JP7011931B2

JP7011931B2 - 流体殺菌装置

Info

Publication number: JP7011931B2
Application number: JP2017235046A
Authority: JP
Inventors: 裕幸加藤
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2017-12-07
Filing date: 2017-12-07
Publication date: 2022-02-10
Anticipated expiration: 2037-12-07
Also published as: JP2019098055A

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、直管と、流出管と、光源とを備え、光源は直管の端部に配置され、直管の内部に向けて紫外光を照射する装置である。

直管の内壁面は、紫外光の反射率が高い材料（例えば、鏡面研磨されたアルミニウムや、全フッ素化樹脂であるポリテトラフルオロエチレン）で構成されている。これらの材料を用いることで、光源が発する紫外光を内壁面で反射させて、直管の長手方向に紫外光を伝搬させることができる（特許文献１／段落００１９，００２１，図１)。

特開２０１７－０７４１１４号公報

しかしながら、特許文献１の流体殺菌装置のような直管の流路では、紫外光が直管の内壁面にあたって吸収されるので、紫外光の損失が生じる。このため、出射された紫外光の一部は殺菌に寄与しなくなり、特に、光源から離れた位置においては殺菌効果が低下していることが考えられる。

直管の内壁面を反射率の高い材料で被覆することもできるが、流体殺菌装置を長期間使用することで内壁面に汚れが蓄積して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。

本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を備え、前記光源は、前記筐体の軸方向の一端部に設けられ、前記筐体は、前記一端部の反対側に向かって前記流路の断面積が徐々に大きくなるテーパ構造となっていることを特徴とする。

本発明では、光源から出射された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。光源から出射される紫外光は、筐体（流路）の軸方向と平行には進まず多少の広がりをもつため、筐体を、光源が設けられた端部の反対側に向かって流路の断面積が徐々に大きくなるテーパ構造にする。断面積が小さい箇所では流体の速度が速いが、光源に近いため紫外光が十分照射される。また、断面積が大きい箇所では流体の速度が遅いが、その分、紫外光の照射時間が長くなり、やはり紫外光が十分照射される。これにより、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、前記テーパ構造は、前記半導体発光素子の配光角に合わせた傾斜となっていることが好ましい。

筐体のテーパ構造を、半導体発光素子の配光角に合わせた傾斜とすることで、筐体の内壁にあたる紫外光の成分が減少する。これにより、紫外光の損失が少なくなり、光源から遠い位置まで紫外光が届くようになるため、紫外光の利用効率を高めることができる。

また、本発明の流体殺菌装置において、前記筐体の前記一端部の反対側の端部に、前記流体の流れを整える整流手段が設けられていることが好ましい。

筐体の光源と反対側の端部に整流手段を設けることで、流体の流れをある程度整えた後に、紫外光が流体に照射される。これにより、流体に紫外光が万遍なく照射されるようになるので、殺菌効果をさらに向上させることができる。

また、本発明の流体殺菌装置において、前記筐体の前記光源側の端部に、前記流体の流れを整える整流手段を設けるようにしてもよい。

例えば、筐体の両端部に整流手段を設けると、まず、流体の流れを整えた後に紫外光が流体に照射される。さらに、殺菌された流体を筐体の出口方向に効率良く導くことができる。

また、本発明の流体殺菌装置において、前記整流手段は、前記流体が流入する容器と整流部とを有し、前記整流部は、前記筐体と前記容器との間に配設されていることが好ましい。

整流部は、筐体と容器との間に配設されているので、容器に流入した流体は、整流部を通過して筐体内に進む。これにより、紫外光が流体に照射される前段階で、流体が十分に整流される。

また、本発明の流体殺菌装置において、前記整流部は、前記光源から出射される紫外光に対して透光性を有していることが好ましい。

この構成によれば、容器に流入して一時的に貯留されている流体に対しても紫外光が照射される。これにより、殺菌効果をさらに向上させることができる。

また、本発明の流体殺菌装置において、前記筐体は、互いに区画され、それぞれ前記流体の流れを整える流入整流室及び流出整流室を有する整流容器に収容され、前記流体は、前記流入整流室を経て前記筐体に流入し、該筐体を経て前記流出整流室に流れることが好ましい。

この構成によれば、流体は、流入整流室を経て筐体に流れるので、整流された流体に対して紫外光が照射される。その後、流体は、筐体を経て流出整流室に流れるので、流体を効率良く整流容器の外部へ導くことができる。また、流入整流室及び流出整流室で一時的に貯留されている流体の一部に対しても紫外光が照射されるので、殺菌効果をさらに向上させることができる。

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II-II断面図。紫外光の配光角と筒体のテーパ構造の傾斜を説明する図。流体殺菌装置の第１変更形態を説明する断面図。流体殺菌装置の第２変更形態を説明する断面図。流体殺菌装置の第３変更形態を説明する断面図。

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、光源となる紫外ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等が収容されたケース７とで構成されている。

筒体５は、最小内径が６０ｍｍ、最大内径が９０ｍｍ、長さが３００ｍｍの徐々に径の断面積が大きくなるテーパ構造の管形状を有し、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５ｂから流入して開口５ａに流出し、流量は１０～１００（Ｌ／ｍｉｎ）である。開口５ｃは、後述する紫外光入射窓６を介してケース７が取り付けられている。

次に、図２Ａ、図２Ｂを参照して、流体殺菌装置１の詳細を説明する。

図２Ａは、図１の流体殺菌装置１のII-II断面図を示している。ケース７には、光源３が設けられた基板４及び紫外光入射窓６が収納されている。図示するように、光源３は、紫外光入射窓６側に紫外光を出射することで、紫外光が筒体５の流路の方向に進むようになっている。

光源３の紫外光は、殺菌効果を有する波長又は化学物質を分解する波長を有しており、例えば、波長２４０～３８０ｎｍの範囲である。紫外光を出射する紫外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。なお、基板４の裏面側、又はケース７の基板４側に放熱フィンを設けてもよい。放熱フィンの材料は、アルミニウム等の放熱に優れた部材が望ましい。

光源３から出射される紫外光の一部を、回転放物面の反射面を有するリフレクタで反射して、紫外光を流路の方向に導くようにしてもよい。このとき、光源３は、回転放物面の焦点位置に配置するとよい。

次に、図２Ｂを参照して、紫外光の配光角と筒体５のテーパ構造の傾斜を説明する。紫外ＬＥＤから出射される紫外光は所定の広がりを有するが、これが配光角θである。なお、配光角θは、直進する紫外光の光強度（ランバーシアン配光）が所定値以下（例えば、ピーク光強度の１／２や１／１０）となる角度を配光角θと定めてもよい。

筒体５のテーパ構造は、出射される紫外光の配光角θと合わせた、又は配光角θに応じた傾斜を有している。具体的には、筒体５の側壁に沿った直線を径の断面積が小さい方向に延長して２本の直線のなす角を角度φとしたとき、角度φと配光角θがほぼ一致する傾斜であることが好ましい。具体的には、角度φと配光角θとの差は±２０％以内が好ましく、±１０％以内がより好ましい。

これにより、出射される紫外光は、筒体５の内壁にあたる成分が少なくなるため、光源３から離れた位置まで紫外光が届くようになる。従って、紫外光の損失が少なくなって利用効率が高まり、殺菌効果が向上する。

また、流体が流入する開口５ｂ付近では、筒体５の断面積が大きいので、流体の速度が比較的遅い。このため、光源３からの距離が遠く、紫外光の照射量は僅かに減衰しているものの、紫外光が流路の流体を十分照射することができる。なお、紫外光の照射量は、紫外光の照度と照射時間の積で決定される。

一方、流体が流出する開口５ａ付近では、筒体５の断面積が小さいので、流体の速度が比較的速い。しかし、光源３からの距離が短いため、やはり流路の流体を十分照射することができる。

基板４上の紫外ＬＥＤの数に、特に制限はない。基板４上に紫外ＬＥＤを複数配置する場合には、基板４の周辺部に配置されたＬＥＤの配光角を基準に筒体５のテーパ構造の傾斜を定める。

出射された紫外光は、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。なお、光源３と紫外光入射窓６との間にレンズを配設して、紫外光の配光角θを調整するようにしてもよい。この場合、紫外光入射窓６から照射される配光全体の光強度が所定値以下（例えば、ピーク光強度の１／２や１／１０）となる角度を配光角θと定めてもよい。

次に、図３を参照して、流体殺菌装置１の第１変更形態である流体殺菌装置１０について説明する。以下では、上述の実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、説明を省略する。

図３は、流体殺菌装置１０の断面図（図１のII-II断面に相当）を示している。流体殺菌装置１０を構成する筒体１３は、開口５ｂを有していない点、径の断面積が大きい側の端部が開口（開口１３ｂ）となっている点以外は、流体殺菌装置１の筒体５と同じである。また、筒体１３についても、光源３から出射された紫外光が筒体１３の内壁にあたり難くなるように、配光角θと合わせた傾斜のテーパ構造となっている。

図示するように、流体殺菌装置１０では、筒体１３の径の断面積が大きい側に、開口８ａを有する容器８（本発明の「整流手段」の一部）が取り付けられている。開口８ａから流体が流入するため、流体は、初め容器８に貯留される。なお、開口８ａの位置は、開口１３ａと同じ方向に限られない。

また、筒体１３と容器８との間（接続部）には、流体の流れを整える整流板９（本発明の「整流部」）が配設されている。整流板９は、金属製又はフッ素樹脂製の板材であり、筒体１３の軸方向に貫通する複数の孔を有している。整流板９は、紫外光に対して透光性を有する材料であってもよい。この場合、容器８内の流体にも紫外光が照射されるので、殺菌効果が高まる。

整流板９により、容器８に貯留された流体が整流された状態で開口１３ｂの内部に流入し、開口１３ａの方向に進むので、紫外光が流路の流体に万遍なく照射される。なお、整流板９は、筒体１３内部の所定の位置に配設してもよい。

次に、図４を参照して、流体殺菌装置１の第２変更形態である流体殺菌装置２０について説明する。

図４は、流体殺菌装置２０の断面図（図１のII-II断面に相当）を示している。筒体１３は、流体殺菌装置１０で用いたものと同じであり、光源３から出射された紫外光が筒体１３の内壁にあたり難くなるように、配光角θと合わせた傾斜のテーパ構造となっている。

図示するように、流体殺菌装置２０では、筒体１３の軸方向の略中央に、開口１５ａを有する整流容器１５（本発明の「整流手段」）が取り付けられ、筒体１３の径の断面積が大きい方の半分は、整流容器１５の内部に収容されている。

流体は、整流容器１５の開口１５ａから流入し、整流容器１５の内壁と筒体１３の外壁とで区画された流路を通過することで整流され、筒体１３の開口１３ｂから筒体１３の内部に流入する。このような形態でも、流体が整流された状態で開口５ａの方向に進むので、紫外光が流路の流体に万遍なく照射される。さらに、整流容器１５内の流体にも紫外光が照射されるので、殺菌効果が高まる。なお、筒体１３内部の所定の位置に整流板９を配設してもよい。

上述の流体殺菌装置１０及び流体殺菌装置２０では、筒体１３の光源３とは反対側の端部に整流機構（それぞれ整流板９、整流容器１５）を設けたが、筒体１３の光源３側の端部に整流機構を設けてもよい。例えば、筒体１３の長軸方向の半分より光源３側に、紫外光を遮蔽しない整流板を配設することができる。

最後に、図５を参照して、筒体の光源側の端部にも整流機構を設けた、流体殺菌装置１の第３変更形態である流体殺菌装置３０について説明する。

図５は、流体殺菌装置３０の断面図（図１のII-II断面に相当）を示している。流体殺菌装置３０を構成する筒体２３は、流体殺菌装置１の筒体５の管形状部のみを有し、両端部が開口となっている。なお、径の断面積が小さい側の端部が開口２３ａ、径の断面積が大きい側の端部が開口２３ｂである。また、筒体２３についても、光源３から出射された紫外光が筒体２３の内壁にあたり難くなるように、配光角θと合わせた傾斜のテーパ構造となっている。

図示するように、流体殺菌装置３０では、筒体２３が開口２５ａ、開口２５ｂを有する整流容器２５（本発明の「整流手段」）の内部に収納されている。筒体２３は、長軸方向の略中央部が仕切板２５ｃにより固定されている。

また、筒体２３の開口２３ａの端部からは、光源３から出射される紫外光が入射する。このため、整流容器２５の側板に開口部が設けられ、開口部に光源３と紫外光入射窓６とが収容されたケース７が嵌入されている。

流体は、整流容器２５の開口２５ｂから流入し、整流容器２５の仕切板２５ｃの右側の整流室２５Ｂ（本発明の「流入整流室」）の内壁と筒体２３の外壁とで区画される流路を通過することで整流され、筒体２３の開口２３ｂから筒体２３の内部に流入する。このようにしても、流体が整流された状態で筒体２３の開口２３ａの方向に進むので、紫外光が流路の流体に万遍なく照射される。また、図示する通り、整流室２５Ｂの流体にも紫外光が照射されるので、殺菌効果が高まる。

そして、筒体２３の開口２３ａから流出した流体は、整流容器２５の仕切板２５ｃの左側の整流室２５Ａ（本発明の「流出整流室」）の内壁と筒体２３の外壁とで区画される流路を通過することでさらに整流され、整流容器２５の開口２５ａから外部へ流出する。また、図示する通り、整流室２５Ａの流体にも紫外光が照射されるので、殺菌効果が高まる。

今回、筒体２３の形状により開口２５ａへ導く流路が広く、整流効果が小さいが、整流室２５Ａの流路中に板材等を設けて整流してもよい。なお、開口２５ａの位置は、開口２５ｂと同じ方向に限られない。

以上のように、流体殺菌装置１（流体殺菌装置１０～３０）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流路を有する筒体５（筒体１３，２３）とからなる。光源３は、筒体５の軸方向の一端部に設けられ、筒体５は、光源３が設けられた端部の反対側に向かって流路の断面積が徐々に大きくなるテーパ構造である。これにより、紫外光に広がりがあっても、紫外光が筒体５の内壁にあたり難くなるので、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。

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、長さが３００ｍｍであったが、用途により流量が異なるため、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。

１，１０，２０，３０…流体殺菌装置、３…光源、４…基板、５，１３，２３…筒体（筐体）、５ａ～５ｃ，８ａ，１３ａ，１３ｂ，１５ａ，２３ａ，２３ｂ，２５ａ，２５ｂ…開口、６…紫外光入射窓、７…ケース、８…容器（整流手段）、９…整流板（整流手段）、１５，２５…整流容器（整流手段）、２５Ａ，２５Ｂ…整流室、２５ｃ…仕切板。

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を備え、
前記光源は、前記筐体の軸方向の一端部に設けられ、
前記筐体は、前記流路の全体にわたり、前記半導体発光素子の配光角に合わせた傾斜角で前記一端部の反対側に向かって前記流路の断面積が徐々に大きくなるテーパ構造となっていることを特徴とする流体殺菌装置。
請求項１に記載の流体殺菌装置において、
前記筐体の前記一端部の反対側の端部に、前記流体の流れを整える整流板が設けられていることを特徴とする流体殺菌装置。
請求項１又は２に記載の流体殺菌装置において、
前記筐体の前記光源側の端部に、前記流体の流れを整える整流板が設けられていることを特徴とする流体殺菌装置。
請求項２に記載の流体殺菌装置において、
内部において前記筐体の前記軸方向の他端部に連通し、外部から流入する前記流体を貯留する容器を有し、
前記整流板は、前記筐体と前記容器との間に配設されていることを特徴とする流体殺菌装置。
請求項４に記載の流体殺菌装置において、
前記整流板は、前記光源から出射される紫外光に対して透光性を有していることを特徴とする流体殺菌装置。
請求項１に記載の流体殺菌装置において、
前記筐体は、互いに区画され、それぞれ前記流体の流れを整える流入整流室及び流出整流室を有する整流容器に収容され、
前記流体は、前記流入整流室を経て前記筐体に流入し、該筐体を経て前記流出整流室に流れることを特徴とする流体殺菌装置。