JP7109930B2 - 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照射装置が用いられる。また、水などの流体に連続的に紫外光を照射して流体を殺菌する装置も知られている。紫外線ランプを用いる流体殺菌装置では、流路と紫外線ランプの間に紫外線を透過する保護管が設けられる。保護管の結露を防止するため、保護管の内部に乾燥した気体または予熱した気体が供給される（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２－６１４１３号公報

流体に紫外光を照射するための窓部材の結露をより効率的に防止できることが好ましい。

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、効率的に窓部材の結露を防止できる流体殺菌装置を提供することにある。

本発明のある態様の流体殺菌装置は、殺菌対象の流体が流れる処理流路と、処理流路内の流体に向けて紫外光を照射する光源と、光源と処理流路の間に設けられる窓部材であって、光源からの紫外光が入射する入射面および処理流路内に向けて紫外光が出射する出射面を有する窓部材と、入射面の一部と接触するように設けられ、窓部材を加熱する加熱体と、を備える。

この態様によると、窓部材の入射面に接触して窓部材を加熱する加熱体が設けられるため、窓部材を効率的に加熱して結露の発生を防止できる。

加熱体は、入射面の中央領域と、入射面の中央領域より外側の外周領域との双方において入射面と接触するように設けられてもよい。

加熱体は、光源と熱的に接続され、光源が発する熱を用いて窓部材を加熱してもよい。

加熱体は、入射面の一部と接触する接触部と、光源から接触部に向けて延在する接続部とを含んでもよい。

加熱体は、入射面上に配設される電熱線を含んでもよい。

加熱体は、入射面上の電熱線の端部に設けられる電極部をさらに含み、電極部を通じて電力が供給されてもよい。

電熱線の表面を被覆するように設けられ、電熱線よりも紫外光の反射率が高い材料の被覆層をさらに備えてもよい。

電熱線の表面および入射面の双方を被覆するように設けられ、紫外光を透過する材料の被覆層をさらに備えてもよい。

本発明によれば、効率的に窓部材の結露を防止する流体殺菌装置を提供できる。

第１の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。 図１の接触部の構成を概略的に示す平面図である。 図１の光源および接続部の構成を概略的に示す平面図である。 変形例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。 図４の接続部の構成を概略的に示す平面図である。 第２の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。 図６の加熱体の構成を概略的に示す平面図である。 変形例に係る窓部材の構成を概略的に示す平面図である。

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。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の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、処理流路１２と、光源１４と、窓部材１６と、加熱体４０とを備える。流体殺菌装置１０は、筐体２０の内部に区画される処理流路１２を流れる流体に紫外光Ａを照射して殺菌処理を施すために用いられる。窓部材１６に接触する加熱体４０を設けることで、窓部材１６の結露が防止される。

筐体２０は、処理流路１２を区画する容器である。筐体２０は、流入口２１と、流出口２２と、窓部材１６が設けられる開口２４と、を有する。筐体２０の材質は特に問わないが、少なくとも筐体２０の内面２３が紫外光に対する耐久性および反射率が高い材料であることが好ましい。筐体２０の内面２３は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのフッ素系樹脂やアルミニウム（Ａｌ）などの金属材料で構成されることが好ましい。

光源１４は、筐体２０の外側に設けられ、開口２４を通じて筐体２０の内部の処理流路１２に紫外光Ａを照射する。光源１４は、複数の発光素子３０と、基板３２とを有する。複数の発光素子３０は、基板３２の実装面３４に並んで配置されている。発光素子３０は、いわゆるＵＶ－ＬＥＤ（Ultra Violet-Light Emitting Diode）である。発光素子３０は、発光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～２９０ｎｍ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。

窓部材１６は、光源１４と処理流路１２の間に設けられ、光源１４からの紫外光Ａを処理流路１２に向けて透過させる。窓部材１６は、光源１４からの紫外光Ａが入射する入射面１７と、処理流路１２に向けて紫外光Ａが出射する出射面１８とを有する。窓部材１６は、紫外光の透過率が高い材料で構成されることが好ましく、紫外光の透過率が８０％以上となるよう構成されることが好ましい。窓部材１６は、石英（ＳｉＯ_２）などのガラス材料、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）または非晶質のフッ素系樹脂で構成される。

窓部材１６は、筐体２０の開口２４を塞ぐように設けられる。窓部材１６は、例えば、筐体２０の開口２４に形成される凹部２６に嵌め込まれる。窓部材１６と筐体２０の間には、Ｏリングなどのシール部材２８が設けられ、窓部材１６と筐体２０の隙間が密閉される。

加熱体４０は、窓部材１６と接触するように設けられ、窓部材１６を加熱して窓部材１６の結露を防止する。加熱体４０は、窓部材１６にて結露が発生しうる入射面１７の一部と接触するように設けられる。加熱体４０は、光源１４と熱的に接続されており、光源１４が発する熱を用いて窓部材１６を加熱するよう構成される。加熱体４０は、熱伝導性の高い材料で構成されることが望ましく、例えば、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などの金属材料で構成される。特にアルミニウムは、紫外光の反射材料として用いることもできるため、加熱体４０の構成材料として好適である。

加熱体４０は、接触部４２と、基部４４と、接続部４６とを有する。接触部４２は、窓部材１６と接触する部分であり、窓部材１６の入射面１７に沿って設けられる平板状の部材である。接触部４２は、光源１４からの紫外光を通すための複数の貫通孔３８を有する。接触部４２のうち、貫通孔３８が設けられる部分は窓部材１６と接触していない箇所であり、貫通孔３８が設けられていない部分は窓部材１６と接触する箇所である。接触部４２は、窓部材１６の入射面１７と直接的に接触してもよいし、熱伝導性を高めるためのグリスなどを介して間接的に接触してもよい。本明細書において、加熱体４０の「接触」とは、上述の直接的な接触と間接的な接触の双方の意味を含む。

接触部４２は、窓部材１６の開口領域Ｃの全体にわたって入射面１７と貫通孔３８以外の部分で接触していることが好ましい。ここで、開口領域Ｃとは、筐体２０の開口２４が形成されている領域に相当し、光源１４からの紫外光Ａが透過可能な範囲のことをいう。接触部４２は、例えば、窓部材１６の入射面１７の中央領域Ｃ１と、入射面１７の中央領域Ｃ１より外側の外周領域Ｃ２との双方において入射面１７と接触するように設けられることが好ましい。中央領域Ｃ１と外周領域Ｃ２の境界は、特に限定されないが、例えば、開口領域Ｃの面積を二等分するように規定できる。入射面１７の中央領域Ｃ１と外周領域Ｃ２の双方にて接触部４２が接触することで、窓部材１６をより均一に加熱することが可能となり、部分的な結露の発生を防止できる。例えば、接触部４２が外周領域Ｃ２のみに接触することで、中央領域Ｃ１に結露が発生してしまうような状況を防ぐことができる。

窓部材１６の開口領域Ｃのうち、接触部４２が接触する部分の面積割合は、３０％以上であることが好ましく、５０％以上であることがより好ましい。接触部４２の接触面積の割合を３０％以上または５０％以上とすることで、窓部材１６を好適に加熱できる。一方、光源１４の紫外光Ａの透過量の低下を防ぐため、接触部４２の接触面積の割合は、８０％以下または７０％以下とすることが好ましい。

基部４４は、光源１４と接触する部分である。基部４４は、光源１４の裏側に設けられており、基板３２の実装面３４とは反対側の裏面３６と接触するように設けられる。基部４４は、基板３２の裏面３６の少なくとも一部と接触するように設けられる。基部４４は、光源１４との熱的接続性を高めるために基板３２の裏面３６の全体にわたって形成されてもよい。

接続部４６は、基部４４から接触部４２に向けて延在し、基部４４および接触部４２を熱的に接続する。接続部４６は、例えば、光源１４からの紫外光Ａの照射方向に延びる柱状部材または筒状部材により構成される。接続部４６は、ヒートパイプを含んでもよい。例えば、基部４４から接触部４２への熱伝達効率が高まるように、ヒートパイプの高温部を基部４４に取り付け、ヒートパイプの低温部を接触部４２に取り付けてもよい。

図２は、図１の接触部４２の構成を概略的に示す平面図である。図１は、図２のＢ－Ｂ線断面に相当する。接触部４２は、開口領域Ｃの形状に対応して円板状に構成される。複数の貫通孔３８は、円形開口であり、三角格子状に並んで配置される。複数の貫通孔３８は、中央領域Ｃ１および外周領域Ｃ２の双方において均一な間隔で配置される。なお、貫通孔３８の形状および配置は特に限定されない。貫通孔３８の開口形状は、円形に限られず、三角形、四角形、六角形などの多角形であってもよいし、楕円形、扇形、環状扇形などであってもよいし、これらの形状の組み合わせであってもよい。貫通孔３８の配置は、四角格子状であってもよいし、不規則であってもよい。その他、複数の発光素子３０のそれぞれの正面にいずれかの貫通孔３８が位置するように複数の貫通孔３８が配置されてもよい。貫通孔３８のサイズも特に限定されず、各発光素子３０の実装面積と同程度であってもよいし、実装面積より小さくてもよいし、実装面積より大きくてもよい。

図３は、図１の光源１４および接続部４６の構成を概略的に示す平面図である。図１は、図３のＢ－Ｂ線断面に相当する。基板３２は、開口領域Ｃの形状に対応して円板状に構成されており、複数の発光素子３０は、基板３２の上に三角格子状に並んで配置される。接続部４６は、円筒状に構成され、光源１４の外周を囲うように設けられる。接続部４６は、周方向に連続的に設けられてもよいし、周方向に離散的に設けられてもよい。接続部４６は、例えば周方向に間隔を空けて並べられる複数のヒートパイプで構成されてもよい。

つづいて、流体殺菌装置１０の動作について説明する。殺菌対象となる水などの流体が流入口２１から筐体２０の内部に流入し、処理流路１２を流体が流れる。光源１４を点灯させ、光源１４からの紫外光Ａを処理流路１２を流れる流体に照射する。処理流路１２にて紫外光Ａが照射された流体は流出口２２から排出される。光源１４が発する熱は、加熱体４０に伝わり、加熱体４０は、光源１４からの熱を用いて窓部材１６を加熱する。窓部材１６が加熱体４０により加熱されるため、処理対象の流体の温度が低い場合であっても、窓部材１６の入射面１７に発生しうる結露を防止できる。

本実施の形態によれば、窓部材１６の入射面１７の結露を防止することにより、結露により生じる水分によって発光素子３０や基板３２の配線等において生じうる不具合を防ぐことができる。また、窓部材１６の入射面１７に付着する水滴によって窓部材１６の透過率が低下し、殺菌処理能力が低下することを防ぐことができる。これにより、流体殺菌装置１０を安定的に動作させることができる。

本実施の形態によれば、窓部材１６の入射面１７に接触する加熱体４０を用いて窓部材１６を加熱するため、熱風などを当てて加熱する方式と比べて加熱機構を簡素化でき、熱効率を高めることができる。光源１４で発生する熱を利用するため、ヒータなどの発熱機構を設ける場合と比べて装置全体としての消費電力を抑えることができる。

図４は、変形例に係る流体殺菌装置１１０の構成を概略的に示す断面図である。本変形例は、光源１４から接触部４２に向けて延びる第２接続部１４８が追加的に設けられる点で上述の実施の形態と相違する。以下、本変形例について上述の実施の形態との相違点を中心に説明し、共通する部分について記載を適宜省略する。

流体殺菌装置１１０は、処理流路１２と、光源１４と、窓部材１６と、加熱体１４０とを備える。加熱体１４０は、接触部４２と、基部４４と、接続部１４６とを有する。接触部４２および基部４４は、上述の実施の形態と同様に構成される。接続部１４６は、基部４４から接触部４２に向けて延在する第１接続部１４７と、光源１４から接触部４２に向けて延在する第２接続部１４８とを有する。第１接続部１４７は、上述の実施の形態に係る接続部４６と同様に構成される。第２接続部１４８は、複数の発光素子３０の間に配置され、基板３２の実装面３４と接触する。

図５は、図４の接続部１４６の構成を概略的に示す断面図であり、図４のＤ－Ｄ線断面を示す。図示されるように、第１接続部１４７は、光源１４の外周を囲うように円筒状に形成され、第２接続部１４８は、複数の発光素子３０の間を仕切るように格子状に形成される。第２接続部１４８は、例えば、隣接する発光素子３０の間に配置される。第２接続部１４８は、矩形状の各発光素子３０の四辺のそれぞれに沿うように配置され、各発光素子３０が収容される矩形状の小部屋を区画するように配置される。第２接続部１４８は、円弧状に配置されてもよく、例えば、各発光素子３０が収容される小部屋が円形状や扇形状となるように構成されてもよい。第２接続部１４８は、必ずしも各発光素子３０が一つずつ仕切られるように設けられなくてもよい。例えば、第２接続部１４８により仕切られる一つの小部屋内に二つ、三つまたは四つといった特定数（複数の）発光素子３０が収容されるように設けられてもよい。

本変形例によれば、複数の発光素子３０の間に第２接続部１４８を設けることで、光源１４と接触部４２の間の熱的な接続性を高めることができ、窓部材１６の入射面１７をより効率的に加熱できる。また、第２接続部１４８をアルミニウム（Ａｌ）等の紫外光反射率の高い材料で構成することで、各発光素子３０から出力される紫外光を第２接続部１４８の表面で反射させながら窓部材１６に向かわせることができる。これにより、窓部材１６に入射する紫外光の強度分布を均一化し、流体への紫外光の照射効率を高めることができる。

（第２の実施の形態）
図６は、第２の実施の形態に係る流体殺菌装置２１０の構成を概略的に示す断面図である。本実施の形態は、光源１４の熱を利用して窓部材１６を加熱するのではなく、窓部材１６の入射面１７に電熱線などの発熱体を設けることで窓部材１６を加熱する。以下、第２の実施の形態について上述の実施の形態との相違点を中心に説明し、共通する部分について記載を適宜省略する。

流体殺菌装置２１０は、処理流路１２と、光源１４と、窓部材１６と、加熱体２４０とを備える。加熱体２４０は、電熱線２４２と、電極部２４４とを含む。電熱線２４２は、窓部材１６の入射面１７上に設けられ、入射面１７の中央領域Ｃ１および外周領域Ｃ２の双方にわたって配設される。電極部２４４は、窓部材１６の入射面１７上に設けられ、電熱線２４２の端部に設けられる。電熱線２４２の電力は、基板３２から電極部２４４に向けて延びる接続端子２４６を通じて基板３２から供給される。

図７は、図６の加熱体２４０の構成を概略的に示す平面図である。電熱線２４２は、入射面１７の中央領域Ｃ１および外周領域Ｃ２の双方にわたって渦巻状に配設される。電極部２４４は、電熱線２４２の両端のそれぞれに設けられ、例えば、入射面１７の外周領域Ｃ２に設けられる。電極部２４４は、中央領域Ｃ１や外周領域Ｃ２よりも外側の領域に設けられてもよい。電熱線２４２および電極部２４４は、入射面１７に導電膜を蒸着したり、シート状の導電膜を入射面１７に接着することにより形成できる。

電熱線２４２の表面には、アルミニウム（Ａｌ）などの紫外光の反射率が高い材料で構成される被覆層が設けられてもよい。高反射率の被覆層を設けることにより、電熱線２４２に吸収される紫外光を反射させて処理流路１２に向かわせることができ、流体に対する紫外光の照射効率を高めることができる。なお、電熱線２４２に対する電気的絶縁のため、電熱線２４２と被覆層の間に電気絶縁層が設けられてもよい。

本実施の形態によれば、窓部材１６の入射面１７に設けられる電熱線２４２を用いて窓部材１６を加熱し、窓部材１６の結露を防止することができる。本実施の形態においても窓部材１６の入射面１７に接触する加熱体２４０を用いて窓部材１６を加熱するため、熱風などを当てて加熱する方式と比べて加熱機構を簡素化でき、熱効率を高めることができる。

図８は、変形例に係る窓部材２１６の構成を概略的に示す平面図である。本変形例に係る窓部材２１６は、窓部材２１６の入射面２１７の全体にわたって被覆層２５０がさらに設けられる点で上述の実施の形態と相違する。被覆層２５０は、加熱体２４０の電極部２４４に対応する位置に設けられる電極部開口２５２を有する。被覆層２５０は、電極部開口２５２を除いて、入射面２１７の開口領域Ｃの全体を被覆するように設けられ、入射面２１７に設けられる電熱線２４２の全体を被覆するように設けられる。

被覆層２５０は、電気的絶縁性および防湿性を備える材料で構成され、紫外光の透過率が高い材料で構成されることが好ましい。被覆層２５０は、例えば、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）やフッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）などの無機材料や、非晶性フッ素系樹脂やシリコーン樹脂などの有機材料で構成することができる。被覆層２５０を開口領域Ｃの全体にわたって設けることにより、結露により生じる水分が電熱線２４２に接触するのを防ぐことができ、電熱線２４２が部分的に短絡したり、電熱線２４２が水分で劣化したりするのを防止できる。

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、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…処理流路、１４…光源、１６…窓部材、１７…入射面、１８…出射面、４０…加熱体、４２…接触部、４６…接続部、Ｃ１…中央領域、Ｃ２…外周領域。

Claims (4)

1. 殺菌対象の流体が流れる処理流路を区画し、開口を有する筐体と、
   前記開口を通じて、前記処理流路内の流体に向けて紫外光を照射する光源と、
   前記開口に設けられる窓部材であって、前記光源からの紫外光が入射する入射面および前記処理流路内に向けて紫外光が出射する出射面を有する窓部材と、
   前記入射面の中央領域と、前記入射面の前記中央領域より外側の外周領域との双方において前記入射面と接触する接触部と、前記光源から前記接触部に向けて延在する接続部とを含み、熱伝導材料で構成され、前記光源の点灯時に前記光源にて生じる熱を用いて前記窓部材を加熱する加熱体と、を備えることを特徴とする流体殺菌装置。
2. 前記接触部は、前記光源からの紫外光を通すための複数の貫通孔を有することを特徴とする請求項１に記載の流体殺菌装置。
3. 殺菌対象の流体が流れる処理流路を区画し、開口を有する筐体と、
   前記開口を通じて、前記処理流路内の流体に向けて紫外光を照射する光源と、
   前記開口に設けられる窓部材であって、前記光源からの紫外光が入射する入射面および前記処理流路内に向けて紫外光が出射する出射面を有する窓部材と、
   前記入射面の一部に配設される電熱線と、
   前記電熱線の表面を被覆し、前記電熱線が配設されていない箇所において前記入射面を被覆するように設けられ、前記紫外光を透過する材料の被覆層と、を備えることを特徴とする流体殺菌装置。
4. 前記被覆層は、前記入射面上の前記電熱線の端部に設けられる電極部を被覆しないように構成され、前記電極部を通じて前記電熱線に電力が供給されることを特徴とする請求項３に記載の流体殺菌装置。

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