワズイユ分布状の流れを維持することができる。
なお、上記実施形態では、図2に示すように、テーパ部22と、板6とによって、ポワズイユ分布状の流れを形成する場合について説明したが、これに限るものではない。前述のように、テーパ部22と板6との少なくともいずれか一方を設けることによって、ポワズイユ分布状の流れを形成することができるため、テーパ部22と板6の一方のみを設けた場合であっても、ポワズイユ分布状の流れを形成することができる。
また、上記実施形態においては、流体の殺菌を行う場合について説明したが、殺菌対象は、水、水溶液、コロイド分散液等の流体であってもよく、また、空気等の気体や、氷や固体の微粉末等であってもよい。
本発明に係る殺菌モジュール1について、計算機上で光学シミュレーション及び流速シミュレーションを行った。
これら光学シミュレーション及び流速シミュレーションでは、内側流路35として、図10(a)に示す、断面が円となる直管の内側を想定して計算機上でシミュレーションを行った。
具体的には、管径40〔mm〕、長さ300〔mm〕の直管を想定した。対象物を流す条件は、流量が5〔L/min〕、平均流速が0.07〔m/s〕、レイノルズ数が2957とし、乱流を発生させた。また助走区間距離は1000〔mm〕以上1600〔mm〕以下とした。
また、直管はポリテトラフルオロエチレン製であり、紫外線領域における反射率は96〔%〕、紫外線領域における拡散率は100〔%〕とした。
このような直管からなる流路において、直管の流入口側の端部から下流側の、200〔mm〕の地点における断面において対象物に対する光学的な評価を行った。なお、図10(a)において、図10(b)に示すように、直管が延びる方向をZ軸とした。また、断面における円中心つまり管中心を基準とする、Z軸に垂直な方向(図10(b)では上方向)をY軸とし、同じく管中心を基準とするZ軸及びY軸に垂直な方向をX軸方向とし、管中心におけるX軸及びY軸の座標をそれぞれX=0、Y=0とした。このXYZ座標系において、Z=200〔mm〕、X=0を通る、Y軸上で、Y=−20〔mm〕から+20〔mm〕までの範囲における、0.5〔mm〕毎の点を試算点とし、各試算点について、ドーズ量相当の値として、「紫外光強度×(1/流速)」(以後、紫外光強度の比率ともいう。)を演算した。
そこで、光学シミュレーションを行い、40の試算点における紫外光強度の比率の標準偏差を試算し、評価を行った。
図11(b)に示すように、Z=200〔mm〕、X=0を通る断面において、紫外光強度の比率は、管中心近傍が最も大きく、周縁部に近づくほど小さくなっていることがわかる。
図10(a)で想定した直管を用いて、板6として、板6−1〜6−6を設けた場合について計算機上で流速シミュレーションを行った。なお、テーパ部22は設けていない。
板6として図12(a)〜図12(f)に示す開口率の異なる6種類の板6−1〜6−6を用いた。板6−1〜6−6の仕様を表1に示す。なお、板6−1〜6−6は、図4と同様に、同心円で面積が等しい3つのエリアに分割した。
光学シミュレーション時と同様の40の試算点について、紫外光強度の比率を演算した。その演算結果を図13(a)〜(f)に示す。図13の各図において、横軸は、Z=200、X=0を通る断面における管中心(X=0、Y=0、Z=200)からのY軸方向の距離〔mm〕を表し、縦軸は、紫外光強度の比率を表す。
図14は、板6−1〜6−6それぞれについて、紫外光強度の比率の標準偏差と、「内側エリアの開口率÷外側エリアの開口率」との対応を表したものである。
つまり、「内側エリアの開口率÷外側エリアの開口率」は、図14において、紫外光強度の比率の標準偏差が、標準偏差の基準値σs1を下回る、6.3以上8.6以下程度の範囲にあれば、効率のよい整流用の板であるとみなすことができる。
したがって、図4に示すように、整流用の板を同心円で面積が等しい3つのエリアに分割したとき、最も外側のエリアAoutの開口率に対して、最も内側のエリアAinの開口率が6倍以上10倍以下であることが好ましく、より好ましくは、6.3以上8.6以下であることが好ましいことがわかる。
次に、図15に示す開口率の異なる二つの板6−11、6−12を用いて流速シミュレーションを行った。この流速シミュレーションも、図10(a)に示す直管を用いて計算機上で行った。なお、テーパ部22は設けていない。
流速シミュレーション結果を表2に示す。
流速シミュレーションにより、図10(a)に示す直管の流入側端部と、出力側端部それぞれにおける圧力を演算し、圧力損失を演算した。
その結果、表2に示すように、板6−11の圧力損失は0.5〔kPa〕であり、板6−12の圧力損失は0.2〔kPa〕であった。圧力損失は、開口率9.4〔%〕の場合、開口率16.6〔%〕の2.5倍になる。
次に、開口率の異なる板6−21〜6−24について、安全率を演算した。その結果を表3に示す。
各板6−21〜6−24に対して、3〔MPa〕の圧力がかかった場合の応力として、ミーゼスの相当応力を演算した。そして、安全率を演算した(=引張強度÷ミーゼスの相当応力)。
図16に示すように開口率が大きくなるほど安全率は低下する。安全率が低下すると整流用の板が破断する可能性があることから、安全率は「1」以上であることが好ましく、開口率が55〔%〕程度で安全率が「1」より小さくなることから、開口率は50〔%〕以下であることが好ましい。
以上から、圧力損失と安全率との観点から、開口率は、10〔%〕以上50〔%〕以下が好ましいことがわかる。
次に、図10(a)を用いて、テーパ部22を備える場合について計算機上で流体シミュレーションを行った。なお、板6は設けていない。
テーパ部22として、図17に示すように、テーパ部22−1〜テーパ部22−5を用いた。テーパ部22−1のテーパ比は1/4、テーパ部22−2のテーパ比は3/8、テーパ部22−3のテーパ比は1/2、テーパ部22−4のテーパ比は3/4、テーパ部22−5のテーパ比は7/8である。流体シミュレーションにおいて、対象物を流す条件は、光学シミュレーション時と同様である。
光学シミュレーション時と同一の40の試算点について、紫外光強度の比率を演算した。その演算結果を図18(a)〜(e)に示す。図18の各図において、横軸は、Z=200、X=0を通る断面における管中心(X=0、Y=0、Z=200)からのY軸方向の距離〔mm〕を表し、縦軸は、紫外光強度の比率を表す。
ここで、図19(a)に示す直管において、テーパ部を設けない場合について、流体シミュレーションを行い、前述の40の試算点について、紫外光強度の比率を演算し、この紫外光強度の比率の標準偏差を求めた。この標準偏差を標準偏差の基準値σs2とする。各テーパ部22−1〜22−5について得られた紫外光強度の比率の標準偏差が、標準偏差の基準値σs2よりも小さければ、テーパ部を設けることにより標準偏差が小さくなったとみなすことができる。したがって、各テーパ部22−1〜22−5のうち、紫外光強度の比率の標準偏差が、標準偏差の基準値σs2より小さいテーパ部は、このテーパ部を用いることで、紫外線照射量のばらつきが小さく効率がよくなっているとみなすことができる。逆に、紫外光強度の比率の標準偏差が、標準偏差の基準値σs2以上である場合には、このテーパ部を用いることで、紫外線照射量のばらつきが大きくなり、効率が悪くなるとみなすことができる。
つまり、テーパ比は、図19において、紫外光強度の比率の標準偏差が、標準偏差の基準値σs2を下回る、0.2以上0.68以下程度の範囲にあれば、効率のよいテーパ比であるとみなすことができる。
したがって、テーパ部22のテーパ比は、0.2以上0.68以下であることが好ましいことがわかる。
2 流入部
3 円筒部
4 発光部
5 流出部
6 板
6a 開口孔
21a 流入口
22 テーパ部
34 窓部
35 内側流路
41 光源
Claims (6)
- 長手方向に延びる流路を構成する筒状部と、
前記筒状部の一端に設けられ前記流路に対して前記長手方向に沿って対象物を流入させる流入口と、
前記流入口と前記流路との間に設けられ、平面視が円形であり、且つ表裏間を通じる開口孔を有し、開口率が中心ほど大きく、周辺に近いほど小さくなるように設定されている板と、
前記筒状部の他端に設けられ前記流路を流れる前記対象物に向けて前記長手方向に沿って紫外光を照射可能であり、且つ当該紫外光の強度分布が、前記長手方向と直交する前記流路の断面において、中央付近の紫外光強度がその周囲の紫外光強度よりも高い発光素子と、
を備え、
前記板を同心円で面積が等しい3つのエリアに分割したとき、最も外側のエリアの前記開口率に対して、最も内側のエリアの前記開口率が6倍以上10倍以下である紫外線照射装置。 - 前記板の前記開口率が10%以上50%以下である請求項1に記載の紫外線照射装置。
- 前記筒状部は前記一端に前記長手方向に沿って内径が次第に増加して前記流路に連通するテーパ部を含み、
前記テーパ部の小径側の端部に前記流入口が設けられている請求項1又は請求項2に記載の紫外線照射装置。 - 前記テーパ部のテーパ形状において、テーパ比が0.2以上0.68以下である請求項3に記載の紫外線照射装置。
- 殺菌モジュールに適用される請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の紫外線照射装置。
- 前記対象物は液体である請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の紫外線照射装置。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018081804 | 2018-04-20 | ||
JP2018081804 | 2018-04-20 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2019188127A JP2019188127A (ja) | 2019-10-31 |
JP6826141B2 true JP6826141B2 (ja) | 2021-02-03 |
Family
ID=68388463
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2019042054A Active JP6826141B2 (ja) | 2018-04-20 | 2019-03-07 | 紫外線照射装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6826141B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP7182447B2 (ja) * | 2018-12-12 | 2022-12-02 | スタンレー電気株式会社 | 流体殺菌装置及び駆動方法 |
JP7270371B2 (ja) * | 2018-12-13 | 2023-05-10 | スタンレー電気株式会社 | 流体殺菌装置 |
JP7370261B2 (ja) * | 2020-01-28 | 2023-10-27 | スタンレー電気株式会社 | 流体殺菌装置及び流体殺菌ユニット |
US11007292B1 (en) | 2020-05-01 | 2021-05-18 | Uv Innovators, Llc | Automatic power compensation in ultraviolet (UV) light emission device, and related methods of use, particularly suited for decontamination |
JP7153993B2 (ja) * | 2020-05-29 | 2022-10-17 | 旭化成株式会社 | 紫外線照射装置及びこれを用いた送風システム |
WO2024024070A1 (ja) * | 2022-07-29 | 2024-02-01 | Amシステムズ株式会社 | 空気流殺菌装置 |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017074114A (ja) * | 2015-10-13 | 2017-04-20 | 日機装株式会社 | 流体殺菌装置および流体殺菌方法 |
JP6080937B1 (ja) * | 2015-12-08 | 2017-02-15 | 日機装株式会社 | 流体殺菌装置 |
JP7011931B2 (ja) * | 2017-12-07 | 2022-02-10 | スタンレー電気株式会社 | 流体殺菌装置 |
-
2019
- 2019-03-07 JP JP2019042054A patent/JP6826141B2/ja active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2019188127A (ja) | 2019-10-31 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6826141B2 (ja) | 紫外線照射装置 | |
US10745296B2 (en) | Fluid processing apparatus having multiple rectifying plates | |
KR102182402B1 (ko) | 유체 살균 장치 | |
US20180228928A1 (en) | Fluid sterilization device and fluid sterilization method | |
US20180140729A1 (en) | Sterilization device | |
TW201908902A (zh) | 具有受控輻射及流體動力之紫外線發光二極體光反應器及其製造與使用方法 | |
CN111320229B (zh) | 流体杀菌装置 | |
WO2015046014A1 (ja) | 紫外線殺菌装置 | |
JP6681314B2 (ja) | 水処理装置および水処理方法 | |
US20220176336A1 (en) | Multi-reflector photoreactor for controlled irradiation of fluid | |
JP6963956B2 (ja) | 紫外線殺菌装置および紫外線照射装置 | |
JP7299101B2 (ja) | 紫外線照射装置 | |
WO2018037938A1 (ja) | 流水殺菌装置および流水殺菌方法 | |
JP6654888B2 (ja) | 流体殺菌装置 | |
JP2016175025A (ja) | 殺菌モジュール用セル及び殺菌モジュール | |
WO2018168479A1 (ja) | 紫外線照射装置 | |
CN112955189A (zh) | 紫外线照射单元以及紫外线杀菌装置 | |
US10981807B1 (en) | Disinfecting fluid using disinfection light | |
JP2018090449A (ja) | オゾン発生装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20191010 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20200529 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20200609 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20200706 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20201222 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20210114 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6826141 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |