JP7270371B2 - 流体殺菌装置 - Google Patents

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（波長２４０～３８０ｎｍ）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の殺菌装置は、複数の発光素子と、基板と、ロッドレンズと、窓部と、筐体と、整流板とを備えている。筐体は箱形形状を有し、その内部は、処理室と、光源室と、冷却流路と、第１排出路と、第２排出路とで区画されている。

また、筐体の入口には整流板が設けられ、入口から流入する流体の流れを整える。これにより、処理室に流入する流体が層流化され、処理室の内部において流体が乱流状態となる場合よりも紫外光をより遠くまで伝搬させることができるので、紫外光が流体に作用する時間を長くして、紫外光の積算照射量を高めることができる（特許文献１／段落００２８～００３０、図１)。

特開２０１７－０５１２９０号公報

しかしながら、特許文献１の殺菌装置は、入口と処理室の上流壁が同じ径であるので、単純な整流板により流体が層流化されるが、入口の直径が処理室の直径と異なる筐体では、より複雑な流れが生じる。このため、整流板の効果が低くなるという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、流体の速度分布を均一化して紫外光の照射時間のばらつきを低減し、殺菌効率を高め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、殺菌対象の流体が軸方向に流れる流路を有する筐体と、前記流体が前記軸方向に沿って前記流路に流入するように、前記筐体の一端側に設けられた流入口と、前記筐体の他端側に設けられて、前記流体が流出する流出口と、紫外光透過材料を介して前記流体に紫外光を照射するように構成された光源と、前記筐体の一端側の前記流路内に前記軸に垂直に設けられて、複数の円柱状の貫通孔を有する整流板と、を備え、前記整流板は、その中心から前記流路の径方向に延在する内周領域と、当該内周領域の外側に延在する外周領域とからなり、前記外周領域における前記整流板の板厚ｔの前記貫通孔の直径ｄに対する比（ｔ／ｄ）_outは、前記内周領域における前記整流板の板厚ｔの前記貫通孔の直径ｄに対する比（ｔ／ｄ）_inよりも大きいことを特徴とする。

本発明では、殺菌対象の流体が流入口から流路を有する筐体に流入して、流出口から流出する。光源は、流路を流れる流体に紫外光透過材料を介して紫外光を照射するので、流体が殺菌される。

このとき、筐体の一端側の流路内に設けられた整流板により流体が整流されるが、整流板の内周領域と外周領域とで、板厚ｔの貫通孔ｄに対する比（ｔ／ｄ）を異ならせる。特に、外周領域における比（ｔ／ｄ）_outを内周領域における比（ｔ／ｄ）_inよりも大きくすることで、内周領域の貫通孔から流出する流体が流路の管壁部側へ進む流れが生じる。これにより、管壁部と管中央部（軸周辺）とで流体の速度分布が均一化されるので、紫外光の照射時間のばらつきを低減して、殺菌効率を高めることができる。

第１発明の流体殺菌装置において、前記整流板の前記板厚ｔは一定で、前記内周領域に設けられた前記貫通孔の直径ｄ_inは、前記外周領域に設けられた前記貫通孔の直径ｄ_outよりも大きいことが好ましい。

この構成によれば、整流板の板厚ｔを一定とした場合には、内周領域に設けられた貫通孔の直径ｄ_inを外周領域に設けられた貫通孔の直径ｄ_outよりも大きくしたとき、外周領域の比（ｔ／ｄ）_outが内周領域の比（ｔ／ｄ）_inよりも大きくなる。このように、整流板の内周領域と外周領域とでの貫通孔の直径ｄの大きさを変えることで、容易に流体の速度分布を均一化することができる。

また、第１発明の流体殺菌装置において、前記整流板の前記貫通孔の直径ｄは一定で、前記外周領域の前記板厚ｔ_outは、前記内周領域の前記板厚ｔ_inよりも大きくなるようにしてもよい。

この構成によれば、貫通孔の直径ｄを一定とした場合には、外周領域の板厚ｔ_outを内周領域の板厚ｔ_inよりも大きくしたとき、外周領域の比（ｔ／ｄ）_outが内周領域の比（ｔ／ｄ）_inよりも大きくなる。このように、整流板の内周領域と外周領域とで板厚ｔを変えることによっても、流体の速度分布を均一化することができる。

また、第１発明の流体殺菌装置において、前記整流板は、その中心に近づくにつれて、前記板厚ｔが小さくなる凹形状を有していることが好ましい。

貫通孔の直径ｄを一定とした場合、整流板の内周領域と外周領域とで板厚ｔを変える必要があるが、整流板を、その中心に近づくにつれて板厚ｔが小さくなるような凹形状に加工する。これにより、外周領域の比（ｔ／ｄ）_outを内周領域の比（ｔ／ｄ）_inよりも大きくすることができる。

また、第１発明の流体殺菌装置において、前記流入口は、前記流路と共軸の円柱形状を有し、前記整流板の前記内周領域は円形状を有し、その直径が前記流入口の直径Ｄ_inと等しいことが好ましい。

この構成によれば、整流板の内周領域（円形状）の直径を、流路と共軸の流入口（円柱形状）の直径Ｄ_inと等しくする（ほぼ等しいことを含む）。これにより、流入口から整流板に直進する流体の成分については、整流板の内周領域の比（ｔ／ｄ）を変化させて、流体の速度分布を均一化することができる。

また、第１発明の流体殺菌装置において、前記整流板の前記板厚ｔの前記貫通孔の直径ｄに対する比（ｔ／ｄ）は、０．６５未満であることが好ましい。

比（ｔ／ｄ）は、流体の（整流板への）流入角に対する流出角の比である流出角係数と相関がある。そして、特に比（ｔ／ｄ）が０．６５未満のとき、整流板の中央（内周領域）を通過する流体が流路の管壁部側へ進む流れが生じる。これにより、流体の速度分布が均一化する効果が高まる。

また、第１発明の流体殺菌装置において、前記流入口及び前記流路は、円柱形状を有し、前記流入口の直径Ｄ_inの前記流路の直径Ｄに対する比（Ｄ_in／Ｄ）は、０．４６以上１未満であることが好ましい。

流体の速度分布は、流入口（円柱形状）の直径Ｄ_inの流路（円柱形状）の直径Ｄに対する比（Ｄ_in／Ｄ）にも依存する。整流板を用いる場合、比（Ｄ_in／Ｄ）を０．４６以上１未満の値とすることで、安定した乱流の速度分布となり、流体の速度分布が均一化される。

また、第１発明の流体殺菌装置において、前記光源は、前記流体の流れる方向に対して垂直方向から紫外光を照射することが好ましい。

例えば、流路の外周部に光源を配置することで、流体の流れる方向に対して垂直方向から紫外光を照射することができる。これにより、直管形状の長い流路を流れる流体を効率良く殺菌することができる。

また、第１発明の流体殺菌装置において、前記光源は、前記流体の流れる方向に対して平行方向から紫外光を照射するようにしてもよい。

例えば、流路の端部に光源を配置することで、流体の流れる方向に対して平行方向から紫外光を照射することができる。これにより、流路の端部に接近した流体を効率良く殺菌することができる。

また、第１発明の流体殺菌装置において、前記光源は、軸方向が前記流路の前記軸方向に沿った冷陰極管であることが好ましい。

光源を、軸方向が流路の軸方向に沿った冷陰極管とすることで、直管形状又はＬ字形状の流路を流れる流体を効率良く殺菌することができる。

第２発明の流体殺菌装置は、殺菌対象の流体が軸方向に流れる流路を有する筐体と、前記流体が前記軸方向に沿って前記流路に流入するように、前記筐体の一端側に設けられた流入口と、前記筐体の他端側に設けられて、前記流体が流出する流出口と、紫外光透過材料を介して前記流体に紫外光を照射するように構成された光源と、前記筐体の一端側の前記流路内に前記軸に垂直に設けられて、複数の円柱状の貫通孔を有する整流板と、を備え、前記整流板は、その中心から離れるにつれて、前記整流板の板厚ｔの前記貫通孔の直径ｄに対する比（ｔ／ｄ）が大きくなることを特徴とする。

本発明では、筐体の一端側の流路内に設けられた整流板により流体が整流されるが、整流板の中心から離れるにつれて、板厚ｔの貫通孔ｄに対する比（ｔ／ｄ）が大きくなるようにする。これにより、特に、整流板の中央（内周領域）の貫通孔から流出する流体が流路の管壁部側へ進む流れが生じる。従って、管壁部と管中央部（軸周辺）とで流体の速度分布が均一化されるので、紫外光の照射時間のばらつきを低減して、殺菌効率を高めることができる。

第３発明の流体殺菌装置は、殺菌対象の流体が軸方向に流れる流路を有する筐体と、前記流体が前記軸方向に沿って前記流路に流入するように、前記筐体の一端側に設けられた流入口と、前記筐体の他端側に設けられて、前記流体が流出する流出口と、紫外光透過材料を介して前記流体に紫外光を照射するように構成された光源と、前記筐体の一端側の前記流路内に前記軸に垂直に設けられて、複数の円柱状の貫通孔を有する整流板と、を備え、前記整流板の板厚ｔの前記貫通孔の直径ｄに対する比（ｔ／ｄ）が０．６５未満という条件を満たすことを特徴とする。

本発明では、筐体の一端側の流路内に設けられた整流板により流体が整流されるが、板厚ｔの貫通孔ｄに対する比（ｔ／ｄ）が０．６５未満という条件を満たすようにする。これにより、特に、整流板の中央の貫通孔から流出する流体が流路の管壁部側へ進む流れが生じる。従って、管壁部と管中央部（軸周辺）とで流体の速度分布が均一化されるので、紫外光の照射時間のばらつきを低減して、殺菌効率を高めることができる。

第３発明の流体殺菌装置において、前記流入口は、前記流路と共軸の円柱形状を有し、前記整流板の円形状の内周領域は、前記流入口の直径Ｄ_inと等しく、前記内周領域内に設けられた前記貫通孔は、前記条件を満たすことが好ましい。

この構成によれば、整流板の内周領域（円形状）の直径を、流路と共軸の流入口（円柱形状）の直径Ｄ_inと等しくし（ほぼ等しいことを含む）、さらに、整流板の内周領域の比（ｔ／ｄ）を０．６５未満とする。これにより、流入口から整流板に直進する流体の成分について、貫通孔から流出する流体が流路の管壁部側へ進む流れが生じ、流体の速度分布を均一化することができる。

本発明の流体殺菌装置の全体斜視図（第１実施形態）。 図１の流体殺菌装置のII-II断面図。 整流板の正面図及び側面図（１）。 整流板の種類と厚比を説明する図。 流速分布のシミュレーション結果を示す図。 流入角係数を説明する図。 厚比と流入角係数との関係を説明する図。 整流板の正面図及び側面図（２）。 整流板の正面図及び側面図（３）。 整流板の正面図及び側面図（４）。 厚比と紫外線照射量との関係を説明する図。 流入口径／流路径比と平均流速／最大流速比の関係を説明する図。 本発明の流体殺菌装置の全体斜視図（第２実施形態）。 本発明の流体殺菌装置の全体斜視図（第２実施形態の変更例）。 本発明の流体殺菌装置の全体斜視図（第３実施形態）。 図１３の流体殺菌装置のX-X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。

［第１実施形態］
図１は、本発明の流体殺菌装置の第１実施形態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、殺菌する装置であり、浄水器や工業用循環装置に利用される。

流体殺菌装置１は、光源（図示省略）が実装された基板４と、流路を有し、流体の殺菌部となる筒体５と、流体の流入口６ａを有するレジューサ６と、流体の流出口７ａを有するレジューサ７と、筒体５の周囲を取り囲むように配設されたリフレクタ８等で構成されている。

詳細は後述するが、基板４をリフレクタ８に取り付けたとき、光源は、リフレクタ８の開口部に嵌入された状態となる。ここで、筒体５は紫外光透過材料である石英で作られているため、光源から出射された紫外光は筒体５を透過し、流体を殺菌する。

図示するように、基板４の裏面側（光源の発光面がない側）には、金属製のヒートシンク１１が設けられている。また、コネクタ９は、配線９ａと光源とを接続している。

次に、図２に、図１の流体殺菌装置１のII-II断面図を示す。

光源３はＬＥＤ３ａとＬＥＤ３ｂとで構成され、基板４の前面側（光源の発光面側）に実装されている。光源３から出射される紫外光は、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。

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。そして、配線９ａ、コネクタ９、基板４を通じて光源３に給電が行われる。なお、基板４は、その前面側でリフレクタ８と当接して、ネジで固定されている。

基板４の背面側には、放熱のためのヒートシンク１１が配設されている。これにより、光源３で生じた熱を効率的に放熱することができる。

筒体５（本発明の「筐体」に相当）は、直径が４８ｍｍ（内径Ｄは４４ｍｍ）、流路（殺菌部）の長さが２００ｍｍの円柱型の直管形状を有し、殺菌対象の流体が筒体５の長軸方向を流通するようになっている。筒体５は石英管であるため、光源３から出射される紫外光が筒体５を透過する。

リフレクタ８の軸方向の一端部（図の右側）にはフランジ８ａがあり、ネジによりレジューサ６（広がり角６５°）が取り付けられる（図１参照）。そして、円柱形状の流入口６ａ（内径Ｄ_ｉｎは２７ｍｍ）から流体が流入する。レジューサ６と筒体５との間にはＯリング１３Ａが配設されているため、この部分を封止して、リフレクタ８への流体の侵入を防止している。

また、リフレクタ８の軸方向の他端部（図の左側）にはフランジ８ｂがあり、ネジによりレジューサ７（広がり角６５°）が取り付けられる。そして、円柱形状の流出口７ａ（内径は２７ｍｍ）から流体が流出する。図示するように、流入口６ａ、筒体５の流路、流出口７ａは、その中心軸が一致（共軸）しており、流量は、例えば、約１０（Ｌ／ｍｉｎ）である。

同様に、レジューサ７と筒体５との間にはＯリング１３Ｂが配設されている。このため、この部分を封止して、リフレクタ８への流体の侵入を防止している。なお、Ｏリング１３Ａ，１３Ｂはフッ素系材料で形成されるが、紫外光に晒されて劣化することがある。しかしながら、Ｏリング１３Ａ，１３Ｂは、紫外光がほとんど照射されない位置にあり、Ｏリング１３Ａ，１３Ｂの劣化を防止することができる。

流入口６ａから流入した流体は、レジューサ６の流入口６ａと反対側の端部に設けられた整流板１２を通過して、筒体５の流路に到達する。整流板１２は金属製又はフッ素樹脂製の板材であり、筒体５の軸方向に貫通する複数の円柱状の貫通孔を有している。流体は、整流板１２を通過することにより、筒体５の流路に流入する際に流速が平均化される。

筒体５の流路に到達した流体は、リフレクタ８の開口部に嵌入された光源３から出射されて、リフレクタ８で拡散された紫外光に晒される。これにより、紫外光が流体に万遍なく照射されるようになり、殺菌性能が向上する。

次に、図３～図５を参照して、整流板の種類を変更して流体の流速分布を調べるシミュレーションの結果について説明する。ここで、流速分布とは、流路に垂直な面内における流速分布をいう。

流体殺菌装置１（図１参照）において、流体の流量を１０（Ｌ／ｍｉｎ）とすると、平均流速は０．１１（ｍ／ｓ）となる（このときのレイノルズ数Ｒｅは約４，８００で、４，０００以上であるので乱流となる）。今回、光源は深紫外ＬＥＤ（２６５ｎｍ,５０ｍＷ）をリフレクタ８の周囲に９０°間隔で配置し、流路の軸方向の略中央（整流板の位置をｚ＝０としたとき、ｚ＝１１０ｍｍ）から±２０ｍｍの位置にそれぞれ１個、合計８個を設置した。

まず、図３に、今回用いた整流板の１つである整流板１２Ａの正面図及び側面図を示す。整流板１２Ａは、貫通孔の孔径（直径）ｄが２．０ｍｍ、ピッチｐが３．０ｍｍ、開孔率βが０．４０３、板厚ｔが１．０ｍｍ、１．３ｍｍ、３．０ｍｍの６０°千鳥型である。整流板１２Ａは、筒体５の右端部（ｚ＝０）に配設した（図２参照）。

図４は、整流板１２Ａの３種類の板厚ｔと、板厚ｔの孔径ｄに対する比である厚比（ｔ／ｄ）を示している。また、整流板１２Ａ以外の整流板として、貫通孔の孔径ｄが３．０ｍｍ、孔のピッチｐが４．５ｍｍ、開孔率βが０．４０３の整流板１２Ｂと、貫通孔の孔径ｄが４．０ｍｍ、ピッチｐが６．０ｍｍ、開孔率βが０．４０３の整流板１２Ｃを用意した。整流板１２Ｂ及び整流板１２Ｃについても、板厚ｔが３種類ある。

図５に、流速分布のシミュレーション結果を示す。本シミュレーションには、汎用流体解析ソフトＡＮＳＹＳ ＦＬＵＥＮＴ（Ｖｅｒ.１６．２）を用い、乱流モデルはk-eを採用した。また、計算格子には、ヘキサメッシュを使用し、照度分布については、汎用光学シミュレーションソフトＡＳＡＰを使用した。

紫外線照射量は、水の紫外線透過率ＵＶＴ＝９５％、リフレクタ８の反射率Ｒ＝９０％とし、粒子追跡（粒子数：約８，０００個）によるシミュレーションとＭＳ２（ファージ）の紫外線感受性から算出した。

流速分布は、上から厚比の大きな順に並んでおり、（ａ）厚比（ｔ／ｄ）＝１．５（最大厚比）、（ｂ）厚比（ｔ／ｄ）＝０．７５、（ｃ）厚比（ｔ／ｄ）＝０．６５、（ｄ）厚比（ｔ／ｄ）＝０．５、（ｅ）厚比（ｔ／ｄ）＝０．４３、（ｆ）厚比（ｔ／ｄ）＝０．３３、（ｇ）が厚比（ｔ／ｄ）＝０．２５（最少厚比）である。

（ａ）の例において、流速は、筒体５の管壁部で０．０５～０．１５（ｍ／ｓ）、筒体５の管中央部（管壁部の内側、軸周辺）で０．５０～０．６０（ｍ／ｓ）、整流板１２Ａの流入直前の位置や流出口７ａへの流入直後の位置で０．８０～０．９０（ｍ／ｓ）であった。

図示するように、厚比（ｔ／ｄ）が大きいほど、流速の速い部分が筒体５の軸方向奥側（流出口７ａ）の方向まで伸びている。流速が速いとき、紫外線照射量が不十分となる可能性があるため、好ましい状態ではない。従って、厚比（ｔ／ｄ）は小さいほど管壁部と管中央部とで流速分布の均一性が高く、好ましい状態であることが分かった。

次に、図６、図７を参照して、流体が整流板に流入する現象について説明する。

図６に示すように、一般的に、流入角θ₁で整流板１２へ流入した流体は、流出角θ₂で整流板１２から流出する。このとき、流入角θ₁と流出角θ₂との間には、比例関係が成立し、次の式（１）で与えられる。
θ₂=αθ₁ ・・・(１)
ここで、αは流出角係数と呼ばれる。

流出角係数αは、整流板１２の厚比（ｔ／ｄ）の値によって変化する。図７に示すように、流出角係数αは厚比の増加とともに減少し、厚比（ｔ／ｄ）が０．６５付近で流出角係数αが０となる。式（１）から、α→０でθ_２→０となり、流出角係数α＝０のとき、流入角θ₁の値に依存せず、整流板１２に対して直角に流体が流出することが分かる。

さらに、厚比が増加すると流出角係数αは負値となる。すなわち、流出角係数αが正値の領域では整流板１２を通過した流体は筒体５の管壁部側へ広がり、流出角係数αが負値の領域では流体が筒体５の中央部に集中するようになる。

その結果、図５に示したように、厚比の大きな（例えば、（ａ）ｔ／ｄ＝１．５）整流板を通過した流体は、筒体５の管中央部へ集まり、流速の速い部分が遠くまで伸びていく。一方、厚比の小さな（例えば、（ｇ）ｔ／ｄ＝０．２５）整流板を通過した流体は管壁部側へ広がるので、整流板の通過直後で流速の分散が進む。以上の結果から、整流板の厚比（ｔ／ｄ）は、０．６５未満の値が好ましいことが分かった。

次に、図８Ａ～図８Ｃを参照して、上述のシミュレーション結果を考慮した整流板の構成について説明する。

図８Ａに示す整流板１２Ｄは、板厚がｔで一定であるが、整流板１２Ｄの中心から流路の径方向に延在する内周領域Ｒ_inと、その外側に延在する外周領域Ｒ_outとを有している。なお、内周領域Ｒ_inは、流入口の直径Ｄ_inの大きさとほぼ等しい。

図示するように、内周領域Ｒ_inに設けられた貫通孔の孔径ｄ_inと外周領域Ｒ_outに設けられた貫通孔の孔径ｄ_outとの間に、ｄ_in＞ｄ_outの関係がある。このため、厚比については、（ｔ／ｄ_in）＜（ｔ／ｄ_out）の関係が成立する。

厚比（ｔ／ｄ_in）、（ｔ／ｄ_out）は共に０．６５未満の値であるが、厚比（ｔ／ｄ_in）の方が小さい値となるので、整流板１２Ｄの中央付近に流入した流体が筒体の管壁部側に進み易くなり、流速分布が均一化される。

また、図８Ｂに示す整流板１２Ｅは、板厚がｔで一定であるが、整流板１２Ｅの中心から離れるにつれて、貫通孔の孔径ｄが小さくなっている。図示するように、整流板１２Ｅの内周領域Ｒ_inには孔径ｄ_in1と孔径ｄ_in2（ｄ_in1＞ｄ_in2）の貫通孔が存在し、外周領域Ｒ_outには孔径ｄ_out（ｄ_in2＞ｄ_out）の貫通孔が存在する。

これにより、厚比については、（ｔ／ｄ_in1）＜（ｔ／ｄ_in2）＜（ｔ／ｄ_out）の関係が成立する。厚比（ｔ／ｄ_in1）、（ｔ／ｄ_in2）、（ｔ／ｄ_out）は共に０．６５未満の値であるが、整流板１２Ｅの中心に近づくにつれて厚比が小さい値となるので、整流板１２Ｅの中央付近に流入した流体が筒体の管壁部側に進み易くなり、やはり流速分布が均一化される。

なお、孔径ｄは３種類に限られず、４種類以上を設けてもよい。また、内周領域Ｒ_inのみならず、外周領域Ｒ_outに複数の孔径ｄの貫通孔を形成するようにしてもよい。

図８Ａ、図８Ｂに示すように、板厚がｔが一定の整流板に内周領域Ｒ_inと外周領域Ｒ_outとを設けて、それぞれの領域で貫通孔の孔径ｄを異ならせる場合、少なくとも内周領域Ｒ_inに設けられた貫通孔の孔径ｄ_inについて、厚比（ｔ／ｄ_in）が０．６５未満の条件を満たすようにしてもよい。

さらに、整流板の内周領域Ｒ_inは、流入口の直径Ｄ_inの大きさと等しいという条件が加われば、少なくとも整流板の中央付近に流入した流体は筒体の管壁部側に進み易くなる。このため、仮に外周領域Ｒ_outに設けられた貫通孔の孔径ｄ_outについて、厚比（ｔ／ｄ_out）が０．６５未満の条件を満たさない場合にも、流速分布を均一化する一定の効果がある。

また、図８Ｃに示す整流板１２Ｆは、貫通孔の孔径がｄで一定であるが、整流板１２Ｆの中心から流路の径方向に延在する内周領域Ｒ_inと、その外側に延在する外周領域Ｒ_outとを有している。

そして、整流板１２Ｆの外周領域Ｒ_outでは、最大の板厚ｔ₁となっており、整流板１２Ｆの内周領域Ｒ_inでは整流板１２Ｆの中心に近づくほど、板厚が小さくなっている。すなわち、板厚ｔ₂、板厚ｔ₃、板厚ｔ₄の順に小さい値となる。

これにより、厚比について、（ｔ₁／ｄ）＜（ｔ₂／ｄ）＜（ｔ₃／ｄ）＜（ｔ₄／ｄ）の関係が成立する。厚比（ｔ₁／ｄ）、（ｔ₂／ｄ）、（ｔ₃／ｄ）、（ｔ₄／ｄ）は共に０．６５未満の値であるが、整流板１２Ｆの中心に近づくにつれて厚比が小さい値となるので、整流板１２Ｆの中央付近に流入した流体が筒体の管壁部側に進み易くなり、やはり流速分布が均一化される。

ここでも、整流板１２Ｆの内周領域Ｒ_inは、流入口の直径Ｄ_inの大きさとほぼ等しくなる。なお、整流板１２Ｆのような凹形状とすると、１つの貫通孔の端部側と中央部側で板厚ｔが異なってしまうので、整流板１２Ｆの中心に向かって掘り下る階段構造としてもよい。

次に、図９、図１０を参照して、上述のシミュレーション結果を考慮した流路の構成について説明する。

図９は、上述の厚比と紫外線照射量との関係を示す図である。厚比に伴う流速分布の変化は、紫外線照射量の変化に現れる。特に、厚比（ｔ／ｄ）を０．２５から０．７５に変化させたとき、紫外線照射量は１４．３（ｍＪ／ｃｍ^２）から１１．９（ｍＪ／ｃｍ^２）に減少した。

また、さらに厚比を増加させ、厚比（ｔ／ｄ）を１．５としたときには、紫外線照射量は１１．９（ｍＪ／ｃｍ^２）で一定という結果が得られた。これにより、紫外線照射量の観点からも、厚比（ｔ／ｄ）は０．６５未満でよいことが分かった。

また、図４の整流板１２Ｃ（厚比ｔ／ｄ＝０．２５）を用いて、流入口６ａの直径Ｄ_inを変化させた場合の平均流速（Ｖ）／最大流速比（Ｕ_max）を調べた。直径Ｄ_inが１４．７ｍｍ、２０．２ｍｍ、２７．０ｍｍと大きくなるに従ってＶ／Ｕ_maxの値が大きくなり、２０．２ｍｍ以上のときＶ／Ｕ_maxが０．８以上となり、１枚の整流板１２Ｃによって流速分布が均一化されることが分かった。なお、乱流の速度分布は層流の速度分布と比較して平均化され、一様な流れに近い分布となり、層流の状態ではＶ／Ｕ_maxが０．５、乱流の状態ではＶ／Ｕ_maxが０．８以上となることが実験的に確かめられている。従って、Ｖ／Ｕ_maxが０．８以上で、ほぼ均一な流速分布ということができる。

図１０は、筒体５（紫外線照射可能領域：Ｚ＝１０～２１０ｍｍ）におけるＶ／Ｕ_max（平均値）の流入口径（Ｄ_in）/流路径比（Ｄ）依存性を示している。図示するように、整流板無しの場合、Ｖ／Ｕ_maxは変化しないという結果が得られた。一方で、整流板（ｔ／ｄ＝０．２５）有りの場合、Ｄ_in／Ｄが０．４６以上のとき、Ｖ／Ｕ_maxが０．８以上の流速分布が得られた。

以上により、Ｄ_in／Ｄは、０．４６以上１未満の値が好ましく、この条件の流体殺菌装置おいては、厚比（ｔ／ｄ）が０．６５未満の整流板を流入口側へ１枚配設することにより、均一な流速分布が形成されることが分かった。

［第２実施形態］
次に、図１１、図１２を参照して、本発明の流体殺菌装置の第２実施形態について説明する。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１１に示す流体殺菌装置１０は、流路を有し、流体の殺菌部となる筒体１５と、流体の流入口６ａを有するレジューサ６と、流体の流出口１７ａを有する流出装置１７と、筒体５の周囲を取り囲むように配設されたリフレクタ８等で構成されている。ここでは図を簡略化しているが、光源３は、基板に実装された状態でリフレクタ８に取り付けられている（図１参照）。

筒体１５は、直径が４８ｍｍ（内径Ｄは４４ｍｍ）、流路の長さが２００ｍｍの円柱型の直管形状を有し、殺菌対象の流体が筒体１５の長軸方向を流通するようになっている。また、筒体１５が紫外光透過材料である石英で作られているため、光源３から出射された紫外光が筒体１５を透過し、流体に紫外光が照射され、殺菌が進む。

筒体１５の軸方向の一端部（図の右側）には、レジューサ６が取り付けられている。そして、円柱形状の流入口６ａ（内径Ｄ_ｉｎは２０．２ｍｍ）から流体が流入する。なお、流入口６ａの広がり角は５４°となっている。

また、筒体１５の軸方向の他端部（図の左側）には、流出装置１７が取り付けられている。そして、円柱形状の流出口７ａ（内径は２０．２ｍｍ）から流体が流出する。流量は、例えば、約１０（Ｌ／ｍｉｎ）である。このように、流路はＬ字型の構造を有していてもよい。

流入口６ａから流入した流体は、レジューサ６の流入口６ａと反対側の端部に設けられた整流板１２を通過して、筒体１５の流路に到達する。流体は、整流板１２を通過することにより、筒体１５の管壁部と管中央部（軸周辺）とで流速分布の均一化が図られる。

筒体１５の流路に到達した流体は、リフレクタ８の開口部に嵌入された光源３（ＬＥＤ３ａ、ＬＥＤ３ｂ）から出射されて、リフレクタ８で拡散された紫外光に晒される。これにより、紫外光が流体に万遍なく照射されるようになり、殺菌性能が向上する。

また、図１２に示す流体殺菌装置２０ように、光源やリフレクタの位置を変更して、流出装置１７の左側（筒体１５の他端部であって、流入口６ａの反対側）に光源モジュール装置１８を配設してもよい。ここで、光源モジュール装置１８の内部には、光源３’、光源３’用の基板４’、リフレクタ８’が収められている。また、流出装置１７と光源モジュール装置１８の間には、石英窓１４が設けられている。

光源３’は、基板４’の前面側に１つ実装されている。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く、基板４’を通じて光源３’に給電が行われる。基板４’の背面側（光源３’の発光面と反対側）に、放熱のためのヒートシンクを配設してもよい。

基板４’の前面側には、光源３’を囲むようにリフレクタ８’が配設されている。リフレクタ８’は回転楕円面又は回転放物面の反射鏡であり、光源３’から出射された紫外光がリフレクタ８’の内面で反射して、石英窓１４を通過して筒体１５の流路の方向に進む。これにより、流出装置１７の流出口１７ａ付近に到達した流体に紫外光が照射される。

流体殺菌装置２０の光源３’は、流体の流通する方向に対して平行方向から紫外光を照射するため（端面照射式）、筒体１５は紫外光透過材料でなくてもよい。例えば、筒体１５をステンレスで構成し、筒体１５の内壁を紫外光反射材料でコーティングしてもよい。これにより、光源３’から出射された紫外光が光源３’から遠い位置まで到達し、殺菌効率が向上する。

また、流体殺菌装置１０、流体殺菌装置２０の流路はＬ字型であったが、流入口と流出口とが何れも流路に対して垂直方向（筒体の周方向）に配設されたＵ字型の構造としてもよい。

［第３実施形態］
最後に、図１３、図１４を参照して、本発明の第３実施形態である外照式の流体殺菌装置について説明する。

図１３に示すように、流体殺菌装置３０は、筒体２５の内部に、光源となるＵＶ冷陰極管２３と、流体が流通する通水管２４が格納されている。ＵＶ冷陰極管２３は紫外光を出射する柱状又はＵ字状のランプであり、コネクタ１９、配線１９ａを通じて給電され、軸方向が通水管２４に沿うように配設される。

流体は、通水管２４の流入口２４ａから流路に流入し、流出口２４ｂから流出する。また、流路の途中（流入口２４ａ付近）に整流板２２を設けており、整流板２２により流速分布の均一化が図られる。

次に、図１４に、図１３の流体殺菌装置３０のX-X断面図を示す。

図示するように、筒体２５の内部にＵＶ冷陰極管２３と通水管２４とが隣接して配設されている。流体は通水管２４の内部を流通するが、通水管２４が紫外光透過材料で作られているため、ＵＶ冷陰極管２３から出射された紫外光が通水管２４を透過し、流体に紫外光が照射され、殺菌が進む。

筒体２５の内部かつ通水管２４の外側部分は空洞となっているが、筒体２５の内壁に紫外光反射材料が施されているため、リフレクタの役割を果たす。これにより、ＵＶ冷陰極管２３から出射された紫外光は、通水管２４のあらゆる方向から流体に照射される。

流体殺菌装置３０は、１本のＵＶ冷陰極管２３が格納された１灯式であったが、通水管２４を挟むようにＵＶ冷陰極管が配設された２灯式、又は通水管２４を３方向以上から挟むように冷陰極管が配設された多灯式としてもよい。また、筒体２５は直管形状であったが、Ｌ字型とすることも可能である。

上記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。流体殺菌装置の筒体は、用途により流量が異なるため、サイズや形状を変更することができる。

上記実施形態では、筒体が円柱形状を有する場合を例に説明したが、これに限られない。例えば、筒体は、断面形状が円形状、オーバル形状又は多角形状等の柱形状を有していてもよい。

流体殺菌装置２０のように、流路の片側に光源が配設される形態では、流体の流通する方向は、一般的に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。流入口、流出口の数や方向、紫外ＬＥＤの数等も適宜変更可能である。

流体殺菌装置の筒体の内壁がポリ塩化ビニルで構成される場合、ポリ塩化ビニルの紫外光による劣化を防止するため、紫外光反射材料や紫外光吸収材料でコーティングするようにしてもよい。紫外光反射材料としては、ＰＴＦＥ等のフッ素系樹脂、アルミニウム等を用いることができる。また、紫外光吸収材料としては、ステンレス鋼等を用いることができる。

１，１０，２０，３０…流体殺菌装置、３，３’，３ａ，３ｂ…光源、３Ａ，３Ｂ…ＬＥＤ、４，４’…基板、５，１５，２５…筒体、６，７…レジューサ、６ａ…流入口、７ａ…流出口、８，８’…リフレクタ、８ａ，８ｂ…フランジ、９，１９…コネクタ、９ａ，１９ａ…配線、１１…ヒートシンク、１２，１２Ａ～１２Ｆ，２２…整流板、１３Ａ，１３Ｂ…Оリング、１４…石英窓、１７…流出装置、１７ａ…流出口、１８…光源モジュール装置、２３…ＵＶ冷陰極管、２４…通水管、２４ａ…流入口、２４ｂ…流出口。

Claims (11)

1. 殺菌対象の流体が軸方向に流れる流路を有する筐体と、
   前記流体が前記軸方向に沿って前記流路に流入するように、前記筐体の一端側に設けられた流入口と、
   前記筐体の他端側に設けられて、前記流体が流出する流出口と、
   紫外光透過材料を介して前記流体に紫外光を照射するように構成された光源と、
   前記筐体の一端側の前記流路内に前記軸方向に垂直に設けられて、複数の円柱状の貫通孔を有する整流板と、を備え、
   前記整流板は、その中心から前記流路の径方向に延在する内周領域と、当該内周領域の外側に延在する外周領域とからなり、
   前記外周領域における前記整流板の板厚ｔの前記貫通孔の直径ｄに対する比（ｔ／ｄ）_outは、前記内周領域における前記整流板の板厚ｔの前記貫通孔の直径ｄに対する比（ｔ／ｄ）_inよりも大きく、
   前記外周領域における前記整流板の板厚ｔの前記貫通孔の直径ｄに対する比（ｔ／ｄ） _out 及び前記内周領域における前記整流板の板厚ｔの前記貫通孔の直径ｄに対する比（ｔ／ｄ） _in は共に０．６５未満であることを特徴とする流体殺菌装置。
2. 前記整流板の前記板厚ｔは一定で、前記内周領域に設けられた前記貫通孔の直径ｄ_inは、前記外周領域に設けられた前記貫通孔の直径ｄ_outよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の流体殺菌装置。
3. 前記整流板の前記貫通孔の直径ｄは一定で、前記外周領域の前記板厚ｔ_outは、前記内周領域の前記板厚ｔ_inよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の流体殺菌装置。
4. 前記整流板は、その中心に近づくにつれて、前記板厚ｔが小さくなる凹形状を有していることを特徴とする請求項３に記載の流体殺菌装置。
5. 前記流入口は、前記流路と共軸の円柱形状を有し、
   前記整流板の前記内周領域は円形状を有し、その直径が前記流入口の直径Ｄ_inと等しいことを特徴とする請求項１～４の何れか１項に記載の流体殺菌装置。
6. 前記流入口及び前記流路は、円柱形状を有し、
   前記流入口の直径Ｄ_inの前記流路の直径Ｄに対する比（Ｄ_in／Ｄ）は、０．４６以上１未満であることを特徴とする請求項１～５の何れか１項に記載の流体殺菌装置。
7. 前記光源は、前記流体の流れる方向に対して垂直方向から紫外光を照射することを特徴とする請求項１～６の何れか１項に記載の流体殺菌装置。
8. 前記光源は、前記流体の流れる方向に対して平行方向から紫外光を照射することを特徴とする請求項１～６の何れか１項に記載の流体殺菌装置。
9. 前記光源は、軸方向が前記流路の前記軸方向に沿った冷陰極管であることを特徴とする請求項７に記載の流体殺菌装置。
10. 前記整流板は、その中心から離れるにつれて、前記整流板の板厚ｔの前記貫通孔の直径ｄに対する比（ｔ／ｄ）が大きくなることを特徴とする請求項１に記載の流体殺菌装置。
11. 前記流入口は、前記流路と共軸の円柱形状を有し、
    前記整流板の円形状の内周領域は、前記流入口の直径Ｄ _in と等しいことを特徴とする請求項１０に記載の流体殺菌装置。
    

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