TWI626958B - Fluid sterilization device and fluid sterilization method - Google Patents

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TWI626958B
TWI626958B TW105131665A TW105131665A TWI626958B TW I626958 B TWI626958 B TW I626958B TW 105131665 A TW105131665 A TW 105131665A TW 105131665 A TW105131665 A TW 105131665A TW I626958 B TWI626958 B TW I626958B
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Tetsumi Ochi
Hidenori KONAGAYOSHI
Nobuhiro Torii
Hiroki KIUCHI
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Nikkiso Co Ltd
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Abstract

本發明提供一種流體殺菌裝置及流體殺菌方法，該流體殺菌裝置(10)係具備：直管(20)，其構成沿著長邊方向延伸的流路(12)；以及光源(40)，其朝向以層流狀態流動於流路(12)的流體沿著長邊方向照射紫外光。光源(40)係具有發出紫外光的發光元件(42)，且以成為在與長邊方向正交的流路的剖面中之中央附近的紫外光強度比周圍的紫外光強度更高的強度分布的方式來照射紫外光。

Description

流體殺菌裝置及流體殺菌方法
本發明係關於一種流體殺菌裝置及流體殺菌方法，尤其是關於一種照射紫外光以對流體進行殺菌的技術。
紫外光中具有殺菌能力是已知的，且照射紫外光的裝置已被用在醫療或食品加工現場等的殺菌處理中。又，對水等流體照射紫外光，藉此將流體連續性地進行殺菌的裝置亦已被使用。作為如此的裝置，例如可列舉在由直管狀的金屬管所形成的流路的管端部內壁配置有紫外線LED(Light Emitting Diode；發光二極體)的裝置(例如，參照專利文獻1)。
(先前技術文獻) (專利文獻)
專利文獻1：日本特開2011-16074號公報。
為了對流體以高效率照射紫外光，較佳是適當地控制 流路內的流體的流動狀態，並且以適於流動狀態的態樣來照射紫外光。
本發明係有鑑於如此的課題而開發完成，其例示的目的之一係在於提供一種流體殺菌裝置，提高紫外光對流動於流路的流體的照射效率。
本發明之一態樣的流體殺菌裝置具備：直管，構成沿著長邊方向延伸的流路；以及光源，朝向以層流狀態流動於流路的流體沿著長邊方向照射紫外光。光源係具有發出紫外光的發光元件，且以成為在與長邊方向正交的流路的剖面中之中央附近的紫外光強度比周圍的紫外光強度更高的強度分布的方式來照射紫外光。
依據該態樣，因是對以層流狀態流動的流體照射紫外光，故而與對紊流狀態的流體照射紫外光的情況相較更可以提高殺菌效率。藉由本發明人等的知識見解可明白，在對直管狀的流路內照射紫外光並進行殺菌處理的情況下，形成為層流狀態比形成為紊流狀態更能獲得約七倍的殺菌效率。又，因層流狀態的流體係具有中央附近的流速較快、管內壁附近的流速較慢的流速分布，故而藉由對應其速度分布並提高中央附近的紫外光強度，就可以對流動於流路內的流體有效地照射紫外光並提高殺菌效率。
直管亦可具有：第一端部，設置有使流體沿著長邊方向流入的流入口；以及第二端部，位於第一端部的相反側。光源亦可配置於第二端部。
光源及流入口亦可配置於直管的中心軸上。
直管亦可具有設置於第二端部且使流體沿著與長邊方向交叉的方向流出的流出口。
直管亦可具有設置於第二端部且使流體沿著長邊方向流出的流出口。光源亦可具有以包圍流出口的方式所配置的複數個發光元件。複數個發光元件亦可朝向流動於流路的流體沿著長邊方向照射紫外光。
亦可更具備：整流板，用以使流動於流路的流體層流化。
本發明之另一態樣為流體殺菌方法。該流體殺菌方法係在構成沿著長邊方向延伸的流路的直管的內部製造層流狀態的流體的流動，並且以成為在與長邊方向正交的流路的剖面中之中央附近的紫外光強度比周圍的紫外光強度更高的強度分布的方式，來朝向以層流狀態流動於流路的流體沿著長邊方向照射紫外光。
依據該態樣，因是對以層流狀態流動的流體照射紫外光，故而與對紊流狀態的流體照射紫外光的情況相較更可以提高殺菌效率。又，因層流狀態的流體係具有中央附近的流速較快、管內壁附近的流速較慢的流速分布，故而藉由對應其速度分布並提高中央附近的紫外光強度，就可以對流動於流路內的流體有效地照射紫外光並提高殺菌效率。
依據本發明，就可以提高紫外光對流動於流路的流體的照射效率並提高殺菌能力。
10‧‧‧流體殺菌裝置
12‧‧‧流路
20‧‧‧直管
20a‧‧‧內壁面
21‧‧‧第一端部
22‧‧‧第二端部
23‧‧‧流入口
24‧‧‧流出口
26‧‧‧第一凸緣
28‧‧‧窗部
30‧‧‧流出管
32‧‧‧第二凸緣
40‧‧‧光源
42‧‧‧發光元件
44‧‧‧基板
140‧‧‧光源
142a‧‧‧第一發光元件
142b‧‧‧第二發光元件
144‧‧‧基板
210‧‧‧流體殺菌裝置
212‧‧‧流路
220‧‧‧直管
220a‧‧‧內壁面
221‧‧‧第一端部
221a‧‧‧第一端面
222‧‧‧第二端部
222a‧‧‧第二端面
223‧‧‧流入口
224‧‧‧流出口
227‧‧‧第一窗部
228‧‧‧第二窗部
231‧‧‧流入管
232‧‧‧流出管
240a‧‧‧第一光源
240b‧‧‧第二光源
242a‧‧‧第一發光元件
242b‧‧‧第二發光元件
244a‧‧‧第一基板
244b‧‧‧第二基板
C1‧‧‧中央區域
C2‧‧‧周緣區域
d‧‧‧內徑(直徑)
v‧‧‧平均流速
v1、v2‧‧‧流速
圖1係概略地顯示第一實施形態的流體殺菌裝置之構成的剖視圖。
圖2係顯示流路內的紫外光強度分布的等高線圖(contour diagram)。
圖3係顯示紊流狀態的流體的速度分布的等高線圖。
圖4係顯示層流狀態的流體的速度分布的等高線圖。
圖5係概略地顯示變化例的光源之構成的前視圖。
圖6係概略地顯示第二實施形態的流體殺菌裝置之構成的剖視圖。
圖7係概略地顯示圖6的流體殺菌裝置之構成的剖視 圖。
以下，一邊參照圖式，一邊針對用以實施本發明的形態加以詳細說明。另外，在說明中，在同一要素係附記同一符號且適當省略重複的說明。
(第一實施形態)
圖1係概略地顯示第一實施形態的流體殺菌裝置10之構成的剖視圖。流體殺菌裝置10係具備直管20、流出管30及光源40。光源40係配置於直管20的端部(第一端部22)，且朝向直管20的內部照射紫外光。流體殺菌裝置10係為了對流動於直管20之內部的水等流體照射紫外光並施予殺菌處理而所用。
直管20係具有第一端部21、第二端部22、第一凸緣(flange)26及窗部28。直管20係從第一端部21朝向第二端部22並沿著長邊方向延伸。在第一端部21係設置有：流入口23，用以使流體沿著直管20的長邊方向流入；以及第一凸緣26，用以將流入口23連接於其他的配管等。在第二端部22係設置有用以使來自光源40的紫外光穿透的窗部28。窗部28係由石英(SiO2)或藍寶石(sapphire)(Al2O3)、非晶質的氟系樹脂等紫外光之穿透率較高的構件所構成。
在第二端部22係設置有使流體沿著與直管20的長邊方向交叉的方向或正交的方向流出的流出口24。流出口24係設置於直管20的側壁，在流出口24係安裝有流出管30。流出管30係使其一端安裝於流出口24，而在另一端設置有第二凸緣32。從而，直管20及流出管30係形成L字狀的流路12。從第一凸緣26流入的流體係通過流入口23、直管20、流出口24及流出管30並從第二凸緣32流出。
直管20及流出管30係由金屬材料或樹脂材料所構成。直管20的內壁面20a較佳是由紫外光的反射率較高的材料所構成，例如是由鏡面研磨過的鋁(Al)、或屬於全氟化樹脂的聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene；PTFE)所構成。以此等的材料來構成直管20的內壁面20a，藉此就可以使光源40所發出的紫外光在內壁面20a反射並沿著直管20的長邊方向傳播紫外光。另外，因PTFE為化學性安定的材料，且為紫外光的反射率較高的材料，故而適合作為構成流體殺菌裝置之流路的直管20的材料。
直管20的內徑d及流動於流路12的流體的平均流速v，係以流動於流路12的流體成為層流狀態的方式來調整。具體而言，使用Re=v×d/ν(ν：流體的動黏性係數)的數式來調整內徑d及平均流速v，以使流路12的雷諾數 (Reynolds number)Re成為層流狀態的臨界雷諾數以下。所謂臨界雷諾數以下的值，例如是指雷諾數為3000以下，較佳是2500以下，更佳是2320以下。又，使流體從流入口23朝向流路12並沿著長邊方向流入，藉此能使流體以層流狀態朝向第二端部22流動。在流體以層流狀態移動的情況下，係成為流動於直管20的中心軸之附近的流體的流速v1相對地快、流動於直管20的內壁面20a之附近的流體的流速v2相對地慢的流速分布。在理想的層流狀態的情況下，流動於流路12的流體係成為以旋轉拋物面的數式所表示的速度分布。
光源40係包含發光元件42及基板44。發光元件42為發出紫外光的LED，且其中心波長或峰值波長涵蓋在約200nm至350nm的範圍內。發光元件42較佳是發出屬於殺菌效率較高之波長的260nm至270nm附近的紫外光。作為如此的紫外光LED，例如已知使用氮化鋁鎵(AlGaN)。
發光元件42係指具有預定的指向角或配光角的LED，例如是配光角(全角值)成為120度以上的廣配光角的LED。作為如此的發光元件42，可列舉輸出強度較高的表面黏著(SMD；surface mount device)型的LED。發光元件42係配置於直管20的中心軸上，且以與窗部28對向的方式安裝於基板44。基板44係由熱傳導性較高的構件所構成，例如是使用銅(Cu)或鋁(Al)等作為基底(base)材料。 發光元件42所發出的熱係通過基板44而散熱。
圖2係顯示流路12內的紫外光強度分布的等高線圖。因發光元件42係照射具有預定的配光角的紫外光，故而成為中央附近的紫外光強度比周圍的紫外光強度更高的強度分布。結果，直管20之內部的紫外光的強度分布，係在與長邊方向正交的流路12的剖面觀察中，中心軸附近的紫外光強度變高，內壁面20a附近的紫外光強度變低。
藉由以上的構成，流體殺菌裝置10係對流動於直管20之內部的流體照射紫外光並對流體施予殺菌處理。來自光源40的紫外光，係以直管20的中央附近的強度高，直管20的內壁面20a附近的強度低的方式來照射。流動於流路12的流體係以成為中央附近的流速v1快、內壁面20a附近的流速v2慢的層流狀態的方式來流動。結果，可以使作用於成為層流狀態並通過直管20的流體的紫外光的能量不受流體所通過的徑向位置影響而均一化。藉此，可以對流動於直管20的流體整體照射預定以上的能量的紫外光，且可以提高對流體整體的殺菌功效。
接著，一邊參照比較例一邊說明流體殺菌裝置10的功效。圖3係顯示紊流狀態的流體的速度分布的等高線圖，且顯示在成為雷諾數Re=4961的條件下使流體流動至直管20的情況的速度分布。在圖示之例中，雖然是顯示內壁面 20a附近的一部分的流速變成最快，中央附近的流速變成負值的狀態，但是流體的速度分布並非為固定而是隨著時間而隨時變化。在成為如此的紊流狀態的條件下，使作為流體之含有大腸菌的菌液流動，通過後的流體中所含的大腸菌的生存率為0.53%。
圖4係顯示層流狀態的流體的速度分布的等高線圖，且顯示在成為雷諾數Re=2279的條件下使流體流動至直管20的情況的速度分布。在圖示之例中，雖然流速最高的部位是偏移至右上方，但是大概成為中央附近的流速較快、內壁面20a附近的流速較慢的流速分布。在成為如此的層流狀態的條件下，使含有大腸菌的菌液流動，通過後的流體中所含的大腸菌的生存率成為0.07%。根據此等的結果可明白，與紊流狀態相較，在層流狀態下能獲得約七倍的殺菌功效。如此，依據本實施形態，因可以對層流狀態的流體照射與層流狀態的流速分布對應的強度分布的紫外光，故而可以提高對流體的殺菌效率。
又，依據本實施形態，因在直管20的中心軸上配置有流入口23和光源40，故而可以沿著來自光源40的紫外光所照射的方向製造流體的平順流動。又，藉由將流入口23設置於與光源40為相反側的位置，就可以對藉由前進於直管20而變成紊流較少的層流狀態的流體照射強度較高的紫外光。藉此，就可以抑制因流體的一部分以高速通過紫 外光強度較低的部位、或流體的一部分在紫外光強度較高的部位變成渦流並滯留，而在所照射的紫外光的能量上發生不均勻且使殺菌功效降低的影響。
圖5係概略地顯示變化例的光源140之構成的前視圖。光源140係具有複數個發光元件142a、142b及基板144。光源140係具有：複數個第一發光元件142a，密集地配置於基板144的中央區域C1；以及複數個第二發光元件142b，分散地配置於基板144的周緣區域C2。第一發光元件142a及第二發光元件142b係構成為與上述的發光元件42同樣。
因光源140係在中央區域C1密集地配置有第一發光元件142a，故而在中央區域C1輸出強度相對高的紫外光。另一方面，因在周緣區域C2斑點地配置有第二發光元件142b，故而在周緣區域C2輸出強度相對低的紫外光。從而，藉由將本變化例的光源140應用於上述的流體殺菌裝置10中，則即便是在加大直管20的直徑d並增加處理流量的情況下，仍可以照射中央附近的紫外光強度較高、內壁面20a附近的紫外光強度較低的強度分布的紫外光。
(第二實施形態)
圖6及圖7係概略地顯示第二實施形態的流體殺菌裝置210之構成的剖視圖，圖7係對應圖6的A-A線剖面。 流體殺菌裝置210係具備直管220、流入管231、流出管232、複數個第一光源240a及複數個第二光源240b。流體殺菌裝置210與上述的第一實施形態的差異點係在於：流入管231及流出管232配置於直管220的中心軸上，且構成非為L字狀而是直線狀的流路212。以下，以與第一實施形態的差異點作為中心來敘述本實施形態。
直管220係從第一端部221朝向第二端部222延伸。在第一端部221係設置有：第一端面221a，與直管220的長邊方向正交；以及流入口223，位於第一端面221a的中央附近。在第一端面221a係設置有用以使來自第一光源240a的紫外光穿透的複數個第一窗部227。在流入口223係安裝有沿著直管220的長邊方向延伸的流入管231。流入管231係使流體沿著直管220的長邊方向流入，且抑制在流路212內的流動發生擾動。
第二端部222係構成為與第一端部221同樣。在第二端部222係設置有：第二端面222a，與直管220的長邊方向正交；以及流出口224，位於第二端面222a的中央附近。在第二端面222a係設置有用以使來自第二光源240b的紫外光穿透的複數個第二窗部228。在流出口224係安裝有沿著直管220的長邊方向延伸的流出管232。流出管232係使流體沿著直管220的長邊方向流出，且抑制在流路212內的流動發生擾動。
第一光源240a係具有複數個第一發光元件242a及複數個第一基板244a。如圖7所示，複數個第一發光元件242a係以包圍流入口223的方式配置於四方，且安裝於第一基板244a。複數個第一發光元件242a的各個係通過對應的第一窗部227朝向直管220的內部並沿著直管220的長邊方向照射紫外光。
在圖示之例中，雖然顯示第一發光元件242a設置於四個部位的情況，但是第一發光元件242a既可設置於三個部位以下又可設置於五個部位以上。另外，複數個第一發光元件242a較佳是以可以對流動於流路212的流體整體照射紫外光的方式等間隔地配置。以包圍流入口223的方式等間隔地配置複數個第一發光元件242a，藉此，第一光源240a就可以照射直管220的中央附近的紫外強度高、直管220的內壁面220a附近的紫外強度低的強度分布的紫外光。
第二光源240b係具有複數個第二發光元件242b及複數個第二基板244b，且構成為與第一光源240a同樣。複數個第二發光元件242b係以包圍流出口224的方式配置於四方，且安裝於第二基板244b。複數個第二發光元件242b的各個係通過對應的第二窗部228朝向直管220的內部並沿著直管220的長邊方向照射紫外光。第二光源240b係與 第一光源240a同樣地照射直管220的中央附近的紫外強度高、直管220的內壁面220b附近的紫外強度低的強度分布的紫外光。
直管220的內徑及流動於流路112的流體的平均流速，係以流動於流路212的流體成為層流狀態的方式來調整。結果，成為流動於直管220的中心軸附近的流體的流速相對快、流動於直管220的內壁面220a附近的流體的流速相對慢的流速分布。對具有如此的速度分布的流體，從第一光源240a及第二光源240b照射直管220的中央附近的紫外強度高、內壁面220a附近的紫外強度低的強度分布的紫外光。從而，即便是在本實施形態中，仍是對層流狀態的流體照射與層流狀態的流速分布對應的強度分布的紫外光，藉此可以提高對流體的殺菌效率。
又，依據本實施形態，因是在直管220的中心軸上配置有流入口223和流出口224，故而可以抑制在流動於流路212的流體中發生擾動或渦流。又，因在流入口223與流出口224的雙方配置光源240a、240b，故而比僅從其中一方照射紫外光的情況還可以增加作用於流體的紫外光的能量並提高對流體的殺菌效率。
另外，在變化例中，亦可僅在流入口223與流出口224的其中一方配置光源。又，光源240a、240b亦可設置於直 管220的內部。在直管220的內部設置光源240a、240b的情況下，光源240a、240b係安裝於直管220的端面221a、222b，並且以不直接接觸到流動於流路212的流體的方式設置有使紫外光穿透的覆蓋(cover)構件等。
以上，已基於實施形態說明本發明。本發明並未被限定於上述實施形態，能夠進行各種的設計變更，且能夠實施各種的變化例，又如此的變化例亦涵蓋於本發明的範圍內，此為該發明所屬技術領域中具有通常知識者所能理解。
上述實施形態的流體殺菌裝置10係作為對流體照射紫外光並施予殺菌處理用的裝置來說明。在變化例中，亦可將本流體殺菌裝置使用於藉由紫外光的照射來使流體中所含的有機物分解的淨化處理中。
在變化例中，亦可在由上述的直管所構成的流路的中途、流入口或比流入口更靠上游的位置設置有整流板。該整流板，亦可具有調整流動於流路的流體的流動並使其層流化的功能。藉由設置整流板，就可以形成擾動更少的層流狀態以提高殺菌功效。
在變化例中，光源亦可具有用以調整發光元件所發出的紫外光的強度分布的調整機構。調整機構亦可包含透鏡等之穿透型的光學元件、或凹面鏡等之反射型的光學元 件。調整機構亦可藉由調整來自發光元件的紫外光的強度分布，而使從光源輸出的紫外光的強度分布成為與層流狀態的速度分布對應的形狀。藉由設置如此的調整機構，就可以照射適於流體的流動態樣的強度分布的紫外光且可以更提高殺菌效率。
(產業可利用性)
依據本發明，就可以提高紫外光對流動於流路的照射效率並提高殺菌能力。

Claims (4)

  1. 一種流體殺菌裝置，具備：直管，構成沿著長邊方向延伸的流路；以及光源，朝向以層流狀態流動於前述流路的流體沿著前述長邊方向照射紫外光；前述直管係具有：第一端部；以及第二端部，位於前述第一端部的相反側；於前述第一端部設置有使流體沿著前述長邊方向流入的單個流入口；於前述第二端部設置有使流體沿著與前述長邊方向交叉的方向流出的單個流出口；前述流入口係配置於前述直管的中心軸上；前述光源係配置於前述直管的中心軸上的前述第二端部；前述流路內的流體具有於與前述長邊方向正交的前述流路的剖面中之中央附近的流速比周圍的流速還大的流速分布；前述光源係具有發出紫外光的發光元件，且以成為在與前述長邊方向正交的前述流路的剖面中之中央附近的紫外光強度比周圍的紫外光強度更高的強度分布且為與前述流速分布對應的強度分布的方式來照射紫外光。
  2. 如請求項1所記載之流體殺菌裝置，其中前述光源係具有發出紫外光的複數個發光元件，且構成為在與前述流路的中央附近相對應之中央區域配置的發光元件的每單位面積的個數係比在前述中央區域外側的外緣區域配置的發光元件的每單位面積的個數還要多。
  3. 如請求項1或2所記載之流體殺菌裝置，其中更具備：整流板，用以以具有與前述長邊方向正交的前述流路的剖面中之中央附近的流速比周圍的流速還大的流速分布的方式使流動於前述流路的流體予以層流化。
  4. 一種流體殺菌方法，係在構成有沿著長邊方向延伸的流路的直管的第一端部且為前述直管的中心軸上設置有使流體沿著長邊方向流入的單個流入口，於與前述直管的前述第一端部為相反側的第二端部設置有使流體沿著與前述長邊方向交叉的方向流出的單個流出口，藉此以具有在前述直管的內部的與前述長邊方向正交的前述流路的剖面中之中央附近的流速比周圍的流速還大的流速分布的方式製造層流狀態的流體的流動，且藉由於前述直管的中心軸上的前述第二端部配置照射紫外光的光源，而以成為在與前述長邊方向正交的前述流路的剖面中之中央附近的紫外光強度比周圍的紫外光強度更高的強度分布且為對應於前述流速分布的強度分布的方式，來朝向以層流狀態流動於前述流路的流體沿著前述長邊方向照射紫外光。
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