JP7285630B2

JP7285630B2 - 流体殺菌装置

Info

Publication number: JP7285630B2
Application number: JP2018195661A
Authority: JP
Inventors: 涼太河崎
Original assignee: Nikkiso Co Ltd
Current assignee: Nikkiso Co Ltd
Priority date: 2018-10-17
Filing date: 2018-10-17
Publication date: 2023-06-02
Anticipated expiration: 2038-10-17
Also published as: JP2020062599A

Description

本発明は、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。例えば、直管内を通過する流体の流れに沿う方向に紫外光ＬＥＤ（Light Emitting Diode）から出力される紫外光を照射する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７－０７４１１４号公報

流体に対して連続的に殺菌処理をしつつ、発光素子の動作をモニタ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、発光素子の動作をモニタ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、流路と、流路内に向けて紫外光を照射する発光素子と、発光素子に所定値の駆動電流を連続的に供給し、発光素子に所定値と異なる複数段階の値の駆動電流を間欠的に供給する電源と、発光素子の駆動電圧値および駆動電流値を取得し、発光素子の電流電圧特性をモニタする制御部と、を備える。

この態様によると、発光素子に複数段階の値の駆動電流を供給することで、発光素子の電流電圧特性を測定し、発光素子の劣化や故障などに伴う電流電圧特性の変化を検知できる。また、殺菌処理に必要な光強度が得られるように所定値の駆動電流で発光素子を点灯させつつ、電流電圧特性の測定のために駆動電流値を間欠的に変化させることで、連続的な殺菌処理を実質的に停止させることなく、発光素子の動作をモニタできる。

電源は、複数段階の少なくとも一つの値の駆動電流を継続供給する第１期間と、所定値の駆動電流を継続供給する第２期間とを交互に繰り返してもよい。第２期間よりも第１期間が短くてもよい。

電源は、第１期間に第１段階の値の駆動電流を供給し、その次の第２期間に所定値の駆動電流を供給し、その次の第１期間に第１段階とは異なる第２段階の値の駆動電流を供給してもよい。

電源は、第１期間の開始から終了まで駆動電流値を一定としてもよい。

制御部は、流路を通る流体に関する情報を取得し、取得した情報が所定条件を満たすことを契機に電源に複数段階の値の駆動電流を間欠的に供給させてもよい。

流体殺菌装置は、流路内に向けて紫外光を照射する複数の発光素子と、複数の発光素子のそれぞれに駆動電流を供給する複数の電源と、を備えてもよい。複数の電源のそれぞれは、対応する発光素子に所定値とは異なる複数段階の値の駆動電流を供給するタイミングが互いにずれるように動作してもよい。

本発明によれば、流体に対して連続的に殺菌処理をしながら発光素子の動作をモニタできる。

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。駆動装置の回路構成を模式的に示す図である。処理開始時の発光素子の駆動電流値を示すグラフである。定常処理時の発光素子の駆動電流値を示すグラフである。複数の発光素子のそれぞれの駆動電流値を示すグラフである。

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、矢印Ａで示されるように流路１２内を通過する流体に対して紫外光Ｂを照射して殺菌処理を施す。流体殺菌装置１０は、直管２０と、第１筐体２３と、第２筐体２４と、複数の発光素子３０と、基板３２と、ヒートシンク３４と、窓部材３８と、駆動装置４０とを備える。

直管２０は、流路１２を区画する。直管２０は、第１端部２１および第２端部２２を有する。第１端部２１には第１筐体２３が設けられ、第２端部２２には第２筐体２４が設けられる。直管２０の材質は特に問わないが、少なくとも直管２０の内面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。直管２０の内面は、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。

図面の理解を助けるため、直管２０の第１端部２１から第２端部２２に向かう方向を「軸方向」ともいう。また、直管２０の中心軸から離れる方向を「径方向」ともいい、直管２０の中心軸周りの方向を「周方向」ともいう。

第１筐体２３は、直管２０の外側に設けられる第１整流室１３を区画する。第１筐体２３には流入口２５が設けられ、流入口２５から流入管２７が径方向に延びる。第１整流室１３は、流路１２と流入口２５の間をつなぐ。第１整流室１３は、直管２０の第１端部２１と、第１端部２１に対向する第１筐体２３の内面２９との間の第１隙間１５を通じて流路１２と連通する。第１整流室１３は、例えば、直管２０の全周にわたって設けられる。

第２筐体２４は、直管２０の外側に設けられる第２整流室１４および光源室１８を区画する。第２整流室１４と光源室１８の間は、窓部材３８により仕切られる。第２筐体２４には流出口２６が設けられ、流出口２６から流出管２８が径方向に延びる。第２整流室１４は、流路１２と流出口２６の間をつなぐ。第２整流室１４は、直管２０の第２端部２２と、第２端部２２に対向する窓部材３８との間の第２隙間１６を通じて流路１２と連通する。第２整流室１４は、例えば、直管２０の全周にわたって設けられる。

複数の発光素子３０は、光源室１８に設けられる。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。

複数の発光素子３０は、基板３２の実装面上に並べられ、軸方向に紫外光Ｂを照射するように配置される。複数の発光素子３０は、窓部材３８を介して流路１２の内部に紫外光を照射する。基板３２の実装面の裏側にはヒートシンク３４が設けられる。基板３２は、ケーブル３６を介して駆動装置４０と電気的に接続される。駆動装置４０は、複数の発光素子３０に電力を供給する。

上述の構成において、殺菌処理の対象となる水などの流体は、流入管２７、流入口２５、第１整流室１３、第１隙間１５、流路１２、第２隙間１６、第２整流室１４、流出口２６および流出管２８の順に通過する。流路１２内の流体の流れは、第１整流室１３および第２整流室１４を設けることで整流されて層流状態となる。特に、第１隙間１５および第２隙間１６を狭くして流路１２の内部に比べて通水断面積を小さくすることで、整流効果が高められる。このような層流状態の流体に対して、流れの方向Ａに沿って紫外光Ｂを軸方向に照射することにより、流体に対して紫外光を効果的に作用させることができ、殺菌効果を高めることができる。

図２は、駆動装置４０の回路構成を模式的に示す図である。駆動装置４０は、電源４２と、電流計４４と、電圧計４６と、抵抗４８と、制御部５０とを備える。発光素子３０は、電流制限用の抵抗４８を介して電源４２と直列接続されている。電流計４４は発光素子３０を流れる駆動電流値を計測し、電圧計４６は発光素子３０に印加される駆動電圧値を計測する。制御部５０は、電源４２の動作を制御し、発光素子３０の駆動電流値および駆動電圧値を制御する。

図２に示される駆動回路は、図１に示す複数の発光素子３０のそれぞれについて設けられる。いいかえれば、各発光素子３０に対し、電源４２、電流計４４、電圧計４６および抵抗４８がそれぞれ用意される。制御部５０は、対応する発光素子３０を駆動するための複数の電源４２のそれぞれを一括して制御するよう構成される。

電源４２は、発光素子３０に所定値の駆動電流を連続的に供給し、発光素子３０を殺菌処理に必要な所定の発光強度で連続点灯させる。電源４２は、発光素子３０の駆動電流値を段階的に変化させることにより、発光素子３０の電流電圧特性をモニタできるようにする。制御部５０は、発光素子３０の駆動電流を複数段階の値に変化させたときの駆動電流値および駆動電圧値を電流計４４および電圧計４６から取得し、発光素子３０の順方向電圧Ｖｆをモニタする。順方向電圧Ｖｆの変化をモニタすることで、発光素子３０の故障の有無や劣化の程度を解析することが可能となる。

発光素子３０の順方向電圧Ｖｆの変化を適切にモニタするためには、発光素子３０の駆動電流値を下げる必要がある。具体例を挙げれば、殺菌処理に必要な発光強度を得るための「所定値」の駆動電流を基準として、１０％未満または１％未満の電流値にする必要がある。その一方で、流体殺菌装置１０では、殺菌対象の流体が連続して途切れることなく通過していくため、発光素子３０の駆動電流値を一時的に下げてしまうと、その期間において殺菌処理が十分になされないおそれが生じる。そこで、本実施の形態では、流体殺菌装置１０の連続運転への影響が極力少なくなる態様で、発光素子３０の順方向電圧Ｖｆをモニタできるようにする。

図３は、処理開始時の発光素子３０の駆動電流値Ｉを模式的に示すグラフである。流体殺菌装置１０のオンにして殺菌処理が開始される場合、最初の準備期間Ｔ０において駆動電流値Ｉを複数段階の値Ｉ_ｉ（Ｉ_１～Ｉ_ｎ）に変化させることにより発光素子３０の順方向電圧Ｖｆが計測される。その後の定常期間ＴＡにおいて駆動電流が所定値Ｉ_Ａに固定される。殺菌処理が開始されていない準備期間５２では、発光素子３０を所定値Ｉ_Ａ未満で駆動しても殺菌処理への影響がないため、順方向電圧Ｖｆの測定に必要な全ての段階の駆動電流値Ｉ_１～Ｉ_ｎの変化が連続的になされる。これにより、比較的短い時間で順方向電圧Ｖｆを得ることができる。

図４は、定常処理時の発光素子３０の駆動電流値Ｉを示すグラフである。定常時では、駆動電流値Ｉを複数段階の値Ｉ_ｉ（Ｉ_１～Ｉ_ｎ）のいずれかとする第１期間Ｔ１と、所定値Ｉ_Ａとする第２期間Ｔ２とを交互に繰り返すようにする。これにより、発光素子３０の駆動電流が所定値Ｉ_Ａ未満となる第１期間Ｔ１が間欠的に発生するようにし、長時間連続しないようにする。まず、最初の第１期間Ｔ１（１）にて第１段階の値Ｉ_１の駆動電流を供給し、その次の第２期間Ｔ２にて所定値Ｉ_Ａの駆動電流に戻す。次の第１期間Ｔ１（２）にて第２段階の値Ｉ_２の駆動電流を供給し、その次の第２期間Ｔ２にて所定値Ｉ_Ａの駆動電流に戻す。このようにして、所定値Ｉ_Ａの駆動電流を供給する第２期間Ｔ２を挟みながら、順方向電圧Ｖｆの測定に必要な全ての段階の駆動電流値Ｉ_１～Ｉ_ｎに対応する駆動電圧値が計測される。

第１期間Ｔ１の長さは、流体の殺菌処理への影響が実質的に生じない程度に短いことが好ましい。具体的には、流体が流路１２を通過する時間よりも短いことが好ましく、例えば、第１端部２１から第２端部２２まで流体が通過する平均時間の１０％以下、好ましくは１％以下であることが好ましい。一例を挙げると、直管２０の長さが０．２ｍであり、流速が２ｍ／ｓであれば、流体が流路１２を通過する時間は約１００ミリ秒（ｍｓ）である。この場合、第１期間Ｔ１の長さは１０ｍｓ以下であることが好ましく、１ｍｓ以下であることが好ましい。

また、第１期間Ｔ１の長さは、各段階の駆動電圧値が適切に計測可能となる程度に長いことが好ましい。具体的には、発光素子３０の応答速度よりも十分に長いことが好ましい。一例を挙げれば、第１期間Ｔ１の長さは、１０マイクロ秒（μｓ）以上であることが好ましく、１００μｓ以上であることが好ましい。

一方、第２期間Ｔ２の長さは、第１期間Ｔ１の長さよりも十分に長いことが好ましい。一例を挙げれば、第２期間Ｔ２の長さは、第１期間Ｔ１の１０倍以上であることが好ましく、１００倍以上であることがより好ましい。第２期間Ｔ２の長さは、例えば、１秒以上、１０秒以上、または、１００秒以上であってもよい。

図４に示される態様で発光素子３０の順方向電圧Ｖｆを測定する場合、１回の測定期間ＴＢの長さは、図３に示される準備期間Ｔ０よりも長く、１分以上または１０分以上かかるかもしれない。しかしながら、順方向電圧Ｖｆの計測に必要な時間を細かく分割し、極めて短い時間の第１期間Ｔ１を間欠的に挿入することで、連続的な殺菌処理に対して実質的な影響を与えることなく順方向電圧Ｖｆを測定できる。これにより、途切れなく流入する流体への殺菌処理を止めることなく、発光素子３０の動作を適切にモニタリングできる。

制御部５０は、図４の測定期間ＴＢに示される波形の駆動電流を繰り返すことで、発光素子３０の順方向電圧Ｖｆが逐次測定されるようにしてもよい。代わりに、制御部５０は、所定の期間ごとに測定期間ＴＢの波形の駆動電流を供給することで、間隔を空けて順方向電圧Ｖｆが測定されるようにしてもよい。例えば、３０分毎、１時間毎といった周期で順方向電圧Ｖｆが測定されてもよい。

制御部５０は、流体殺菌装置１０に流入する流体に関する情報を取得し、取得した情報が所定条件を満たすことを契機に測定期間ＴＢの波形の駆動電流を発光素子３０に供給してもよい。例えば、流量または流速が所定の閾値以下となる場合や、流体の汚染度が所定の閾値以下となる場合に順方向電圧Ｖｆが測定可能となるようにしてもよい。流量や流速、汚染度が低い場合、照射される紫外光の強度を多少下げても十分な殺菌処理が可能となりうる。このような状況下において発光素子３０の駆動電流値を一時的に変化させることで、殺菌処理への影響を軽微にしつつ順方向電圧Ｖｆを測定できる。

制御部５０は、処理開始時または定常処理時に測定される発光素子３０の電流電圧特性または順方向電圧Ｖｆを記憶する。制御部５０は、電流電圧特性または順方向電圧Ｖｆに異常が見られる場合にアラートを通知してもよい。制御部５０は、例えば、順方向電圧Ｖｆが所定の基準値未満となった場合にアラートを通知してもよい。制御部５０は、流体殺菌装置１０が組み込まれるシステムに予備機が設けられる場合、電流電圧特性または順方向電圧Ｖｆの変化に応じて予備機に動作を切り替えるための指令を出力してもよい。

図５は、複数の発光素子のそれぞれの駆動電流値を示すグラフであり、上述の図４の定常時の測定期間ＴＢにおけるグラフに対応する。図５の（ａ）～（ｅ）のそれぞれは、異なる発光素子３０の駆動電流値を示す。図示されるように、発光素子ごとに第１期間Ｔ１となるタイミングがずれており、二以上の発光素子３０の第１期間Ｔ１が重ならないように電流波形が定められている。所定値Ｉ_Ａとは異なる複数段階の値のいずれかの駆動電流が供給される第１期間Ｔ１のタイミングを発光素子ごとにずらすことで、駆動電流の変化に起因する殺菌処理への影響をより小さくできる。また、流体殺菌装置１０の全体としての消費電力量の変化を小さくできる。

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、第１期間Ｔ１の開始から終了まで駆動電流値を一定とする場合について示した。変形例においては、１回の第１期間Ｔ１において駆動電流値を段階的に変化させてもよい。例えば、最初の第１期間Ｔ１にて第１段階および第２段階の駆動電流を供給し、第２期間Ｔ２を挟んだ次の第１期間Ｔ１にて第３段階および第４段階の駆動電流を供給してもよい。

上述の実施の形態では、１回の測定期間ＴＢに含まれる複数の第１期間Ｔ１のそれぞれでの駆動電流値を段階的に上げていく制御例を示した。変形例においては、複数の第１期間Ｔ１のそれぞれでの駆動電流値を段階的に下げてもよいし、ランダムに変化させてもよい。

１０…流体殺菌装置、１２…流路、３０…発光素子、４０…駆動装置、４２…電源、４４…電流計、４６…電圧計、５０…制御部。

Claims

流路と、
前記流路内に向けて紫外光を照射する発光素子と、
前記発光素子に所定値または前記所定値と異なる複数段階の値の駆動電流を供給する電源と、
前記発光素子の駆動電圧値および駆動電流値を取得し、前記発光素子の電流電圧特性をモニタする制御部と、を備え、
前記電源は、前記複数段階の少なくとも一つの値の駆動電流を継続供給する第１期間と、前記所定値の駆動電流を継続供給する第２期間とを交互に繰り返し、前記第２期間よりも前記第１期間が短いことを特徴とする流体殺菌装置。
前記電源は、前記第１期間に第１段階の値の駆動電流を供給し、その次の第２期間に前記所定値の駆動電流を供給し、その次の第１期間に前記第１段階とは異なる第２段階の値の駆動電流を供給することを特徴とする請求項１に記載の流体殺菌装置。
前記電源は、前記第１期間の開始から終了まで駆動電流値を一定とすることを特徴とする請求項２に記載の流体殺菌装置。
前記第１期間は、前記流路を流体が通過する平均時間の１０％以下であり、
前記第２期間は、前記第１期間の１０倍以上であ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流体殺菌装置。
前記第２期間は、１秒以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の流体殺菌装置。
前記制御部は、前記流路を通る流体の流量、流速および汚染度の少なくともいずれかに関する情報を取得し、前記流体の流量、流速および汚染度の少なくともいずれかが所定の閾値以下であることを契機に前記電源に前記複数段階の値の駆動電流を間欠的に供給させることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の流体殺菌装置。
前記流体殺菌装置は、前記流路内に向けて紫外光を照射する複数の発光素子と、前記複数の発光素子のそれぞれに駆動電流を供給する複数の電源と、を備え、
前記複数の電源のそれぞれは、対応する発光素子に前記所定値とは異なる複数段階の値の駆動電流を供給するタイミングが互いにずれるように動作することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の流体殺菌装置。