JP7376883B2

JP7376883B2 - 流体清浄化サーキュレータ

Info

Publication number: JP7376883B2
Application number: JP2022581458A
Authority: JP
Inventors: 晋士石田; 雅敏田中
Original assignee: Fukuoka Prefectural Government
Current assignee: Fukuoka Prefectural Government
Priority date: 2021-10-05
Filing date: 2022-09-05
Publication date: 2023-11-09
Anticipated expiration: 2042-09-05
Also published as: JPWO2023058376A1; EP4360663A1; WO2023058376A1

Description

本発明は、身の回りの流体としての空気や水について、流体中のウイルス等の有害微生物をＬＥＤの紫外線照射によって不活化させつつ、人体に有害な紫外線を外部に漏洩しない安全かつ衛生的な流体清浄化サーキュレータに関するものである。

近年、ＳＡＲＳやＣＯＶＩＤ－１９など、人類によって未曾有の危険性を持つ強力なウイルスが流行する傾向にあり、これらに罹患せず生命および生活の安全を保つためにも、身の回りの清浄化が必要である。
個人の行動で可能な予防方法としては、マスクの着用、うがい、手洗い、密集・密接・密閉を避けるなどが有効な手段と考えられているが、行動のみで予防出来ることには限界があり、これらに加えて身の回りの環境自体である空気や水を清浄化させることがさらなる衛生的手段として求められている。

非特許文献１には、ＵＶ－Ｃ殺菌灯を中央に配し、その周りを矩形断面のらせん通路で囲った、ＵＶ－Ｃ照射装置が記載されており、ＣＯＶＩＤ－１９の不活化に対して有効であるとの試験結果が示されている。しかしこのＵＶ－Ｃ照射装置にもいくつかの改善すべき点がある。
まず紫外線源としてＵＶ－Ｃ殺菌灯を用いていることにより、消費電力が大きく、特定の波長の紫外線のみではなくその近辺の波長もブロードに発光する特徴を有することにより、駆動するためには大きなエネルギー源が必要で、どこにでも設置出来るほどの自由さを有していない。
次に中央のＵＶ－Ｃ殺菌灯が発した紫外線は、透明素材のらせん通路を通過し、筐体の内壁に当たる。筐体の内壁には表面処理が施され、紫外線を筐体内部にて多重反射させていることになるが、反射して中央に戻った紫外線はＵＶ－Ｃ殺菌灯に当たるものの、ＵＶ－Ｃ殺菌灯自体には反射機能はないため、効率の良い多重反射は見込めない。

「北里研究所で実施されたDr.AiR(道脇式UV-C照射装置)による新型コロナウイルス(SARS-CoV-2)の不活化試験結果について」（株式会社 NejiLaw）URL：http://www.nejilaw.com/pdf/NejiLaw_PressRelease_20210617.pdf

本発明は、上記の様に従来技術が持つ課題すなわち、高消費電力、必要な波長以外の紫外線照射による非効率、設置場所の自由度の低さ、反射効率の低さから来る発生した紫外線の利用効率の低さ、人体に危険な紫外線が機器外部に漏れ出る可能性などを全て解決し、従来技術で実証された有害ウイルスの不活化効果と同等またはそれ以上の効果を十分かつ安全に発揮することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、流体中の有害微生物を紫外線照射によって不活化させる流体清浄化サーキュレータであって、密閉容器の内部にらせん状に形成された中空丸パイプが設けられるとともに、前記中空丸パイプの両端は、前記密閉容器の内壁に固着され、前記中空丸パイプに流体を流すための流体入口及び流体出口用の穴が前記密閉容器に形成され、前記中空丸パイプの内面には紫外線を反射する表面処理が施されるとともに、前記流体入口及び前記流体出口から外部への紫外線の放射を防ぐ放射防止手段が設けられ、前記中空丸パイプの前記流体入口側の端部から前記中空丸パイプの流路長の略１／２の距離にのみ、紫外線ＬＥＤ素子が、前記中空丸パイプの内壁に設けられ、前記紫外線ＬＥＤ素子が発光することにより、前記中空丸パイプの内部が照射される流体清浄化サーキュレータである。

請求項２に記載の発明は、前記照射される紫外線がＵＶ－Ｃであり、波長が２５０～２８０ｎｍである請求項１に記載の流体清浄化サーキュレータである。

まず、紫外線発生源として紫外線ＬＥＤを用いる。必要駆動電力の低下、それによる設置場所の自由度の高さ、最も殺ウイルス効果の高い波長に特化した素子の使用により、低電力かつ高効率で目的を達することができる。
次に内径が小さく経路が長いらせん状中空丸パイプの内壁に配した紫外線ＬＥＤから中空丸パイプ内部に紫外線を照射することにより、放射された紫外線の大部分は中空丸パイプの内面に対して入射角が大きくなり、紫外線を反射する様に処理した内面と相まって、ＬＥＤから発生した紫外線が最大限にウイルスの不活化に寄与する。
すなわち、紫外線を反射する表面処理が施された中空丸パイプの内面で紫外線を反射することから、多重反射を繰り返して減衰しながら、中空丸パイプの吸入口側及び排出口側（以下、単に「両端側」と記載する。）に紫外線が進む。中空丸パイプの内面の反射率が高いと減衰は小さくなる。これにより、（１）多重反射しながら、経路（中空丸パイプの内部空間）を紫外線で満たし、ウイルスや菌を逃すことなく不活化することができる。また、（２）多重反射の回数が膨大になるため、中空丸パイプの両端側に進むほど紫外線が減衰していき、中空丸パイプの両端付近で紫外線漏洩（漏れ光）を防ぐことができる。
さらに中空丸パイプの流体入口側の端部から中空丸パイプの流路長の略１／２の距離、つまり、中空丸パイプの内壁で構成される流体が流れる流路長の約半分の位置にのみ紫外線ＬＥＤを配することによって、経路の上流側と下流側両方に向かって紫外線が反射して伝播していくことになる。紫外線は、伝播距離が長くなるにつれて、減衰するため、中空丸パイプの両端付近では安全な程度に減衰する。さらに、中空丸パイプの両端から外部への紫外線の放射を防ぐ放射防止手段を設けることによって、紫外線が外部に漏洩することを防ぎ、安全性を確保している。
中空丸パイプの流体入口側の端部から中空丸パイプの流路長の略１／２の距離とは、紫外線の多重反射により中空丸パイプの内部を紫外線で満たすことから、紫外線ＬＥＤを１か所設置した場合、紫外線の多重反射により中空丸パイプの内部を紫外線で満たすことができる位置であればよく、中空丸パイプの流体入口側の端部から中空丸パイプの流路長の１／２の距離にのみに限定する必要はない。

放射防止手段としては、たとえば、中空丸パイプの両端近辺の内面を、紫外線を反射しない材料で形成する方法、中空丸パイプの両端近辺の内面を、紫外線を反射しない表面処理を施すこと等が挙げられる。

以上により、本発明の流体清浄化サーキュレータは、低消費電力と設置の自由度、特定の波長の紫外線に特化したＬＥＤによる効率の良いウイルス不活化効果、内面処理で実現した多重反射による照射された紫外線の最大限の利用、ＬＥＤ設置個所から中空丸パイプ両端までの距離による十分な減衰と中空丸パイプの両端付近の無反射表面処理による有害な紫外線の漏洩防止と、従来技術の課題を全て解決することができる。
また使用する紫外線ＬＥＤ素子の出力とファンによる流速の調整により、時間当たりの処理出来る流量の調整が可能であり、本発明はフィルター等を用いていないのでメンテナンスフリーである。

（ａ）本発明の実施例に係る流体清浄化サーキュレータの構造を示す外観イメージ図である。（ｂ）本発明の実施例に係る流体清浄化サーキュレータの内部構造を示すイメージ図である。本発明の実施例に係る流体清浄化サーキュレータにおける１／４楕円周単位の曝露光量のシミュレーションの結果を示すグラフである。本発明の実施例に係る流体清浄化サーキュレータにおける流体清浄化サーキュレータ内の積算曝露光量のシミュレーションの結果を示すグラフである。

以下、本発明を実施するに当たって好ましい態様を具体的に記載するが、本発明の範囲はこれらにより限定されるものではない。

本発明の実施例に係る流体清浄化サーキュレータ（以下、単に「サーキュレータ」と記載する。）は、流体中の有害微生物を紫外線照射によって不活化させることができる。サーキュレータは、密閉容器１１と、密閉容器１１の内部に設けられた流体の経路がらせん状に形成された中空丸パイプ１２と、中空丸パイプ１２の内壁面に設けられた紫外線ＬＥＤ素子とを有している。

中空丸パイプ１２は材質に特に限定はなく、金属でも樹脂製でも構わない。重量、強度、らせん形状への加工性、コスト、内面の紫外線に対する反射・無反射加工のしやすさなどを念頭に好適材料を選択する。

中空丸パイプ１２の中空部分は、断面視して真円であるものが好ましいが、楕円形のものでも適用が可能である。断面視して真円の中空丸パイプ１２であれば、紫外線の効率的な反射に寄与することが可能である。また、内径は小さい方が中空丸パイプ１２の経路長を長く取れる点からも好ましい。しかしながら、内径が小さすぎると、流路が確保できず、不活化・除菌効果が低下する。また、紫外線の多重反射も多くなりすぎることになり、流路内全体の紫外線の減衰率が大きくなり、不活化・除菌効果の低下につながる。
中空丸パイプ１２の外径は比較的細い方が、同一体積中での経路長を長く取ることが出来、流体の管内滞留時間、後述する紫外線ＬＥＤ素子からの紫外線の伝達距離と出入り口付近での十分な減衰が確保され、らせん状への加工が容易になる。さらに紫外線ＬＥＤ素子から発した放射束の一断面当たりの密度が高くなる上均一性が高くなり、多重反射によって中空丸パイプ１２の両端に到達するときには減衰して紫外線の漏洩を防ぐことが容易となる。
サーキュレータのサイズによって、中空丸パイプ１２のサイズは適宜設計されるべきであるものの、あまり細いと流路抵抗が大きくなり、装着出来る紫外線ＬＥＤ素子の大きさに制限が出てくることに留意すべきである。

中空丸パイプ１２をらせん状に配置する（すなわち、中空丸パイプ１２の中空部分によって構成される流路をらせん状とする）ことで、中空丸パイプ１２内の光の直進性を出来るだけ損なわない一方、同一の体積に収められる範囲で中空丸パイプ１２の十分な経路長を確保できる。設置する場所に応じて、細い場所には中空丸パイプ１２のらせん半径を短くし、細長い筒状の容器に収納する、高さの取れない場所には中空丸パイプ１２のらせん形状を略楕円とし、扁平率の高い楕円筒状の容器に収納するなど、外観の形状は自由度が高い。形状は変わっても中空丸パイプ１２の内径と流路長が等しければ、それらの清浄化能は基本変わらない。

中空丸パイプ１２の内面には、金属の蒸着やメッキ、貼付けなどにより鏡面に近い状態で処理されている。なお、金属の種類は、アルミニウムなど紫外線の反射率が高い材質であれば特に問わないが、一般的にアルミ蒸着、アルミメッキ、アルミ反射シート貼付け、金メッキ、銀メッキ、亜鉛メッキ、スズメッキ等であればよい。本実施例ではアルミニウム製の反射シートの貼付けまたはアルミ蒸着を採用した。

また、紫外線を中空丸パイプ１２の両端から外部への紫外線の漏洩を防ぐために、中空丸パイプ１２の両端近辺（端部から全長の約２～５％程度の長さ）については、紫外線を反射しない材料で形成するか、紫外線を反射しない表面処理を施すかのいずれか一方を採用している。本実施例では、メッキ処理は行わず、黒色材料を塗布することで紫外線を中空丸パイプ１２の外部に放射することを防ぐことができるものを採用している。このほかにも、表面処理は行わず、紫外線を反射しない黒色の樹脂素材を用いることも可能である。
紫外線を反射しない表面処理の範囲は、中空丸パイプ１２の両端付近であり、最低でも外部から開孔部を覗いた際に目視出来る範囲は含まれるが、ある程度余裕を持ってそれ以上の範囲、具体的にはらせん半周分程度について行うと好ましい。それ以外の経路は全て紫外線を反射する表面処理を行うことが好ましい。

中空丸パイプ１２の吸入口１１Ａ側端部から中空丸パイプの流路長の略１／２の距離、つまり、中空丸パイプ１２の内壁で構成される流体の流路長の半分の位置に紫外線ＬＥＤが配置されている。
紫外線ＬＥＤ素子は、市販のものを用いてもよい。また、新たに設計したものを用いてもよい。素子の発光波長、発光スペクトル特性、発光強度、用いる素子数は、中空丸パイプ１２の内径、経路長、ファンの回転数による流速等を勘案し、吸入口１１Ａから排出口１１Ｂまでの間に十分な清浄効果が発揮されるように、適宜適当なものを用いる。ＬＥＤ素子は中空丸パイプ１２の経路の中央付近に開けた開孔部にはめ込む様に設置され、内部の紫外線および流体が外に漏れない様に注意する必要がある。
紫外線ＬＥＤ素子およびファンの駆動に使用するエネルギー源としてはＡＣ電源、ＤＣ電源等自由に採用出来る。設置場所が自動車内であれば、ＤＣ１２Ｖが、屋内であればＡＣアダプターでＤＣ１２Ｖに変換して、または、１２Ｖバッテリーを使用することが考えられる。
用いる紫外線波長は、ウイルス等を不活化させるために効果の高い波長を用いる。ＵＶ－Ｃと呼ばれる２５０～２８０ｎｍの紫外線は、強い殺菌能力を持つ点で有用であるが、人体にも悪影響を生じる点でその取り扱いには注意を要する。

中空丸パイプ１２の両端は、密閉容器１１の内壁に固着されている。また、中空丸パイプ１２に流体が流れるように、密閉容器１１には吸入口１１Ａ及び排出口１１Ｂが形成されている。
すなわち、密閉容器１１に形成される穴は２箇所であり、その開口形状は、中空丸パイプ１２の吸入口１１Ａ側端部の形状及び排出口１１Ｂ側端部の形状（中空丸パイプ１２の両端部における中空丸パイプ１２の長さ方向と直交する方向における断面における中空部分形状）と同じである。そして、密閉容器１１の吸入口１１Ａ及び排出口１１Ｂと中空丸パイプ１２の両端とが重なるように（密閉容器１１により中空丸パイプ１２の中空部分の一部又は全部がふさがれないように）中空パイプ１２の両端は密閉容器１１の内壁に固着される。

このサーキュレータには、中空丸パイプ１２の流路に流体が流れるようにするためのファンが設けられている。
ファンは中空丸パイプ１２の吸入口１１Ａ側付近、排出口１１Ｂ側付近、その両方のいずれに設置してもよい。小型軽量で、低電圧で駆動出来る直流モーターのものが安価に利用できる。ファンの回転数は、必要とする流速すなわち中空丸パイプ１２の断面積と流路長から求められる体積の中をウイルス等が不活化するために必要な滞留時間を掛けて流れる様計算して求められる。ファンの直径は中空丸パイプ１２の径と同程度のものが好ましいが、騒音を減らすため大きい径のものを低速回転させることもできる。その場合は中空丸パイプ１２との間に漏斗状の部材を介するとよい。
流体が水である場合、ファンの代替として水道等の圧力を以て流入させることもできる。

以下、実施例を用いて説明する。

ＵＶ－ＣＬＥＤ流体清浄化サーキュレータを図１のように設計するとともに、ファン径２０ｍｍ、中空丸パイプ１２直径２０ｍｍ、パス形状は長軸半径６４ｍｍ、短軸半径４４ｍｍの楕円パス、角度７°で形成した。らせん全体の形状は幅１５０ｍｍ、高さ１１０ｍｍ、長さ２００ｍｍの楕円筒形となった。中空丸パイプ１２の流路長は概算で２５８８．０ｍｍであった。管内は出入り口付近の楕円半周を黒色塗装とし、その他を金属メッキとした。
このＵＶ－ＣＬＥＤパッケージをらせん経路中央の背面に設置し、管内に向かって紫外線を照射する構造を取った。

（１／４楕円周単位の曝露光量のシミュレーション）
中空丸パイプ１２らせんの１／４楕円周ごとに曝露光量をシミュレーションにて求めた。
中空丸パイプ１２の吸入口１１Ａ側端部から排出口１１Ｂ側端部まで、らせんの１／４楕円周ごとに受光面があるものと想定し、受光面ごとの曝露光量を計算した。
流路の１／４楕円周の概算値は８６．３ｍｍ、流速をｖｍ／ｓとした時、滞在時間は８６．３÷（ｖ×１０００）。１／４楕円周の１区間当たりの平均放射照度の平均値はＥｅ，ａｖｅ，ｉ－ｊ。流体清浄化サーキュレータで曝露される光量はＳＵＭ（Ｅｅ，ａｖｅ，ｉ－ｊ × ８６．３÷（ｖ×１０００））で求められる。この時流速を１ｍ／ｓとして計算した。
以上の計算により各受光面で求められた曝露光量を、受光面順に示したものが図２である。
光源である紫外線ＬＥＤ素子が設置された中央付近で最も高く、そこから吸入口１１Ａ側、排出口１１Ｂ側の両方に向けて、距離と共に減衰し、吸入口１１Ａ、排出口１１Ｂから漏洩する光量はほとんどないことが示された。

（流体清浄化サーキュレータ内の積算曝露光量のシミュレーション）
次に、流体清浄化サーキュレータ内の積算曝露光量をシミュレーションにて求めた。
吸入口１１Ａから入って各受光面の曝露光量を積算した結果、排出口１１Ｂの時点での総積算曝露光量は２．０２７ｍＪ／ｃｍ^２となった。
以上の計算により各受光面に到達した時点の積算曝露光量を、入口から出口まで順に示したものが図３である。
吸入口１１Ａ付近ではあまり増加しないものの、光源に近い中央付近で急激に積算値が増加し、その後飽和する形の数値が得られた。不活化作用効果の高い２７５ｎｍの紫外線を用いての総積算曝露光量２．０２７ｍＪ／ｃｍ^２は、他の試験例の値と比べて、ＣＯＶＩＤ－１９ウイルスの不活化に十分な能力を持つことが示された。

ＣＯＶＩＤ－１９ウイルスの扱いは、その危険性のため実際に試験を行うことには困難性が高いが、既に行われている試験例の結果に加え、物理的な数値として論理的な裏付けを持って計算された値により証明された様に、本発明の流体清浄化サーキュレータは、同種のウイルス等の清浄化について実際に使用した場合にも極めて優秀な性能を発揮することが確信される。

Claims

流体中の有害微生物を紫外線照射によって不活化させる流体清浄化サーキュレータであって、
密閉容器の内部にらせん状に形成された中空丸パイプが設けられるとともに、前記中空丸パイプの両端は、前記密閉容器の内壁に固着され、前記中空丸パイプに流体を流すための流体入口及び流体出口用の穴が前記密閉容器に形成され、
前記中空丸パイプの内面には紫外線を反射する表面処理が施されるとともに、前記流体入口及び前記流体出口から外部への紫外線の放射を防ぐ放射防止手段が設けられ、
前記中空丸パイプの前記流体入口側の端部から前記中空丸パイプの流路長の略１／２の距離にのみ、紫外線ＬＥＤ素子が、前記中空丸パイプの内壁に設けられ、
前記紫外線ＬＥＤ素子が発光することにより、前記中空丸パイプの内部が照射される流体清浄化サーキュレータ。
前記照射される紫外線がＵＶ－Ｃであり、波長が２５０～２８０ｎｍである請求項１に記載の流体清浄化サーキュレータ。