JP7486997B2 - 紫外線照射装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、紫外線照射装置、および光学モニタに関する。

従来、処理水に紫外線を照射することで殺菌、消毒および脱色処理などを行う紫外線照射装置が知られている。紫外線照射装置には、処理水の水質の変動を監視するための光学モニタが設けられることがある。光学モニタは、たとえば、密閉可能な空間を内部に構成する筐体と、監視対象（処理水）からの光を密閉可能な空間内に通過させるように筐体に設けられた窓と、当該窓を通過した光を検出するように筐体に設けられたセンサと、を備えている。

特開２００６－１５３７３９号公報 特開２００１－６６２４４号公報 特開平９－２８１１００号公報

上記のような光学モニタにおいては、監視対象と筐体内の空間との温度差により、結露が発生することがある。たとえば、紫外線照射装置に用いられる光学モニタにおいて、監視対象である処理水は、外気よりも温度が低いので、窓に結露が発生しやすい。窓に結露が発生すると、センサが光を正しく検出できなくなるので、光学モニタの性能が低下する。

そこで、実施形態の課題の一つは、結露に起因する光学モニタの性能の低下を抑制することが可能な紫外線照射装置、および光学モニタを提供することである。

実施形態の紫外線照射装置は、処理槽と、紫外線照射部材と、光学モニタと、を備える。処理槽には、処理水が導入される。紫外線照射部材は、処理槽の内部に設けられ、処理槽に導入された処理水に対して紫外線を照射する。光学モニタは、処理槽に導入された処理水の水質の変動を監視する。光学モニタは、筐体と、窓と、センサと、露点降下構造と、を含む。筐体は、処理槽の内側に挿入される挿入部と、処理槽の外側に露出する露出部と、を有している。筐体の内部には、密閉可能な空間が設けられている。窓は、紫外線照射部材からの紫外線を密閉可能な空間内に通過させるように挿入部に設けられている。センサは、窓を通過した紫外線を検出するように露出部に設けられている。露点降下構造は、密閉可能な空間内の空気の露点を処理水の温度以下に降下させるように露出部に設けられ、密閉可能な空間を冷却することで密閉可能な空間内の空気の露点を処理水の温度以下に降下させる冷却ブロックを含む。

図１は、第１実施形態にかかる紫外線照射装置を用いた水処理システムによる被処理水の処理手順の概要を示した模式的な図である。 図２は、第１実施形態にかかる紫外線照射装置の外観を示した模式的な斜視図である。 図３は、第１実施形態にかかる紫外線照射装置の模式的な第１の断面図である。 図４は、第１実施形態にかかる紫外線照射装置の模式的な第２の断面図である。 図５は、第１実施形態にかかる光学モニタの模式的な断面図である。 図６は、第２実施形態にかかる光学モニタの模式的な断面図である。 図７は、第３実施形態にかかる光学モニタの模式的な断面図である。

以下、本開示のいくつかの実施形態および変形例を図面に基づいて説明する。以下に記載する実施形態および変形例の構成、ならびに当該構成によってもたらされる作用および効果は、あくまで一例であって、以下の記載内容に限られるものではない。

＜実施形態＞
図１は、第１実施形態にかかる紫外線照射装置１００（図２など参照）を用いた水処理システムによる被処理水の処理手順の概要を示した模式的な図である。

図１に示されるように、第１実施形態にかかる水処理システムでは、まず、Ｓ１の取水工程において、川、伏流水、湖または地下水などから、原水が取水される。そして、Ｓ２の凝集沈殿工程において、Ｓ１で取水された原水が凝集沈殿槽に導入され、導入された原水に凝集剤が添加される。そして、Ｓ３の活性炭濾過工程において、Ｓ２の凝集沈殿工程を経た原水のうちの上澄み水が抽出され、活性炭濾過槽に送られて、上澄み水から異物が濾過される。

そして、Ｓ４のＵＶ消毒工程において、Ｓ３の活性炭濾過工程を経た水（以下、処理水Ｗと表現する）が紫外線照射装置１００に送られて、紫外線（ＵＶ：Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ）による殺菌、消毒および脱色処理などが行われる。そして、Ｓ５の塩素注入工程において、Ｓ４のＵＶ消毒工程を経た処理水Ｗが塩素注入槽に送られ、処理水Ｗに塩素が注入される。そして、Ｓ６の配水工程において、Ｓ５の塩素注入工程を経た処理水Ｗが一般家庭および事業所などに配水される。

以下、図２～図４を参照して、Ｓ４のＵＶ消毒工程において用いられる紫外線照射装置１００の構造についてより具体的に説明する。

図２は、第１実施形態にかかる紫外線照射装置１００の外観を示した模式的な斜視図である。

図２に示されるように、紫外線照射装置１００は、処理対象の処理水Ｗ（図３および図４も参照）を一時的に貯めるための処理槽（反応槽、リアクタ）１０を備えている。処理槽１０は、処理水Ｗを矢印Ａ２０１方向から受け入れる給水口２１と、処理水Ｗを矢印Ａ２０２方向に排出する排出口２２と、を含んでいる。また、処理槽１０は、円筒形状を有している。以下では、処理水Ｗの流れに沿った方向をＸ方向、円筒形状の処理槽１０が延びる方向をＹ方向、Ｘ方向およびＹ方向に直交する方向をＺ方向として説明する。

処理槽１０のＹ方向の両端には、遮光機能、感電防止機能、電磁シールド機能、および結露抑制機能などを有するカバー部材２０および３０が取り付けられている（下記の図３も参照）。また、処理槽１０には、処理槽１０内の処理水の水質の変動を監視する光学モニタ５０が設けられている（下記の図４も参照）。

図３は、第１実施形態にかかる紫外線照射装置１００の模式的な第１の断面図である。より具体的には、図３は、図２に示された紫外線照射装置１００をＹ－Ｚ平面に沿って切断した状態を示した図である。
図４は、第１実施形態にかかる紫外線照射装置１００の模式的な第２の断面図である。より具体的には、図４は、図２に示された紫外線照射装置１００をＸ－Ｚ平面に沿って切断した状態を示した図である。

図３および図４に示されるように、紫外線照射装置１００は、処理槽１０に導入された処理水Ｗに対して紫外線を照射する複数（図示の例では４つ）の紫外線照射部材６０を備えている。各紫外線照射部材６０は、紫外線を照射する紫外線ランプ６１と、当該紫外線ランプ６１を覆う管状の保護管６２と、を含んでいる。

図３に示されるように、保護管６２は、Ｙ方向に沿って延びている。保護管６２の一端（図３の紙面左側の端部）は、処理槽１０とカバー部材２０との間で処理槽１０を塞ぐように設けられた蓋４０の外側に突出しており、保護管６２の他端（図３の紙面右側の端部）は、処理槽１０の外側に突出している。なお、保護管６２は、紫外線を透過する透明な誘電体により構成されている。

また、図３に示されるように、紫外線ランプ６１も、保護管６２の内側でＹ方向に延びている。紫外線ランプ６１のＹ方向の両端部は、配線７０を介して、処理槽１０の外部に設けられた電子安定器８０に接続されている。なお、電子安定器８０は、紫外線ランプ６１に電力を供給するとともに放電の安定性を維持する機器である。

また、図４に示されるように、紫外線照射部材６０は、互いに離間するように配置されている。たとえば、紫外線照射部材６０は、Ｙ方向の視点で矩形の頂点をなすように配置されている。

ここで、図４に示されるように、光学モニタ５０は、紫外線照射部材６０と１対１で対応するように複数（図示の例では４つ）設けられている。つまり、光学モニタ５０は、対応する紫外線照射部材６０以外の他の紫外線照射部材６０からの紫外線の影響を受けないように設けられている。

より具体的に、図４の紙面左上の光学モニタ５０は、図４の紙面右上の紫外線照射部材６０からの紫外線のみをモニタリング可能な位置および姿勢で設けられている。図４の紙面右上の光学モニタ５０は、図４の紙面左上の紫外線照射部材６０からの紫外線のみをモニタリング可能な位置および姿勢で設けられている。また、図４の紙面左下の光学モニタ５０は、図４の紙面右下の紫外線照射部材６０からの紫外線のみをモニタリング可能な位置および姿勢で設けられている。図４の紙面右下の光学モニタ５０は、図４の紙面左下の紫外線照射部材６０からの紫外線のみをモニタリング可能な位置および姿勢で設けられている。

また、光学モニタ５０は、筐体５１と、キャップ５２と、露点降下構造５３と、を含んでいる。筐体５１は、処理槽１０の内側に挿入される挿入部５１ａと、処理槽１０の外側に露出する露出部５１ｂと、を含んでいる。光学モニタ５０の各部のより具体的な構造は、次の図５に示される通りである。

図５は、第１実施形態にかかる光学モニタ５０の模式的な断面図である。

図５に示されるように、筐体５１の内部には、密閉可能な空間Ｓが設けられる。筐体５１には、紫外線照射部材６０からの紫外線（破線の矢印参照）を空間Ｓ内に通過させる窓５０１と、当該窓５０１を通過した紫外線を検出するセンサ５０２と、が設けられている。

窓５０１は、たとえば石英ガラスまたはＰＦＡ（ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂
）などのような透明材料により構成される。窓５０１は、筐体５１の挿入部５１ａにおける紫外線照射部材６０側の端部、つまり挿入部５１ａの端部に設けられる。

また、センサ５０２は、たとえばＯ／Ｅ（Ｏｐｔｉｃａｌ／Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ）変換器により構成される。センサ５０２は、筐体５１の露出部５１ｂにおける紫外線照射部材６０とは反対側の端部に設けられる。センサ５０２は、フランジ５０２ａを有しており、当該フランジ５０２ａが筐体５１の露出部５１ｂにおける紫外線照射部材６０とは反対側の端部とキャップ５２とに挟み込まれることで、センサ５０２が固定されている。なお、筐体５１の露出部５１ｂにおける紫外線照射部材６０とは反対側の端部の外周面と、当該外周面に接するキャップ５２の内周面とは、互いに螺合するネジ部５１１および５２１によって固定されている。

ところで、上記のような光学モニタ５０において、監視対象である処理水は、外気よりも温度が低いので、窓５０１に結露が発生しやすい。窓５０１に結露が発生すると、センサ５０２が紫外線を正しく検出できなくなるので、光学モニタ５０の性能が低下する。

そこで、第１実施形態では、空間Ｓ内の空気の露点を処理水Ｗの温度よりも降下させる露点降下構造５３が筐体５１の露出部５１ｂに設けられている。これにより、第１実施形態では、窓５０１の結露が抑制され、結果として、光学モニタ５０の性能の低下が抑制される。

第１実施形態において、露点降下構造５３は、空間Ｓを冷却することで空間Ｓ内の空気の露点を処理水Ｗの温度以下に降下させる冷却ブロックとして構成されている。より具体的に、露点降下構造５３は、空間Ｓ内の熱を筐体５１外の液体に移動させることで空間Ｓを冷却する液冷ブロックとして構成されている。

より詳細に、露点降下構造５３は、ヒートシンク５３１と、流路構成部５３２と、吸熱素子５３３と、を備えている。

ヒートシンク５３１は、金属のプレートとして構成されている。ヒートシンク５３１は、空間Ｓの内側に突出するように設けられている。

流路構成部５３２は、冷却液の流路を構成する。当該流路は、冷却液を矢印Ａ５０１に沿って受け入れる配管としての流入管５３４と、冷却液を矢印Ａ５０２に沿って排出する配管としての流出管５３５と、に接続される。

吸熱素子５３３は、ヒートシンク５３１と流路構成部５３２との間に挟まれている。吸熱素子５３３は、たとえばペルチェ素子により構成されている。

このような構成により、空間Ｓ内の熱は、ヒートシンク５３１および吸熱素子５３３を介して、流路構成部５３２内の流路を流れる冷却液に吸収される。その結果、空間Ｓ内の空気の露点が処理水Ｗの温度以下に保たれる。

以上説明したように、第１実施形態にかかる紫外線照射装置１００は、処理槽１０と、紫外線照射部材６０と、光学モニタ５０と、を備えている。処理槽１０には、処理水Ｗが導入される。紫外線照射部材６０は、処理槽１０の内部に設けられ、処理槽１０に導入された処理水Ｗに対して紫外線を照射する。光学モニタ５０は、処理槽１０に導入された処理水Ｗの水質の変動を監視する。

ここで、第１実施形態において、光学モニタ５０は、筐体５１と、窓５０１と、センサ５０２と、露点降下構造５３と、を含んでいる。筐体５１は、処理槽１０の内側に挿入される挿入部５１ａと、処理槽１０の外側に露出する露出部５１ｂと、を有している。筐体５１の内部には、密閉可能な空間Ｓが設けられている。窓５０１は、紫外線照射部材６０からの紫外線を密閉可能な空間Ｓ内に通過させるように挿入部５１ａに設けられている。センサ５０２は、窓５０１を通過した紫外線を検出するように露出部５２ｂに設けられている。露点降下構造５３は、密閉可能な空間Ｓ内の空気の露点を処理水Ｗの温度以下に降下させるように露出部５１ｂに設けられている。

上記のような構成によれば、露点降下構造５３により、空間Ｓ内の空気の露点を処理水Ｗの温度以下に降下させることができる。これにより、窓５０１に結露が発生するのを抑制し、センサ５０２が紫外線を正しく検出できなくなるのを抑制することができるので、光学モニタ５０の性能が低下するのを抑制することができる。

なお、第１実施形態において、露点降下構造５３は、密閉可能な空間Ｓを冷却することで密閉可能な空間Ｓ内の空気の露点を処理水Ｗの温度以下に降下させる冷却ブロック、より具体的には、空間Ｓ内の熱を筐体５１外の液体（冷却液）に移動させることで空間Ｓを冷却する液冷ブロックとして構成されている。このような構成によれば、空間Ｓ内の空気の露点を処理水Ｗの温度以下に降下させることを容易に実現することができる。

＜第２実施形態＞
上述した第１実施形態では、窓５０１の結露を抑制するために、液冷ブロックとして構成された露点降下構造５３により空間Ｓを冷却する構成が例示されている。しかしながら、空間Ｓの冷却方法は、液冷に限られるものではない。たとえば、第２実施形態として、次の図６に示されるような、空冷ブロックとして構成された露点降下構造２５３により空間Ｓを冷却する構成が考えられる。

図６は、第２実施形態にかかる光学モニタ２５０の模式的な断面図である。なお、以下では、第２実施形態と第１実施形態とで共通する構成については適宜説明を省略する。

図６に示されるように、第２実施形態にかかる露点降下構造２５３は、空間Ｓを冷却する冷却ブロックとして構成されているという点で、第１実施形態と共通している。しかしながら、第２実施形態にかかる露点降下構造２５３は、第１実施形態のような液冷ブロックではなく、空間Ｓ内の熱を筐体５１外の空気に移動させることで空間Ｓを冷却する空冷ブロックとして構成されている。

より具体的に、露点降下構造２５３は、空気の流れを作るファン６０１と、筐体５１の外に露出するように設けられたヒートシンク６１０と、を備えている。

ヒートシンク６１０は、金属のプレート６１１と、当該プレート６１１の表面に一体的に設けられたフィン６１２と、を有している。ヒートシンク６１０は、吸熱素子５３３に対してヒートシンク５３１とは反対側に配置されている。つまり、吸熱素子５３３は、ヒートシンク５３１とプレート６１１との間に挟まれている。

上記のような構成により、空間Ｓ内の熱は、ヒートシンク５３１、吸熱素子５３３、およびヒートシンク６１０へと移動し、ヒートシンク６１０の熱は、ファン６０１により作り出された空気の流れに沿って筐体５１外に排出される。

以上説明したように、第２実施形態において、露点降下構造２５３は、密閉可能な空間Ｓ内の熱を筐体５１外の空気に移動させることで空間Ｓを冷却する液冷ブロックとして構成されている。このような構成によっても、上述した第１実施形態と同様に、空間Ｓ内の空気の露点を処理水Ｗの温度以下に降下させることを容易に実現することができる。

＜第３実施形態＞
上述した第１および第２実施形態では、空間Ｓを冷却することで空間Ｓ内の空気の露点を処理水Ｗの温度以下に降下させる構成が例示されている。しかしながら、空間Ｓを冷却する以外の方法でも、空間Ｓ内の空気の露点を降下させることは可能である。たとえば、第３実施形態として、次の図７に示されるような、空間Ｓ内に乾燥した空気を流し続けることで空間Ｓ内の露点を降下させる構成が考えられる。

図７は、第３実施形態にかかる光学モニタ３５０の模式的な断面図である。なお、以下では、第３実施形態と第１実施形態（または第２実施形態）とで共通する構成については適宜説明を省略する。

図７に示されるように、第３実施形態では、挿入部３５１ａおよび露出部３５１ｂを備えた筐体３５１に設けられた吸気口８０１および排気口８０２が、露点降下構造８００に該当する。

吸気口８０１は、空間Ｓ内に乾燥した空気を矢印Ａ８０１方向から受け入れる。乾燥した空気としては、たとえば除湿された圧縮空気などが用いられる。排気口８０２は、空間Ｓ内から空気を矢印Ａ８０２方向に排出する。これにより、空間Ｓが常に乾燥した空気で満たされるので、空間Ｓ内の空気の露点が処理水Ｗの温度以下に保たれる。

以上説明したように、第３実施形態において、露点降下構造８００は、密閉可能な空間Ｓ内に乾燥した空気を受け入れる吸気口８０１と、密閉可能な空間Ｓ内から空気を排出する排気口８０２と、を含んでいる。このような構成によっても、上述した第１および第２実施形態と同様に、空間Ｓ内の空気の露点を処理水Ｗの温度以下に降下させることを容易に実現することができる。

＜変形例＞
なお、上述した第１～第３実施形態の構成は、任意に組み合わせることが可能である。つまり、本開示の技術は、液冷と空冷とを組み合わせた構成と、液冷と乾燥した空気とを組み合わせた構成と、空冷と乾燥した空気とを組み合わせた構成と、液冷と空冷と乾燥した空気とを組み合わせた構成と、のいずれも含んでいる。

また、上述した第１および第２実施形態におけるヒートシンク３５２および吸熱素子５３３は、必須の構成ではない。つまり、液冷または空冷を用いれば、ヒートシンク３５２および吸熱素子５３３が設けられていなくても、筐体５１内の空間Ｓ内の空気の露点を降下させることは可能である。

また、上述した第１～第３実施形態とは異なるさらに別の露点降下構造として、筐体内に設けられる密閉可能な空間に対する脱気を実行することで当該空間内を実質的に真空に保つ構造も考えられる。このような構造によっても、密閉可能な空間内の空気の露点を降下させることができる。

また、本開示の技術は、紫外線照射部材からの紫外線量をモニタリングする光学モニタのみならず、画像などを用いて監視対象をモニタリングする一般的な光学モニタにも利用することができる。つまり、本開示の技術は、下記のような構成も想定している。
「内部に密閉可能な空間が設けられる筐体と、
監視対象からの光を前記密閉可能な空間内に通過させるように前記筐体に設けられた窓と、
前記窓を通過した前記光を検出するように前記筐体に設けられたセンサと、
前記密閉可能な空間内の空気の露点を前記監視対象の温度以下に降下させるように前記筐体に設けられた露点降下構造と、
を備えた、光学モニタ。」

以上、本発明の実施形態および変形例を説明したが、上述した実施形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。上述した新規な実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。上述した実施形態および変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０ 処理槽
５０、２５０、３５０ 光学モニタ
５１ 筐体
５１ａ 挿入部
５２ｂ 露出部
５３ 露点降下構造（冷却ブロック、液冷ブロック）
２５３ 露点降下構造（冷却ブロック、空冷ブロック）
５３３ 吸熱素子
６０ 紫外線照射部材
５０１ 窓
５０２ センサ
６１０ ヒートシンク
６１１ プレート
６１２ フィン
８００ 露点降下構造
８０１ 吸気口
８０２ 排気口

Claims (7)

1. 処理水が導入される処理槽と、
   前記処理槽の内部に設けられ、前記処理槽に導入された前記処理水に対して紫外線を照射する紫外線照射部材と、
   前記処理槽に導入された前記処理水の水質の変動を監視する光学モニタと、
   を備え、
   前記光学モニタは、
   前記処理槽の内側に挿入される挿入部と、前記処理槽の外側に露出する露出部と、を有し、内部に密閉可能な空間が設けられる筐体と、
   前記紫外線照射部材からの前記紫外線を前記密閉可能な空間内に通過させるように前記挿入部に設けられた窓と、
   前記窓を通過した前記紫外線を検出するように前記露出部に設けられたセンサと、
   前記密閉可能な空間内の空気の露点を前記処理水の温度以下に降下させるように前記露出部に設けられ、前記密閉可能な空間を冷却することで前記密閉可能な空間内の空気の露点を前記処理水の温度以下に降下させる冷却ブロックを含む露点降下構造と、
   を含む、紫外線照射装置。
2. 前記冷却ブロックは、前記密閉可能な空間内の熱を前記筐体外の液体に移動させることで前記密閉可能な空間を冷却する液冷ブロックを含む、
   請求項１に記載の紫外線照射装置。
3. 前記冷却ブロックは、前記密閉可能な空間内の熱を前記筐体外の空気に移動させることで前記密閉可能な空間を冷却する空冷ブロックを含む、
   請求項１に記載の紫外線照射装置。
4. 前記冷却ブロックは、プレートと、当該プレートの表面に設けられたフィンと、を有するヒートシンクを含む、
   請求項１に記載の紫外線照射装置。
5. 前記冷却ブロックは、前記密閉可能な空間内の熱を吸収し前記筐体外に放出する吸熱素子を含む、
   請求項１に記載の紫外線照射装置。
6. 処理水が導入される処理槽と、
   前記処理槽の内部に設けられ、前記処理槽に導入された前記処理水に対して紫外線を照射する紫外線照射部材と、
   前記処理槽に導入された前記処理水の水質の変動を監視する光学モニタと、
   を備え、
   前記光学モニタは、
   前記処理槽の内側に挿入される挿入部と、前記処理槽の外側に露出する露出部と、を有し、内部に密閉可能な空間が設けられる筐体と、
   前記紫外線照射部材からの前記紫外線を前記密閉可能な空間内に通過させるように前記挿入部に設けられた窓と、
   前記窓を通過した前記紫外線を検出するように前記露出部に設けられたセンサと、
   前記密閉可能な空間内の空気の露点を前記処理水の温度以下に降下させるように前記露出部に設けられ、前記密閉可能な空間内に乾燥した空気を受け入れる吸気口と、前記密閉可能な空間内から空気を排出する排気口とを含む露点降下構造と、
   を含む、紫外線照射装置。
7. 処理水が導入される処理槽と、
   前記処理槽の内部に配置され、前記処理槽に導入された処理水に対して紫外線を照射する複数の紫外線ランプと、
   前記処理槽内に一部が設置され、それぞれが前記複数の紫外線ランプの一つが照射する紫外線を検出するための複数の光学モニタと、
   を備え、
   前記複数の光学モニタのそれぞれは、
   前記一つの紫外線ランプに対向する側に設けられ、当該一つの紫外線ランプからの紫外線を内部空間に通過させるための窓と、
   前記窓を通過した前記紫外線を検出するセンサと、
   前記内部空間を冷却することで当該内部空間の空気の露点を前記処理水の温度以下に降下させるための露点降下構造と、
   を含む、
   紫外線照射装置。

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