JP7132992B2

JP7132992B2 - 照射装置

Info

Publication number: JP7132992B2
Application number: JP2020163739A
Authority: JP
Inventors: 睦糀屋
Original assignee: Nikkiso Co Ltd
Current assignee: Nikkiso Co Ltd
Priority date: 2020-09-29
Filing date: 2020-09-29
Publication date: 2022-09-07
Anticipated expiration: 2037-02-02
Also published as: JP2021000636A

Description

本発明は、流体に紫外光を照射するための照射装置に関する。

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、直管状の金属パイプで形成される流路の管端部内壁に紫外線ＬＥＤを配置した装置が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１－１６０７４号公報

流路内を流れる流体に高効率で紫外光を照射するためには、流路内壁面での紫外光反射率が高い構造とすることが望ましい。

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、紫外光の照射効率を高めた照射装置を提供することにある。

本発明のある態様の照射装置は、算術平均粗さが４μｍ以上１００μｍ以下のフッ素系樹脂材料で流路内壁面の少なくとも一部が構成される流路構造と、流路構造の内部に向けて紫外光を照射する光源と、を備える。

この態様によると、流路内壁面にフッ素系樹脂材料を用いることにより、紫外光に対する耐久性が高い流路構造にするとともに、流路内壁面での紫外光反射率を高めて流体に効率的に紫外光を照射することができる。また、フッ素系樹脂材料の表面粗さを４μｍ以上１００μｍ以下にすることで、流路内壁面に気泡を付着させやすくでき、流体と気泡の界面での反射を利用して紫外光を流路に沿って高効率に伝搬させることができる。これにより、光源から離れた位置まで高強度の紫外光を照射することができ、流体に作用する紫外光量を高めることができる。

フッ素系樹脂材料は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）であってもよい。

流路構造は、フッ素系樹脂材料で構成される直管を含んでもよい。光源は、直管の内部に向けて直管の軸方向に紫外光を照射するよう配置されてもよい。

光源は、波長が２５０ｎｍ～３００ｎｍの紫外光を出力してもよい。

本発明によれば、流路内での紫外光の照射効率を高めることができる。

実施の形態に係る照射装置の構成を概略的に示す断面図である。流路内の照度分布を模式的に示すグラフである。実施の形態に係る浄化装置の構成を模式的に示す図である。

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、実施の形態に係る照射装置１０の構成を概略的に示す断面図である。照射装置１０は、流路構造１２と、光源１４とを備える。流路構造１２は、直管２０と、流入管２６と、流出管２８と、照射窓３０と、端部壁３２とを備える。照射装置１０は、直管２０の内部を流れる水などの流体に紫外光を照射して殺菌処理や浄化処理を施すために用いられる。

光源１４は、流路構造１２の内部に紫外光を照射するよう構成される。光源１４は、直管２０の第１端部２２に配置され、照射窓３０を介して直管２０の内部に向けて直管２０の軸方向に紫外光を照射する。光源１４は、例えば、紫外光を発するＬＥＤ（Light Emitting Diode）を含み、殺菌効率が高い波長である２５０ｎｍ～３００ｎｍ付近の紫外光を出力する。光源１４は、照射対象が水の場合、２６５ｎｍ～２８５ｎｍの紫外光を出力するよう構成されることが好ましく、例えば、２７０ｎｍ、２７５ｎｍ、または、２８０ｎｍの紫外光を出力する。光源１４は、紫外光ＬＥＤから出力される紫外光の照射方向を整えるためのレンズやリフレクタといった光学素子を含んでもよい。

直管２０は、第１端部２２から第２端部２４に向けて軸方向に延在する。直管２０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、紫外光の反射率が高い材料である。直管２０をＰＴＦＥなどのフッ素系樹脂で構成することにより、光源１４からの紫外光を内壁面１８で反射させ、直管２０の軸方向に紫外光を伝搬させることができる。

なお、直管２０は、その全体がＰＴＦＥで構成されている必要はなく、流体と接触する内壁面１８がＰＴＦＥで構成されていればよい。例えば、他の樹脂材料もしくは金属材料で構成される管の内面にＰＴＦＥのライナを取り付けて直管２０を構成してもよい。

直管２０の第１端部２２には、光源１４からの紫外光を透過させる照射窓３０が設けられる。照射窓３０は、石英（ＳｉＯ_２）やサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、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。直管２０の第２端部２４には、端部壁３２が設けられる。端部壁３２は、直管２０と同様にＰＴＦＥなどのフッ素系樹脂材料で構成される。端部壁３２は、その全体がＰＴＦＥで構成されなくてもよく、少なくとも端部壁３２の内面３４がＰＴＦＥで構成されていればよい。

流入管２６は、直管２０の第１端部２２付近に設けられ、直管２０の軸方向と直交する径方向に延在する。流出管２８は、直管２０の第２端部２４付近に設けられ、直管２０の径方向に延在する。したがって、照射装置１０は、光源１４に近い位置から流体が流入され、光源１４から離れる方向に直管２０の内部を流れてから排出される。なお、流体の流れの方向が逆になるように構成されてもよく、流入管２６が流出側、流出管２８が流入側となるように構成してもよい。

本実施の形態では、直管２０の内壁面１８の算術平均粗さＲａが４μｍ以上となるように構成されている。例えば、表面に微細な凹凸が設けられた金型を用いて直管２０を成形することにより、内壁面１８の表面粗さＲａを４μｍ以上にできる。その他、成形された直管２０の内壁面１８にサンドブラスト処理等を加えて内壁面１８を粗面化してもよい。また、直管２０がＰＴＦＥである場合、ＰＴＦＥの圧縮成形に用いる樹脂ペレットの粒径を適切に選択することで内壁面１８に微細な凹凸が生じるようにしてもよい。

直管２０の内壁面１８を構成するフッ素系樹脂材料は、表面エネルギーが高いために超撥水性を示す。そのため、内壁面１８に微細な凹凸が存在すると、その凹凸に気泡が付着しやすく、気泡がいったんできると除去されにくい。本発明者らの知見によれば、ＰＴＦＥ表面の算術平均粗さＲａが４μｍ以上となると、表面に気泡の付着が確認され、Ｒａが９μｍ以上となると多数の気泡が付着することが分かっている。一方、ＰＴＦＥ表面の表面粗さＲａが４μｍ未満となり、例えば、表面粗さＲａが２μｍ以下となると気泡の付着がほとんど確認されない。

直管２０の内壁面１８に気泡が付着すると、流体と気泡の屈折率差により気泡表面で反射ないし散乱が生じ、直管２０の内部の紫外光照度分布に影響を及ぼす。フッ素系樹脂材料の表面では拡散反射が主体的であり、入射する紫外光が様々な方向に散乱されるのに対し、気泡表面では鏡面反射が主体的であり、入射する紫外光が特定の方向に強く反射されやすい。その結果、流路内壁面に多数の気泡を生じさせると、流路内壁面で紫外光を鏡面反射させて紫外光をより遠くまで伝搬させることができる。本実施の形態では、気泡を発生させて紫外光の伝搬距離を長くする目的のため、内壁面１８の算術平均粗さＲａを４μｍ以上としている。

一方で、表面粗さＲａが１００μｍを超えると、ＰＴＦＥ表面に均一に気泡を生じさせることが難しい。したがって、気泡を利用して流路内の照度分布を高めるためには、内壁面１８の算術平均粗さＲａを４μｍ以上１００μｍ以下とすることが好ましい。例えば、内壁面１８の表面粗さＲａとして、４μｍ、９μｍ、１５μｍ、３０μｍ程度のものを用いることができる。

図２は、流路内の径方向の照度分布を模式的に示すグラフである。グラフＡは、実施例に係る照度分布を示し、流路内壁面に算術平均粗さＲａが４μｍのＰＴＦＥを用いている。グラフＢは、比較例に係る照度分布を示し、流路内壁面に算術平均粗さＲａが１．８μｍのＰＴＦＥを用いている。実施例と比較例のいずれも、内直径が４０ｍｍのＰＴＦＥ管の内部に純水を満たした状態で、光源から１５０ｍｍ離れた位置で照度分布を計測した。実施例および比較例において、光源の出力は同じである。図２では、比較例に係るグラフＢの光強度の最大値を１として規格化している。

グラフより、実施例に係る光強度は、流路内の径方向の全体にわたって比較例よりも高いことがわかる。特に、光強度が最大となる中心位置において、実施例の光強度は、比較例よりも６０％以上高い。このことから、流路内壁面の表面粗さＲａを４μｍとすることにより、表面粗さＲａが１．８μｍとする場合よりも流路内の光強度を高くでき、光源からの紫外光をより遠くまで効率的に伝搬させることができる。流体に作用する紫外光量は、紫外光の照度（Ｗ／ｃｍ^２）と紫外光の照射時間（ｓ）の積である積算照度（Ｊ／ｃｍ^２）により決まるため、より高強度の紫外光をより遠くまで伝搬させることで、流体に作用する積算照度を高めることができる。

図３は、実施の形態に係る浄化装置７０の構成を模式的に示す図であり、上述の照射装置１０の応用例を示す。浄化装置７０は、照射装置１０と、処理装置６０とを備える。浄化装置７０は、二段階の浄化処理をするための浄化システムであり、処理装置６０にて前処理がなされた後、照射装置１０にて後処理がなされる。

処理装置６０は、処理槽６２と、曝気装置６４とを有する。処理装置６０は、微生物を利用して浄化処理をするための装置である。処理槽６２の内部には、好気性微生物が付着する接触材が設けられる。曝気装置６４は、処理槽６２の内部の流体に空気を供給し、好気性微生物の働きにより流入路７１から供給される流体が浄化されるようにする。処理槽６２にて処理された流体は、固形物が除去された後、接続路７２を通じて照射装置１０に供給される。

照射装置１０は、処理装置６０から接続路７２を通じて供給される流体に紫外光を照射して浄化処理をし、処理後の流体を流出路７３から排出する。処理装置６０では曝気装置６４を通じて空気が供給されるため、接続路７２を通じて供給される流体は、溶存空気量が比較的高く、気泡が生じやすい。照射装置１０では、流路内壁面の表面粗さＲａが４μｍ以上に設定されているため、流路内壁面に好適に気泡を付着させることができる。その結果、照射装置１０において高効率に紫外光を照射することができ、浄化装置７０の処理能力を向上させることができる。

以上、本発明を実施の形態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、直管形状の流路構造を用いる場合を示したが、流路構造の形状は特に限定されない。変形例においては、流路全体が直線状に構成されるのではなく、流路の少なくとも一部に屈曲部が設けられてもよい。また、流路の断面形状は円形であってもよいし、多角形であってもよい。

上述の実施の形態では、流路内壁面の全体にフッ素系樹脂材料を用いる場合を示した。変形例においては、流路内壁面の一部にフッ素系樹脂材料が用いられてもよい。流路の配壁面の一部に用いられるフッ素系樹脂材料について表面粗さＲａを４μｍ以上１００μｍ以下にすることにより、フッ素系樹脂表面に均一に気泡を付着させ、流路内を伝搬する紫外光の強度を高めることができる。

上述の実施の形態では、光源１４として紫外光ＬＥＤを用いる場合を示した。変形例においては、紫外線ランプを光源として用いてもよく、中心波長またはピーク波長が２５０ｎｍ～２６０ｎｍ、例えば２５４ｎｍの紫外線ランプを用いてもよい。

１０…照射装置、１２…流路構造、１４…光源、１８…内壁面、２０…直管。

Claims

算術平均粗さが４μｍ以上１００μｍ以下となるように粗面化されたフッ素系樹脂材料で流路内壁面の少なくとも一部が構成される流路構造と、
前記流路内壁面の少なくとも一部に気泡が付着した状態で前記流路構造の内部を流れる固形物が除去された水に向けて紫外光を照射する光源と、を備えることを特徴とする照射装置。
前記流路内壁面は、サンドブラスト処理により粗面化されることを特徴とする請求項１に記載の照射装置。
前記流路内壁面は、フッ素系樹脂材料の樹脂ペレットを圧縮成形することにより粗面化されて形成されることを特徴とする請求項１に記載の照射装置。
前記流路構造の上流に設けられ、前記流路構造の内部を流れる水に空気を供給する曝気装置をさらに備え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照射装置。