JPWO2018047629A1 - 紫外線照射装置及び方法 - Google Patents

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Abstract

紫外線発光ダイオード（ＵＶ−ＬＥＤ）からの発熱を簡易な構成で効率的に冷却する装置である。開放端（１０ａ）と紫外線透光性の閉塞端（１０ｂ）とを有するハウジング（１０）内にＵＶ−ＬＥＤ（１１ｂ）が収納される。閉塞端（１０ｂ）の側のハウジング（１０）を介して被処理液体に接し、ＵＶ−ＬＥＤ（１１ｂ）からの紫外線を該被処理液体に照射し、かつ、該被処理液体によりハウジング（１０）を冷却する。これにより、ＵＶ−ＬＥＤ（１１ｂ）を冷却するための専用の冷却用流体を導入する構成を用いることなく、ＵＶ−ＬＥＤ（１１ｂ）からの発熱を簡易な構成で効率的に冷却することができる。ＵＶ−ＬＥＤ（１１ｂ）による発熱を外部に放出するための放熱部（１２）をハウジング（１０）の開放端（１０ａ）の側に備えてもよい。放熱部（１２）の一部が直接に被処理液体に接するように構成されてもよい。【選択図】 図２

Description

本発明は、紫外線発光ダイオード（ＵＶ−ＬＥＤ）を用いて被処理液体を紫外線処理するための紫外線照射装置及び方法に関し、特に、紫外線発光ダイオードからの発熱を簡易な構成で効率的に冷却する技術に関する。本発明は、例えば、超純水、純水、浄水、下水などの被処理液体に紫外線を照射して、生物の不活化、有機物分解などを行う技術分野に適用可能であり、さらには、医薬、農薬などの薬品製造の化学工場で行う光塩素化、光ニトロソ化などの光化学反応の技術分野に適用可能である。
半導体素子のような発熱体を用いた装置においては、冷却のために放熱器やヒートシンクが用いられる。紫外線照射装置において、光源として紫外線発光ダイオードを用いる場合も、適切な冷却又は放熱を行う必要がある。下記特許文献１においては、紫外線発光ダイオードを冷却するために、専用の冷却用流体を導入するように構成することを開示している。また、加圧環境下にある被処理液体に対して紫外線を照射する装置においては、加圧環境下にある被処理液体に接する光源装置には所要の耐圧性が要求される。下記特許文献２においては、紫外線発光ダイオード等の紫外線光源から発光された紫外線を、光ファイバーを介して、加圧環境下にある被処理液体に接する位置まで伝達するように構成することを開示している。
特開2009-65128 特開2016-64111
前記特許文献１においては、紫外線発光ダイオードを冷却するために専用の冷却用流体を導入するように構成しなければならないので、装置の構造が複雑化し、かつコスト高になる。前記特許文献２においては、紫外線発光ダイオード等の紫外線光源を加圧された被処理液体から離れて配置するので、紫外線光源装置に耐圧性をもたせる必要がなくなることで、耐圧性の問題は解決できる。しかし、紫外線発光ダイオード等の紫外線光源を冷却するための工夫については、格別の開示がなく、よって、そのためには、例えば前記特許文献１と同様の専用の冷却用流体を用いるしかない。
本発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、紫外線発光ダイオードを用いて被処理液体を紫外線処理するための紫外線照射装置において、紫外線発光ダイオードからの発熱を簡易な構成で効率的に冷却することを目的とする。
本発明に係る紫外線照射装置は、開放端と紫外線透光性の閉塞端とを有するハウジングと、前記ハウジング内に収納された紫外線発光ダイオードとを備え、前記閉塞端の側の前記ハウジングを介して被処理液体に接し、前記紫外線発光ダイオードからの紫外線を該被処理液体に照射し、かつ、該被処理液体により前記ハウジングを冷却することを特徴とする。
本発明によれば、紫外線発光ダイオードを収納したハウジングが被処理液体に接することにより、該被処理液体により該ハウジングを冷却し、もって、該ハウジング内に収納された紫外線発光ダイオードによる発熱を冷却するよう作用する。したがって、従来技術のように紫外線発光ダイオードを冷却するための専用の冷却用流体を導入する構成を用いることなく、紫外線発光ダイオードからの発熱を簡易な構成で効率的に冷却することができる。また、放熱部がハウジングに接触又は近接することにより、放熱部が紫外線発光ダイオードから吸収した熱の外部への放出を、ハウジングに接した被処理液体による冷却によって、促進することができる。
一実施例において、前記紫外線発光ダイオードによる発熱を外部に放出するための放熱部を前記ハウジングの前記開放端の側に備えるとよい。これにより、ハウジングの一端（閉塞端）を紫外線発光部位として、他端（開放端）に放熱部を備えたコンパクトな構造を提供することができ、かつ、コンパクトな構造でありながら、ハウジングの紫外線透光性閉塞端の側における被処理液体による冷却と開放端の側における放熱部による冷却との組合せにより、効率的な冷却を行うことができる。
本発明に係る紫外線照射方法は、開放端と紫外線透光性の閉塞端とを有するハウジング、及び前記ハウジング内に収納された紫外線発光ダイオード、を備えた紫外線照射装置を使用する紫外線照射方法であって、前記紫外線照射装置の少なくとも前記閉塞端の側の前記ハウジングを被処理液体に浸潤した状態で、前記紫外線発光ダイオードからの紫外線を該被処理液体に照射することと、前記被処理液体に浸潤された前記ハウジングが該被処理液体により冷却されることにより、前記紫外線発光ダイオードによる発熱を冷却することからなる。
本発明に係る紫外線照射装置の一実施例を示す外観斜視図。 図１に示す紫外線照射装置の縦断面図。 本発明に係る紫外線照射装置の使用例を示す側面略図。 本発明に係る紫外線照射装置の別の使用例を示す側面略図。 本発明に係る紫外線照射装置の別の実施例を示す縦断面図。 本発明に係る紫外線照射装置のさらに別の実施例を示す縦断面図。 本発明に係る紫外線照射装置において使用する放熱部の変更例を示す縦断面図。 本発明に係る紫外線照射装置のさらに他の実施例を示す外観斜視図。 図１に示す紫外線照射装置の縦断面図。 本発明に係る紫外線照射装置の処理槽に対する取り付け構造の一例を示す一部断面側面図。
図１は本発明の紫外線照射装置１の一実施例を示す外観斜視図であり、図２は図１に示す紫外線照射装置１の縦断面図である。紫外線照射装置１のハウジング１０は、全体として略円筒状をなしており、図中で下方に位置する開放端１０ａと、図中で上方に位置するドーム状の閉塞端１０ｂとを有する。すなわち、ドーム状の閉塞端１０ｂにつながるハウジング１０の側面１０ｃが円筒形状であり、該側面１０ｃの一端が開放端１０ａとして開口している。ハウジング１０内において、開放端１０ａ寄りに放熱部１２が配置され、閉塞端１０ｂ寄りにＬＥＤユニット１１が収納される。ＬＥＤユニット１１は、ケース１１ａ内に１又は複数個の紫外線発光ダイオード１１ｂを収納してなり、ケース１１ａの上部に紫外線透過性の照射窓１１ｃが形成されたものからなる。市販のＬＥＤユニットで知られるように、照射窓１１ｃは平板状である。ＬＥＤユニット１１は、ハウジング１０内において、ケース１１ａの下面が放熱部１２に接し、照射窓１１ｃがハウジング１０の閉塞端１０ｂに対面するように、所定の位置関係で固定的に配置される。ハウジング１０は、少なくともドーム状閉塞端１０ｂの部分が紫外線透光性を持つ材質で構成される。一例として、ハウジング１０全体が紫外線透光性を持つ石英ガラスによって形成されている。この配置により、ＬＥＤユニット１１の紫外線発光ダイオード１１ｂから発光された紫外線が、照射窓１１ｃから出て、ハウジング１０のドーム状閉塞端１０ｂを通り抜けて、外部に放射される。なお、ハウジング１０内において、ＬＥＤユニット１１の照射窓１１ｃとドーム状閉塞端１０ｂとの間には、短い距離の単なる空間が存在するだけであり、光ファイバーを介在させる必要がない。
詳しくは後述するように、この紫外線照射装置１の使用時において、少なくともハウジング１０のドーム状閉塞端１０ｂの側が被処理液体に接し（浸潤され）、紫外線発光ダイオード１１ｂからの紫外線を該被処理液体に照射するようになっている。このように、少なくともハウジング１０のドーム状閉塞端１０ｂの側が被処理液体に接する（浸潤する）ことにより、被処理液体に接した該ハウジング１０の部分が冷却され、もって、該ハウジング１０内に収納された紫外線発光ダイオード１１ｂによる発熱を冷却するよう作用する。石英ガラスからなっていても、ハウジング１０はドーム状閉塞端１０ｂ及び円筒状の側面１０ｃを有するので、必要十分な耐圧性能をもたせることができる。例えば、一般の水処理装置の仕様として必要とされる１．０Ｍｐａ以上の耐水圧を持つようにハウジング１０を構成することができる。
放熱部１２は、全体として、ハウジング１０の側面１０ｃの内周に緩く適合した円筒形状をなしており、熱伝導性の良い材質（アルミニウム、ステンレスなどの金属）からなり、内部が完全にソリッドである必要はなく、適宜に空間が形成されていてよい。例えば、ＬＥＤユニット１１用の電気配線（図示せず）を通すための空間が少なくとも形成されており、ハウジング１０の開放端１０ａから該電気配線を引き出すことができるようになっている。また、放熱部１２は、アルミニウム、ステンレスなどの金属を主体として、その表面をフッ素樹脂で覆ったものからなっていてもよい。放熱部１２は、ＬＥＤユニット１１からの発熱を吸収し、吸収した熱をハウジング１０の開放端１０ａから外部に放出する。また、放熱部１２が吸収した熱は、ハウジング１０の側面１０ｃを経由しても外部に放出し得る。
このように、紫外線発光ダイオード１１ｂによる発熱を外部に放出するための放熱部１２をハウジング１０の開放端１０ａの側に備えることにより、ハウジング１０の一端（閉塞端１０ｂ）を紫外線発光部位として、他端（開放端１０ａ）に放熱部１２を備えたコンパクトな構造を提供することができる。かつ、コンパクトな構造でありながら、被処理液体に接したハウジング１０の閉塞端１０ｂの側における該被処理液体による冷却と、開放端１０ａの側における放熱部１２による冷却との組合せにより、効率的な冷却を行うことができる。また、放熱部１２がハウジング１０に接触又は近接することにより、放熱部１２が紫外線発光ダイオード１１ｂから吸収した熱の外部への放出を、ハウジング１０に接した被処理液体による冷却によって、促進することができる。
石英ガラス製のハウジング１０の側面１０ｃの内周と、そこに挿入された金属製の放熱部１２の外周との間には隙間が生ずることが避けられないため、ハウジング１０と放熱部１２との間の熱伝導性を良好にするために、適宜の熱伝導物質１４で該隙間を充填することが好ましい。そのために、放熱部１２の外周の２箇所にＯリング１３ａ，１３ｂを取り付け、該Ｏリング１３ａ，１３ｂがハウジング１０の側面１０ｃの内周面に液密に密着するように構成し、該２つのＯリング１３ａ，１３ｂの間の前記隙間内に熱伝導物質１４を充填する。熱伝導物質１４としては、一例として、水又は放熱用オイルコンパウンドなどの流体又は半流体の充填剤を使用し、該Ｏリング１３ａ，１３ｂの間で液密に充填・封入される。
このように、熱伝導物質１４を介して放熱部１２がハウジング１０に熱的に密接することにより、放熱部１２が紫外線発光ダイオード１１ｂから吸収した熱の外部への放出を、ハウジング１０に接した被処理液体による冷却によって、より一層促進することができる。
ここで、放熱部１２による冷却効果について考察してみる。発熱時の紫外線発光ダイオード１１ｂの温度をＴJ、その紫外線発光ダイオード１１ｂがケース１１ａと接して該ケース１１ａ内を伝わってのケース表面温度をＴRef、そのケースの１ワット（Ｗ）当たりの温度勾配（これを熱抵抗という）をＲθJ・Ref、とすると、次式が成り立つ。
ＲθJ・Ref ＝（ＴJ−ＴRef）／Ｐ （式１）
ここで、Ｐは紫外線発光ダイオード１１ｂの消費電力である。使用する市販のＵＶ−ＬＥＤのＲθJ・Refが１５０℃／Ｗであったとする。０．１３ＷのＵＶ−ＬＥＤを８０℃以下に保つように冷却するには、上記式１を適用して、
１５０℃／Ｗ＝（８０℃−ＴRef）／０．１３Ｗ
から、ＴRef＝６０．５℃となり、よって、ケース表面温度ＴRefが６０．５℃以下になるように冷却する必要がある。
ここで、冷却に関与する被処理水の温度をＴW℃とすると、放熱部１２の冷却能力は次式で近似できる。
（ＴRef−ＴW）／ＴRef ＝０．９L （式２）
ここで、Ｌ [cm]は冷却棒の長さであり、底「０．９」に対するべき指数となっている。なお、「０．９」は、放熱部１２の放熱特性を示す、当該材質に固有の値を例示している。式２の場合、水温が２５℃のとき、Ｌ＝５．０６ [cm]となる。この「０．９」の実際値を、放熱部１２として使用する金属の材質ごとに実験で求めれば、その放熱部１２の長さＬを容易に設計できる。
なお、ハウジング１０内に収納するＬＥＤユニット１１の数は１個に限らず複数個であってもよい。また、１個のＬＥＤユニット１１内に備わる紫外線発光ダイオード１１ｂの素子数は１個に限らず複数個であってもよい。また、ＬＥＤユニット１１のケース１１ａの形状は、円形あるいは方形等、任意であってよい。勿論、既存又は市販のＬＥＤユニット１１を使用することなく、紫外線発光ダイオード１１ｂを適宜のアセンブリでハウジング１０内に収納するようにしてもよく、その場合、照射窓１１ｃは必ずしも必要とされない。
図３は紫外線照射装置１の使用例を示す略図であり、（ａ）は処理槽２０の縦断面略図、（ｂ）は処理槽２０の端面図である。一例として、処理槽２０は円筒形の耐圧容器からなり、（ａ）に示すように、図示省略した流入管路から流入した被処理液体が処理槽２０内を矢印方向に流れ、該処理槽２０の一端２０ａ側に設けられた流出管路２１から排出される。（ｂ）に示すように、処理槽２０の一端２０ａ側には、例えば４本の流出管路２が円周方向に略等間隔で設けられ、かつ、例えば５個の紫外線照射装置１が、それぞれのハウジング１０のドーム状閉塞端１０ｂを内向きにして、適宜の間隔で、取り付けられる。これにより、使用時において、各紫外線照射装置１において、少なくともハウジング１０のドーム状閉塞端１０ｂの側が処理槽２０内に納められて被処理液体に接し（浸潤され）、紫外線発光ダイオード１１ｂから放射された紫外線が処理槽２０内の該被処理液体に照射され、該被処理液体に対する紫外線処理が行われる。また、被処理液体に接したハウジング１０の閉塞端１０ｂの側において該被処理液体による冷却が行われるので、紫外線発光ダイオード１１ｂによる発熱を効率的に冷却することができる。
図４は紫外線照射装置１の別の使用例として、円筒形の耐圧容器からなる処理槽３０の側面に複数の紫外線照射装置１を取り付ける例を示している。（ａ）は処理槽３０の縦断面略図、（ｂ）は処理槽３０の横断面略図である。処理槽３０の側面に取り付けられた複数の紫外線照射装置１は、それぞれのハウジング１０のドーム状閉塞端１０ｂを内向きにして、適宜の間隔で配置される。図示省略した流入管路から流入した被処理液体が処理槽３０内を矢印方向に流れ、各紫外線照射装置１において、少なくともハウジング１０のドーム状閉塞端１０ｂの側が処理槽３０内に納められて被処理液体に接する。これにより、紫外線発光ダイオード１１ｂから放射された紫外線が処理槽３０内の該被処理液体に照射され、該被処理液体に対する紫外線処理が行われる。この場合も、被処理液体に接したハウジング１０の閉塞端１０ｂの側において該被処理液体による冷却が行われるので、紫外線発光ダイオード１１ｂによる発熱を効率的に冷却することができる。
本発明に係る紫外線照射装置１の具体的構造は、図１、図２に示すものに限らず、種々変形してよい。図５は、本発明に係る紫外線照射装置１の別の実施例を示す縦断面図であり、ハウジング１０の形状が図２に示された形状と幾分相違している。すなわち、図５におけるハウジング１０は、開放端１０ａの周囲にフランジ１０ｄを備えており、該紫外線照射装置１を処理槽２０又は３０に取り付けた状態において、フランジ１０ｄの部分が処理槽２０又は３０の外壁面に引っかかって外側に留まるようになっている。これにより、処理槽２０又は３０の内部が陰圧になることがある場合、紫外線照射装置１が内部に引き込まれることを防止することができる。図５において、その他の構成は、図２に示された紫外線照射装置１と同一であるため、重複説明を省略する。
図６は、本発明に係る紫外線照射装置１のさらに別の実施例を示す縦断面図であり、ハウジング１０と放熱部１２との関係が図２に示された関係と相違している。図６においては、紫外線照射装置１のハウジング１０の側面１０ｅの長さが図２に示された側面１０ｃよりも短くなっており、放熱部１２は一部分１２ａのみがハウジング１０内に挿入され、放熱部１２の残りの部分１２ｂはハウジング１０の開放端１０ａから外側に露出している。放熱部１２の１箇所のみにＯリング１３が取り付けられ、該Ｏリング１３がハウジング１０の側面１０ｅの内周面に液密に密着し、ＬＥＤユニット１１を収納したハウジング１０の内部空間を液密に維持する。この構成においては、使用時において、ハウジング１０の開放端１０ａから露出した放熱部１２の部分１２ｂが、処理槽２０又は３０内に位置し、該処理槽２０又は３０内を流れる被処理液体に接することになり、これにより、放熱部１２が被処理液体によって直接的に冷却される。したがって、図６の例においては、図２の例において設けられている熱伝導物質１４は不要である。なお、図６に示すように、全体として円筒形状からなる放熱部１２において、ハウジング１０開放端１０ａから露出する部分１２ｂの外径が、ハウジング１０の側面１０ｅの外径と略同程度となるように、該ハウジング１０内に挿入される部分１２ａよりも、適宜大きくされる。
図７は、本発明に係る紫外線照射装置１において使用する放熱部１２の変更例を示す縦断面図である。図７において、放熱部１２は、前記図６に示された例と同様に、一部分１２ａのみがハウジング１０内に挿入され、放熱部１２の残りの部分１２ｂはハウジング１０の開放端１０ａから外側に露出している。図６と異なる点は、図７においては、放熱部１２の露出部分１２ｂにおいて多数のフィン１２ｃが形成されていて、その表面積が大きくされ、熱交換効率を高めていることである。放熱部１２の露出部分１２ｂには、フィン１２ｃに限らず、表面積が大きくとれるような、その他適宜のラジエーター構造をもたせてよい。
図８は、本発明に係る紫外線照射装置１のさらに他の実施例を示す外観斜視図であり、図９は図８に示す紫外線照射装置１の縦断面図である。図８の例において、ハウジング１０は、石英ガラスではなく、紫外線透光性を持つフッ素樹脂を素材としており、ドーム等の特定の形状を要することなく、素材自体によって必要な（１．０Ｍｐａ以上の）耐圧性をもたせることができるものである。そのため、図８、図９の実施例において、紫外線照射装置１のハウジング１０の閉塞端１０ｂは、ドーム形状ではなく、フラットな面からなっている。また、加工の容易性によって、フッ素樹脂からなるハウジング１０は、複数のネジ１５によって放熱部１２に固定することができる。ハウジング１０内には、上述した各実施例と同様に、紫外線発光用のＬＥＤユニット１１が収納される。
図１０は、紫外線照射装置１の処理槽２０（又は３０）に対する取り付け構造の一具体例を示す一部断面側面図である。図１０において、紫外線照射装置１のハウジング１０は、前記図５に示したものと似たようなフランジ１０ｄを有しているが、その側面１０ｃは前記図６に示したもののように比較的短い。また、紫外線照射装置１は、熱伝導物質１４を具備しておらず、放熱部１２が処理槽２０（又は３０）内の被処理液体に直接的に接して冷却されるようになっている。つまり、放熱部１２は一部分１２ａのみがハウジング１０内に挿入され、放熱部１２の残りの部分１２ｂはハウジング１０の開放端１０ａから外側に露出している。放熱部１２の１箇所のみにＯリング１３が取り付けられ、該Ｏリング１３がハウジング１０の側面１０ｅの内周面に液密に密着し、ＬＥＤユニット１１を収納したハウジング１０の内部空間を液密に維持する。
図１０において、放熱部１２の露出部分１２ｂの外周に雄ねじが設けられ、カラー１６の内周に設けられた雌ねじにねじ結合する。カラー１６の上部は内側に縮径したフランジ１６ａとなっており、パッキン１７を介して、ハウジング１０の開放端に設けられた外側に伸径したフランジ１０ｄに当接しうる。これにより、カラー１６を回してねじを締めることにより、ハウジング１０のフランジ１０ｄがパッキン１７を介してカラー１６のフランジ１６ａに係合し、処理槽２０（又は３０）内に負圧が発生したとしても、ハウジング１０が放熱部１２からすっぽ抜けることが起こらない。
図１０において、放熱部１２の他端は外向きのフランジ１２ｄとなっていて、該フランジ１２ｄは、処理槽２０（又は３０）の取付用部位（壁面）２０ｂに形成された取付孔の周縁部の台座に対してパッキン１８を介して液密に係合する。放熱部１２のフランジ１２ｄの外側からエンドプレート１９が押しつけられ、該エンドプレート１９を複数のネジ２１によって処理槽２０（又は３０）の取付用部位（壁面）２０ｂにきつく固定する。こうして、紫外線照射装置１が処理槽２０（又は３０）の所定の取付用部位（壁面）２０ｂに対して液密に取り付けられる。勿論、紫外線照射装置１の処理槽２０（又は３０）に対する取り付け構造は、図１０に示したものに限らず、その他任意の構造を採用してよい。

Claims (9)

  1. 開放端と紫外線透光性の閉塞端とを有するハウジングと、
    前記ハウジング内に収納された紫外線発光ダイオードと
    を備え、前記閉塞端の側の前記ハウジングを介して被処理液体に接し、前記紫外線発光ダイオードからの紫外線を該被処理液体に照射し、かつ、該被処理液体により前記ハウジングを冷却することを特徴とする紫外線照射装置。
  2. 前記紫外線発光ダイオードによる発熱を外部に放出するための放熱部を前記ハウジングの前記開放端の側に備える、請求項１の紫外線照射装置。
  3. 前記ハウジングと前記放熱部との間に充填された熱伝導物質をさらに備える、請求項２の紫外線照射装置。
  4. 前記熱伝導物質は、前記ハウジングと前記放熱部との間の隙間の少なくとも一部に液密に充填された水又は放熱用オイルコンパウンドからなる、請求項３の紫外線照射装置。
  5. 前記放熱部の一部が直接に前記被処理液体に接するように構成された、請求項２の紫外線照射装置。
  6. 前記放熱部は、フィン又はラジエーター構造からなる、請求項２乃至５のいずれかの紫外線照射装置。
  7. 前記ハウジングは耐圧性を持つ構造からなる、請求項２乃至５のいずれかの紫外線照射装置。
  8. 前記ハウジングの前記閉塞端はドーム形状をなしている、請求項７の紫外線照射装置。
  9. 開放端と紫外線透光性の閉塞端とを有するハウジング、及び前記ハウジング内に収納された紫外線発光ダイオード、を備えた紫外線照射装置を使用する紫外線照射方法であって、
    前記紫外線照射装置の少なくとも前記閉塞端の側の前記ハウジングを被処理液体に浸潤した状態で、前記紫外線発光ダイオードからの紫外線を該被処理液体に照射することと、
    前記被処理液体に浸潤された前記ハウジングが該被処理液体により冷却されることにより、前記紫外線発光ダイオードによる発熱を冷却すること
    からなる紫外線照射方法。
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