WO2017056902A1 - 照射装置および流体殺菌方法 - Google Patents

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light
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fluid
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鉄美 越智
英典 小永吉
信宏 鳥井
裕紀 木内
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日機装株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an irradiation apparatus and a fluid sterilization method, and more particularly to a technique for sterilizing a fluid by irradiating ultraviolet light.
  • ultraviolet light has a sterilizing ability
  • an apparatus for irradiating ultraviolet light is used for sterilization treatment at medical or food processing sites.
  • an apparatus for continuously sterilizing a fluid by irradiating a fluid such as water with ultraviolet light is also used.
  • a device in which an ultraviolet LED is arranged on the inner wall of a pipe end of a flow path formed of a straight tubular metal pipe can be cited (for example, see Patent Document 1).
  • the inner wall surface of the channel is made of a material that is not easily corroded by the fluid flowing in the channel.
  • the present invention has been made in view of these problems, and one of exemplary purposes thereof is to provide an irradiation apparatus that increases the irradiation efficiency of ultraviolet light into a straight pipe.
  • An irradiation apparatus includes a straight pipe made of polytetrafluoroethylene (PTFE), and a light source that is disposed at an end of the straight pipe and irradiates ultraviolet light toward the inside of the straight pipe.
  • the light source includes a light emitting element that emits ultraviolet light, and an adjustment mechanism that adjusts the direction of the ultraviolet light so that the ultraviolet light from the light emitting element is incident on the inner wall surface of the straight tube at an incident angle of 75 degrees or more.
  • the reflectance of the ultraviolet light on the inner wall surface is increased and the ultraviolet light is efficiently guided in the longitudinal direction of the straight pipe.
  • the specular reflection component becomes larger than the diffuse reflection component, and the ultraviolet light is almost totally reflected. Yes. Therefore, according to this aspect, it is possible to suppress the influence that the ultraviolet light is transmitted through the inner wall surface of PTFE or the ultraviolet light returns to the light source side due to the superior diffuse reflection.
  • the ultraviolet light intensity can be kept high.
  • the adjusting mechanism may arrange the direction of the ultraviolet light so that the light distribution angle of the ultraviolet light irradiated to the inside of the straight pipe is 30 degrees or less.
  • the length of the straight pipe may be three times or more the diameter of the straight pipe.
  • the light source may sterilize the fluid by irradiating the fluid flowing inside the straight pipe with ultraviolet light.
  • Another aspect of the present invention is a fluid sterilization method.
  • This method includes a step of sterilizing the fluid by irradiating the fluid flowing in the straight pipe made of polytetrafluoroethylene (PTFE) with ultraviolet light.
  • the ultraviolet light is irradiated so as to be incident on the inner wall surface of the straight pipe at an incident angle of 75 degrees or more.
  • the reflectance of the ultraviolet light on the inner wall surface is increased and the ultraviolet light is efficiently guided in the longitudinal direction of the straight pipe.
  • the irradiation efficiency of the ultraviolet light inside a straight pipe can be improved, and the sterilization efficiency to the fluid which flows through the inside of a straight pipe can be improved.
  • the durability of the straight pipe can be improved by using PTFE, which is a chemically stable fluororesin, as the straight pipe constituting the flow path.
  • the present invention it is possible to improve the sterilizing ability by increasing the irradiation efficiency of ultraviolet light into the straight pipe.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of an irradiation apparatus 10 according to an embodiment.
  • the irradiation device 10 includes a straight tube 20, a connecting tube 30, and a light source 40.
  • the light source 40 is disposed at an end portion (first end portion 22) of the straight tube 20 and irradiates ultraviolet light toward the inside of the straight tube 20.
  • the irradiation device 10 is used, for example, for sterilizing a fluid such as water flowing inside the straight pipe 20 by irradiating it with ultraviolet light.
  • the straight pipe 20 has a first end portion 22, a second end portion 24, a window portion 26, and a second flange 28.
  • the straight pipe 20 extends in the longitudinal direction from the first end portion 22 toward the second end portion 24, and has a length l that is at least three times the inner diameter (diameter) d.
  • the first end portion 22 is provided with a window portion 26 for transmitting ultraviolet light from the light source 40.
  • Window 26, of quartz (SiO 2), sapphire (Al 2 O 3), ultraviolet light transmittance, such as amorphous fluororesin is constituted by a high member.
  • the second end 24 is provided with a flange (second flange 28) for connecting the straight pipe 20 to another pipe or the like.
  • a connecting pipe 30 is attached to the first end 22 so as to extend in a direction intersecting or orthogonal to the longitudinal direction of the straight pipe 20.
  • the connecting pipe 30 is provided with a flange (first flange 32) at one end, and the straight pipe 20 is attached to the other end.
  • the straight pipe 20 and the connecting pipe 30 form an L-shaped flow path.
  • the fluid flowing in from the first flange 32 flows out from the second flange 28 through the connection pipe 30 and the straight pipe 20.
  • the direction in which the fluid flows may be reversed, and the fluid flowing in from the second flange 28 may be configured to flow out from the first flange 32.
  • the straight pipe 20 and the connecting pipe 30 are made of polytetrafluoroethylene (PTFE) which is a perfluorinated resin.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PTFE is a chemically stable material and is excellent in durability, heat resistance and chemical resistance.
  • PTFE is a material having a high reflectivity of ultraviolet light. Therefore, the straight tube 20 can propagate the ultraviolet light in the longitudinal direction of the straight tube 20 by reflecting the ultraviolet light emitted from the light source 40 by the inner wall surface 20a.
  • the straight pipe 20 and the connecting pipe 30 do not need to be entirely composed of PTFE, and at least the inner wall surface that constitutes the flow path and comes into contact with the fluid only needs to be composed of PTFE.
  • the straight pipe 20 and the connecting pipe 30 may be configured by attaching a PTFE liner to the inner surface of a pipe made of another resin material or metal material.
  • the light source 40 includes a light emitting element 42, a substrate 44, and an adjustment mechanism 50.
  • the light emitting element 42 is an LED (Light Emitting Diode) that emits ultraviolet light, and its center wavelength or peak wavelength is included in the range of about 200 nm to 350 nm.
  • the light emitting element 42 preferably emits ultraviolet light in the vicinity of 260 nm to 270 nm, which is a wavelength with high sterilization efficiency.
  • AlGaN aluminum gallium nitride
  • the light emitting element 42 is attached to the substrate 44 so as to face the adjusting mechanism 50.
  • the substrate 44 is composed of a member having high thermal conductivity, and for example, copper (Cu), aluminum (Al), or the like is used as a base material. Heat generated by the light emitting element 42 is radiated through the substrate 44.
  • the light emitting element 42 is an LED having a wide light distribution angle with a directivity angle or light distribution angle of 60 degrees or more, 90 degrees or more, or 120 degrees or more. Examples of such a light emitting element 42 include a surface mount (SMD) type LED having a high output intensity.
  • SMD surface mount
  • the adjusting mechanism 50 adjusts the direction of the ultraviolet light so that the ultraviolet light from the light emitting element 42 enters the inner wall surface 20a of the straight tube 20 at an incident angle ⁇ of 75 degrees or more.
  • the adjustment mechanism 50 adjusts the light distribution angle of the ultraviolet light emitted from the light emitting element 42 so that the light distribution angle ⁇ of the ultraviolet light emitted from the adjustment mechanism 50 is 30 degrees or less.
  • the adjusting mechanism 50 is arranged so that the optical axis direction of the ultraviolet light emitted from the adjusting mechanism 50 is the longitudinal direction of the straight tube 20.
  • the incident angle ⁇ of the ultraviolet light incident on the inner wall surface 20a is 75 degrees or more using such an adjusting mechanism 50, the reflectance of the ultraviolet light on the inner wall surface 20a is increased, and the longitudinal direction of the straight pipe 20 is increased. Intense ultraviolet light can be propagated.
  • the adjustment mechanism 50 includes a first lens 51, a second lens 52, and a third lens 53.
  • Each lens is made of quartz glass having a high ultraviolet light transmittance.
  • the ultraviolet light emitted from the light emitting element 42 passes through the first lens 51, the second lens 52, the third lens 53, and the window portion 26 in this order, and is irradiated into the straight tube 20.
  • the first lens 51 is a plano-convex lens
  • the second lens 52 is a biconvex lens
  • the third lens 53 is a plano-convex lens.
  • the adjustment mechanism 50 may be composed of two or less lenses, or may be composed of four or more lenses. Further, each lens included in the adjusting mechanism 50 may be a lens having a shape as illustrated, or may be a lens having a different shape.
  • PTFE is a resin material that is widely used for various purposes, but its quantitative reflection characteristics with respect to deep ultraviolet light are not well known.
  • the characteristic that PTFE is a resin material suggests that the angle component of reflected light may differ depending on the angle of incident light, but the detailed reflection characteristics when irradiated with deep ultraviolet light are not well known.
  • the present inventors considered to improve the optical characteristics of the irradiation apparatus 10 using PTFE by measuring the reflection characteristics of PTFE with respect to deep ultraviolet light and making good use of the characteristics.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing how the reflection characteristic of the PTFE plate 70 is measured.
  • Incident light 73 from the light source 71 that emits ultraviolet light is transmitted, reflected, or scattered by the surface 70 a of the PTFE plate 70.
  • reflection on the surface of an object can generally be classified into three parts: a first specular spike component 76, a second specular lobe component 77, and a diffuse lobe component 78.
  • the present inventors measure the intensity of the reflected light 74 having the same reflection angle ⁇ 2 as the incident angle ⁇ 1 of the incident light 73 and the scattered light 75 having the scattering angle ⁇ 3 different from the incident angle ⁇ 1 with the measuring device 72. By measuring, the reflection characteristics of these three components for the PTFE plate 70 were obtained.
  • the first specular reflection component 76 is reflected by the surface 70a, it refers to a very strong reflected light emitted in a very narrow range of angles in the specular reflection direction theta 2.
  • the second specular component 77 is reflected by the surface 70a, it refers to a strong reflected light emitted with a spread as substantially about the specular reflection direction theta 2.
  • Diffuse reflection component 78 refers to the reflected light that is emitted repeatedly scattered inside the PTFE plate 70 is isotropically emitted from the surface 70a independently of the emission angle theta 3.
  • Figure 3 is a graph showing reflection characteristics of the PTFE plate 70, a first specular reflection component 76 with respect to the incident angle theta 1 of the incident light 73, the reflectance of the second specular reflection component 77 and the diffuse reflection component 78, these three The total reflectance is shown by combining the reflectances of the components.
  • the incident angle ⁇ 1 is in the range from 0 degrees to 60 degrees, most of the reflected light is the diffuse reflection component 78, and the ratio of the first specular reflection component 76 and the diffuse reflection component 78 is small. Recognize. It can also be seen that the total reflectance is less than 80%, and 20% or more of the incident light 73 is transmitted without being reflected.
  • the incident angle ⁇ 1 exceeds 60 degrees and becomes 70 degrees or more, the ratio of the diffuse reflection component 78 decreases and the ratio of the second specular reflection component 77 increases. Further, the total reflectance becomes 100%, and the influence of the loss due to the transmission of the incident light 73 is eliminated. Furthermore, when the incident angle ⁇ 1 is 75 degrees or more, the diffuse reflection component 78 is about 20% or 20% or less, and about 80% or 80% or more of the incident light 73 is reflected without loss in the specular reflection direction. Recognize.
  • the present inventors can make much of the reflected light propagate in the longitudinal direction of the straight tube 20 more far if the incident angle ⁇ of the ultraviolet light incident on the inner wall surface 20a of PTFE is 75 degrees or more. I thought it was possible to guide high-intensity ultraviolet light.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of the irradiation apparatus 110 according to the comparative example.
  • the irradiation device 110 is different from the above-described embodiment in that the light source 140 does not include the adjustment mechanism 50 described above, and the ultraviolet light emitted from the light emitting element 42 is directly irradiated into the straight tube 20.
  • the light source 140 directly irradiates the inside of the straight tube 20 with the ultraviolet light from the light emitting element 42, and has a larger light distribution angle ⁇ than the light source 40 according to the above-described embodiment. Therefore, a part of the ultraviolet light irradiated by the light source 140 enters the inner wall surface 20a of the straight tube 20 at incident angles ⁇ 4 and ⁇ 5 smaller than 75 degrees as shown in the figure.
  • the specular reflection component of ultraviolet light having such incident angles ⁇ 4 and ⁇ 5 is small, and most of the incident ultraviolet light is scattered isotropically by diffuse reflection or transmitted through the inner wall of the straight tube 20. . If it does so, the component reflected in the longitudinal direction of the straight pipe 20 will become very small, and it will become difficult to guide high intensity ultraviolet light over the longitudinal direction of the straight pipe 20.
  • FIG. 5 is a graph showing the ultraviolet light intensity inside the straight tube 20, and the ultraviolet light intensity in the irradiation device 10 according to the embodiment having the adjustment mechanism 50 and the irradiation device according to the comparative example not having the adjustment mechanism 50.
  • the ultraviolet light intensity at 110 is shown.
  • the ultraviolet light intensity in the embodiment is significantly higher than that of the comparative example in the range where the length l of the straight pipe 20 is 60 mm or more, which is three times or more the inner diameter d (20 mm).
  • the irradiation apparatus 10 irradiates the fluid flowing in the straight pipe 20 made of PTFE with ultraviolet light to sterilize the fluid.
  • the ultraviolet light is irradiated so as to be incident on the inner wall surface 20a of the straight tube 20 at an incident angle ⁇ of 75 degrees or more.
  • Ultraviolet light incident on the inner wall surface 20a at an incident angle ⁇ of 75 degrees or more is reflected almost entirely on the inner wall surface 20a, and most of the components are mirror-reflected and proceed in the longitudinal direction of the straight tube 20. Go. Therefore, it is possible to irradiate the fluid flowing along the longitudinal direction of the straight pipe 20 with high-intensity ultraviolet light over the longitudinal direction. Thereby, the range and time for which high-intensity ultraviolet light acts on the fluid can be lengthened, and the sterilizing effect on the fluid can be improved.
  • the reliability of the straight pipe 20 can be improved as compared with the case where a metal material such as aluminum (Al) is used.
  • Aluminum is known as a material having a high ultraviolet light reflectivity.
  • water when water is used as a fluid, it is electrically corroded or corroded by contact with water, and the UV light reflectivity is reduced. Concerns arise.
  • chemically stable PTFE since chemically stable PTFE is used, such a concern can be suppressed. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to increase the irradiation efficiency of the ultraviolet light and increase the reliability of the irradiation apparatus 10.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a light source 240 according to a modification.
  • the light source 240 includes a light emitting element 42, a substrate 44, and an adjustment mechanism 250.
  • the adjustment mechanism 250 according to the comparative example is different from the above-described embodiment in that the direction of the ultraviolet light from the light emitting element 42 is adjusted by a reflection type configuration. Hereinafter, the difference will be mainly described.
  • the adjustment mechanism 250 has a reflector 252.
  • the reflector 252 is made of a metal material or a resin material, and the reflecting surface 254 is made of a material having a high ultraviolet reflectance.
  • the reflector 252 is made of, for example, mirror-polished aluminum (Al) having a high ultraviolet reflectance, and the reflecting surface 254 is covered with magnesium fluoride (MgF 2 ).
  • the reflector 252 may be made of a fluororesin material such as PTFE.
  • the reflector 252 has a bowl shape and has a reflecting surface 254 that is a concave curved surface.
  • a mounting hole 256 for arranging the light emitting element 42 is provided near the bottom of the reflector 252.
  • the reflector 252 reflects a part of the ultraviolet light emitted from the light emitting element 42 and adjusts the direction of the ultraviolet light so that the light distribution angle of the ultraviolet light emitted from the opening 258 is within 30 degrees.
  • the irradiation apparatus 10 has been described as an apparatus for performing sterilization treatment by irradiating a fluid with ultraviolet light.
  • the present irradiation device may be used for a purification process for decomposing organic substances contained in a fluid by irradiation with ultraviolet light.
  • the irradiation apparatus 10 has been described as an apparatus for performing sterilization treatment by irradiating a liquid such as water with ultraviolet light as an example of a fluid.
  • ultraviolet light may be irradiated to a gas as a fluid.
  • the present invention it is possible to improve the sterilizing ability by increasing the irradiation efficiency of ultraviolet light into the straight pipe.

Abstract

照射装置１０は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で構成される直管２０と、直管２０の端部（第１端部２２）に配置され、直管２０の内部に向けて紫外光を照射する光源４０と、を備える。光源４０は、紫外光を発する発光素子４２と、発光素子４２からの紫外光が直管２０の内壁面２０ａに７５度以上の入射角θで入射するように紫外光の向きを整える調整機構５０と、を有する。

Description

照射装置および流体殺菌方法
　本発明は、照射装置および流体殺菌方法に関し、特に、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を照射する装置が用いられている。また、水などの流体に紫外光を照射することで、流体を連続的に殺菌する装置も用いられている。このような装置として、例えば、直管状の金属パイプで形成される流路の管端部内壁に紫外線ＬＥＤを配置した装置が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１１－１６０７４号公報
　直管状の流路内を流れる流体に高効率で紫外光を照射するためには、流路内壁面での紫外光反射率が高くなる構造とすることが望ましい。また、流路内を流れる流体によって腐食されにくい材料で流路内壁面を構成することが望ましい。
　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、直管内部への紫外光の照射効率を高めた照射装置を提供することにある。
　本発明のある態様の照射装置は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で構成される直管と、直管の端部に配置され、直管の内部に向けて紫外光を照射する光源と、を備える。光源は、紫外光を発する発光素子と、発光素子からの紫外光が直管の内壁面に７５度以上の入射角で入射するように紫外光の向きを整える調整機構と、を有する。
　この態様によると、ＰＴＦＥの内壁面に７５度以上の入射角で紫外光を入射させることにより、内壁面における紫外光の反射率を高めて直管の長手方向に紫外光を効率的に導くことができる。発明者らの知見により、ＰＴＦＥの表面に７５度以上の入射角で紫外光を入射させると、拡散反射成分よりも鏡面反射成分が大きくなり、かつ、紫外光がほぼ全反射することがわかっている。したがって、本態様によれば、ＰＴＦＥの内壁面において紫外光が透過したり、拡散反射が優位となることで光源側に紫外光が戻ったりする影響を抑え、直管の長手方向にわたって直管内部の紫外光強度を高く維持できる。これにより、直管内部における紫外光の照射効率を高めることができる。また、流路を構成する直管として化学的に安定なフッ素樹脂であるＰＴＦＥを用いるため、装置の耐久性を高めることができる。
　調整機構は、直管の内部に照射される紫外光の配光角が３０度以下となるように紫外光の向きを整えてもよい。
　直管は、直管の長さが直管の直径の３倍以上であってもよい。
　光源は、直管の内部を流れる流体に紫外光を照射して流体に殺菌処理を施してもよい。
　本発明の別の態様は、流体殺菌方法である。この方法は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で構成される直管の内部を流れる流体に紫外光を照射して流体に殺菌処理を施す工程を備える。紫外光は、直管の内壁面に７５度以上の入射角で入射する向きとなるように照射される。
　この態様によると、ＰＴＦＥの内壁面に７５度以上の入射角で紫外光を入射させることにより、内壁面における紫外光の反射率を高めて直管の長手方向に紫外光を効率的に導くことができる。これにより、直管内部における紫外光の照射効率を高めて、直管内部を流れる流体への殺菌効率を向上させることができる。また、流路を構成する直管として化学的に安定なフッ素樹脂であるＰＴＦＥを用いることにより、直管の耐久性を高めることができる。
　本発明によれば、直管内部への紫外光の照射効率を高めて殺菌能力を向上させることができる。
実施の形態に係る照射装置の構成を概略的に示す断面図である。 ＰＴＦＥ板の反射特性を計測する様子を模式的に示す図である。 ＰＴＦＥ板の反射特性を示すグラフである。 比較例に係る照射装置の構成を概略的に示す断面図である。 直管内部の紫外光強度を示すグラフである。 変形例に係る光源の構成を模式的に示す断面図である。
　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、実施の形態に係る照射装置１０の構成を概略的に示す図である。照射装置１０は、直管２０と、接続管３０と、光源４０とを備える。光源４０は、直管２０の端部（第１端部２２）に配置され、直管２０の内部に向けて紫外光を照射する。照射装置１０は、例えば、直管２０の内部を流れる水などの流体に紫外光を照射して殺菌処理を施すために用いられる。
　直管２０は、第１端部２２と、第２端部２４と、窓部２６と、第２フランジ２８とを有する。直管２０は、第１端部２２から第２端部２４に向けて長手方向に延びており、内径（直径）ｄの３倍以上の長さｌを有する。第１端部２２には、光源４０からの紫外光を透過させるための窓部２６が設けられる。窓部２６は、石英（ＳｉＯ２）やサファイア（Ａｌ２Ｏ３）、非晶質のフッ素系樹脂などの紫外光の透過率が高い部材で構成される。第２端部２４には、直管２０を他の配管等に接続するためのフランジ（第２フランジ２８）が設けられる。
　また、第１端部２２には、直管２０の長手方向と交差する方向または直交する方向に延びる接続管３０が取り付けられている。接続管３０は、一端にフランジ（第１フランジ３２）が設けられ、他端に直管２０が取り付けられている。直管２０および接続管３０は、Ｌ字状の流路を形成する。例えば、第１フランジ３２から流入する流体は、接続管３０および直管２０を通って第２フランジ２８から流出する。なお、流体の流れる向きは逆方向であってもよく、第２フランジ２８から流入する流体が第１フランジ３２から流出するように構成されてもよい。
　直管２０および接続管３０は、全フッ素化樹脂であるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で構成される。ＰＴＦＥは、化学的に安定した材料であり、耐久性、耐熱性および耐薬品性に優れた材料である。また、ＰＴＦＥは、紫外光の反射率が高い材料である。そのため、直管２０は、光源４０が発する紫外光を内壁面２０ａで反射させて直管２０の長手方向に紫外光を伝搬させることができる。
　なお、直管２０および接続管３０は、その全体がＰＴＦＥで構成されている必要はなく、少なくとも流路を構成して流体と接触する内壁面がＰＴＦＥで構成されていればよい。例えば、他の樹脂材料もしくは金属材料で構成される管の内面にＰＴＦＥのライナを取り付けて直管２０や接続管３０を構成してもよい。
　光源４０は、発光素子４２と、基板４４と、調整機構５０とを含む。発光素子４２は、紫外光を発するＬＥＤ（Light Emitting Diode）であり、その中心波長またはピーク波長が約２００ｎｍ～３５０ｎｍの範囲に含まれる。発光素子４２は、殺菌効率の高い波長である２６０ｎｍ～２７０ｎｍ付近の紫外光を発することが好ましい。このような紫外光ＬＥＤとして、例えば、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）を用いたものが知られている。
　発光素子４２は、調整機構５０と対向するように基板４４に取り付けられる。基板４４は、熱伝導性の高い部材で構成され、例えば、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などがベース材料として用いられる。発光素子４２が発する熱は、基板４４を通じて放熱される。
　発光素子４２は、指向角または配光角が６０度以上、９０度以上または１２０度以上の広配光角のＬＥＤである。このような発光素子４２として、出力強度の高い表面実装（ＳＭＤ；surface mount device)型のＬＥＤが挙げられる。発光素子４２が発する紫外光は、調整機構５０に入射し、調整機構５０によって紫外光の向きが整えられる。
　調整機構５０は、発光素子４２からの紫外光が直管２０の内壁面２０ａに７５度以上の入射角θで入射するように紫外光の向きを整える。調整機構５０は、発光素子４２が発する紫外光の配光角を調整し、調整機構５０から出射される紫外光の配光角φが３０度以下となるようにする。また、調整機構５０は、調整機構５０から出射される紫外光の光軸方向が直管２０の長手方向となるように配置される。このような調整機構５０を用いて内壁面２０ａに入射する紫外光の入射角θを７５度以上とすることにより、内壁面２０ａにおける紫外光の反射率を高め、直管２０の長手方向にわたって高強度の紫外光を伝搬させることができる。
　調整機構５０は、第１レンズ５１と、第２レンズ５２と、第３レンズ５３とを有する。各レンズは、紫外光の透過率が高い石英ガラスで構成される。発光素子４２が発する紫外光は、第１レンズ５１、第２レンズ５２、第３レンズ５３、窓部２６の順に透過し、直管２０の内部に照射される。図示されるように、第１レンズ５１は、平凸レンズであり、第２レンズ５２は、両凸レンズであり、第３レンズ５３は、平凸レンズである。なお、調整機構５０は、二枚以下のレンズで構成されてもよいし、四枚以上のレンズで構成されてもよい。また、調整機構５０が有する各レンズは、図示されるような形状のレンズであってもよいし、異なる形状のレンズであってもよい。
　つづいて、直管２０の内壁面２０ａを構成するＰＴＦＥの反射特性について説明する。ＰＴＦＥは、様々な用途で汎用的に利用されている樹脂材料であるが、深紫外光に対する定量的な反射特性はあまり知られていない。ＰＴＦＥは、樹脂材料であるという特性上、入射光の角度によって反射光の角度成分が異なりうるという特徴が示唆されているが、深紫外光を照射したときの詳細な反射特性についてはあまり知られていない。そこで、本発明者らは、深紫外光に対するＰＴＦＥの反射特性を測定し、その特性をうまく利用することで、ＰＴＦＥを用いた照射装置１０の光学特性を向上させようと考えた。
　図２は、ＰＴＦＥ板７０の反射特性を計測する様子を模式的に示す図である。紫外光を発する光源７１からの入射光７３は、ＰＴＦＥ板７０の表面７０ａにて透過、反射または散乱する。物体表面での反射は、一般に、第１鏡面反射（specular spike）成分７６、第２鏡面反射（specular lobe）成分７７、拡散反射（diffuse lobe）成分７８の三つに分類できることが知られている。本発明者らは、入射光７３の入射角θ１と同じ反射角θ２を有する反射光７４や、入射角θ１と異なる散乱角θ３を有する散乱光７５などの強度を測定器７２で計測することにより、ＰＴＦＥ板７０についてのこれら三成分の反射特性を求めた。
　図２に示される三成分のうち、第１鏡面反射成分７６は、表面７０ａで反射され、鏡面反射方向θ２に極めて狭い角度範囲に放射される非常に強い反射光のことをいう。第２鏡面反射成分７７は、表面７０ａで反射され、鏡面反射方向θ２をほぼ中心として拡がりを持って放射される強い反射光のことをいう。拡散反射成分７８は、ＰＴＦＥ板７０の内部での散乱を繰り返して放射される反射光のことをいい、放射角θ３に依存せずに表面７０ａから等方的に放射される。
　図３は、ＰＴＦＥ板７０の反射特性を示すグラフであり、入射光７３の入射角θ１に対する第１鏡面反射成分７６、第２鏡面反射成分７７および拡散反射成分７８の反射率と、これら三成分の反射率を合わせた合計反射率を示す。光源７１として、波長λ＝２８０ｎｍの紫外光を発するＬＥＤを用いた。図示されるように、入射角θ１が０度から６０度までの範囲では、反射光のほとんどが拡散反射成分７８であり、第１鏡面反射成分７６および拡散反射成分７８の割合が小さいことがわかる。また、合計反射率が８０％未満であり、入射光７３の２０％以上が反射されずに透過していることがわかる。
　一方、入射角θ１が６０度を超えて７０度以上となると、拡散反射成分７８の割合が減り、第２鏡面反射成分７７の割合が増えていく。また、合計反射率が１００％となって入射光７３の透過による損失の影響がなくなっていく。さらに、入射角θ１が７５度以上となると、拡散反射成分７８が２０％程度もしくは２０％以下となり、入射光７３の８０％程度もしくは８０％以上が鏡面反射方向に損失なく反射されることがわかる。この測定結果から、本発明者らは、ＰＴＦＥの内壁面２０ａに入射する紫外光の入射角θを７５度以上にすれば、反射光の多くを直管２０の長手方向に伝搬させてより遠くまで強度の高い紫外光を導光できると考えた。
　つづいて、照射装置１０の効果について比較例を参照しながら説明する。図４は、比較例に係る照射装置１１０の構成を概略的に示す断面図である。照射装置１１０は、光源１４０に上述の調整機構５０が含まれず、発光素子４２が発する紫外光をそのまま直管２０の内部に照射させる構成としている点で上述の実施の形態と相違する。
　光源１４０は、発光素子４２からの紫外光をそのまま直管２０の内部に照射しており、上述の実施の形態に係る光源４０よりも配光角φが大きい。そのため、光源１４０が照射される紫外光の一部は、図示されるように、７５度よりも小さい入射角θ４、θ５で直管２０の内壁面２０ａに入射する。このような入射角θ４、θ５を有する紫外光の鏡面反射成分は小さく、入射する紫外光の多くは拡散反射によって等方的に散乱されるか、直管２０の内壁を透過してしまう。そうすると、直管２０の長手方向に反射されていく成分が極めて小さくなり、直管２０の長手方向にわたって強度の高い紫外光を導光させることが難しくなる。
　図５は、直管２０の内部の紫外光強度を示すグラフであり、調整機構５０を有する実施の形態に係る照射装置１０における紫外光強度と、調整機構５０を有しない比較例に係る照射装置１１０における紫外光強度を示している。図５は、直管２０の内径をｄ＝２０ｍｍとして直管２０の長さｌを変化させた場合における直管２０の中心位置での紫外光強度を示している。
　図示されるように、調整機構５０を有しない比較例に係る計測結果では、紫外光強度が直管２０の長さｌに応じて徐々に減少していることがわかる。これは、直管２０の内壁面２０ａにおいて反射が生じるたびに直管２０の長手方向に向かう成分が減少していくためであると考えられる。一方、調整機構５０を有する実施の形態に係る計測結果では、直管２０の長さｌが長くなっても所定以上の強度が維持されることがわかる。特に、直管２０の長さｌが内径ｄ（２０ｍｍ）の３倍以上である６０ｍｍ以上となる範囲において、比較例よりも実施の形態における紫外光強度が有意に大きいことがわかる。
　以上の構成において、照射装置１０は、ＰＴＦＥで構成される直管２０の内部を流れる流体に紫外光を照射して流体に殺菌処理を施す。紫外光は、直管２０の内壁面２０ａに７５度以上の入射角θで入射する向きとなるように照射される。内壁面２０ａに７５度以上の入射角θで入射する紫外光は、内壁面２０ａにおいてほぼ全ての成分が反射されるとともに、その大半の成分が鏡面反射されて直管２０の長手方向に進んでいく。したがって、直管２０の長手方向に沿って流れる流体に対して、その長手方向にわたって強度の高い紫外光を照射できる。これにより、流体に強度の高い紫外光が作用する範囲および時間を長くして、流体に対する殺菌作用を向上させることができる。
　本実施の形態によれば、直管２０の内壁にＰＴＦＥを用いるため、アルミニウム（Ａｌ）などの金属材料を用いる場合と比べて直管２０の信頼性を高めることができる。アルミニウムは、紫外光反射率の高い材料として知られているが、流体として水を用いる場合には、水との接触により電蝕ないし腐蝕され、紫外光反射率が低下したり、衛生面での懸念が生じたりする。一方、本実施の形態によれば、化学的に安定なＰＴＦＥを用いるため、このような懸念を抑えることができる。したがって、本実施の形態によれば、紫外光の照射効率を高めるとともに照射装置１０の信頼性を高めることができる。
　図６は、変形例に係る光源２４０の構成を模式的に示す断面図である。光源２４０は、発光素子４２と、基板４４と、調整機構２５０と、を含む。比較例に係る調整機構２５０は、反射型の構成によって発光素子４２からの紫外光の向きを整える点で上述の実施の形態と相違する。以下、相違点を中心に説明する。
　調整機構２５０は、反射体２５２を有する。反射体２５２は、金属材料や樹脂材料で構成され、反射面２５４が紫外線反射率の高い材質で構成される。反射体２５２は、例えば、紫外線反射率の高いアルミニウム（Ａｌ）を鏡面研磨したもので構成され、反射面２５４がフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）で被覆される。反射体２５２は、ＰＴＦＥなどのフッ素樹脂材料で構成されてもよい。
　反射体２５２は、椀形状を有しており、凹曲面となる反射面２５４を有する。反射体２５２の底部付近には、発光素子４２を配置するための取付孔２５６が設けられる。反射体２５２は、発光素子４２が発する紫外光の一部を反射させ、開口部２５８から出射される紫外光の配光角が３０度以内となるように紫外光の向きを整える。本変形例に係る調整機構２５０を上述の照射装置に適用することにより、上述の実施の形態と同様の効果を奏することができる。
　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。
　上述の実施の形態に係る照射装置１０は、流体に紫外光を照射して殺菌処理を施すための装置として説明した。変形例においては、紫外光の照射により流体に含まれる有機物を分解させる浄化処理に本照射装置を用いてもよい。
　上述の実施の形態に係る照射装置１０は、流体の一例として水などの液体に紫外光を照射して殺菌処理を施すための装置として説明した。変形例においては、流体として気体を対象に紫外光を照射してもよい。
　１０…照射装置、２０…直管、２０ａ…内壁面、４０…光源、４２…発光素子、５０…調整機構。
　本発明によれば、直管内部への紫外光の照射効率を高めて殺菌能力を向上させることができる。

Claims (5)

  1. 　ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で構成される直管と、
    　前記直管の端部に配置され、前記直管の内部に向けて紫外光を照射する光源と、を備え、
    　前記光源は、紫外光を発する発光素子と、前記発光素子からの紫外光が前記直管の内壁面に７５度以上の入射角で入射するように前記紫外光の向きを整える調整機構と、を有することを特徴とする照射装置。
  2. 　前記調整機構は、前記直管の内部に照射される紫外光の配光角が３０度以下となるように前記紫外光の向きを整えることを特徴とする請求項１に記載の照射装置。
  3. 　前記直管は、前記直管の長さが前記直管の直径の３倍以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の照射装置。
  4. 　前記光源は、前記直管の内部を流れる流体に紫外光を照射して前記流体に殺菌処理を施す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照射装置。
  5. 　ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で構成される直管の内部を流れる流体に紫外光を照射して前記流体に殺菌処理を施す工程を備え、
    　前記紫外光は、前記直管の内壁面に７５度以上の入射角で入射する向きとなるように照射されることを特徴とする流体殺菌方法。
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