WO2018079265A1

WO2018079265A1 - 水処理装置

Info

Publication number: WO2018079265A1
Application number: PCT/JP2017/036886
Authority: WO
Inventors: 淳一志賀; 吏草野; 鉄美越智; 真也渡邊; 栄一津賀; 佑介川上
Original assignee: メタウォーター株式会社; 株式会社扇港理研; 日機装株式会社
Priority date: 2016-10-27
Filing date: 2017-10-11
Publication date: 2018-05-03
Also published as: CA3041604C; TW201815692A; US10800673B2; US20190263681A1; EP3533766A1; TWI710528B; JP6755772B2; CN109963813A; JP2018069144A; CA3041604A1; SG11201903702QA; EP3533766A4

Abstract

水処理装置100は、ＬＥＤ素子31から照射した紫外光で被処理水を紫外線処理する水処理装置である。水処理装置100は、被処理水が流れる流路10と、透明部材からなる窓部20を介して流路10の外側に配置されたＬＥＤ素子収容室30と、ＬＥＤ素子収容室30内に配置された複数のＬＥＤ素子31と、を備え、ＬＥＤ素子収容室30は、乾燥気体の流入口34および流出口35を有し、ＬＥＤ素子31は、発光面がＬＥＤ素子収容室30内の空間に露出しているものである。

Description

水処理装置

　本発明は、水処理装置に関するものであり、特に、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子から照射した紫外光で被処理水を紫外線処理する水処理装置に関するものである。

　従来、水処理における消毒処理には、一般的に塩素が用いられてきた。しかし、近年、塩素による消毒処理には、殺菌性能に改善の余地があることが明らかとされてきた。そこで、消毒処理対象である、飲料水等の被処理水を十分に殺菌するために、紫外線を用いる技術が検討されてきた。ここで、被処理水に対して紫外線を照射するための紫外線照射装置としては、光源として水銀ランプを搭載した紫外線照射装置が一般的であった。しかし、水銀ランプを搭載した紫外線照射装置では、装置の経年劣化等に起因して、水銀が被処理水に触れるリスクを完全に排除することができなかった。

　そこで、近年、紫外線光源としてＬＥＤを用いた水処理装置が開発されてきた（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、窓部となる透明部材で仕切られた空間内に、紫外線光源であるＬＥＤ素子を配置した水処理装置（以下、「第１従来例の水処理装置」とも称する）が開示されている。また、特許文献１には、紫外線光源であるＬＥＤ素子を水から保護するためのガラス等の透明封止部材を有する水処理装置（以下、「第２従来例の水処理装置」とも称する）が開示されている。

特開２０１４－２３３６４６号公報

　ここで、上記第１従来例の水処理装置では、紫外線光源であるＬＥＤ素子が設置された空間内にて結露が生じた場合に、剥き出しのＬＥＤ素子が損傷することがあった。また、上記第２従来例の水処理装置では、水により紫外線光源であるＬＥＤ素子が損傷することは無いが、ＬＥＤ素子毎に封止材を設けるために、ＬＥＤ素子より照射された紫外光の強度が封止材により弱められ、所望の照射強度を十分に確保することができなかった。
　そこで、本発明は、紫外線光源として、封止されていない、いわゆる「剥き出し」状態のＬＥＤ素子を採用して、ＬＥＤ素子より照射された紫外光の強度を保ちつつ、かかるＬＥＤ素子が結露により損傷されることを抑制可能な、水処理装置を提供することが目的とする。

　本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討した。そして、本発明者らは、ＬＥＤ素子から照射した紫外光で被処理水を紫外線処理する水処理装置において、発光面が露出したＬＥＤ素子を収容するＬＥＤ素子収容室を設けると共に、かかる収容室内に乾燥気体を流すことで、ＬＥＤ素子より照射された紫外光の強度を保ちつつ、かかるＬＥＤ素子が結露により損傷されることを抑制可能となりうることを見出し、本発明を完成させた。

　即ち、この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の水処理装置は、ＬＥＤ素子から照射した紫外光で被処理水を紫外線処理する水処理装置であって、被処理水が流れる流路と、透明部材からなる窓部を介して前記流路の外側に配置されたＬＥＤ素子収容室と、前記ＬＥＤ素子収容室内に配置された複数のＬＥＤ素子と、を備え、前記ＬＥＤ素子収容室は、乾燥気体の流入口および流出口を有し、前記ＬＥＤ素子は、発光面が前記ＬＥＤ素子収容室内の空間に露出していることを特徴とする。このように、ＬＥＤ素子収容室内に発光面を露出させた状態でＬＥＤ素子を配置し、さらに、かかるＬＥＤ素子収容室内に乾燥空気を流すことで、ＬＥＤ素子より照射された紫外光の強度を保ちつつ、かかるＬＥＤ素子が結露により損傷されることを抑制することが可能となる。

　また、本発明に係る水処理装置においては、前記ＬＥＤ素子の設置密度が８，０００個／ｍ²以上であることが好ましい。ＬＥＤの設置密度が８，０００個／ｍ²以上という高密度であれば、被処理水に対する紫外線の照射強度を一層高めて、水処理装置による殺菌効果を一層高めることができる。

　また、本発明に係る水処理装置においては、前記ＬＥＤ素子収容室内には、各ＬＥＤ素子を囲繞する集光板が設けられており、前記集光板と前記窓部との間には隙間が設けられていることが好ましい。集光板によりＬＥＤ素子からの紫外線を集光し、被処理水に対する紫外線の照射強度を更に高めることができる。また、集光板を窓部に接触させず、窓部との間に隙間を設けることで、乾燥気体による結露の防止効果を一層高めることができる。

　また、本発明に係る水処理装置においては、前記ＬＥＤ素子収容室の前記流路側とは反対側に冷却装置が設けられていることが好ましい。ＬＥＤ素子収容室を裏面側、即ち、流路とは反対側から冷却して、ＬＥＤ素子の短寿命化及び故障を抑制することができる。

　また、本発明に係る水処理装置においては、前記流路を構成する部材と前記窓部を構成する透明部材との間、および、前記窓部を構成する透明部材と前記ＬＥＤ素子収容室を構成する部材との間には、それぞれ、シール部材が配置されていることが好ましい。窓部を構成する透明部材の片面側だけでなく、両側でシールすることにより、水処理装置の信頼性を向上させることができる。

　本発明の水処理装置によれば、ＬＥＤ素子より照射された紫外光の強度を保ちつつ、かかるＬＥＤ素子が結露により損傷されることを抑制することができる。

本発明の一実施形態による水処理装置の概略構成図である。

　以下、本発明による水処理装置の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。本発明の水処理装置は、例えば、浄水場等の大型設備や小型のウォーターサーバー、下水処理場、及び超純水製造設備等に搭載可能であり、飲料水の殺菌処理のために用いることができる。

（水処理装置）
　図１に、本発明の一実施形態による水処理装置の概略構成図を示す。図１に示す水処理装置１００は、ＬＥＤ素子から照射した紫外光で被処理水を紫外線処理する水処理装置である。そして、水処理装置１００は、被処理水が流れる流路１０と、窓部２０を介して流路１０の外側に配置されたＬＥＤ素子収容室３０と、ＬＥＤ素子収容室３０内に配置された複数のＬＥＤ素子３１と、を備える。さらに、ＬＥＤ素子収容室３０は、乾燥気体の流入口３４および流出口３５を有する。さらにまた、ＬＥＤ素子３１は、発光面がＬＥＤ素子収容室３０内の空間に露出している。水処理装置１００は、流路１０を通じて流れてきた被処理水に対して、ＬＥＤ素子収容室３０内のＬＥＤ素子３１より出射された紫外光を照射して、殺菌処理する。得られた処理水は、例えば、飲料水として、飲料水供給のための各種設備に対して送水されうる。

　以下、水処理装置１００を構成する各機能部についてより詳細に説明する。なお、以下では、水処理装置１００に被処理水が流入する側を前段側と称し、水処理装置１００から処理水が流出する側を後段側と称する。

　流路１０は、例えばＳＵＳ管でありうる内管１１及び外管１２を備える二重管構造部１３の内部に形成されうる。ここで、内管１１は、内管１１の外周側に設けられた外管１２により囲僥される。また、外管１２は、処理水の流出口（図示しない）を、特に限定されることなく、例えば、外周面内に有する。そして、内管１１の軸線方向一方側の端縁と、窓部２０との間に隙間が設けられている。かかる隙間は、任意の変位防止部材１４により画定されうる。変位防止部材１４は、内管１１の軸線方向一方側の端縁と、窓部２０との間の隙間１６を画定できる限りにおいて特に限定されることなく、例えば、フランジ、インローフランジ、及び／又はロックピン等により形成されうる。よって、図１に示す変位防止部材１４は、詳細には図示しないが、内管１１を所定位置に保持して窓部２０との間の隙間を画定しうるインロー凸部を有するインローフランジでありうる。もちろん、変位防止部材１４はインローフランジに限定されることなく、例えば、インロー凸部を有さない通常のフランジであっても良い。この場合、例えば、内管が軸線方向上側から下側に向かって押さえられて、変位防止部材のテーパー状の内周面の内径が内管の外径と一致する位置にて、それ以上軸線方向下側に移動しないように保持されるような構造とすることで、内管と窓部との間の隙間を画定することができる。

　さらに、外管１２は、軸線方向の窓部２０側端部がフランジを有しうる。そして、インローフランジとして図示する変位防止部材１４と外管１２端部のフランジとが相互に固定されて内管１１よりも軸線方向一方側まで延在している。特に、変位防止部材１４は窓部２０を保持するとともに窓部２０と液密に連結されている。なお、図１では変位防止部材１４と外管１２とを別部材として図示するが、これらは１つの部材として具現されていても良い。即ち、外管１２が、内管１１を囲僥すると共に、内管１１の軸線方向一方側の端縁と、窓部２０との間の隙間１６を画定するための構造を備えていても良い。

　そして、これらの内管１１、外管１２、及び、任意の変位防止部材１４により、流路１０、及び流路１０を経て窓部２０からの紫外光により処理された処理水を流入させる処理水流路１５が形成される。

　流路１０を経て窓部２０に当たった水流は、窓部２０の表面に沿って流れつつ、窓部２０を介してＬＥＤ素子収容室３０からの紫外光の照射を受ける。このようにして、流路１０を経て水処理装置１００内に流入した被処理水が紫外線処理されて処理水となる。そして、かかる処理水が、窓部２０の表面に沿って内管１１や外管１２、及び変位防止部材１４の内壁面方向に流れ、隙間１６を経て、内管１１、外管１２、及び変位防止部材１４により画定される処理水流路１５に到達する。その後、処理水は、処理水流路１５を経て、外管１２の外周面内に設けられた流出口を介して水処理装置１００外へと流出する。

　窓部２０は、例えば、紫外光の透過率が高い透明材料よりなることが望ましい。例えば、窓部２０は、石英ガラス（ＳｉＯ₂）、サファイアガラス（Ａｌ₂Ｏ₃）、及びフッ素系樹脂等のような透明材料を板状に成形してなる、透明部材からなることが好ましい。中でも、耐久性及び透過性等の観点から、透明材料としては石英ガラスが好ましい。窓部２０は、上述した内管１１及び外管１２により形成される二重管構造部１３の軸線方向一方側（図１では、下側）に設けられている。さらに、窓部２０を介した流路１０の外側には、ＬＥＤ素子収容室３０が配置されている。

　ＬＥＤ素子収容室３０は、複数のＬＥＤ素子３１を含む。そして、これらのＬＥＤ素子３１は、発光面がＬＥＤ素子収容室３０内の空間に露出している。ここで、本明細書において、「ＬＥＤ素子の発光面が露出している」とは、サファイア基板等の基板上にＬＥＤ構造のエピタキシャル層等が積層されてなる発光面が、レンズ及び／又は封止材等の、発光に直接的には寄与しない構造部により被覆されていない状態であることを意味する。そして、これらの発光面がＬＥＤ素子収容室３０内の空間に露出した複数のＬＥＤ素子３１より出射された紫外光が、内管１１内を流れる被処理水に対して、照射される。

　ＬＥＤ素子３１は、例えば、波長が、２００ｎｍ以上、より好ましくは２４０ｎｍ以上、３００ｎｍ以下、より好ましくは２８５ｎｍ以下の紫外線を照射する素子でありうる。紫外光の中でも、かかる波長域の紫外光は殺菌力が高い。

　さらに、複数のＬＥＤ素子３１は、特に限定されることなく、例えば、ＬＥＤ基板３２に対して固定された状態で配置されうる。さらに、ＬＥＤ素子収容室３０内における複数のＬＥＤ素子３１の設置密度は、好ましくは８，０００個／ｍ²以上である。ＬＥＤ素子収容室３０内で、８，０００個／ｍ²以上といった高密度でＬＥＤ素子を配置すれば、紫外線の照射強度を高めることができ、水処理装置１００の殺菌性能を向上させうる。本発明では、複数のＬＥＤ素子３１を、発光面がＬＥＤ素子収容室３０内の空間に露出させた状態で配置させるという構造を採用したからこそ、ＬＥＤ素子をこのような高密度で配置することが可能となった。

　ＬＥＤ素子収容室３０は、ＬＥＤ素子収容室画定フランジ３３、窓部２０、及びＬＥＤ基板３２により囲僥されてなる。さらに、ＬＥＤ基板３２は、乾燥気体をＬＥＤ素子収容室３０内に流入させる乾燥気体流入口３４を有する。また、ＬＥＤ素子収容室画定フランジ３３は、水処理装置１００の軸線方向でＬＥＤ素子収容室３０を画定する壁部内に、少なくとも１つ、好ましくは複数の乾燥気体流出口３５を備える。
　ここで、本明細書において「乾燥気体」とは、露点温度が水処理装置１００の設置環境周囲の空気の露点温度以下である空気を意味し、より具体的には、露点０℃以下の空気でありうる。更に、乾燥気体の温度は、特に限定されることなく、室温（ＪＩＳＺ８７０３）でありうる。乾燥気体流入口３４を介してＬＥＤ素子収容室３０内へと流入した乾燥気体は、窓部２０に当たって、窓部２０に沿って流れて、最終的に乾燥気体流出口３５から排気される。このように、ＬＥＤ素子収容室３０内を乾燥気体が流通する構造とすることで、ＬＥＤ素子が結露により損傷を受けることを抑制することができる。

　さらに、ＬＥＤ素子収容室３０内には、各ＬＥＤ素子３１を囲繞する集光板３６が設けられており、かかる集光板３６と窓部２０との間には隙間が設けられていることが好ましい。まず、ＬＥＤ素子３１が、例えば、リフレクタ等でありうる集光板３６を有していれば、ＬＥＤ素子３１から発せられる紫外線を集光し、被処理水に対する紫外線の照射強度を更に高めることができる。ここで、集光板３６の形状は、窓部２０との間隔及び窓部２０の面積、厚み等を考慮して任意に最適化することができる。なお、リフレクタ等の集光板３６は、リフレクタマウントのような集光板保持部材３７を介して保持されうる。

　さらに、集光板３６の軸線方向最上部と窓部２０との間には隙間が存在することが好ましい。集光板３６と窓部２０との間に隙間が存在すれば、ＬＥＤ素子収容室３０内での乾燥気体の流動性を高めて、乾燥気体による結露の防止効果を一層高めることができる。かかる隙間の大きさは任意に定めることができるが、０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることが好ましい。隙間の大きさが０．５ｍｍ以上であれば、集光板３６による集光効果を十分に確保することができるからである。さらに、隙間の大きさが１．０ｍｍ以下であれば、乾燥気体による結露の防止効果を十分に高めることができるからである。

　ここで、窓部２０を構成する透明部材は、上述した変位防止部材１４及びＬＥＤ素子収容室画定フランジ３３により、上記軸線方向で両側から保持される。そして、これらの変位防止部材１４及びＬＥＤ素子収容室画定フランジ３３、さらには、外管１２の端部に形成されたフランジは、相互に固定されうる。かかる固定方法は、特に限定されることなく、例えば、図１に示すようなボルト２３及びナット２４を介した一般的な固定方法でありうる。

　好ましくは、変位防止部材１４と窓部２０を構成する透明部材との間には第１シール部材２１が、窓部２０を構成する透明部材とＬＥＤ素子収容室画定フランジ３３との間には第２シール部材２２が、それぞれ配置される。第１シール部材２１は変位防止部材１４と窓部２０とにより軸線方向で上下から押圧され、変位防止部材１４及び窓部２０の間の接続の密閉性を高める。また、第２シール部材２２は窓部２０とＬＥＤ素子収容室画定フランジ３３とにより軸線方向で上下から押圧され、窓部２０及びＬＥＤ素子収容室画定フランジ３３の間の接続の密閉性を高める。第１シール部材２１及び第２シール部材２２は、接続対象間に介在して圧縮されることで、接続対象である部材管の密閉性を確保する機能を奏し得る部材である。より具体的には、第１シール部材２１及び第２シール部材２２は、それぞれ、例えば、パッキンやガスケット等でありうる。なお、パッキンやガスケット等であり得るシール部材は、ゴム等の弾性材料を含んでなる部材であっても良い。
　このように、透明部材が流路１０側だけでなく、両側でシールされていれば水処理装置１００の信頼性を向上させることができる。被処理水がＬＥＤ素子収容室３０内に漏れ出した場合には、水処理装置１００が故障するため、このような厳重な密閉構造を形成することで、ＬＥＤ素子収容室３０内への水の侵入を防止することができるからである。

　さらに、水処理装置１００は、ＬＥＤ素子収容室３０の流路１０の側とは反対側に冷却装置４０を備えることが好ましい。ここで、冷却装置４０は、例えば、冷却板内に設けられた冷却室４１、及びかかる冷却室内に冷却水を流入させる冷却水ライン４２により構成されうる。上述した通り、水処理装置１００は、ＬＥＤ素子収容室３０内に乾燥気体を流すことを特徴とする装置である。このため、水処理装置１００では、流路１０を流れる被処理水を利用してＬＥＤ素子３１を冷却することはできない。また、上述した通り、水処理装置１００では、ＬＥＤ素子３１の発光面がレンズや封止材等によって保護されることなく、ＬＥＤ素子収容室３０内の空間に露出している。このため、水処理装置１００では、ＬＥＤ素子収容室３０内に直接冷却水を導入することによってＬＥＤ素子３１を冷却することもできない。そこで、本発明では、ＬＥＤ素子収容室３０の流路１０側とは反対側に冷却装置４０を設けることにより、ＬＥＤ素子３１を冷却することが可能となる。このようにして、ＬＥＤ素子３１を冷却することで、ＬＥＤ素子３１を長寿命化すると共に、故障の発生を抑制することが可能となる。

　そして、冷却水ライン４２は、図示しないが、外管１２に接続されていても良く、冷却室４１に対して冷却水として処理水を供給しうる。冷却室４１を循環した冷却水としての処理水は、図示しない冷却水排水ラインを経て、外管１２から流出する処理水に合流されうる。ここで、冷却水ライン４２が外管１２に対して接続されていれば、冷却室４１に対する給水のための別途の動力を設置することなく、ＬＥＤ素子３１を冷却することが可能となる。よって、かかる構成によれば、水処理装置１００による水処理効率を一層向上させることができる。

　以上、一例を用いて本発明の水処理装置について説明してきたが、本発明の水処理装置は上記一例に限定されない。すなわち、本発明の水処理装置には、適宜変更を加えることができる。
　具体的には、例えば、上記一例では、冷却室４１はＬＥＤ基板３２を支持する板状の部材である冷却板内の空隙として説明した。しかし、冷却室は、例えば、渦巻き形状、及びジグザグ状等の種々の態様にて配置された管の内部空間として設けられていても良い。冷却室を係る構造とすることで、ＬＥＤ素子の冷却効率を一層向上しうる。

　また、上記一例では、流路１０が内管１１、外管１２、及び、任意の変位防止部材１４により形成され、これらの管及び部材の軸線方向の一端部に窓部２０が配置され、かかる窓部２０を隔ててＬＥＤ素子収容室３０が配置される構造を説明してきた。しかし、本発明の水処理装置において、窓部が流路に沿って、例えば流路を形成する管内に配置され、かかる窓部を介してＬＥＤ素子からの紫外光が照射される構造を採用することももちろん可能である。

　１０　　　　　　　　流路
　１１　　　　　　　　内管
　１２　　　　　　　　外管
　１３　　　　　　　　二重管構造部
　１４　　　　　　　　変位防止部材
　１５　　　　　　　　処理水流路
　１６　　　　　　　　隙間
　２０　　　　　　　　窓部
　２１　　　　　　　　第１シール部材
　２２　　　　　　　　第２シール部材
　２３　　　　　　　　ボルト
　２４　　　　　　　　ナット
　３０　　　　　　　　ＬＥＤ素子収容室
　３１　　　　　　　　ＬＥＤ素子
　３２　　　　　　　　ＬＥＤ基板
　３３　　　　　　　　ＬＥＤ素子収容室画定フランジ
　３４　　　　　　　　乾燥気体流入口
　３５　　　　　　　　乾燥気体流出口
　３６　　　　　　　　集光板
　３７　　　　　　　　集光板保持部材
　４０　　　　　　　　冷却装置
　４１　　　　　　　　冷却室
　４２　　　　　　　　冷却水ライン
　１００　　　　　　　水処理装置

Claims

　ＬＥＤ素子から照射した紫外光で被処理水を紫外線処理する水処理装置であって、
　被処理水が流れる流路と、
　透明部材からなる窓部を介して前記流路の外側に配置されたＬＥＤ素子収容室と、
　前記ＬＥＤ素子収容室内に配置された複数のＬＥＤ素子と、
を備え、
　前記ＬＥＤ素子収容室は、乾燥気体の流入口および流出口を有し、
　前記ＬＥＤ素子は、発光面が前記ＬＥＤ素子収容室内の空間に露出している、
水処理装置。
　前記ＬＥＤ素子の設置密度が８，０００個／ｍ²以上である、請求項１に記載の水処理装置。
　前記ＬＥＤ素子収容室内には、各ＬＥＤ素子を囲繞する集光板が設けられており、
　前記集光板と前記窓部との間には隙間が設けられている、
請求項１又は２に記載の水処理装置。
　前記ＬＥＤ素子収容室の前記流路側とは反対側に冷却装置が設けられている、請求項１～３の何れかに記載の水処理装置。
　前記流路を構成する部材と前記窓部を構成する透明部材との間、および、前記窓部を構成する透明部材と前記ＬＥＤ素子収容室を構成する部材との間には、それぞれ、シール部材が配置されている、請求項１～４の何れかに記載の水処理装置。