JP6897602B2

JP6897602B2 - 流体殺菌装置

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Publication number: JP6897602B2
Application number: JP2018033837A
Authority: JP
Inventors: 孝次青; 伊藤　浩史; 浩史伊藤; 暁子木村
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2018-02-27
Filing date: 2018-02-27
Publication date: 2021-06-30
Anticipated expiration: 2038-02-27
Also published as: JP2019147114A

Description

本発明は、流体殺菌装置に関する。

従来、紫外光を照射することにより水等の流体を殺菌する流体殺菌装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、流体殺菌装置の構成の１つとして、円筒形の水路の中心軸を含む中心部分と、その中心部分を囲む円筒形の部分とに流路を分け、液体を中心部分、円筒形部分の順に流す構成が開示されている。

特表２０１６−５１１１３８号公報

しかしながら、流路の中心近くを流れる液体と、壁面近くを流れる液体とでは、流速が異なるため、上述のような流体殺菌装置においては、液体への紫外光の照射時間にばらつきが生じる。このため、液体の全体が十分に殺菌されないおそれがある。

本発明の目的は、被殺菌液体内の紫外光の照射時間のばらつきを低減することにより、被殺菌液体の全体を十分かつ効率的に殺菌することのできる流体殺菌装置を提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記［１］〜［８］の流体殺菌装置を提供する。

［１］入水口及び出水口を有する流水管と、前記流水管の長さ方向の一端に設置され、前記長さ方向に沿って前記流水管内に紫外光を照射する光源と、前記流水管内に設置され、前記長さ方向に沿って流路を複数に分割する、板状部材から構成されるセパレーターと、を備え、前記セパレーターにより複数に分割された流路が、前記入水口から前記出水口まで連続的につながった１つの流路を形成し、前記セパレーターにより複数に分割された流路の全ての径方向の断面積が、前記入水口の開口面積の１倍以上、１０倍以下の範囲内にある、流体殺菌装置。

［２］前記入水口の開口形状が、輪郭の一部が中心に向かって放物線状に窪んだ形状である、上記［１］に記載の流体殺菌装置。

［３］前記セパレーターにより複数に分割された流路をつなぐ開口部の開口形状が、輪郭の一部が中心に向かって放物線状に窪んだ形状である、上記［１］又は［２］に記載の流体殺菌装置。

［４］前記セパレーターにより複数に分割された流路をつなぐ開口部の開口面積が、前記入水口の開口面積よりも大きい、上記［１］〜［３］のいずれか１項に記載の流体殺菌装置。

［５］前記セパレーターにより複数に分割された流路の各々の内部に、前記長さ方向に沿って流路を分割する分割板を備える、上記［１］〜［４］のいずれか１項に記載の流体殺菌装置。

［６］前記入水口及び前記出水口が前記長さ方向に平行に設置された、上記［１］〜［５］のいずれか１項に記載の流体殺菌装置。

［７］前記光源が、紫外光を発する発光素子と、前記発光素子から発せられる光を透過する光取り出し領域を有し、前記発光素子を収容した密閉可能な容器と、電気絶縁性を有し、前記発光素子に対して不活性であり、前記発光素子から発せられる光を透過し、空気よりも熱伝導率が高い、前記容器に収容され、前記発光素子が浸漬された冷却液と、を備えた、上記［１］〜［６］のいずれか１項に記載の流体殺菌装置。

［８］前記紫外光が、ＵＶ−Ｃである、上記［１］〜［７］のいずれか１項に記載の流体殺菌装置。

本発明によれば、被殺菌液体内の紫外光の照射時間のばらつきを低減することにより、被殺菌液体の全体を十分かつ効率的に殺菌することのできる流体殺菌装置を提供することができる。

図１は、実施の形態に係る流体殺菌装置の斜視図である。図２（ａ）は、流体殺菌装置の長さ方向に沿った垂直断面図であり、図２（ｂ）は、流体殺菌装置の長さ方向に直交する方向に沿った垂直断面図である。図３は、隣接する流路同士をつなぐ開口部がセパレーターの縁と流水管の壁面で構成される場合の例を示す流体殺菌装置の水平断面図である。図４（ａ）は、隣接する流路同士をつなぐ開口部がセパレーターに設けられた穴で構成される場合の例を示す流体殺菌装置の水平断面図である。図４（ｂ）、（ｃ）は、この場合の開口部の開口形状の例を示す。図５は、セパレーターにより分割された流路の各々の内部に、長さ方向に沿って流路を分割する分割板が設置された流体殺菌装置の水平断面図である。図６は、長さ方向に直交する方向のセパレーターの断面図である。図７は、入水口及び出水口が流水管の長さ方向に平行に設置された流体殺菌装置の斜視図である。図８（ａ）、（ｂ）は、光源の変形例の構成を示す斜視図及び断面図である。

〔実施の形態〕
（流体殺菌装置の構成）
図１は、実施の形態に係る流体殺菌装置１の斜視図である。図２（ａ）は、流体殺菌装置１の長さ方向Ｌに沿った垂直断面図であり、図２（ｂ）は、流体殺菌装置１の長さ方向Ｌに直交する方向に沿った垂直断面図である。ここで、長さ方向Ｌは、流水管１０の長さ方向である。

流体殺菌装置１は、液体の殺菌及び菌の繁殖の抑制を行うための装置であり、殺菌対象である水などの液体（被殺菌液体）を流すための、入水口１０ａ及び出水口１０ｂを有する流水管１０と、流水管１０の長さ方向Ｌの一端に設置され、長さ方向Ｌに沿って流水管１０内に紫外光を照射する光源１１と、流水管１０内に設置され、長さ方向Ｌに沿って流路を複数に分割する、板状部材から構成されるセパレーター１２と、を備える。

流体殺菌装置１においては、セパレーター１２により複数に分割された流水管１０内の流路が、入水口１０ａから出水口１０ｂまで連続的につながった１つの流路を形成している。また、セパレーター１２により複数に分割された流路の全ての径方向の断面積が、入水口１０ａの開口面積（入水口１０ａと流水管１０の本体をつなぐ開口部１０ｃの面積）の１倍以上、１０倍以下の範囲内にある。

流水管１０は、光源１１から発せられる紫外光に対する反射率の高いアルミニウムなどの材料からなること、またはこのような材料で内面がコーティングされていることが好ましい。流水管１０の形状は、特に限定されないが、典型的には、円筒形又は直方体である。

光源１１は、配線基板１１０に実装された複数の紫外光を発する発光素子１１１を有し、発光素子１１１は、典型的には、流水管１０の径方向の面に沿ってアレイ状などのパターンで配置される。また、複数の発光素子１１１は、流水管１０内に均一に紫外光を照射できるように、等間隔で配置されていることが好ましい。

発光素子１１１は、例えば、ＬＥＤチップ（Light Emitting Diode）又はＬＤチップ（Laser Diode）である。

発光素子１１１の発する紫外光は、例えば、ＵＶ−Ａと呼ばれる波長域（４００〜３１５ｎｍ）の紫外光、ＵＶ−Ｂと呼ばれる波長域（３１５〜２８０ｎｍ）の紫外光、ＵＶ−Ｃと呼ばれる波長域（２８０ｎｍ未満）の紫外光であり、このうち最も殺菌効果の高いＵＶ−Ｃであることが好ましい。

また、図２に示されるように、光源１１において、各々の発光素子１１１の側方がリフレクター１１２に囲まれ、発光素子１１１の光軸状に集光レンズ１１３が設けられていてもよい。リフレクター１１２は、光源１１から発せられる紫外光に対する反射率の高いアルミニウムなどの材料からなる。集光レンズ１１３は、流水管１０内に効率的に紫外光を照射するため、発光素子１１１から発せられる紫外光を平行光へ近づけることができる。

流水管１０内の被殺菌液体の流路と光源１１とは、壁板１３により隔てられており、光源１１側に被殺菌液体が侵入することはない。壁板１３は、光源１１から発せられる紫外光を透過する性質を有する、石英ガラスやフッ素樹脂等の樹脂材料からなる。

セパレーター１２は、１枚又は複数枚の板状部材から構成され、流水管１０内の流路を長さ方向Ｌに沿って複数に分割する。典型的には、１枚の板状部材と、その板状部材へ直角に交差する１、２、又は３枚の板状部材から構成されるセパレーター１２により、４、６、又は８つの流路に分割される。

図１、２に示される例では、セパレーター１２は、直交する２枚の板状部材から構成され、セパレーター１２によって流水管１０内の流路は４つの流路Ｆ１〜Ｆ４に分割されている。

上述のように、流体殺菌装置１においては、セパレーター１２によって分割された流路は連続的につながり、１つの流路を形成する。このため、セパレーター１２によって流路を分割することにより、流水管１０内の流路の距離を伸ばすことができ、それによって被殺菌液体に紫外光が照射される時間を増やし、効果的に殺菌等を行うことができる。

また、一般に、流路の径が大きくなるほど流体の流れは乱れるところ、流体殺菌装置１においては、セパレーター１２により複数に分割された流路の全ての径方向（長さ方向Ｌに直交する方向）の断面積が、入水口１０ａの開口面積の１倍以上、１０倍以下の範囲内にあるため、被殺菌液体の流れの乱れを抑えることができる。そのため、被殺菌液体内の紫外光の照射時間のばらつきを抑えることができる。

また、一般に、流路を流れる流体の流速は壁に近いほど摩擦抵抗により小さくなり、流路の中心における流速との差が大きくなるところ、セパレーター１２によって流路を分割することにより、流路の径が小さくなるため、流路内での被殺菌液体の流速差が小さくなる。このため、被殺菌液体内の紫外光の照射時間のばらつきが小さくなる。

セパレーター１２により複数に分割された流路をつなぐ被殺菌液体の通り道である開口部１４は、セパレーター１２に設けられた穴、またはセパレーター１２の縁と流水管１０の壁面で構成される開口部である。開口部１４がセパレーター１２に設けられた穴である場合、流路の長さ方向Ｌの端部と開口部１４との長さ方向Ｌの距離は、例えば、零以上、流路の長さ方向Ｌの長さの１／１０以下の範囲内にある。

開口部１４の開口形状は、輪郭の一部が中心に向かって放物線状に窪んだ形状であることが好ましい。この場合、開口部１４の開口形状が窪みを含まない場合と比較して、開口部１４を抜けた被殺菌液体の次の流路の壁面近くに流れ込む部分の流速に対する中心近くに流れ込む部分の流速が低減する。

通常の状態では、流路の中心近くの流速が壁面近くの流速より大きくなるため、開口部１４の開口形状を輪郭の一部が中心に向かって放物線状に窪んだ形状とすることによって、開口部１４の先の流路内の被殺菌液体の流路の中心近くの流速と壁面近くの流速の差を相殺することができる。それによって、被殺菌液体内の紫外光の照射時間のばらつきを小さくすることができる。

図３は、開口部１４がセパレーター１２の縁と流水管１０の壁面で構成される場合の例を示す流体殺菌装置１の水平断面図である。図３に示される例では、セパレーター１２の隣接する２つの流路の間に位置する部分の一端が放物線状に湾曲している。このため、開口部１４の開口形状が、四角形の一辺が中心に向かって放物線状に窪んだような形状になっており、開口部１４の先の流路内の被殺菌液体の速度差を低減することができる。

図４（ａ）は、開口部１４がセパレーター１２に設けられた穴で構成される場合の例を示す流体殺菌装置１の水平断面図である。図４（ｂ）、（ｃ）は、この場合の開口部１４の開口形状の例を示す。図４（ｂ）、（ｃ）に示される開口部１４の開口形状は、円形の輪郭の２箇所又は４箇所が中心に向かって放物線状に窪んだような形状になっており、開口部１４の先の流路内の被殺菌液体の速度差を低減することができる。

また、図４（ａ）では、断面に含まれない入水口１０ａと流水管１０の本体をつなぐ開口部１０ｃの水平方向の位置を点線で示しているが、この点線で示されるように、入水口１０ａの開口形状（開口部１０ｃの形状）が、開口部１４の開口形状と同様に、輪郭の一部が中心に向かって放物線状に窪んだ形状であってもよい。この場合、入水口１０ａの先の流路（最初の流路）内の被殺菌液体の速度差を低減することができる。

また、開口部１４の開口面積を入水口１０ａの開口面積よりも大きくすることにより、流水管１０内の内圧を低減することができる。これにより、流水管１０の設計強度を下げることができるため、流体殺菌装置１の軽量化を図ることができる。

図５は、セパレーター１２により分割された流路の各々の内部に、長さ方向Ｌに沿って流路を分割する分割板１５が設置された流体殺菌装置１の水平断面図である。分割板１５は、図５に示されるように、流路の幅方向の中央に設置されることが好ましい。分割板１５を設置することにより、流路の中心の被殺菌液体の流速を下げて流路内の速度差を低減することができ、また、流れの乱れを低減して整流に近付けることができる。そのため、被殺菌液体内の紫外光の照射時間のばらつきを小さくすることができる。

図６は、長さ方向Ｌに直交する方向のセパレーター１２の断面図である。図６に示されるように、セパレーター１２が２枚以上の板状部材から構成される場合には、板状部材の交差部分に長さ方向Ｌに沿って形成される角１２ａに、角１２ａを埋める部材１６が設けられることが好ましい。部材１６を設けることにより、被殺菌液体に含まれる微細な異物（例えば、流体殺菌装置１の手前に設置されたフィルターで除去しきれなかった異物）が角１２ａに堆積することを抑制できる。

微細な異物の体積をより効果的に抑えるため、図６に示されるように、部材１６の流路側に露出する面１６ａが、角１２ａに向かって湾曲する曲面であることが好ましい。この曲面の曲率半径は、例えば、１ｍｍ以上に設定される。

図７は、入水口１０ａ及び出水口１０ｂが長さ方向Ｌに平行に設置された流体殺菌装置１の斜視図である。この場合、入水口１０ａ及び出水口１０ｂ内の流路の方向が、流水管１０内の流路の方向と一致するため、流水管１０内の被殺菌液体の流れの乱れを低減して整流に近付けることができる。そのため、被殺菌液体内の紫外光の照射時間のばらつきを小さくすることができる。

図８（ａ）、（ｂ）は、光源１１の変形例である光源１１ａの構成を示す斜視図及び断面図である。光源１１ａは、紫外光を発する発光素子１１１と、少なくとも光取出し側の面において発光素子１１１から発せられる光を透過する、発光素子１１１を収容した密閉可能な容器１１３と、容器１１３に収容され、発光素子１１１が浸漬された冷却液１１４と、を備える。

発光素子１１１は、配線基板１１０に実装された状態で容器１１３に収容される。

冷却液１１４は、電気絶縁性を有し、発光素子１１１に対して不活性であり、発光素子１１１から発せられる光を透過し、空気の熱伝導率（０．０２４１Ｗ／（ｍ・Ｋ））よりも高い熱伝導率を有するという性質を有する。このような性質を有する冷却液１１４として、例えば、フッ素系不活性液体やシリコーンオイルを用いることができる。

シリコーンオイル、パーフルオロポリエーテルフッ素系不活性液体（例えば、ソルベイ社製のガルデン（登録商標））は、ＵＶ−Ａ、ＵＶ−Ｂ紫外光を透過する。また、パーフルオロカーボン（PFC）構造を有するフッ素系不活性液体（例えば、３Ｍ社製のフロリナート（登録商標））は、ＵＶ−Ｃ紫外光も透過する。このため、光源としてＵＶ−Ｃ紫外光を発する発光素子１１１を用いる場合には、パーフルオロカーボン構造を有するフッ素系不活性液体を冷却液１１４の材料として用いることができる。

冷却液１１４は、発光素子１１１に直接接しており、発光素子１１１の熱を効率的に冷却液１１４に逃がすことができる。一方で、冷却液１１４は電気絶縁性を有するため、発光素子１１１に短絡を生じさせるおそれがない。また、冷却液１１４は、発光素子１１１や配線基板１１０などの容器１１３に収容される部材に対して不活性であるため、発光素子１１１などに腐食等の損傷を与えるおそれがない。このため、発光素子１１１にはガラス封止等による防水設計は不要である。ただし、発光素子１１１をガラス封止してもよい。

冷却液１１４を用いることにより、ヒートシンク等の大型の放熱用部材を用いずに効果的に発光素子１１１の冷却ができるため、流体殺菌装置１を小型化することができる。また、冷却液１１４は、ガスバリアとしての機能も有するので、発光素子１１１や配線基板１１０の外気による腐食等の損傷を防ぐことができる。

発光素子１１１の冷却効果をより高めるため、冷却液１１４は、冷却液１１４よりも熱伝導率が高く、電気絶縁性を有し、発光素子１１１に対して不活性な分散剤を含んでもよい。このような分散剤としては、ガラスビーズ、ナノシリカ等を用いることができる。分散剤は、発光素子１１１から発せられる光を透過することが好ましい。また、発光素子の発する光の波長よりも短い直径を有する分散剤は、発光素子１１１の発する光を反射しないため、好ましい。

なお、分散剤を用いることにより、容器１１３中の冷却液１１４の量が減るため、容器１１３に後述する蓋１１６をしたときの圧力変化による、冷却液１１４の変位量を減らすことができる。

容器１１３は、流水管１０の反対側に開口部を有し、その開口部がねじにより開閉可能な蓋（スクリューキャップ）などの開閉可能な蓋１１６で密閉された構造を有することが好ましい。開閉可能な蓋１１６を用いることにより、例えば、容器１１３内の冷却液１１４が揮発により減少した際に、開口部から冷却液１１４を補充することができる。

また、容器１１３は、図８（ｂ）に示されるように、環状のシール部材１１７を用いて密閉されてもよい。シール部材１１７は、例えば、Ｏリングやパッキンであり、シール部材１１７を容器１１３と蓋１１６で挟み込んで適度に圧縮することにより、シール機能を発揮する。

図８に示される例では、蓋１１６の内側の面上に配線基板１１０が設置されている。また、図示しないが、蓋１１６には、配線基板１１０を介して発光素子１１１に電源を供給するための電源線が貫通している。

また、容器１１３は、側面に形成されたネジなどにより、流水管１０に固定される。光源１１ａにおいては、容器１１３が発光素子１１１から発せられる光を透過する壁板１３として機能する。

（実施の形態の効果）
上記実施の形態によれば、被殺菌液体内の紫外光の照射時間のばらつきを低減することにより、被殺菌液体の全体を十分かつ効率的に殺菌することのできる流体殺菌装置を提供することができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。また、発明の主旨を逸脱しない範囲内において上記実施の形態の構成要素を任意に組み合わせることができる。

また、上記の実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１流体殺菌装置
１０流水管
１０ａ入水口
１０ｂ出水口
１１、１１ａ光源
１２セパレーター
１４開口部
１５分割板
１６部材
１１１発光素子
１１３容器
１１４冷却液

Claims

入水口及び出水口を有する流水管と、
前記流水管の長さ方向の一端に設置され、前記長さ方向に沿って前記流水管内に紫外光を照射する光源と、
前記流水管内に設置され、前記長さ方向に沿って流路を複数に分割する、板状部材から構成されるセパレーターと、
を備え、
前記入水口の開口形状が、輪郭の一部が中心に向かって放物線状に窪んだ形状であり、
前記セパレーターにより複数に分割された流路が、前記入水口から前記出水口まで連続的につながった１つの流路を形成し、前記セパレーターにより複数に分割された流路の全ての径方向の断面積が、前記入水口の開口面積の1倍以上、１０倍以下の範囲内にある、
流体殺菌装置。
前記セパレーターにより複数に分割された流路をつなぐ開口部の開口面積が、前記入水口の開口面積よりも大きい、
請求項１に記載の流体殺菌装置。
前記セパレーターにより複数に分割された流路の各々の内部に、前記長さ方向に沿って流路を分割する分割板を備える、
請求項１又は２に記載の流体殺菌装置。
前記入水口及び前記出水口が前記長さ方向に平行に設置された、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の流体殺菌装置。
前記光源が、紫外光を発する発光素子と、少なくとも前記発光素子と対向する面を、前記発光素子から発せられる光を透過する光取り出し領域として有する、前記発光素子を収容した密閉可能な容器と、前記発光素子が浸漬されるように前記容器に収容され、電気絶縁性を有し、前記発光素子に対して不活性であって、空気よりも熱伝導率が高い、フッ素系不活性液体よりなる冷却液と、を備えた、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の流体殺菌装置。
前記紫外光が、ＵＶ−Ｃである、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の流体殺菌装置。
入水口及び出水口を有する流水管と、
前記流水管の長さ方向の一端に設置され、前記長さ方向に沿って前記流水管内に紫外光を照射する光源と、
前記流水管内に設置され、前記長さ方向に沿って流路を複数に分割する、板状部材から構成されるセパレーターと、
を備え、
前記セパレーターにより複数に分割された流路が、前記入水口から前記出水口まで連続的につながった１つの流路を形成し、前記セパレーターにより複数に分割された流路の全ての径方向の断面積が、前記入水口の開口面積の1倍以上、１０倍以下の範囲内にあり、前記セパレーターにより複数に分割された流路をつなぐ開口部の開口形状が、輪郭の一部が中心に向かって放物線状に窪んだ形状である、
流体殺菌装置。
前記セパレーターにより複数に分割された流路をつなぐ開口部の開口面積が、前記入水口の開口面積よりも大きい、
請求項７に記載の流体殺菌装置。
前記セパレーターにより複数に分割された流路の各々の内部に、前記長さ方向に沿って流路を分割する分割板を備える、
請求項７又は８に記載の流体殺菌装置。
前記入水口及び前記出水口が前記長さ方向に平行に設置された、
請求項７〜９のいずれか１項に記載の流体殺菌装置。
前記光源が、紫外光を発する発光素子と、少なくとも前記発光素子と対向する面を、前記発光素子から発せられる光を透過する光取り出し領域として有する、前記発光素子を収容した密閉可能な容器と、前記発光素子が浸漬されるように前記容器に収容され、電気絶縁性を有し、前記発光素子に対して不活性であって、空気よりも熱伝導率が高い、フッ素系不活性液体よりなる冷却液と、を備えた、
請求項７〜１０のいずれか１項に記載の流体殺菌装置。
前記紫外光が、ＵＶ−Ｃである、
請求項７〜１１のいずれか１項に記載の流体殺菌装置。