JP7011930B2

JP7011930B2 - 流体殺菌装置

Info

Publication number: JP7011930B2
Application number: JP2017235045A
Authority: JP
Inventors: 竜太郎大和田
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2017-12-07
Filing date: 2017-12-07
Publication date: 2022-01-27
Anticipated expiration: 2037-12-07
Also published as: JP2019098291A

Description

本発明は、流路を流れる流体を紫外光により殺菌する流体殺菌装置に関する。

近年、紫外線の殺菌作用が、食品庫の殺菌灯や医療用装置等に利用されている。また、流路を流れる流体に対して、紫外ＬＥＤにより紫外光を照射して流体を殺菌し、洗浄用水等に用いる装置もよく知られている。

例えば、下記の特許文献１の流体殺菌装置は、殺菌対象の流体が通過する流路を形成する筐体と、紫外線を出射する半導体発光素子を有する光源と、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ている。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。

また、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(特許文献１／段落００２０，００２１，図１)。

特開２０１７－０６０６６８号公報

しかしながら、反射部で紫外線が反射するとき、紫外線の損失が生じるため、光源から離れた位置では殺菌効果が低下していることが考えられる。また、流体殺菌装置を長期間使用することで流路内面に汚れが蓄積されると、反射率が低下するため、やはり殺菌効果が低下するという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、紫外光の利用効率を高め、殺菌効果を向上させることができる流体殺菌装置を提供することを目的とする。

第１発明の流体殺菌装置は、紫外光を出射する半導体発光素子を有する光源と、殺菌対象の流体が軸方向に流れる流路を有する筐体と、前記光源から出射された紫外光の配光を制御する配光制御部とを備え、前記配光制御部は、前記光源から出射された紫外光を集光する第１光学系と、前記第１光学系で集光した紫外光を受けて、前記筐体の前記軸方向に沿った出射光を形成する第２光学系とからなり、前記第１光学系は、回転楕円面の反射鏡を有し、前記光源は、前記回転楕円面の第１焦点に配置され、前記光源から出射され、前記第１光学系で反射された紫外光は、前記回転楕円面の第２焦点に集光し、前記第２光学系に入射し、前記第２光学系は、前記第２焦点を焦点とする回転放物面の反射鏡を有し、前記第２光学系で反射された紫外光は、前記筐体の前記軸方向と平行に進むことを特徴とする。

本発明において、第１光学系は、光源から出射された紫外光を集光し、集光された紫外光は、第２光学系を経て、筐体（流路）の軸方向に沿った向きに進む。紫外光が流路を通過する流体を照射することで殺菌が進むが、筐体の内壁にあたる成分が少なくなるため紫外光の減衰が生じ難く、殺菌効果を向上させることができる。

本発明の流体殺菌装置において、前記第１光学系は、回転楕円面の反射鏡を有し、前記光源は、前記回転楕円面の第１焦点に配置され、前記光源から出射され、前記第１光学系で反射された紫外光は、前記回転楕円面の第２焦点に集光し、前記第２光学系に入射することが好ましい。

本発明では、第１光学系が回転楕円面の反射鏡であり、光源を第１焦点に配置しているので、紫外光は、第１光学系で反射した後、もう一方の第２焦点に集光する。その後、第２焦点を通過した紫外光は、第２光学系に入射して、流路の方向に反射される。このような２回反射の光学系とすることで、筐体（流路）の直径方向外側に光源を配置することができ、光源の数、配置の自由度を高めることができる。

回転放物面の焦点を通過した紫外光が第２光学系で反射されると、反射光は平行光となる。このとき、紫外光が筐体（流路）の長手方向の軸方向と平行に進むようにしているので、紫外光は、筐体の壁面にあたることなく直進する。これにより、紫外光が光源から離れた位置まで損失なく到達するようになるので、紫外光の利用効率を高めることができる。

また、第２発明の流体殺菌装置は、紫外光を出射する半導体発光素子を有する光源と、殺菌対象の流体が軸方向に流れる流路を有する筐体と、前記光源から出射された紫外光の配光を制御する配光制御部とを備え、前記配光制御部は、前記光源から出射された紫外光を集光する第１光学系と、前記第１光学系で集光した紫外光を受けて、前記筐体の前記軸方向に沿った出射光を形成する第２光学系と、受光した紫外光の光量を検出する受光部と、前記光源から出射された紫外光の一部を、前記受光部に向けて反射する第３光学系と、前記受光部で検出された前記紫外光の前記一部の光量に基づいて、前記半導体発光素子の出力を制御する制御部とをさらに備え、前記第１光学系は、回転楕円面の反射鏡を有し、第１焦点と前記第１焦点とは異なる第２焦点とを有し、前記光源は、前記回転楕円面の前記第１焦点に配置され、前記第３光学系は、前記第１光学系の第１焦点の位置と、前記受光部の位置とを２つの焦点とする回転楕円面の反射鏡を有することを特徴とする。

この構成によれば、第３光学系は、光源から出射された紫外光を、受光部の方向に反射する。このため、光源から出射された紫外光の一部は、受光部で光量が検出され、光量の変化が分かるようになっている。制御部は、検出された紫外光の光量に基づいて半導体発光素子の出力を制御するので、光量を一定とし、殺菌性能を安定させることができる。

第３光学系の一方の焦点は第１配光学系の第１焦点の位置であり、光源が配置される。また、第３光学系のもう一方の焦点には受光部が配置されるので、光源から出射された紫外光の一部が受光部に入射し、光量を検出することができる。

本発明の実施形態の流体殺菌装置の全体斜視図。図１の流体殺菌装置の分解図。（ａ）図１の流体殺菌装置の正面図。（ｂ）図３（ａ）の流体殺菌装置のＡ－Ａ断面図。流体殺菌装置の光学系を説明する図。放射照度分布（光源からの距離：１５０ｍｍ）。放射照度分布（光源からの距離：２５０ｍｍ）。

以下、本発明の流体殺菌装置の実施形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態の流体殺菌装置１の全体斜視図である。流体殺菌装置１は、流路を流れる流体に対して紫外光を照射して、流体を殺菌する装置である。

流体殺菌装置１は、主に、流路を形成し、流体の殺菌部となる筒体５（本発明の「筐体」）と、後述する紫外ＬＥＤ（Light Emitting Diode）やリフレクタが収容された配光制御部７とで構成されている。

筒体５は、内径が６０ｍｍ、長さが３００ｍｍの直管形状を有し、殺菌対象の流体が筒体５の長軸方向に流れるようになっている。筒体５の材料は目的により異なるが、例えば、ステンレス製である。流体は開口５ａから流入して開口５ｂに流出し、流量は１０～１００（Ｌ／ｍｉｎ）である。開口５ｃには、後述する紫外光入射窓６を介して配光制御部７が取り付けられる。

図２は、流体殺菌装置１の分解図である。ここでは、主に、配光制御部７の内部構成について説明する。

配光制御部７は、主に、光源３や受光素子１０が設けられた基板４、紫外光入射窓６、リフレクタ８、光源ベース９等で構成されている。

光源３は、紫外光（波長２４０～３８０ｎｍ）を出射する紫外ＬＥＤ（本発明の「半導体発光素子」）であり、基板４に対して１個設けられている。基板４は、放熱性に優れた銅、アルミニウム等の金属製のものが望ましい。これにより、基板４を通して給電と放熱が行われる。基板４は、筒体５を囲むように放射状に６枚配設されているが、特にその数に制限はない。

光源３は、出射された紫外光がリフレクタ８の方向に進むように配置されている。リフレクタ８には、基板４に対応させた回転楕円面の第１反射面８ａが形成され、アルミニウム等の金属を蒸着して反射率を向上させた反射鏡となっている。

リフレクタ８の第１反射面８ａで反射した紫外光は、主に、光源ベース９の第２反射面９ａの方向に進む。なお、第１反射面８ａに隣接する位置に曲率が異なる部分（後述する第３反射面８ｂ）があり、ここに入射した紫外光は、基板４の受光素子１０（本発明の「受光部」）に入射する。

受光素子１０は、紫外ＬＥＤから出射された紫外光の出力を検出するフォトダイオード等の素子である。流体殺菌装置１は、受光素子１０で検出した紫外光の出力情報（光量）に基づいて、紫外ＬＥＤの出力を制御する制御部１１を有する（図３参照）。これにより、紫外光の光量を一定にすることができるので、殺菌効果が安定する。また、受光素子１０で検出した紫外光の出力情報に基づいて、異常があれば警告を発することもできる。

光源ベース９の筒体５側の面には、中心部に回転放物面の反射鏡を有する第２反射面９ａ、その周辺部に基板４が載置される基板固定溝９ｂが設けられている。本実施形態では、基板４が６枚あるため、第２反射面９ａと基板固定溝９ｂも６個ずつある。

１つの第２反射面９ａは、筒体５の半径に合わせた大きさを有し、第２反射面９ａに入射した各紫外ＬＥＤからの紫外光は筒体５の方向に反射され、筒体５の長軸方向（図３のＸ軸方向）と平行に進む。なお、第２反射面９ａ、基板固定溝９ｂが設けられた面の裏面側には放熱フィン９ｃが設けられている。放熱フィン９ｃを含む光源ベース９の材料は、アルミニウム等の放熱に優れた部材が望ましい。

第２反射面９ａで反射された光は、紫外光入射窓６を通過して筒体５の内部（殺菌部）に到達する。紫外光入射窓６は、石英、サファイア等の紫外線を透過する材料であることが望ましい。

次に、図３を参照して、流体殺菌装置１の正面図及び断面図について説明する。

まず、図３（ａ）は、流体殺菌装置１を正面、特に筒体５の開口５ａ側から見たときの正面図を示している。下方に突出している部分は、開口５ｂである。開口５ａの奥側には紫外光入射窓６があり、その奥側には第２反射面９ａが位置する。

紫外光入射窓６の奥側には、配光制御部７が取り付けられている。筒体５の周辺部は光源ベース９であり、筒体５の中心軸（Ｘ軸）の周りに６０度の間隔で基板４が配設されている。なお、実際には、基板４を覆う形で第１反射面８ａが存在するが、ここでは図示を省略する。

図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ－Ａ断面図を示している。図示するように、基板４上の光源３は、光源ベース９の直径方向外側（筒体５から離れた側）に配置されている。光源３から出射された紫外光は、リフレクタ８の第１反射面８ａで反射され、さらに光源ベース９の第２反射面９ａで反射される。なお、制御部１１の制御信号が駆動部１２に送信され、前記制御信号により駆動部１２からの出力電流が決定され、紫外ＬＥＤの出力が調整される。

また、基板４上の受光素子１０は、光源ベース９の直径方向内側（筒体５に近い側）に配置されている。受光素子１０の検出信号は制御部１１に送信されるので、例えば、紫外光の検出値が低下した場合に、紫外ＬＥＤの出力値を高くする。

そして、第２反射面９ａで反射された紫外光は、紫外光入射窓６を通過して、筒体５の長軸方向に沿った出射光により流体を照射する。後述する放射照度のシミュレーションでは、光源３の位置をＸ軸の原点Ｏとする軸方向を定め、Ｂ地点（ＯＢ＝１５０ｍｍ）と、Ｃ地点（ＯＣ＝２５０ｍｍ）での放射照度の分布を調べた。

次に、図４を参照して、流体殺菌装置１の光学系について説明する

リフレクタ８では、共に回転楕円面の反射鏡である第１反射面８ａ（本発明の「第１光学系」）と第３反射面８ｂ（本発明の「第３光学系」）とが隣接して配置されているが、両者は曲率が異なっている。なお、第１反射面８ａと第３反射面８ｂとの面積比は、約８：２である。

第１反射面８ａの２つの焦点のうち、回転楕円面の長軸方向の筒体５から離れた側にある焦点位置Ｆ１には、光源３が配置されている。従って、光源３から出射された紫外光は、第１反射面８ａの反射鏡で反射されて、回転楕円面の長軸方向の筒体５に近い側にある焦点位置Ｆ２に集光する。すなわち、焦点位置Ｆ２は、仮想光源となる。

また、光源３から出射された紫外光の一部は、第３反射面８ｂに入射する。第３反射面の２つの焦点のうち、回転楕円面の長軸方向の筒体５から離れた側にある焦点位置Ｆ１’は、第１反射面８ａの焦点位置Ｆ１と共通である。

また、第３反射面８ｂの２つの焦点のうち、回転楕円面の長軸方向の筒体５に近い側にある焦点位置Ｆ３には、受光素子１０が配置されている。これにより、光源３から出射された紫外光の一部が必ず受光素子１０に入射し、紫外光の光量が検出される。そして、受光素子１０の検出値が一定に保たれるように制御部１１の光源３に対する制御信号を調整することにより、光量を一定にして殺菌効果を安定させることができる。なお、第３反射面８ｂは、光源３の位置を焦点とし、中心軸が受光素子１０の配置された焦点位置Ｆ３を通る回転放物面であってもよい。

１つの受光素子１０には、対応する１つの光源３からの紫外光しか入射しない。従って、光源３の紫外ＬＥＤの出力が弱くなったり、故障したりした場合に、早期に発見することができる。

第１反射面８ａの反射鏡で反射されて、焦点位置Ｆ２に集光した紫外光は、回転放物面の反射鏡である光源ベース９の第２反射面９ａ（本発明の「第２光学系」）に入射する。第２反射面９ａは、反射された紫外光が筒体５の長軸方向と略平行に進むような曲率となっている。これにより、第２反射面９ａで反射された紫外光は、筒体５の内壁にあたる成分が減少して、原点Ｏから離れた位置であっても、放射照度の減衰が少ない。

最後に、図５Ａ、図５Ｂを参照して、紫外光の放射照度分布のシミュレーション結果を説明する。

発明者らは、光源３から出射され、第１反射面８ａ、第２反射面９ａで反射され、筒体５の長軸方向に進む紫外光の放射照度分布のシミュレーションを試みた。

まず、図５Ａは、図３のＢ地点（ＯＢ＝１５０ｍｍ）での放射照度分布を示している。照度の強さにより模様を変えているが、筒体５の中央部は照度が最も高く、筒体５の内壁に近づくにつれて照度が低くなっている。なお、照度分布の軸状の数値は、筒体５の中央を０としたときの長さであり、単位はｍｍである。また、「Ｕ」はUpper、「Ｄ」はDown、「Ｌ」はLeft、「Ｒ」はRightを意味する。

次に、図５Ｂは、図３のＣ地点（ＯＣ＝２５０ｍｍ）での放射照度分布を示している。図示するように、図５Ａの照度分布と比較すると、若干、中央の照度の最も高い領域が小さいものの、ほとんど紫外光の減衰がないことが確認された。

以上のように、流体殺菌装置１は、主に、紫外ＬＥＤを有する光源３と、殺菌対象の流体が軸方向に流れる筒体５と、紫外光の配光を制御する配光制御部７とで構成され、配光制御部７は、紫外光を集光するリフレクタ８と、リフレクタ８で集光した紫外光を受けて筒体５の軸方向に沿った出射光を形成する光源ベース９とからなる。そして、リフレクタ８の第１反射面８ａ、光源ベース９の第２反射面９ａで反射された紫外光が筒体５の長軸方向に進み、筒体５の内壁にはあたり難くなる。これにより、紫外光の利用効率を高め、流体の殺菌効率を向上させることができる。

なお、上述の実施形態は一例に過ぎず、用途に応じて適宜変更することができる。例えば、流体殺菌装置１の筒体５は、直径が６０ｍｍ、長さが３０ｍｍであったが、用途により流量が異なるため、用途に合わせてサイズを変更する必要がある。

また、筒体５の素材もステンレス製に限られず、用途に応じてテフロン（登録商標）系の材料を用いることができる。流体の流れる方向は、一般的には、紫外光の照射方向と逆向き（開口５ａから開口５ｂに向かう方向）であるが、照射方向と一致させてもよい。紫外ＬＥＤの数等も、適宜変更可能である。

１…流体殺菌装置、３…光源、４…基板、５…筒体（筐体）、５ａ～５ｃ…開口、６…紫外光入射窓、７…配光制御部、８…リフレクタ、８ａ…第１反射面（第１光学系）、８ｂ…第３反射面（第３光学系）、９…光源ベース、９ａ…第２反射面（第２光学系）、９ｂ…基板固定溝、９ｃ…放熱フィン、１０…受光素子、１１…制御部、１２…駆動部。

Claims

紫外光を出射する半導体発光素子を有する光源と、
殺菌対象の流体が軸方向に流れる流路を有する筐体と、
前記光源から出射された紫外光の配光を制御する配光制御部とを備え、
前記配光制御部は、
前記光源から出射された紫外光を集光する第１光学系と、
前記第１光学系で集光した紫外光を受けて、前記筐体の前記軸方向に沿った出射光を形成する第２光学系とからなり、
前記第１光学系は、回転楕円面の反射鏡を有し、
前記光源は、前記回転楕円面の第１焦点に配置され、前記光源から出射され、前記第１光学系で反射された紫外光は、前記回転楕円面の第２焦点に集光し、前記第２光学系に入射し、
前記第２光学系は、前記第２焦点を焦点とする回転放物面の反射鏡を有し、
前記第２光学系で反射された紫外光は、前記筐体の前記軸方向と平行に進むことを特徴とする流体殺菌装置。
紫外光を出射する半導体発光素子を有する光源と、
殺菌対象の流体が軸方向に流れる流路を有する筐体と、
前記光源から出射された紫外光の配光を制御する配光制御部とを備え、
前記配光制御部は、
前記光源から出射された紫外光を集光する第１光学系と、
前記第１光学系で集光した紫外光を受けて、前記筐体の前記軸方向に沿った出射光を形成する第２光学系と、
受光した紫外光の光量を検出する受光部と、
前記光源から出射された紫外光の一部を、前記受光部に向けて反射する第３光学系と、
前記受光部で検出された前記紫外光の前記一部の光量に基づいて、前記半導体発光素子の出力を制御する制御部とをさらに備え、
前記第１光学系は、回転楕円面の反射鏡を有し、第１焦点と前記第１焦点とは異なる第２焦点とを有し、
前記光源は、前記回転楕円面の前記第１焦点に配置され、
前記第３光学系は、前記第１光学系の第１焦点の位置と、前記受光部の位置とを２つの焦点とする回転楕円面の反射鏡を有することを特徴とする流体殺菌装置。