JP7841922B2 - 紫外線照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体に紫外線を照射する紫外線照射装置に関する。

紫外線を用いて液体などの流体を殺菌処理できることは広く知られている。例えば、特許文献１には、軸方向に延びる流路に対して、軸方向に紫外線を照射して、流路内を流れる流体を殺菌する流体殺菌装置が記載されている。

具体的には、特許文献１に記載の流体殺菌装置は、紫外線を出射する半導体発光素子を含む光源と、殺菌対象の流体が軸方向に流れる流路を有する筐体と、を有する。光源は、筐体の軸方向の一端部に配置されたケースに収容されている。筐体は、ステンレス製であり、一端部から他端部に向けて流路の断面積が徐々に大きくなるテーパ構造を有する。テーパ構造は、半導体発光素子の配向角に合わせた傾斜を有している。また、上記筐体の他端部に、流体の流れを整える整流手段が設けられている。さらにケースには、放熱ファンを配置してもよいことが記載されている。

特許文献１では、筐体が半導体発光素子の配向角に合わせた傾斜を有するテーパ構造を有することにより、光源から遠い位置まで紫外線を到達させることができ、かつ、整流手段で流れを整えた流体に紫外線を照射することで、流体に万遍なく紫外線が照射されるので、殺菌効果を高めることができるとされている。また、光源を使用することによる光源の温度の上昇は、放熱ファンを使用することで抑制している。

特開２０１９－９８０５５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の流体殺菌装置では、光源の温度の上昇を抑制するために、放熱ファンと、放熱ファンを駆動するための装置が必要となり、装置が大型化するという問題があった。

そこで、本発明の目的は、装置を大型化することなく、光源の温度の上昇を抑制できる紫外線照射装置を提供することである。

本発明の一実施の形態に係る紫外線照射装置は、流体に紫外線を照射するための紫外線照射装置であって、紫外線が照射される前記流体が収容される空間と、前記空間に向けて紫外線を照射するための光源と、前記光源を支持する金属製の支持部材と、前記空間に流体を供給するための供給流路を規定する供給管と、前記空間の流体を排出するための排出流路を規定する排出管とを有し、前記供給管および前記排出管の少なくとも一方は、金属製であり、前記支持部材は、金属製の前記供給管または金属製の前記排出管に接触している。

本発明によれば、装置を大型化することなく、光源の温度の上昇を抑制できる紫外線照射装置を提供できる。

図１Ａ、Ｂは、実施の形態に係る紫外線照射装置の構成を示す図である。 図２は、紫外線照射装置の断面斜視図である。 図３は、紫外線照射装置の断面図である。 図４Ａ、Ｂは、排出管の材料の違いによる光源の温度の変化を示すグラフである。

以下、本発明の一実施の形態に係る紫外線照射装置について、添付した図面を参照して詳細に説明する。以下の説明では、紫外線照射装置を流体を殺菌するための殺菌装置に適用した例について説明する。

（紫外線照射装置の構成）
図１Ａ、Ｂ、図２および図３は、本実施の形態に係る紫外線照射装置１００の構成を示す図である。図１Ａは、紫外線照射装置１００の斜視図であり、図１Ｂは、平面図である。図２は、紫外線照射装置１００の断面斜視図である。図３は、紫外線照射装置１００の断面図である。

図１Ａ、Ｂ、図２および図３に示されるように、紫外線照射装置１００は、流れる流体に紫外線を照射するための装置であって、紫外線が照射される流体が収容される空間Ｓ１と、空間Ｓ１に向けて紫外線を照射するための光源１２０と、光源１２０を支持する金属製の支持部材１３０と、空間Ｓ１に流体を供給するための供給流路Ｓ２を規定する供給管１４０と、空間Ｓ１の流体を排出するための排出流路Ｓ３を規定する排出管１５０とを有する。なお、本実施の形態では、紫外線照射装置１００は、主として貯留壁１１０の第１壁１１１を覆うカバー１６０をさらに有する。

空間Ｓ１は、貯留壁１１０により規定される。貯留壁１１０は、流体を収容するための空間Ｓ１を規定し、光源１２０から出射された紫外線を反射させる。貯留壁１１０は、１つの部材でもよいし、２以上の部材でもよい。本実施の形態では、貯留壁１１０は、第１壁１１１と、第２壁１１２との２つの部材を有する。貯留壁１１０（第１壁１１１および第２壁１１２）により規定される空間Ｓ１の形状の例には、球形状、円柱形状、角柱形状、その他の形状が含まれる。本実施の形態では、貯留壁１１０（第１壁１１１および第２壁１１２）により規定される空間Ｓ１の形状は、略球形状である。第１壁１１１は空間Ｓ１の一方の略半球形状を規定し、第２壁１１２は空間Ｓ１の他方の略半球形状を規定する。なお、本実施の形態では、第１壁１１１は後述する供給流路Ｓ２の一部も規定し、第２壁１１２は後述する排出流路Ｓ３の一部も規定する。本実施の形態では、第１壁１１１は流体の流動方向において上流側に配置されており、第２壁１１２は流体の流動方向において下流側に配置されている。略球形状の空間Ｓ１は、第１壁１１１および第２壁１１２を接合することで形成される。

第１壁１１１および第２壁１１２の材料は、上記の機能を発揮できれば特に限定されない。第１壁１１１および第２壁１１２の材料は、同じでもよいし、異なっていてもよい。本実施の形態では、第１壁１１１および第２壁１１２の材料は、同じ材料である。第１壁１１１および第２壁１１２の材料は、紫外線を効率的に反射する観点から、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が好ましい。貯留壁１１０の内径は、特に限定されないが、例えば２０～６０ｍｍ程度である。貯留壁１１０の内径を２０～６０ｍｍ程度とすることにより、光源１２０として１個のＵＶ－Ｃ ＬＥＤのみを用いた場合であっても、貯留壁１１０内の流体を十分に殺菌できる。空間Ｓ１には、供給流路Ｓ２および排出流路Ｓ３が接続されている。

供給管１４０は、空間Ｓ１に流体を供給するための供給流路Ｓ２を規定する。供給管１４０の下流側では、例えばＯリングなどの第１封止部材（図示省略）が供給管１４０と第１壁１１１との間の一部の領域に配置され、液漏れを防止している。また、本１０進形態では、供給管１４０は、螺合することでカバー１６０に接触している（図示省略）。供給管１４０の材料は、上記の機能を発揮できれば特に限定されない。供給管１４０の材料の例には、ニッケルめっきされた黄銅、ポリプロピレン（ＰＰ）、アクリロニトリル－ブタジエンゴム－スチレン共重合体（ＡＢＳ樹脂）、ポリスチレン、アクリロニトリル－スチレン共重合体（ＡＳ樹脂）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）が含まれる。本実施の形態では、供給管１４０の材料は、ポリプロピレンである。

供給流路Ｓ２は、貯留壁１１０の内部（空間Ｓ１）に流体を供給する。供給流路Ｓ２は、その一端が空間Ｓ１に開口している。すなわち、供給流路Ｓ２の空間Ｓ１への開口部が、供給口１４１である。供給流路Ｓ２は、貯留壁１１０の内部（空間Ｓ１）に貯留壁１１０の内面に沿って滑らかに流体を供給できるように配置されていることが好ましい。本実施の形態では、供給流路Ｓ２における流体の流動方向に沿い、かつ空間Ｓ１の重心を含む断面における、供給流路Ｓ２の内面と貯留壁１１０の内面との接続部において、供給流路Ｓ２の内面の一部は、接続部における貯留壁１１０の内面の接線と一致するように、貯留壁１１０の内面と滑らかに連続して配置されている。本実施の形態では、供給流路Ｓ２は、貯留壁１１０（第１壁１１１）の一部と、供給管１４０とにより構成されている。

排出管１５０は、空間Ｓ１の内部の流体を排出するための排出流路Ｓ３を規定する。排出管１５０の上流側では、第２封止部材１５２が供給管１４０と第１壁１１１との間の一部の領域に配置され、液漏れを防止している。本実施の形態では、第２封止部材１５２は、Ｏリングである。また、排出管１５０は、螺合することで支持部材１３０に接続されている。排出管１５０の材料は、上記の機能を発揮できれば特に限定されない。排出管１５０の材料の例には、ニッケルめっきされた黄銅、黄銅、銅、アルミニウムが含まれる。本実施の形態では、排出管１５０の材料は、ニッケルめっきされた黄銅である。排出管１５０の材料としてのニッケルめっきされた黄銅は、異種金属腐食が生じにくいため、好ましい。よって、供給管１４０および排出管１５０の少なくとも一方は、金属製である。ここで、「供給管１４０および排出管１５０の少なくとも一方は、金属製である」とは、供給管１４０だけが金属製でもよく、排出管１５０だけが金属製でもよく、供給管１４０および排出管１５０の両方が金属製でもよいことを意味する。支持部材１３０と、金属で形成された排出管１５０は、螺合することで接触している。

排出流路Ｓ３は、貯留壁１１０の内部（空間Ｓ１）の流体を排出する。排出流路Ｓ３は、その一端が空間Ｓ１に開口している。すなわち、排出流路Ｓ３の空間Ｓ１への開口部が、排出口１５１である。排出流路Ｓ３は、貯留壁１１０の内部（空間Ｓ１）に貯留壁１１０の壁に沿って滑らかに流体を排出できるように配置されていることが好ましい。本実施の形態では、排出流路Ｓ３における流体の流動方向に沿い、かつ貯留壁１１０の重心を含む断面における、排出流路Ｓ３の内面と貯留壁１１０の内面との接続部において、排出流路Ｓ３の内面の一部は、接続部における貯留壁１１０の内面の接線と一致するように、貯留壁１１０の内面と滑らかに連続して配置されている。本実施の形態では、排出流路Ｓ３は、貯留壁１１０（第２壁１１２）の一部と、排出管１５０とにより構成されている。

支持部材１３０は、光源１２０を支持する。本実施の形態では、支持部材１３０は、貯留壁１１０の一部を覆うとともに、排出管１５０を支持する。支持部材１３０には、光源１２０が配置される凹部１３１が配置されている。支持部材１３０は、光源１２０で生じた熱を効率的に排出管１５０に移行させるために、金属で形成されている。支持部材１３０の材料は、上記の機能を発揮できれば特に限定されない。支持部材１３０の材料の例には、アルミニウム、黄銅、銅などの金属が含まれる。本実施の形態では、支持部材１３０の材料は、放熱性および製造コストの観点から、アルミニウムである。また、支持部材１３０は、光源１２０で生じた熱を効率よく排出管１５０に移行させるため、排出管１５０に接触している。支持部材１３０と、排出管１５０との接触方法は、特に限定されない。本実施の形態では、支持部材１３０と、排出管１５０とは、螺合により接触している。これにより、支持部材１３０と、排出管１５０との接触面積を大きくして、光源１２０で生じた熱を効率よく排出管１５０に移行させている。なお、本実施の形態では、アルミニウムは、異種金属腐食が生じやすいため、流体に接触する排出流路Ｓ３を規定する排出管１５０をニッケルめっきされた黄銅で形成することで、光源１２０で生じた熱を逃がしている。

カバー１６０は、第１壁１１１の全部および第２壁１１２の一部を覆うとともに、供給管１４０を支持する。より具体的には、カバー１６０は、支持部材１３０と共同で貯留壁を覆う。本実施の形態では、支持部材１３０と、カバー１６０とが固定されることで、第１壁１１１および第２壁１１２とが固定される。カバー１６０の材料は、上記の機能を発揮できれば特に限定されない。カバー１６０の材料の例には、アルミニウム、ステンレス、黄銅、銅などの金属、ポリプロピレン（ＰＰ）、アクリロニトリル－ブタジエンゴム－スチレン共重合体（ＡＢＳ樹脂）、ポリスチレン、アクリロニトリル－スチレン共重合体（ＡＳ樹脂）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）などの樹脂が含まれる。本実施の形態では、カバー１６０の材料は、ポリプロピレンである。

光源１２０は、貯留壁１１０の内部（空間Ｓ１）の流体に紫外線を照射する。光源１２０は、空間Ｓ１の流体に直接紫外線を照射してもよいし、窓やミラーなどの他の部材を介して空間Ｓ１の流体に紫外線を照射してもよい。本実施の形態では、貯留壁１１０の一部には、紫外線を透過させる窓１２３が配置され、光源１２０は窓１２３を通して空間Ｓ１に紫外線を照射する。

光源１２０の種類は、紫外線を出射できれば特に限定されない。光源１２０の例には、発光ダイオード（ＬＥＤ）、水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ、レーザーダイオード（ＬＤ）が含まれる。本実施の形態では、光源１２０は、発光ダイオード（ＬＥＤ）である。光源１２０が照射する紫外線の波長は、特に限定されない。光源１２０が出射する紫外線の波長は、効果的に殺菌する観点から、２００ｎｍ以上３５０ｎｍ以下が好ましく、２００ｎｍ以上２８０ｎｍ以下がより好ましい。すなわち、光源１２０から出射される紫外線は、紫外線Ｃ波（ＵＶＣ）が好ましい。市販されている光源１２０の例には、ピーク波長が２８０ｎｍの紫外線発光ダイオードであるＮＣＳＵ３３４Ａ（日亜化学工業株式会社）が含まれる。また、ピーク波長が２８０ｎｍの紫外線発光ダイオードの他の例には、ＫＬＡＲＡＮ（旭化成株式会社）、ＺＥＵ１１０ＢＥＡＥ（スタンレー電気株式会社）が含まれる。

光源１２０の位置は、空間Ｓ１の流体に紫外線を照射できれば特に限定されない。光源１２０は、第１壁１１１に配置されていてもよいし、第２壁１１２に配置されていてもよい。本実施の形態では、光源１２０は、第２壁１１２側に配置されている。より具体的には、光源１２０は、支持部材１３０に設けられた凹部１３１の内部に、生じた熱が支持部材１３０に移行しやすいように配置されている。また、光源１２０は、その光軸が供給口１４１および排出口１５１のいずれにも交差しないように配置されている。

窓１２３は、貯留壁１１０（第２壁１１２）の壁面の一部として配置されており、光源１２０から出射された紫外線を貯留壁１１０の内部（空間Ｓ１）へ透過させる。窓１２３の材料は、紫外線を透過させることができ、かつ必要な強度を有していれば、特に限定されない。殺菌性能を向上させる観点からは、窓１２３の材料は、波長２００ｎｍ以上８３０ｎｍ以下の紫外線を透過させる材料であることが好ましい。窓１２３の材料の例には、石英ガラス、サファイアガラス、フッ化バリウム、フッ化カルシウムが含まれる。

また、窓１２３の形状は、光源１２０から出射された紫外線を空間Ｓ１に到達させることができれば特に限定されず、平板状でもよいし、貯留壁１１０の内面に合わせた形状でもよい。本実施の形態では、窓１２３は、平板状であり、第２壁１１２に設けられた凹部を覆うように配置されている。窓１２３の外径は、光源１２０から出射された紫外線を空間Ｓ１に到達させることができれば特に限定されない。例えば、窓１２３の外径は、貯留壁１１０の内径の大きさに対して、２０～５０％の大きさであることが好ましい。窓１２３の外径を大きくすることで、空間Ｓ１の広い範囲に紫外線を直接照射することができる。一方、窓１２３の外径を小さくすることで、空間Ｓ１の内面に占める紫外線反射面の割合を大きくすることができる。また、本実施の形態では、第３封止部材１２４が窓１２３と第２壁１１２との間の一部の領域に配置され、液漏れを防止している。

（紫外線照射装置の使用方法および光源の冷却方法）
次に、本実施の形態に係る紫外線照射装置１００の使用方法および光源１２０の冷却方法について説明する。

光源１２０から紫外線を出射させた状態で、殺菌対象の流体（例えば水）を供給口１４１から空間Ｓ１に導入するとともに、空間Ｓ１の流体を排出口１５１から取り出す。このとき、供給口１４１導入された流体は、直接排出口１５１に移動するわけではなく、螺旋状に回って空間Ｓ１に滞在する。なお、供給口１４１（供給流路Ｓ２）側を加圧して流体を移動させてもよいし、排出口１５１（排出流路Ｓ３）側を減圧して流体を移動させてもよい。光源１２０から出射された紫外線は、貯留壁１１０の内面で反射される。

ここで、光源１２０は、金属製の支持部材１３０に配置されている。また、金属製の排出管１５０は、排出流路Ｓ３を規定する。そして、金属製の支持部材３０と、金属製の排出管１５０とは接触している。さらに、排出管１５０が規定する排出流路Ｓ３には流体が流れている。よって、光源１２０で生じた熱は、支持部材１３０、排出管１５０および流体の順番に伝わる。なお、本実施の形態では、支持部材１３０が金属で形成されており、排出管１５０が金属で形成されているため、光源１２０で生じた熱は、速やかに排出管１５０を介して流体に伝わる。これにより、光源１２０で生じた熱は、速やかに排除されるため、光源１２０の温度の上昇を抑制できる。

なお、上記の例では、支持部材１３０は、排出管１５０に接触している形態を例に説明したが、支持部材１３０は、金属製の供給管１４０に接触していてもよい。この場合、供給管１４０は、ニッケルめっきされた黄銅で形成されていることが好ましく、排出管１５０は樹脂製でもよい。また、供給管１４０および排出管１５０は、金属製でもよく、ニッケルめっきされた黄銅で形成されていてもよい。

（実験）
ここで、排出管１５０（または供給管１４０）の材料の違いによる光源１２０の温度および温度の変化を調べた。本実験では、支持部材１３０は、排出管１５０に接触している。排出管１５０の材料は、ポリプロピレンまたは無電解ニッケルめっきされた黄銅である。

図４Ａは、光源１２０を１つ点灯した紫外線照射装置１００における流体の流量と光源１２０の温度との関係を示すグラフであり、図４Ｂは、光源１２０を２つ点灯した紫外線照射装置１００における流体の流量と光源１２０の温度との関係を示すグラフである。図４Ａ、Ｂの横軸は流体の流量を示しており、縦軸は光源１２０の温度を示している。図４Ａ、Ｂの三角シンボルは、排出管１５０がニッケルめっきされた黄銅で構成されている場合の結果を示しており、四角シンボルは、排出管１５０がポリプロピレンで構成されている場合の結果を示している。光源１２０として、ピーク波長が２８０ｎｍの紫外線発光ダイオードであるＮＣＳＵ４３４Ｂ（日亜化学工業株式会社）を使用し、光源の駆動電流は５００ｍＡとした。

図４Ａ、Ｂにおける三角シンボルに示されるように、排出管１５０が金属製の場合、流量を高くしても光源１２０の温度に大きな変動は見られなかった。また、四角シンボルと、三角シンボルとの比較から、光源１２０の数に関係なく、金属製の排出管１５０を有する紫外線照射装置１００の方が、樹脂製の排出管１５０を有する紫外線照射装置よりも光源１２０の温度が低かった。これは、金属製の排出管１５０を有する紫外線照射装置１００では、光源１２０で生じた熱が、支持部材１３０および排出管１５０を介して排出流路Ｓ３内を流れる流体へ放散されたためと考えられる。すなわち、アルミニウム製の支持部材１３０および排出管１５０がヒートシンクとして機能したと考えられる。

一方、図４Ａ、Ｂにおける四角シンボルに示されるように、樹脂製の排出管１５０を有する紫外線照射装置では、光源１２０の温度が高かった。これは、光源１２０で生じ支持部材１３０に伝導された熱が、排出管１５０を介して排出流路Ｓ３内を流れる流体に包さんされなかったためと考えられる。すなわち、樹脂製の排出管１５０がヒートシンクとして機能しなかったためと考えられた。

さらに、特に結果は示していないが、排出管１５０がニッケルめっきされた黄銅で構成された本実施の形態に係る紫外線照射装置１００では、異種金属腐食が生じなかった。

（効果）
本発明によれば、光源１２０の熱が、金属製の支持部材１３０と、金属製の供給管１４０または排出管１５０とを介して流体に効率よく放散されるため、光源１２０の温度の上昇を抑制できる。

本発明に係る紫外線照射装置は、例えば、浄水や農業用水、食品用洗浄水、各種洗浄水、浴場の水、プールの水などの殺菌において有用である。

１００ 紫外線照射装置
１１０ 貯留壁
１１１ 第１壁
１１２ 第２壁
１２３ 窓
１２４ 第３封止部材
１２０ 光源
１３０ 支持部材
１３１ 凹部
１４０ 供給管
１４１ 供給口
１５０ 排出管
１５１ 排出口
１５２ 第２封止部材
１６０ カバー
Ｓ１ 空間
Ｓ２ 供給流路
Ｓ３ 排出流路

Claims (4)

1. 流体に紫外線を照射するための紫外線照射装置であって、
   紫外線が照射される前記流体が収容される空間と、
   前記空間に向けて紫外線を照射するための光源と、
   前記光源を支持する金属製の支持部材と、
   前記空間に流体を供給するための供給流路を規定する供給管と、
   前記空間の流体を排出するための排出流路を規定する排出管と
   を有し、
   前記供給管および前記排出管のすくなくとも一方は、金属製であり、
   前記支持部材は、金属製の前記供給管または金属製の前記排出管に接触している、
   紫外線照射装置。
2. 前記支持部材は、アルミニウム製である、請求項１に記載の紫外線照射装置。
3. 前記金属は、ニッケルめっきされた黄銅である、請求項１または請求項２に記載の紫外線照射装置。
4. 前記支持部材と、金属製の前記供給管または金属製の前記排出管とは、螺合することで接触している、請求項１～３のいずれか一項に記載の紫外線照射装置。