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WO2019064864A1 - 紫外線殺菌装置および紫外線照射装置 - Google Patents

紫外線殺菌装置および紫外線照射装置 Download PDF

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WO2019064864A1
WO2019064864A1 PCT/JP2018/027832 JP2018027832W WO2019064864A1 WO 2019064864 A1 WO2019064864 A1 WO 2019064864A1 JP 2018027832 W JP2018027832 W JP 2018027832W WO 2019064864 A1 WO2019064864 A1 WO 2019064864A1
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WO
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light
light emitting
ultraviolet
emitting element
processing flow
Prior art date
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PCT/JP2018/027832
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French (fr)
Inventor
中村　真人
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Enplas Corp
Original Assignee
Enplas Corp
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Publication date
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    • C02F2201/322—Lamp arrangement
    • C02F2201/3228—Units having reflectors, e.g. coatings, baffles, plates, mirrors

Definitions

  • the present invention relates to an ultraviolet sterilizer and an ultraviolet irradiator.
  • Patent Document 1 describes a fluid sterilizing apparatus for sterilizing a liquid flowing in the flow path by irradiating the flow path extending in the axial direction with ultraviolet light in the axial direction.
  • the fluid sterilization apparatus described in Patent Document 1 is provided in the vicinity of one end of a flow path pipe that divides a processing flow path extending in the axial direction, and one of the flow path pipes, and the processing flow path And a wide orientation angle light emitting element (LED light source) for emitting ultraviolet light in the axial direction from the one end toward the light emitting diode.
  • LED light source a wide orientation angle light emitting element
  • the ultraviolet light irradiated at a wide angle from the light source propagates in the longitudinal direction (axial direction) of the processing channel while being reflected by the inner surface of the channel tube, and sterilizes the fluid in the processing channel.
  • Patent Document 1 it is preferable to arrange a light emitting element with a wide orientation angle where the directional angle half width is about 120 ° so that all the ultraviolet light within the range of the directional angle half width is incident inside the processing channel. It is assumed.
  • the light emitted from the light emitting element with a wide orientation angle spreads in a wider range as the distance from the light emitting surface increases, so the illuminance distribution tends to be uniform as the distance from the light source increases, and the illuminance decreases.
  • Cheap Therefore, in the fluid sterilization device described in Patent Document 1, high illuminance can be obtained even in the center of the processing flow channel in the vicinity of the light emitting element, but the illuminance at the center of the processing flow channel is increased when it is separated from the light emitting element. As a result, it is difficult to process with high illuminance or long time in the whole processing channel as a result, and it is difficult to sufficiently enhance the sterilizing effect.
  • the present invention is an ultraviolet sterilizer that sterilizes the fluid by irradiating the fluid flowing inside the treatment channel with ultraviolet rays from the light emitting element, and can enhance the sterilizing effect in the entire treatment channel.
  • An object of the present invention is to provide an ultraviolet sterilizer and an ultraviolet irradiator.
  • an ultraviolet sterilizer irradiates a fluid flowing through a linear processing channel with ultraviolet light to sterilize the fluid, and the linear processing channel is internally provided.
  • An ultraviolet sterilizer comprising: a flow passage tube having a light emitting element for emitting ultraviolet light; and a reflector having a reflection surface for reflecting ultraviolet light emitted from the light emitting element and condensing the light toward the flow passage pipe It is.
  • an ultraviolet irradiation apparatus emits light for emitting ultraviolet light to sterilize the fluid by irradiating the liquid flowing through the linear processing flow channel with ultraviolet light. It is an ultraviolet irradiation device which has an element and a reflector which has a reflective surface which reflects the ultraviolet rays emitted from the light emitting element and condenses in the direction in which the flow path pipe is disposed.
  • the ultraviolet sterilizer and ultraviolet irradiation apparatus which can increase the sterilization effect in the whole process flow path are provided.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a UV sterilizer according to an embodiment of the present invention in the direction along the fluid flow direction of the flow channel and in the vertical direction.
  • FIG. 2 is a schematic front perspective exploded view of the end portion of the flow path pipe in which the transparent plate holding portion and the transparent plate fixing lid are disassembled.
  • FIG. 3 is a schematic perspective view of a reflector.
  • FIG. 4A is a plan view of a reflector.
  • FIG. 4B is a bottom view of the reflector.
  • FIG. 4C is a front view of the reflector.
  • FIG. 4D is a rear view of the reflector.
  • FIG. 4E is a side view of the reflector.
  • FIG. 4F is a cross-sectional view of the reflector taken along line 4F-4F.
  • FIG. 5 is an optical path diagram showing an optical path of a typical light beam contained in the ultraviolet light emitted from the light emitting element.
  • FIG. 6A is a plan view of a reflector.
  • FIG. 6B is a bottom view of the reflector.
  • FIG. 6C is a front view of the reflector.
  • FIG. 6D is a rear view of the reflector.
  • FIG. 6E is a side view of the reflector.
  • FIG. 6F is a cross-sectional view of the reflector taken along line 6F-6F.
  • FIG. 7 is an optical path diagram showing an optical path of a typical light beam contained in the ultraviolet light emitted from the light emitting element.
  • FIG. 7 is an optical path diagram showing an optical path of a typical light beam contained in the ultraviolet light emitted from the light emitting element.
  • FIG. 8A is an example of an optical path diagram when ultraviolet light emitted from a light emitting element disposed to face the processing flow channel without using a reflector is irradiated to the processing flow channel through the transparent plate.
  • FIG. 8B shows the case where ultraviolet light emitted from the light emitting element is applied to the processing flow path through the transparent plate when using the ultraviolet irradiation device having the reflector according to one aspect of the embodiment of the present invention
  • Is an example of a light path diagram of FIG. 8C shows that the ultraviolet light emitted from the light emitting element is irradiated to the processing flow path through the transparent plate when using the ultraviolet irradiation device having the reflector according to another aspect of the embodiment of the present invention It is an example of the optical path diagram of the time.
  • FIG. 8B shows the case where ultraviolet light emitted from the light emitting element is applied to the processing flow path through the transparent plate when using the ultraviolet irradiation device having the reflector according to one aspect of the embodiment of the present invention
  • FIG. 9A is a setting condition obtained by plotting the distance from the transparent plate on the X axis and the illuminance at the distance on the Y axis in the simulation of the illuminance distribution according to the setting condition 1 and the setting condition 3 described in this specification. It is a graph which shows distribution of center illumination intensity in 1 and setting condition 3.
  • FIG. 9B is a setting condition obtained by plotting the distance from the transparent plate on the X axis and the illuminance at the distance on the Y axis in the simulation of the illuminance distribution according to the setting condition 1 and the setting condition 3 described in this specification. It is a graph which shows distribution of peripheral part illumination intensity in 1 and setting condition 3.
  • FIG. 10A shows, in the simulation of the illuminance distribution under setting condition 1 and setting condition 3 described in this specification, the distance from the axis PA of the processing flow channel at a position of 8 mm from the transparent plate as the X axis and the illuminance at that distance. It is a graph which shows distribution of the illumination intensity in setting condition 1 and setting condition 3 obtained by plotting on a Y-axis.
  • FIG. 10B is a simulation of illuminance distribution according to setting condition 1 and setting condition 3 described in this specification, in which the distance from the axis PA of the processing flow channel at the position of 72 mm from the transparent plate is X axis; It is a graph which shows distribution of the illumination intensity in setting condition 1 and setting condition 3 obtained by plotting on a Y-axis.
  • FIG. 11A is a setting condition obtained by plotting the distance from the transparent plate on the X axis and the illuminance at the distance on the Y axis in the simulation of the illuminance distribution according to the setting condition 2 and the setting condition 3 described in this specification. It is a graph which shows distribution of center illumination intensity in 2 and setting condition 3.
  • FIG. 11B is a setting condition obtained by plotting the distance from the transparent plate on the X axis and the illuminance at the distance on the Y axis in the simulation of the illuminance distribution according to the setting condition 2 and the setting condition 3 described in this specification. It is a graph which shows distribution of peripheral part illumination intensity in 2 and setting condition 3.
  • FIG. FIG. 12A is a simulation of the illuminance distribution according to setting condition 2 and setting condition 3 described in this specification, in which the distance from the axis PA of the processing flow channel at the position of 8 mm from the transparent plate is X axis, It is a graph which shows distribution of the illumination intensity in setting condition 2 and setting condition 3 obtained by plotting on a Y-axis.
  • 12B is a simulation of illuminance distribution according to setting condition 2 and setting condition 3 described in this specification, in which the distance from the axis PA of the processing flow channel at the position of 72 mm from the transparent plate is X axis, It is a graph which shows distribution of the illumination intensity in setting condition 2 and setting condition 3 obtained by plotting on a Y-axis.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view in the direction along the fluid flow direction of the flow channel 200 and in the vertical direction, showing the ultraviolet sterilization device 100 according to the present embodiment, which has the flow channel 200 and the ultraviolet irradiation device 300.
  • fluid is used to include substances that can flow through the processing channel, such as liquid and gas.
  • the flow path pipe 200 has a linear processing flow path 220 in which the fluid to be processed flows from one end to the other end.
  • a transparent plate 250 capable of transmitting ultraviolet light is disposed in contact with the processing flow channel 220.
  • the ultraviolet irradiation device 300 has a light emitting element 310 that emits ultraviolet light, and a reflector 320 that condenses the ultraviolet light emitted from the light emitting element 310 and emits it in one direction.
  • the ultraviolet irradiation device 300 is disposed outside the processing flow path 220 facing the end 230 of the flow path tube 200, and the ultraviolet light condensed by the reflector 320 against the fluid flowing through the processing flow path 220 is a transparent plate
  • the linear direction of the linear processing flow channel 220 and the inside of the processing flow channel 220 are irradiated in the direction opposite to the flow direction of the fluid.
  • the flow path pipe 200 is a straight pipe having a flow path wall 225 whose inner surface is formed in a substantially cylindrical shape.
  • the flow channel 200 has an integrally formed inlet 210, a channel wall 225 defining an outer periphery of the processing channel 220, an end 230 and an outlet 240, and the inlet 210, the processing channel 220 and the flow
  • the outlet 240 is in communication in this order to allow fluid to flow.
  • the inlet 210 is an opening provided at one end of the flow channel 200 for introducing a fluid to be sterilized by irradiation of ultraviolet light into the processing flow channel 220, and is connected to an external fluid supply device.
  • the fluid from the fluid supply device is configured to be able to flow through the processing channel 220.
  • the inlet 210 may have a fitting 212 narrowed to allow the hose from the fluid supply device to be fitted.
  • the fitting portion 212 has a claw-like shape protruding toward the downstream side of the processing flow channel 220, which is difficult to inhibit the insertion of the hose, but moors the hose and allows the hose to be freely withdrawn. It may have an inflow mooring portion 216 that inhibits.
  • the processing flow channel 220 is a linear flow channel for circulating the fluid to be processed, and has a substantially cylindrical shape having a rotationally symmetric shape with respect to the axis PA formed in the linear direction of the linear processing flow channel 220 Flow path.
  • the processing channel 220 may have a size that can sufficiently sterilize the fluid by irradiation of ultraviolet light.
  • the inner diameter of the processing flow channel 220 can be 5 cm or less, and the flow channel length can be 2 cm or more and 30 cm or less.
  • the axis PA of the processing flow channel means a virtual straight line connecting the center of the processing flow channel 220 in a cross section along the direction orthogonal to the fluid flow direction of the processing flow channel 220.
  • the flow path wall 225 is an inner wall surface of the flow path pipe 200, and the inner surface is formed in a substantially cylindrical shape to define the outer periphery of the processing flow path 220.
  • the end 230 is an end opposite to the inlet 210 of the processing channel 220.
  • the end portion 230 is joined to the transparent plate holding portion 232 having an outer diameter larger than the inner diameter of the processing flow path 220 and the outer diameter of the transparent plate 250, and the transparent plate fixed to fix the transparent plate 250.
  • the outlet 240 is an opening formed at the other end of the flow channel 200 for flowing in the processing flow channel 220 and discharging the fluid, which is formed in the vicinity of the end portion 230.
  • the fluid 220 is configured to be able to flow to the outside.
  • the outlet 240 is formed at a position where the flow direction of the fluid flowing in the processing flow channel 220 and the flow direction of the fluid discharged from the outlet 240 are not on the same straight line.
  • the outlet 240 may be formed in the direction substantially orthogonal to the processing flow channel 220 near the end 230. At this time, as shown in FIG.
  • the opening 244 of the outlet 240 is provided at a position separated from the periphery of the processing flow channel 220, and an outflow flow channel 245 communicating the processing flow channel 220 to the opening 244 is provided. It is also good.
  • the inlet 210 may have a shape that can be fitted with a hose for guiding the fluid to a fluid reservoir or the like.
  • the outlet 240 has a claw-like shape projecting toward the upstream side of the processing flow channel 220, which is difficult to inhibit the insertion of the hose, but anchors the hose to inhibit free extraction of the hose. May have an outflow moor 246.
  • the transparent plate 250 is a member capable of transmitting ultraviolet light, which is held by the end portion 230 and serves as a window for guiding the ultraviolet light emitted from the ultraviolet irradiation device 300 into the inside of the processing flow channel 220.
  • the transparent plate 250 is a part of the outer periphery of the processing flow channel, and prevents the fluid from leaking from the end 230 in the flow direction.
  • FIG. 2 is a schematic front perspective exploded view of the end portion 230 in which the transparent plate holding portion 232 and the transparent plate fixing lid 234 are disassembled.
  • FIG. 2 also shows a transparent plate 250 (broken line).
  • the transparent plate holding part 232 and the transparent plate fixing lid 234 may have a screw hole etc. which insert the screw for joining these, or it is transparent
  • the plate fixing lid 234 may have a screw hole or the like for bonding to the reflector 320.
  • the transparent plate holding portion 232 includes an end outer wall portion 232a, a transparent plate disposition portion 232b which is a cylindrical insertion portion in which a transparent plate 250 that transmits ultraviolet light is inserted and disposed, and a region where fluid is in contact with the transparent plate 250. And a flow velocity reducing portion 232c, which is a cylindrical insertion portion.
  • the end outer wall portion 232a, the transparent plate placement portion 232b, and the flow velocity reducing portion 232c are formed in this order from the outside to the inside.
  • the end outer wall portion 232 a is a cylindrical member having an outer diameter larger than the inner diameter of the processing flow channel 220 and the outer diameter of the transparent plate 250. Further, since the transparent plate placement portion 232b is formed in a circular shape at the inner side of the end outer wall portion 232a, the surface facing the transparent plate fixing lid 234 is shaped so as to be sandwiched between two concentric circles.
  • the end outer wall portion 232a may have a size and strength that can fix the transparent plate 250.
  • the end outer wall portion 232a may have a screw hole (not shown) for joining to the fixed outer wall portion 234a of the transparent plate fixing lid 234.
  • the transparent plate placement portion 232b is a cylindrical insertion portion formed outside the end outer wall portion 232a and having an outer diameter substantially the same as the outer diameter of the transparent plate 250.
  • the transparent plate placement portion 232b further has a flow velocity reducing portion 232c fitted in a cylindrical shape on the inner side, and thus becomes a fitting portion having a constant depth and a shape in which the bottom surface is sandwiched between two concentric circles.
  • the transparent plate placement portion 232b has an outer diameter smaller than the outer diameter of the end outer wall portion 232a and larger than the outer diameter of the flow velocity reducing portion 232c, and is formed by the transparent plate placement portion 232b and the flow velocity relaxing portion 232c.
  • the transparent plate 250 is held at the step portion which is the bottom surface of the transparent plate 250.
  • the depth of the transparent plate placement portion 232 b may be substantially the same as the thickness of the transparent plate 250.
  • the width between the two concentric circles may be a size that can hold the transparent plate 250.
  • the flow velocity reducing portion 232 c is a cylindrical insertion portion formed on the inner side than the transparent plate disposition portion 232 b. Since the processing flow channel 220 is further opened inside the flow velocity reducing portion 232c, the flow velocity reducing portion 232c is a fitting portion having a constant depth and a shape in which the bottom surface is sandwiched between two concentric circles.
  • the flow velocity reducing portion 232 c has an outer diameter smaller than the outer diameters of the transparent plate placement portion 232 b and the transparent plate 250 and larger than the outer diameter of the processing flow channel 220, and the flow velocity of the fluid flowing through the processing flow channel To slow down and form a space to suppress breakage, damage and the like of the transparent plate 250 due to an impact on the transparent plate 250 from the fluid flowing through the processing channel 220.
  • the depth of the flow velocity reducing part 232c may be a depth at which the fluid flowing through the processing flow channel 220 can sufficiently spread in the flow velocity reducing part 232c.
  • the size of the flow velocity reducing portion 232c may be any size that can hold the transparent plate 250 in the stepped portion.
  • the transparent plate fixing lid 234 is joined to the end outer wall portion 232a of the transparent plate holding portion 232, and fixes the transparent plate 250 disposed in the transparent plate disposition portion 232b from the outside (the opposite side to the processing flow channel 220).
  • the transparent plate fixing lid 234 has a fixed outer wall portion 234 a and an ultraviolet irradiation hole 234 b which is a through hole formed inside the fixed outer wall portion 234 a.
  • the fixed outer wall 234a can be joined to the end outer wall 232a, and also abuts on the transparent plate 250 when joined to the end outer wall 232a to fix the position of the transparent plate 250.
  • the fixed outer wall 234 a may have a size and strength that can fix the transparent plate 250 by bonding with the end outer wall 232 a.
  • the fixed outer wall portion 242 a may have a screw hole (not shown) for joining to the reflector 320 of the ultraviolet irradiation device 300.
  • the ultraviolet irradiation hole 234 b is a through hole formed in the fixed outer wall portion 234 a having an outer diameter smaller than the outer diameter of the transparent plate 250 and larger than the outer diameter of the processing flow channel 220.
  • the outer diameter of the ultraviolet irradiation hole 234b may be larger or smaller than the outer diameter of the flow velocity reducing portion 232c.
  • the ultraviolet irradiation hole 234 b transmits the ultraviolet light emitted from the reflector 320 of the ultraviolet irradiation device 300. The transmitted ultraviolet light is guided to the processing channel 220 through the transparent plate 250.
  • the ultraviolet irradiation hole 234 b is the ultraviolet light of the reflector 320 It is preferable to have the shape which can accommodate the outer periphery of the radiation
  • the fluid introduced into the processing channel 220 from the inlet 210 passes the ultraviolet light from the ultraviolet irradiation device 300 through the transparent plate 250 while flowing through the processing channel 220 from the inlet 210 to the end 230. It is irradiated and sterilized. Thereafter, the sterilized fluid is discharged from the outlet 240. It should be noted that part of the fluid is irradiated with ultraviolet light in the processing flow channel 220 and sterilized, and then discharged directly from the outlet 240 without going in the direction of the end 230. With regard to the fluid flowing through any flow, sufficient sterilization can be performed by the irradiation of ultraviolet light while flowing through the processing flow channel 220.
  • the fluid may be any substance that can flow through the processing channel to be subjected to the sterilization treatment, and it may be, for example, water if it is a liquid. Further, the fluid may be tap water including drinking water and agricultural water, and sewage including drainage from a factory or the like.
  • the flow rate of the fluid may be a speed at which sufficient sterilization can be achieved by irradiation of ultraviolet light while flowing through the processing channel 220.
  • the light output per light emitting element is 30 mW
  • the fluid is liquid In the case of, it can be made 10 l / min or less.
  • the flow channel 200 is formed of a material that is not easily deformed or damaged by the pressure of the flowing fluid, and is formed of, for example, a metal material and a resin material. Further, the inner surfaces of the flow path wall 225 and the end 230 (in particular, the flow velocity reducing portion 232c), which both define the outer periphery of the processing flow path 220, may be formed of a material having a high reflectance of ultraviolet light. It may be formed of a material having a low reflectance.
  • the inner surfaces of the flow path wall 225 and the end portion 230 are formed of mirror-polished aluminum (Al), polytetrafluoroethylene (PTFE), etc. It is preferable to be made of PTFE, which is more chemically stable and has a high ultraviolet reflectance.
  • the inner surfaces of the flow path wall 225 and the end portion 230 are formed of a material having a high reflectance of ultraviolet light, among the ultraviolet rays introduced from the ultraviolet irradiation device 300 into the processing flow path 220, light rays propagating while being slightly spread It is possible to reflect on these inner surfaces.
  • the inner surface is formed of a material having a low reflectance of ultraviolet light
  • the shape of the reflector so that a light beam travels the inside of the flow channel 200 without reflecting on the inner surface as much as possible.
  • High sterilization efficiency can be maintained.
  • inexpensive materials such as vinyl chloride can be used for the flow path pipe, and the cost of the apparatus can be reduced.
  • the transparent plate 250 is formed of a material capable of transmitting ultraviolet light.
  • the transparent plate 250 is preferably formed of a material capable of transmitting ultraviolet light with a wavelength of 200 nm or more and 350 nm or less, and is formed of a material capable of transmitting ultraviolet light with a wavelength of 260 nm or more and 290 nm or less with higher sterilization efficiency. More preferable.
  • the material of the transparent plate 250 include materials such as quartz (SiO 2 ), sapphire (Al 2 O 3 ), and amorphous fluorine resin, which have high transmittance to ultraviolet light of the above wavelength.
  • the ultraviolet irradiation device 300 has a light emitting element 310 mounted on the substrate 330 and a reflector 320 for condensing the ultraviolet light emitted from the light emitting element 310.
  • the light emitting element 310 is an element capable of emitting ultraviolet light, and for example, a light emitting diode (LED) having a central wavelength or peak wavelength of 200 nm to 350 nm, preferably 260 nm to 290 nm which is a wavelength with higher sterilization efficiency. can do.
  • LED light emitting diode
  • the light emitting element 310 preferably has a wide orientation angle, and is, for example, an LED having a half directivity width of 60 ° or more, which is an angle between directions in which the brightness intensity is 50% of the peak value.
  • the light emitting element 310 is mounted on the substrate 330, and the substrate 330 is attached to the substrate attachment portion 340.
  • the reflector 320 is a light collecting member having a reflective surface 326 for reflecting and collecting the ultraviolet light emitted from the light emitting element 310, and an outlet 327 for emitting the collected ultraviolet light.
  • FIG. 3 is a schematic perspective view of the reflector 320.
  • FIG. 4A, FIG. 4B, FIG. 4C, FIG. 4D, FIG. 4E and FIG. 4F, and FIG. 5 are diagrams showing the shape of the reflector satisfying Condition 1 and Condition 2 described later.
  • 6A, 6B, 6C, 6D, 6E and 6F, and FIG. 7 are diagrams showing the shape of a reflector that satisfies Condition 1 and Condition 3 described later.
  • FIGS. 4A and 6A are plan views of the reflector 320
  • FIGS. 4B and 6B are bottom views of the reflector 320
  • FIGS. 4C and 6C are front views of the reflector 320
  • FIGS. 4D and 6D. 4E and 6E are side views of the reflector 320
  • FIGS. 4F and 6F are cross-sectional views of the reflector 320 taken along line 4F-4F or 6F-6F.
  • FIG. 5 and FIG. 7 are optical path diagrams showing optical paths of typical light rays contained in the ultraviolet light emitted from the light emitting element 310.
  • the reflector 320 has a housing 322 having an inner surface shaped to be the reflecting surface 326 described in detail below, and a housing overhanging on the side surface of the housing 322. And a fixing portion 323.
  • the reflector 320 is screwed into a screw hole 323 a formed in the housing fixing portion 323 toward the bottom surface of the housing fixing portion 323, and is fixed and attached to the substrate mounting portion 340 together with the substrate 330. Furthermore, the reflector 320 inserts a screw into the screw hole 323b formed in the housing fixing portion 323 toward the front of the housing fixing portion 323, and the transparent plate fixing lid 234 of the flow path pipe 200 (in particular, the fixing outer wall portion 234a) Fixedly attached to the
  • the reflector 320 be attached at a position where the bottom surface of the housing 322 is substantially flush with the top surface of the light emitting element 310.
  • the reflector 320 may be attached such that the bottom surface of the housing 322 is positioned vertically above the top surface of the light emitting element 310.
  • the light emitting element 310 When the reflector 320 is attached to the substrate attachment portion 340 together with the substrate 330 on which the light emitting element 310 is mounted, the light emitting element 310 is disposed in the opening 325 formed on the bottom surface of the reflector 320 or outside thereof Reflective surfaces 326, which are the inner surfaces 322, are disposed to face each other. In addition, when the reflector 320 is attached to the transparent plate fixing lid 234, the opening (exit 327) formed on the front surface of the reflector 320 is disposed to face the processing flow channel 220 via the transparent plate 250.
  • an optical axis OA of the light emitting element 310 is substantially orthogonal to the axis PA of the processing flow path 220, and a virtual axis EA is set so that the light flux of the ultraviolet light reflected by the reflection surface 326 is emitted from the emission port 327.
  • a virtual axis EA is set so that the light flux of the ultraviolet light reflected by the reflection surface 326 is emitted from the emission port 327.
  • the inner surface of the housing 322 is a reflective surface 326 that reflects ultraviolet light, and reflects ultraviolet light emitted from the light emitting element 310 in a direction substantially orthogonal to the optical axis OA of the light emitting element 310, and The light is condensed and travels in the direction of the exit 327 (which is also the traveling direction of the virtual axis EA).
  • the reflective surface 326 has a cross section similar to a parabola (see FIGS. 1, 4F, 5, 6F and 7) and is one of the virtual axes EA which is set in the direction of emission of the reflected ultraviolet light.
  • the reflective surface 326 reflects the ultraviolet light emitted from the light emitting element 310 when the light emitting element 310 is disposed at a position FP which is considered to be the focal point when the reflective surface 326 is regarded as a paraboloid.
  • the portion has a shape to be an outgoing ray directed from the exit 327 toward the processing channel 220.
  • the emission angle of one light beam contained in the ultraviolet light emitted from the light emission center of the light emitting element 310 is ⁇ 1 and the light beam emitted at the emission angle ⁇ 1 is reflected by the reflection surface 326 and emitted from the emission port 327
  • the reflective surface 326 has a shape that can reflect the ultraviolet light emitted from the light emitting element 310 so as to satisfy the following condition 1 when the emission angle to be set is ⁇ 2.
  • Condition 1 In the range of ⁇ 60 ° ⁇ 1 ⁇ 5 ° and 5 ° ⁇ 1 ⁇ 60 °, the absolute value of the emission angle ⁇ 2 of the reflected beam formed by reflecting a given emission beam on the reflection surface is the emission beam Smaller than the absolute value of the output angle ⁇ 1 of
  • one light beam (hereinafter, also simply referred to as “emission light beam”) included in the ultraviolet light emitted from the light emission center of the light emission element 310 of ⁇ 1 It is an angle (0 ° or more and 90 ° or less) formed with respect to the optical axis OA.
  • an emitted light beam has a direction opposite to the light emission direction ED with respect to the optical axis OA (a direction opposite to the traveling direction of the virtual axis EA, from the light emitting element 310 to the flow channel 200) Is the opposite direction, and the light emitting element 310 is inclined in the opposite direction from the light emitting element 310), the angle ⁇ 1 between the light emitting beams is a positive value, and a certain light emitting beam With respect to the axis OA, it travels in an inclined direction toward the emission direction (the traveling direction of the virtual axis EA, the direction from the light emitting element 310 toward the flow channel 200, and the direction from the light emitting element 310 toward the exit 327). When this is done, the angle ⁇ 1 formed by the emitted light beam is a negative value.
  • one light beam included in the ultraviolet light after ⁇ 2 is emitted from the light emitting element 310 and reflected by the reflection surface 326 (hereinafter, also simply referred to as “reflected light beam”).
  • reflected light beam Is the angle (0 ° or more and 90 ° or less) formed with respect to the imaginary axis EA.
  • the angle ⁇ 2 formed by the reflected ray is a positive value.
  • the angle ⁇ 2 formed by the reflected ray is a negative value I assume.
  • Condition 1 means that in the range of ⁇ 60 ° ⁇ 1 ⁇ 5 ° and 5 ° ⁇ 1 ⁇ 60 °, the outgoing light beam does not spread and is condensed in the direction of the exit 327.
  • the ultraviolet light emitted from the ultraviolet irradiation device 300 having the reflector 320 satisfying the condition 1 is hard to spread and easily propagates in the processing flow path 220 in a shorter route in the length direction without being reflected by the flow path wall 225 .
  • the ultraviolet light emitted from the ultraviolet irradiation device 300 is less likely to reduce the illuminance in the processing channel 220, and can propagate a longer distance in the processing channel 220 while maintaining a higher illuminance. is there.
  • the reflecting surface 326 satisfies the following condition 2 together with the above condition 1 with the ultraviolet light emitted from the light emitting element 310. It is preferable to have a shape that can be reflected.
  • Condition 2 The difference between the maximum value of ⁇ 2 and the minimum value of ⁇ 2 is less than 3 ° in the range of ⁇ 50 ° ⁇ 1 ⁇ 50 °
  • Condition 2 means that in the range of ⁇ 50 ° ⁇ 1 ⁇ 50 °, the outgoing ray does not incline so much from the imaginary axis EA.
  • the ultraviolet light emitted and reflected from the light emitting element 310 is condensed and propagated while the illuminance at the central portion of the luminous flux where most of the reflected rays gather is higher. Therefore, the ultraviolet light emitted from the ultraviolet irradiation device 300 having the reflector that satisfies the condition 2 propagates in the processing flow channel 220 while the illuminance at the central portion of the luminous flux is kept high even to the position away from the emission port. It is easy to go.
  • the reflective surface 326 may have a shape that can satisfy the conditions 1 and 2 when the light emitting element 310 is disposed at the position FP considered to be the focal point.
  • the reflecting surface 326 satisfies the following condition 3 together with the above condition 1 with the ultraviolet light emitted from the light emitting element 310. It is preferable to have a shape that can reflect light.
  • Condition 3 In the range of ⁇ 40 ° ⁇ 1 ⁇ 55 °, ⁇ 2 becomes larger as ⁇ 1 becomes smaller
  • Condition 3 means that the outgoing rays spread without overlapping each other in the range of ⁇ 40 ° ⁇ 1 ⁇ 55 °.
  • the ultraviolet rays emitted from the light emitting element 310 and reflected are not likely to be in the form of a spot gathered at the center of the luminous flux, and easily propagate while maintaining a more uniform illuminance distribution.
  • the reflecting surface 326 may have a shape that can satisfy the conditions 1 and 3 when the light emitting element 310 is disposed at the position FP considered to be the focal point.
  • the ultraviolet irradiation device 300 be disposed at a position where the central portion of the luminous flux that maximizes the luminance of the ultraviolet light emitted from the light emission port 327 is closer to the axis PA of the processing flow channel 220 More preferably, the center of the light flux is disposed at a position substantially coincident with the axis PA of the processing flow channel 220.
  • a position slightly shifted in the traveling direction of the optical axis OA from the position where the light emitting surface of the light emitting element 310 is disposed is the central portion of the light flux of ultraviolet light emitted from the light emission port 327. Therefore, it is preferable that the light emitting element 310 be disposed such that the position of the light emitting surface is offset from the axis PA of the processing flow channel 220 in the direction opposite to the traveling direction of the optical axis OA.
  • the ultraviolet irradiation device 300 is formed of, for example, a metal material, glass, and a resin material.
  • the reflective surface 326 be formed of a material having a high reflectance of ultraviolet light.
  • the reflective surface 326 is preferably formed of mirror-polished aluminum (Al), an aluminum film disposed on the surface of a glass and resin material, and polytetrafluoroethylene (PTFE).
  • the method for producing the aluminum film is not particularly limited, and can be produced, for example, by vacuum deposition.
  • the reflecting surface 326 is preferably a surface that reflects specularly rather than being a surface that diffuses and reflects ultraviolet light.
  • FIG. 8A is an example of an optical path diagram when ultraviolet light emitted from a light emitting element disposed to face the processing flow channel without using a reflector is irradiated to the processing flow channel through the transparent plate.
  • the emitted ultraviolet light is applied to the processing channel while spreading at a wide angle.
  • the flow path wall of the processing flow path is formed of a material having a high reflectance of ultraviolet light, the irradiated ultraviolet light propagates in the processing flow path while being reflected by the flow path wall.
  • FIG. 8B shows that the ultraviolet light emitted from the light emitting element 310 passes through the transparent plate when using the ultraviolet irradiation device 300 having the reflector 320 satisfying the conditions 1 and 2 according to the one aspect of the present embodiment. It is an example of an optical path figure when irradiating a processing channel. Furthermore, the ultraviolet light that has passed through the transparent plate 250 propagates in the processing channel while maintaining a higher illuminance near the axis PA, which is the center of the processing channel.
  • FIG. 8C shows that the ultraviolet light emitted from the light emitting element 310 passes through the transparent plate when using the ultraviolet irradiation device 300 having the reflector 320 satisfying the conditions 1 and 3 according to the other aspect of the present embodiment. It is an example of an optical path figure when irradiating to a processing channel. Furthermore, the ultraviolet light that has passed through the transparent plate 250 propagates in the processing flow channel 220 while uniformly spreading in the processing flow channel 220.
  • each light beam contained in the ultraviolet light propagates in the processing flow channel 220 along a shorter route in the length direction, so the length direction in the processing flow channel 220 You can propagate longer distances while maintaining high illumination.
  • the ultraviolet light emitted from the light emitting element 310 is collected by the reflector 320 and irradiated to the processing flow channel 220. Therefore, in the present embodiment, the optical path of the ultraviolet light emitted from the light emitting element 310 is controlled to easily adjust the illuminance distribution of the ultraviolet light in the processing flow channel 220.
  • the reflective surface 326 condenses the ultraviolet light emitted by the reflector 320 satisfying the condition 1, the illuminance of the ultraviolet light in the processing flow channel 220 is unlikely to decrease, and the ultraviolet light is processed in the processing flow channel It is possible to propagate a long distance in the longitudinal direction in 220.
  • the emitted ultraviolet light is in the form of a spot gathered at the center of the luminous flux. And it is easy to propagate while maintaining a more uniform illuminance distribution.
  • the light of the ultraviolet light emitted from the light emitting element is reflected by the reflecting surface which condenses the light toward the flow path tube, and the light flux of the ultraviolet light is controlled.
  • the effect can be further enhanced.
  • the simulation was performed under the following setting conditions.
  • FIG. 1 a substrate on which a light emitting element 310 which is an LED is mounted on a substrate attachment portion 340, and conditions 1 and 2 (Example 1) or conditions 1 and 3 (Example 2).
  • a reflector 320 having a reflective surface 326 to be filled is attached to make the ultraviolet irradiation device 300.
  • the light emitting element 310 was arrange
  • the reflector 320 was attached so that the bottom surface was flush with the top surface of the light emitting element 310.
  • the ultraviolet irradiation device 300 was fixed and attached to the flow channel 200 having the processing flow channel 220 where the flow channel wall 225 reflects ultraviolet light. At this time, the ultraviolet irradiation device 300 was disposed so that the upper surface of the light emitting element 310 was slightly lower than the axis PA of the processing flow channel 220 in the vertical direction.
  • the positional relationship between the light emitting element 310, the reflector 320, the transparent plate 250, the processing flow path 220, and the respective components was set as follows.
  • ⁇ Center wavelength of light emitting element 265 nm
  • the half width of directivity angle of the light emitting element 105 °
  • Outer diameter of emitting surface of light emitting element ⁇ 3 mm (chip size is 1 mm ⁇ 1 mm) ⁇
  • the distance between the light axis of the light emitting element and the transparent plate 30.4 mm -Shape of outlet of reflector: Semicircular-Inner diameter of outlet of reflector: ⁇ 32 mm ⁇ Thickness of transparent plate: 2 mm ⁇
  • Cross-sectional shape of processing channel Circular ⁇ Inside diameter of processing channel: 20 mm ⁇ Processing channel length: 140 mm ⁇
  • Fluid in processing channel water (H 2 O)
  • Table 1 shows the relationship between the angle ⁇ 1 that the light emission beam of Example 1 makes with respect to the optical axis OA of the light emitting element 310 and the angle ⁇ 2 that the reflection light beam makes with the virtual axis EA in this ultraviolet irradiation device.
  • the relationship between the ⁇ 1 and the ⁇ 2 in Example 2 is shown in Table 2.
  • (Setting condition 3) For comparison, the same light emitting element was disposed opposite to the processing flow channel at a position where the axis PA of the processing flow channel coincides with the optical axis OA of the light emitting element. The distance between the light emission surface of the light emitting element and the transparent plate was 0.1 mm. The other conditions were set to be the same as setting conditions 1 and 2.
  • FIG. 9A is a graph showing the distribution of central illuminance under setting condition 1 and setting condition 3 obtained by plotting the distance from the transparent plate on the X axis and the illuminance at that distance on the Y axis.
  • a solid line indicates a simulation result under setting condition 1
  • a broken line indicates a simulation result under setting condition 3.
  • the ultraviolet light propagates in the processing channel while maintaining high central illuminance to a position further away from the transparent plate compared to setting condition 3 without using the ultraviolet irradiation device 300 .
  • FIG. 9B is a graph showing the distribution of peripheral portion illuminance under setting condition 1 and setting condition 3 obtained by plotting the distance from the transparent plate on the X axis and the illuminance at that distance on the Y axis.
  • the solid line indicates the simulation result under setting condition 1
  • the broken line indicates the simulation result under setting condition 3.
  • the ultraviolet light propagates in the processing channel while maintaining high peripheral portion illuminance to a position further away from the transparent plate compared to setting condition 3 not using the ultraviolet irradiation device 300 did.
  • FIG. 10A is obtained by plotting the distance from the axis PA of the processing channel at the position of 8 mm from the transparent plate on the X axis and the illuminance at that distance on the Y axis. It is a graph which shows distribution.
  • a solid line indicates a simulation result under setting condition 1
  • a broken line indicates a simulation result under setting condition 3.
  • FIG. 10B is obtained by plotting the distance from the axis PA of the processing flow channel at the position 72 mm from the transparent plate on the X axis and the illuminance at that distance on the Y axis. It is a graph which shows distribution.
  • a solid line indicates a simulation result under setting condition 1
  • a broken line indicates a simulation result under setting condition 3.
  • the peak of the illuminance distribution was formed at a position near the axis PA of the processing flow path both at the position of 8 mm from the transparent plate and at the position of 72 mm from the transparent plate.
  • the peak of the illuminance distribution is formed at a position near the axis PA of the processing channel at a position of 8 mm from the transparent plate, but at a position of 72 mm from the transparent plate No peak of distribution was formed.
  • FIG. 11A is a graph showing the distribution of central illuminance under setting condition 2 and setting condition 3 obtained by plotting the distance from the transparent plate on the X axis and the illuminance at that distance on the Y axis.
  • a solid line indicates a simulation result under setting condition 2
  • a broken line indicates a simulation result under setting condition 3.
  • the ultraviolet light propagates in the processing channel while maintaining high central illuminance to a position further away from the transparent plate compared to setting condition 3 not using the ultraviolet irradiation device 300 .
  • FIG. 11B is a graph showing the distribution of peripheral area illuminance under setting condition 2 and setting condition 3 obtained by plotting the distance from the transparent plate on the X axis and the illuminance at the distance on the Y axis.
  • a solid line indicates a simulation result under setting condition 2
  • a broken line indicates a simulation result under setting condition 3.
  • the ultraviolet light propagates in the processing channel while maintaining high peripheral portion illuminance to a position further away from the transparent plate compared to setting condition 3 not using the ultraviolet irradiation device 300 did.
  • Simulation 4 In the simulation 2, the setting condition 1 was changed to the setting condition 2 and the same simulation was performed.
  • FIG. 12A is obtained by plotting the distance from the axis PA of the processing flow channel at the position of 8 mm from the transparent plate on the X axis and the illuminance at that distance on the Y axis. It is a graph which shows distribution.
  • a solid line indicates a simulation result under setting condition 2
  • a broken line indicates a simulation result under setting condition 3.
  • FIG. 12B is a plot of illuminance at setting condition 2 and setting condition 3 obtained by plotting the distance from the axis PA of the processing flow channel at the position of 72 mm from the transparent plate on the X axis and the illuminance at that distance on the Y axis. It is a graph which shows distribution.
  • a solid line indicates a simulation result under setting condition 2
  • a broken line indicates a simulation result under setting condition 3.
  • the difference between the central illuminance and the peripheral portion illuminance at a position of 8 mm from the transparent plate was smaller than the setting condition 3 in which the ultraviolet irradiation device 300 was not used in the setting condition 2 in which the ultraviolet irradiation device 300 was used.
  • the ultraviolet light was propagated while the difference between the central illuminance and the peripheral illuminance was small even at a position of 72 mm from the transparent plate.
  • the ultraviolet irradiation device is disposed at the position where the ultraviolet light is irradiated in the direction opposite to the flow direction of the fluid flowing through the processing flow channel.
  • the ultraviolet light is applied in the direction along the fluid flow direction.
  • the ultraviolet irradiation device may be disposed at the irradiation position.
  • the processing channel may be irradiated with ultraviolet light while rotating the ultraviolet irradiation device.
  • the present invention it is possible to further enhance the sterilizing effect of the fluid flowing in the processing channel by the ultraviolet sterilizer. Therefore, the present invention is expected to popularize the ultraviolet sterilizer for sterilizing tap water and agricultural fluid, and to further develop the art.
  • UV sterilizer 200 flow path pipe 210 inflow port 212 fitting part 216 inflow mooring part 220 process flow path 225 flow path wall 230 end part 232 transparent plate holding part 232a end outer wall part 232b transparent plate arrangement part 232 c flow velocity reducing part 234 Transparent plate fixing lid 234a Fixing outer wall 234b UV irradiation hole 240 outlet 244 opening 245 outflow channel 246 outflow mooring portion 250 transparent plate 300 UV irradiation device 310 light emitting element 320 reflector 322 body 323 body fixing portion 323a, 323b screw hole 325 opening Part 326 Reflecting surface 327 Emitting port 330 Substrate 340 Substrate mounting part

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Abstract

本発明は、発光素子から離れた位置でも、処理流路の中心付近での紫外線の照度を高めることができる、紫外線殺菌装置を提供することを目的とする。本発明の紫外線殺菌装置は、直線状の処理流路を内部に有する流路管と、紫外線を発光する発光素子と、前記発光素子から発光された紫外線を反射して前記流路管に向けて集光する反射面を有するリフレクタと、を有し、直線状の処理流路を流通する流体に対し紫外線を照射して前記流体を殺菌処理する、紫外線殺菌装置である。

Description

紫外線殺菌装置および紫外線照射装置
　本発明は、紫外線殺菌装置および紫外線照射装置に関する。
　紫外線を用いて液体などの流体を殺菌処理できることは広く知られている。たとえば、特許文献１には、軸方向に延びる流路に対して、上記軸方向に紫外線を照射して、流路内を流通する液体を殺菌する流体殺菌装置が記載されている。
　具体的には、特許文献１に記載の流体殺菌装置は、軸方向に延びる処理流路を区画する流路管と、上記流路管の一方の端部の近傍に設けられ、上記処理流路に向けて上記一方の端部から上記軸方向に紫外線を照射する広配向角の発光素子（ＬＥＤ光源）と、を有する。上記光源から広角に照射された紫外線は、流路管の内面で反射されながら処理流路の長手方向（軸方向）に伝播していき、処理流路の内部の流体を殺菌する。
　特許文献１では、指向角半値幅が１２０°程度となる広配向角の発光素子を、指向角半値幅の範囲内の紫外線の全てが処理流路の内部に入射するように配置することが好ましいとされている。
特開２０１７－１０４２３０号公報
　流路管を流通する流体に対して効果的に殺菌効果を得るためには、流通する流体をできるだけ高い照度もしくは長い時間、またはその両方で処理することが望ましい。
　特許文献１に記載の流体殺菌装置のように広配向角の発光素子を使用する場合、通常、発光素子から光を出射すると、発光面近傍では、発光面に対する出射光のなす角度が垂直または垂直付近となる部分（光束の中心部）において高い照度が得られるが、発光面に対する出射光のなす角度が平行に近づくにつれ照度は低くなる。そのため、上記光束の中心部を処理流路の中心付近と略一致させれば、処理流路の中心付近での照度がより高くなるようにも思われる。しかし、広配向角の発光素子から発光された光は発光面からの距離が遠くなるにつれてより広い範囲に光束が拡がるため、光源から離れるにつれて照度分布が均一になりやすく、かつ、照度が低下しやすい。そのため、特許文献１に記載の流体殺菌装置では、発光素子の近傍では、処理流路の中心でも高い照度が得られ得るが、発光素子から離れると、処理流路の中心での照度を高くしにくく、結果として処理流路の全体において高い照度または長い時間で処理することが難しく、殺菌効果を十分には高めにくい。
　そこで、本発明は、処理流路の内部を流通する流体に発光素子からの紫外線を照射して上記流体を殺菌する紫外線殺菌装置であって、処理流路全体での殺菌効果を高めることができる、紫外線殺菌装置および紫外線照射装置を提供することをその目的とする。
　上記の課題を解決するための、本発明に関する紫外線殺菌装置は、直線状の処理流路を流通する流体に対し紫外線を照射して前記流体を殺菌処理する、前記直線状の処理流路を内部に有する流路管と、紫外線を発光する発光素子と、前記発光素子から発光された紫外線を反射して前記流路管に向けて集光する反射面を有するリフレクタと、を有する、紫外線殺菌装置である。
　また、上記の課題を解決するための、本発明に関する紫外線照射装置は、直線状の処理流路を流通する流体に対し紫外線を照射して前記流体を殺菌処理するための、紫外線を発光する発光素子と、前記発光素子から発光された紫外線を反射して前記流路管が配置される方向に向けて集光する反射面を有するリフレクタと、を有する、紫外線照射装置である。
　本発明によれば、処理流路全体での殺菌効果を高めることができる、紫外線殺菌装置および紫外線照射装置が提供される。
図１は、本発明の一実施形態に係る紫外線殺菌装置を示す、流路管の流体流通方向に沿う方向かつ鉛直方向における断面図である。 図２は、透明板保持部と透明板固定蓋とを分解した、流路管の端部の模式的な前方斜視分解図である。 図３は、リフレクタの模式的な斜視図である。 図４Ａは、リフレクタの平面図である。 図４Ｂは、リフレクタの底面図である。 図４Ｃは、リフレクタの正面図である。 図４Ｄは、リフレクタの背面図である。 図４Ｅは、リフレクタの側面図である。 図４Ｆは、リフレクタの４Ｆ－４Ｆ線における断面図である。 図５は、発光素子から発光された紫外線に含まれる代表的な光線の光路を示す光路図である。 図６Ａは、リフレクタの平面図である。 図６Ｂは、リフレクタの底面図である。 図６Ｃは、リフレクタの正面図である。 図６Ｄは、リフレクタの背面図である。 図６Ｅは、リフレクタの側面図である。 図６Ｆは、リフレクタの６Ｆ－６Ｆ線における断面図である。 図７は、発光素子から発光された紫外線に含まれる代表的な光線の光路を示す光路図である。 図８Ａは、リフレクタを用いずに、処理流路に対向させて配置した発光素子から発光された紫外線が、透明板を介して処理流路に照射されるときの光路図の一例である。 図８Ｂは、本発明の一実施形態の一態様に係る、リフレクタを有する紫外線照射装置を用いたときに、発光素子から発光された紫外線が、透明板を介して処理流路に照射されるときの光路図の一例である。 図８Ｃは、本発明の一実施形態の別の態様に係る、リフレクタを有する紫外線照射装置を用いたときに、発光素子から発光された紫外線が、透明板を介して処理流路に照射されるときの光路図の一例である。 図９Ａは、本明細書に記載した設定条件１および設定条件３による照度分布のシミュレーションにおいて、透明板からの距離をＸ軸、当該距離における照度をＹ軸にプロットして得られた、設定条件１および設定条件３における中心照度の分布を示すグラフである。 図９Ｂは、本明細書に記載した設定条件１および設定条件３による照度分布のシミュレーションにおいて、透明板からの距離をＸ軸、当該距離における照度をＹ軸にプロットして得られた、設定条件１および設定条件３における周縁部照度の分布を示すグラフである。 図１０Ａは、本明細書に記載した設定条件１および設定条件３による照度分布のシミュレーションにおいて、透明板から８ｍｍの位置における、処理流路の軸ＰＡからの距離をＸ軸、当該距離における照度をＹ軸にプロットして得られた、設定条件１および設定条件３における照度の分布を示すグラフである。 図１０Ｂは、本明細書に記載した設定条件１および設定条件３による照度分布のシミュレーションにおいて、透明板から７２ｍｍの位置における、処理流路の軸ＰＡからの距離をＸ軸、当該距離における照度をＹ軸にプロットして得られた、設定条件１および設定条件３における照度の分布を示すグラフである。 図１１Ａは、本明細書に記載した設定条件２および設定条件３による照度分布のシミュレーションにおいて、透明板からの距離をＸ軸、当該距離における照度をＹ軸にプロットして得られた、設定条件２および設定条件３における中心照度の分布を示すグラフである。 図１１Ｂは、本明細書に記載した設定条件２および設定条件３による照度分布のシミュレーションにおいて、透明板からの距離をＸ軸、当該距離における照度をＹ軸にプロットして得られた、設定条件２および設定条件３における周縁部照度の分布を示すグラフである。 図１２Ａは、本明細書に記載した設定条件２および設定条件３による照度分布のシミュレーションにおいて、透明板から８ｍｍの位置における、処理流路の軸ＰＡからの距離をＸ軸、当該距離における照度をＹ軸にプロットして得られた、設定条件２および設定条件３における照度の分布を示すグラフである。 図１２Ｂは、本明細書に記載した設定条件２および設定条件３による照度分布のシミュレーションにおいて、透明板から７２ｍｍの位置における、処理流路の軸ＰＡからの距離をＸ軸、当該距離における照度をＹ軸にプロットして得られた、設定条件２および設定条件３における照度の分布を示すグラフである。
　以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
　［紫外線殺菌装置の構成］
　図１は、流路管２００および紫外線照射装置３００を有する、本実施の形態に係る紫外線殺菌装置１００を示す、流路管２００の流体流通方向に沿う方向かつ鉛直方向における断面図である。なお、本明細書において流体は、液体および気体など、処理流路を流通し得る物質を包含する意味で使用する。
　流路管２００は、処理される流体が一端側から他端側に流通する直線状の処理流路２２０を内部に有する。処理流路２２０の末端を構成する流路管２００の端部２３０には、処理流路２２０に接して、紫外線を透過可能な透明板２５０が配置されている。
　紫外線照射装置３００は、紫外線を発光する発光素子３１０と、発光素子３１０から発光された紫外線を集光して一方向に出射するリフレクタ３２０と、を有する。紫外線照射装置３００は、流路管２００の端部２３０に面した処理流路２２０の外側に配置され、処理流路２２０を流通する流体に対し、リフレクタ３２０によって集光された紫外線を、透明板２５０を介して、直線状の処理流路２２０の上記直線方向かつ処理流路２２０内を上記流体が流通する方向とは対向する方向に照射する。
　（流路管）
　流路管２００は、内面が略円柱状に形成された流路壁２２５を有する直線状の管である。流路管２００は、一体成形された、流入口２１０、処理流路２２０の外周を規定する流路壁２２５、端部２３０および流出口２４０を有し、流入口２１０、処理流路２２０および流出口２４０は、この順に連通して流体が流通可能に構成される。
　流入口２１０は、紫外線の照射により殺菌処理される流体を処理流路２２０に導入するための、流路管２００の一端側に設けられた開口部であり、外部の流体供給装置と連結して流体供給装置からの流体を処理流路２２０に流通可能に構成される。たとえば、図１に示すように、流入口２１０は、流体供給装置からのホースを嵌め込み可能に狭窄された嵌込部２１２を有してもよい。また、嵌込部２１２は、処理流路２２０の下流側に向けて突出した爪状の形状を有する、上記ホースの挿入を阻害しにくいが上記ホースを係留して上記ホースの自由な抜出を阻害する流入係留部２１６を有してもよい。
　処理流路２２０は、処理される流体を流通させる直線状の流路であり、直線状の処理流路２２０の上記直線方向に形成される軸ＰＡに対して回転対称な形状を有する略円柱状の流路である。処理流路２２０は、紫外線の照射により流体を十分に殺菌処理できる大きさであればよい。たとえば、発光素子１個あたりの光出力が３０ｍＷである場合、処理流路２２０は、内径を５ｃｍ以下とすることができ、流路長を２ｃｍ以上３０ｃｍ以下とすることができる。なお、本明細書において、処理流路の軸ＰＡとは、処理流路２２０の流体の流通方向に直交する方向に沿った断面における処理流路２２０中心を結ぶ仮想直線を意味する。
　流路壁２２５は、流路管２００の内壁面であり、内面が略円柱状に形成されて、処理流路２２０の外周を規定する。
　端部２３０は、処理流路２２０の流入口２１０とは反対側の端部である。端部２３０は、処理流路２２０の内径および透明板２５０の外径よりも大きい外径を有する透明板保持部２３２と、透明板保持部２３２に接合されて透明板２５０を固定する透明板固定蓋２３４と、を有する。
　流出口２４０は、端部２３０の近傍に形成された、処理流路２２０を流通して流体を排出するための、流路管２００の他端側に設けられた開口部であり、処理流路２２０の流体を外部に流通可能に構成される。流出口２４０は、処理流路２２０内を流通する流体の流通方向と、流出口２４０から排出される流体の流通方向と、が同一直線上にならない位置に形成される。たとえば、流出口２４０は、端部２３０の近傍において処理流路２２０と略直交する方向に形成すればよい。このとき、図１に示すように、流出口２４０の開口２４４を処理流路２２０の周囲よりも離れた位置に設けて、処理流路２２０から開口２４４までを連通する流出流路２４５を設けてもよい。流入口２１０は、流体を流体貯蔵部などに導くためのホースを嵌め込み可能な形状を有してもよい。また、流出口２４０は、処理流路２２０の上流側に向けて突出した爪状の形状を有する、上記ホースの挿入を阻害しにくいが上記ホースを係留して上記ホースの自由な抜出を阻害する流出係留部２４６を有してもよい。
　透明板２５０は、端部２３０に保持されて、紫外線照射装置３００から照射された紫外線を処理流路２２０の内部へと導く窓となる、紫外線を透過可能な部材である。また、透明板２５０は、処理流路の外周の一部となり、端部２３０からの流体の流通方向への漏れ出しを抑止する。
　図２は、透明板保持部２３２と透明板固定蓋２３４とを分解した、端部２３０の模式的な前方斜視分解図である。なお、理解を容易にするため、図２には、透明板２５０（破線）も示す。また、図２および以下の記載では説明は省略するが、透明板保持部２３２および透明板固定蓋２３４は、これらを接合するためのネジを挿入するネジ孔などを有してもよいし、透明板固定蓋２３４は、リフレクタ３２０と接合するためのネジ孔などを有してもよい。
　透明板保持部２３２は、端部外壁部２３２ａ、紫外線を透過する透明板２５０が嵌め込まれて配置される円柱形の嵌入部である透明板配置部２３２ｂ、および透明板２５０と流体が接する領域となる円柱形の嵌入部である流速緩和部２３２ｃ、を有する。端部外壁部２３２ａ、透明板配置部２３２ｂおよび流速緩和部２３２ｃは、外側から内側に向けてこの順に形成される。
　端部外壁部２３２ａは、処理流路２２０の内径および透明板２５０の外径よりも大きい外径を有する円柱状の部材である。端部外壁部２３２ａは、さらにその内側に透明板配置部２３２ｂが円形に嵌入形成されているため、透明板固定蓋２３４と対向する表面が２つの同心円に挟まれた形状となる。端部外壁部２３２ａは、透明板２５０を固定できる大きさおよび強度を有すればよい。端部外壁部２３２ａは、透明板固定蓋２３４の固定外壁部２３４ａと接合するためのネジ孔（不図示）を有してもよい。
　透明板配置部２３２ｂは、端部外壁部２３２ａより内側に形成された、透明板２５０の外径と略同一の外径を有する円柱形の嵌入部である。透明板配置部２３２ｂは、さらにその内側に流速緩和部２３２ｃが円柱形に嵌入形成されているため、底面が２つの同心円に挟まれた形状の、一定の深さを有する嵌入部となる。透明板配置部２３２ｂは、端部外壁部２３２ａの外径よりも小さく、かつ、流速緩和部２３２ｃの外径よりも大きい外径を有し、透明板配置部２３２ｂおよび流速緩和部２３２ｃによって形成される底面である段差部に透明板２５０を保持する。透明板配置部２３２ｂの深さは、透明板２５０の厚みと略同一であればよい。上記２つの同心円の間の幅は、透明板２５０を保持できる大きさであればよい。
　流速緩和部２３２ｃは、透明板配置部２３２ｂより内側に形成された円柱形の嵌入部である。流速緩和部２３２ｃは、さらにその内側に処理流路２２０が開口されているため、底面が２つの同心円に挟まれた形状の、一定の深さを有する嵌入部となる。流速緩和部２３２ｃは、透明板配置部２３２ｂおよび透明板２５０の外径よりも小さく、かつ、処理流路２２０の外径よりも大きい外径を有し、処理流路を流通してきた流体の流速を緩和して（遅くして）、処理流路２２０を流れてきた流体から透明板２５０への衝撃による透明板２５０の破損および傷つきなどを抑制する空間を形成する。流速緩和部２３２ｃの深さは、処理流路２２０を流通してきた流体が十分に流速緩和部２３２ｃ中に広がることができる深さであればよい。流速緩和部２３２ｃの大きさは、上記段差部に透明板２５０を保持できる大きさであればよい。
　透明板固定蓋２３４は、透明板保持部２３２の端部外壁部２３２ａと接合し、透明板配置部２３２ｂに配置された透明板２５０を外側（処理流路２２０とは反対側）から固定する。透明板固定蓋２３４は、固定外壁部２３４ａと、固定外壁部２３４ａの内側に形成された貫通孔である紫外線照射孔２３４ｂと、を有する。
　固定外壁部２３４ａは、端部外壁部２３２ａと接合可能であり、かつ、端部外壁部２３２ａと接合したときに透明板２５０とも当接して透明板２５０を位置固定する。固定外壁部２３４ａは、端部外壁部２３２ａと接合して透明板２５０を固定できる大きさおよび強度を有すればよい。固定外壁部２４２ａは、紫外線照射装置３００のリフレクタ３２０と接合するためのネジ孔（不図示）を有してもよい。
　紫外線照射孔２３４ｂは、透明板２５０の外径よりも小さく、かつ処理流路２２０の外径よりも大きい外径を有する、固定外壁部２３４ａに形成された貫通孔である。紫外線照射孔２３４ｂの外径は、流速緩和部２３２ｃの外径よりも大きくてもよいし、小さくてもよい。紫外線照射孔２３４ｂは、紫外線照射装置３００のリフレクタ３２０から出射された紫外線を透過させる。透過された紫外線は、透明板２５０を介して、処理流路２２０に導かれる。リフレクタ３２０と透明板２５０との間の距離を近づけて、リフレクタ３２０から出射された紫外線が空気中を伝播する間の光量の損失を抑制する観点からは、紫外線照射孔２３４ｂは、リフレクタ３２０の紫外線出射側の外周を貫通孔の内部に収容できる形状を有することが好ましい。
　流入口２１０から処理流路２２０に導入された流体は、流入口２１０から端部２３０までの間の処理流路２２０を流通する間に、透明板２５０を介して紫外線照射装置３００からの紫外線を照射され、殺菌処理される。その後、殺菌処理された流体は、流出口２４０から排出される。なお、流体の一部は、処理流路２２０において紫外線を照射されて殺菌処理された後、端部２３０の方向には向かわずに流出口２４０から直接に排出される。いずれの流れを流通する流体に対しても、処理流路２２０を流通する間に紫外線の照射によって十分な殺菌が可能である。
　上記流体は、殺菌処理を行うべき処理流路を流通し得る物質であればよく、たとえば、液体であれば水などとすることができる。また、上記流体は、飲用水および農業用水などを含む上水、および工場などからの排水を含む下水とすることができる。
　上記流体の流速は、処理流路２２０を流通する間の紫外線の照射によって十分に殺菌がなされる速さであればよく、たとえば、発光素子１個あたりの光出力が３０ｍＷであり、流体が液体の場合、１０ｌ／ｍｉｎ以下とすることができる。
　流路管２００は、流通する流体の圧力によって変形または破損しにくい材料から形成され、たとえば金属材料および樹脂材料などから形成される。また、いずれも処理流路２２０の外周を規定する、流路壁２２５および端部２３０（特には流速緩和部２３２ｃ）の内面は、紫外線の反射率が高い材料から形成されていてもよく、紫外線の反射率が低い材料から形成されていてもよい。
　前記内面が紫外線の反射率が高い材料から形成されている場合、たとえば、流路壁２２５および端部２３０の内面は、鏡面研磨されたアルミニウム（Ａｌ）およびポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などから形成されることが好ましく、より化学的に安定しかつ紫外線の反射率も高いＰＴＦＥから形成されることがより好ましい。流路壁２２５および端部２３０の内面が、紫外線の反射率が高い材料から形成されると、紫外線照射装置３００から処理流路２２０に導入された紫外線のうち、わずかに拡がりながら伝播する光線を、これらの内面で反射することが可能である。
　一方、前記内面が紫外線の反射率が低い材料から形成されている場合、たとえば、光線がなるべく内面で反射せずに流路管２００内を進むように、前記リフレクタの形状を設計することで、高い殺菌効率を維持することができる。そうすることで、たとえば、塩化ビニルなどの安価な材料を流路管に使用することができ、装置のコストダウンが可能である。
　透明板２５０は、紫外線を透過可能な材料から形成される。たとえば、透明板２５０は、波長２００ｎｍ以上３５０ｎｍ以下の紫外線を透過可能な材料から形成されることが好ましく、より殺菌効率が高い波長２６０ｎｍ以上２９０ｎｍ以下の紫外線を透過可能な材料から形成されることがより好ましい。透明板２５０の材料の例には、石英（ＳｉＯ２）、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）および非晶質のフッ素系樹脂などの、上記波長の紫外線に対する透過率が高い材料が含まれる。
　（紫外線照射装置）
　紫外線照射装置３００は、基板３３０上に実装された発光素子３１０と、発光素子３１０から発光された紫外線を集光するリフレクタ３２０と、を有する。
　発光素子３１０は、紫外線を発光可能な素子であり、たとえば中心波長またはピーク波長が２００ｎｍ以上３５０ｎｍ以下、好ましくはより殺菌効率が高い波長である２６０ｎｍ以上２９０ｎｍ以下である、発光ダイオード（ＬＥＤ）などとすることができる。
　発光素子３１０は、配向角が広いことが好ましく、たとえば明るさ強度がピーク値の５０％となる方向間の角度である指向角半値幅が６０°以上のＬＥＤであることが好ましい。
　発光素子３１０は、基板３３０上に実装され、基板３３０は、基板取付部３４０に取り付けられる。
　リフレクタ３２０は、発光素子３１０から発光された紫外線を反射して集光する反射面３２６、および集光された紫外線を出射する出射口３２７を有する、集光部材である。
　図３は、リフレクタ３２０の模式的な斜視図である。図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃ、図４Ｄ、図４Ｅおよび図４Ｆ、ならびに図５は、後述する条件１および条件２を満たすリフレクタの形状を示す図である。また、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、図６Ｄ、図６Ｅおよび図６Ｆ、ならびに図７は、後述する条件１および条件３を満たすリフレクタの形状を示す図である。
　図４Ａおよび図６Ａは、リフレクタ３２０の平面図であり、図４Ｂおよび図６Ｂは、リフレクタ３２０の底面図であり、図４Ｃおよび図６Ｃは、リフレクタ３２０の正面図であり、図４Ｄおよび図６Ｄは、リフレクタ３２０の背面図であり、図４Ｅおよび図６Ｅは、リフレクタ３２０の側面図であり、図４Ｆおよび図６Ｆは、リフレクタ３２０の４Ｆ－４Ｆ線または６Ｆ－６Ｆ線における断面図である。図５および図７は、発光素子３１０から発光された紫外線に含まれる代表的な光線の光路を示す光路図である。
　図３、図４Ａ～図４Ｆおよび図６Ａ～図６Ｆに示すように、リフレクタ３２０は、以下に詳述する反射面３２６となる形状の内面を有する筺体３２２と、筺体３２２の側面に張り出した筺体固定部３２３と、を有する。
　リフレクタ３２０は、筺体固定部３２３の底面に向けて筺体固定部３２３に形成されたネジ孔３２３ａにネジを差し込んで、基板３３０とともに基板取付部３４０に固定して取り付けられる。さらに、リフレクタ３２０は、筺体固定部３２３の正面に向けて筺体固定部３２３に形成されたネジ孔３２３ｂにネジを差し込んで、流路管２００の透明板固定蓋２３４（特には固定外壁部２３４ａ）に固定して取り付けられる。
　このとき、リフレクタ３２０は、筺体３２２の底面が、発光素子３１０の上面と略同一平面上となる位置に取り付けられることが好ましい。ただし、リフレクタ３２０は、筺体３２２の底面が、発光素子３１０の上面よりも鉛直方向上方に位置するように取り付けられてもよい。
　発光素子３１０を実装した基板３３０とともにリフレクタ３２０を基板取付部３４０に取り付けると、リフレクタ３２０の底面に形成された開口部３２５またはその外部に発光素子３１０が配置され、発光素子３１０の上面には筺体３２２の内面である反射面３２６が対向して配置される。また、リフレクタ３２０を透明板固定蓋２３４に取り付けると、リフレクタ３２０の正面に形成された開口部（出射口３２７）は透明板２５０を介して処理流路２２０と対向して配置される。このとき、発光素子３１０の光軸ＯＡは処理流路２２０の軸ＰＡと略直交し、反射面３２６で反射された紫外線の光束が出射口３２７から出射する方向に向けて設定される仮想軸ＥＡは、発光素子３１０の光軸ＯＡとは直交し、かつ、処理流路２２０の軸ＰＡとは平行になる。これにより、発光素子３１０から発光された紫外線は、反射面３２６で反射されて集光され、出射口３２７から出射されて、透明板２５０を介して処理流路２２０に照射される。なお、発光素子の光軸ＯＡとは、発光素子３１０からの立体的な出射光束の中心の光線を意味する。
　より具体的には、筺体３２２の内面は、紫外線を反射する反射面３２６であり、発光素子３１０から発光された紫外線を、発光素子３１０の光軸ＯＡとは略直交する方向に反射し、かつ集光して、出射口３２７の方向（仮想軸ＥＡの進行方向でもある。）に進行させる。
　反射面３２６は、断面が放物線に類似し（図１、図４Ｆ、図５、図６Ｆおよび図７参照）、かつ、反射された紫外線の出射方向に向けて設定される仮想軸ＥＡのひとつに対して回転対称となり、ただし上記回転対称とした立体形状の内、発光素子３１０から発光された紫外線の反射に寄与しない部分を切断した形状を有する。反射面３２６は、反射面３２６を放物面と見なしたときにその焦点と見なされる位置ＦＰに発光素子３１０が配置されたとき、発光素子３１０から発光された紫外線を反射して、その大部分が、出射口３２７から処理流路２２０の方向に向かう出射光線となる形状を有する。
　より具体的には、発光素子３１０の発光中心から出射された紫外線に含まれるひとつの光線の出射角をθ１、出射角θ１で発光されて反射面３２６で反射された光線が出射口３２７から出射する出射角をθ２とするとき、反射面３２６は、発光素子３１０から発光された紫外線を、以下の条件１を満たすように反射し得る形状を有することが好ましい。
　条件１：－６０°＜θ１＜－５°および５°＜θ１＜６０°の範囲において、ある発光光線が前記反射面で反射してなる反射光線の出射角θ２の絶対値は、当該発光光線の出射角θ１の絶対値よりも小さい
　なお、図５および図７に示すように、θ１は、発光素子３１０の発光中心から発光された紫外線に含まれる１つの光線（以下、単に「発光光線」ともいう。）が、発光素子３１０の光軸ＯＡに対してなす角度（０°以上９０°以下）である。本明細書では、ある発光光線が、光軸ＯＡに対して出射方向ＥＤとは反対方向（仮想軸ＥＡの進行方向とは反対の方向であり、発光素子３１０から流路管２００に向かう方向とは反対方向であり、発光素子３１０から出射口３２７に向かう方向とも反対方向である。）に傾斜して進行するとき、当該発光光線がなす角度θ１を正の値とし、ある発光光線が、光軸ＯＡに対して出射方向（仮想軸ＥＡの進行方向であり、発光素子３１０から流路管２００に向かう方向であり、発光素子３１０から出射口３２７に向かう方向でもある。）に傾斜して進行するとき、当該発光光線がなす角度θ１を負の値とする。
　また、図５および図７に示すように、θ２は、発光素子３１０から発光されて反射面３２６で反射された後の紫外線に含まれる１つの光線（以下、単に「反射光線」ともいう。）が、仮想軸ＥＡに対してなす角度（０°以上９０°以下）である。本明細書では、ある反射光線が、処理流路２２０の軸ＰＡおよび仮想軸ＥＡに対して光軸ＯＡの進行方向に傾斜して進行するとき、当該反射光線がなす角度θ２を正の値とし、ある反射光線が、処理流路２２０の軸ＰＡおよび仮想軸ＥＡに対して光軸ＯＡの進行方向とは反対の方向に傾斜して進行するとき、当該反射光線がなす角度θ２を負の値とする。
　条件１は、－６０°＜θ１＜－５°および５°＜θ１＜６０°の範囲において、出射光線が拡がらず、出射口３２７の方向に集光されることを意味する。条件１を満たすことで、発光素子３１０から発光されて反射された紫外線に含まれる光線は、その大部分が、出射口３２７から処理流路２２０の方向に向かう出射光線となる。そのため、条件１を満たすリフレクタ３２０を有する紫外線照射装置３００から出射される紫外線は、拡がりにくく、流路壁２２５で反射せずに処理流路２２０中をその長さ方向により短い経路で伝播しやすい。これにより、紫外線照射装置３００から照射された紫外線は、処理流路２２０中での照度が低下しにくく、より高い照度を保ったまま処理流路２２０内のより長い距離を伝播することが可能である。
　本実施形態の一態様において、処理流路における流体の殺菌効率をより高める観点から、反射面３２６は、発光素子３１０から発光された紫外線を、上記条件１とともに、以下の条件２を満たすように反射し得る形状を有することが好ましい。
　条件２：－５０°＜θ１＜５０°の範囲において、θ２の最大値とθ２の最小値との差は３°未満である
　条件２は、－５０°＜θ１＜５０°の範囲において、出射光線が仮想軸ＥＡからさほど傾斜しないことを意味する。条件２を満たすことで、発光素子３１０から発光されて反射された紫外線は、反射光線の大部分が集合する光束の中心部の照度がより高いまま、集光されて伝播していく。そのため、条件２を満たすリフレクタを有する紫外線照射装置３００から出射される紫外線は、出射口から離れた位置までも光束の中心部の照度がより高い状態を保ったまま処理流路２２０内を伝播していきやすい。
　なお、反射面３２６は、上記焦点と見なされる位置ＦＰに発光素子３１０が配置されたときに、条件１および条件２を満たし得る形状を有すればよい。
　本実施形態の別の態様において、処理流路における流体の殺菌効率をより高める観点から、反射面３２６は、発光素子３１０から発光された紫外線を、上記条件１とともに、以下の条件３を満たすように反射し得る形状を有することが好ましい。
　条件３：－４０°＜θ１＜５５°の範囲において、θ１が小さくなるにつれてθ２は大きくなる
　条件３は、－４０°＜θ１＜５５°の範囲において、出射光線が互いに重ならずに拡がっていくことを意味する。条件３を満たすことで、発光素子３１０から発光されて反射された紫外線は光束の中心部に集まったスポット状になりにくく、より均一な照度分布を保ったまま伝播していきやすい。
　なお、反射面３２６は、上記焦点と見なされる位置ＦＰに発光素子３１０が配置されたときに、条件１および条件３を満たし得る形状を有すればよい。
　上記いずれの態様においても、紫外線照射装置３００は、出射口３２７から出射する紫外線の輝度が最も高くなる光束の中心部が、処理流路２２０の軸ＰＡにより近くなる位置に配置されることが好ましく、上記光束の中心部が処理流路２２０の軸ＰＡと略一致する位置に配置されることがより好ましい。なお、紫外線照射装置３００から出射する紫外線では、発光素子３１０の発光面が配置された位置から光軸ＯＡの進行方向に少しずれた位置が出射口３２７から出射する紫外線の光束の中心部となるので、発光素子３１０は、発光面の位置が処理流路２２０の軸ＰＡに対して、光軸ＯＡの進行方向とは反対方向にずれた位置となるように配置されることが好ましい。
　紫外線照射装置３００は、たとえば金属材料、ガラスおよび樹脂材料などから形成される。ただし、反射面３２６は、紫外線の反射率が高い材料から形成されることが好ましい。たとえば、反射面３２６は、鏡面研磨されたアルミニウム（Ａｌ）、ガラスおよび樹脂材料などの表面に配置されたアルミニウム膜、ならびにポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などから形成されることが好ましい。前記アルミニウム膜の作製方法は特に制限されず、たとえば、真空蒸着等により作製できる。
　また、反射面３２６は、流路管内の光線の進行を制御する観点から、紫外線が拡散反射する面であるよりも鏡面反射する面であることが好ましい。
　図８Ａは、リフレクタを用いずに、処理流路に対向させて配置した発光素子から発光された紫外線が、透明板を介して処理流路に照射されるときの光路図の一例である。発光された紫外線は、広い角度に拡がりながら、処理流路に照射される。このとき、処理流路の流路壁を紫外線の反射率が高い材料で形成すれば、照射された紫外線は流路壁で反射されながら処理流路内を伝播していく。しかし、紫外線の多くが流路壁で反射されると、処理流路内での照度分布の制御が困難であり、処理流路の中心である軸ＰＡ付近の照度をより高くすることは困難である。また、紫外線の多くが流路壁で反射されると、紫外線に含まれるそれぞれの光線は処理流路２２０中をその長さ方向により長い経路で伝播するため、処理流路２２０の中を長さ方向に向かうにつれ照度が低下しやすい。
　図８Ｂは、本実施形態の上記一態様に係る、条件１および条件２を満たすリフレクタ３２０を有する紫外線照射装置３００を用いたときに、発光素子３１０から発光された紫外線が、透明板を介して処理流路に照射されるときの光路図の一例である。さらに、透明板２５０を通過した紫外線は、処理流路の中心である軸ＰＡ付近の照度がより高い状態を保ったまま、処理流路内を伝播していく。
　図８Ｃは、本実施形態の上記別の態様に係る、条件１および条件３を満たすリフレクタ３２０を有する紫外線照射装置３００を用いたときに、発光素子３１０から発光された紫外線が、透明板を介して処理流路に照射されるときの光路図の一例である。さらに、透明板２５０を通過した紫外線は、処理流路２２０内を均一に拡がりつつ、処理流路２２０内を伝播していく。
　このように、本実施形態に係る紫外線照射装置３００を用いると、処理流路内での照度分布の制御が容易である。また、上記一態様に係る紫外線照射装置３００を用いると、紫外線に含まれるそれぞれの光線は処理流路２２０中をその長さ方向により短い経路で伝播するため、処理流路２２０中の長さ方向へのより長い距離を高い照度を保ったまま伝播できる。
　また、本実施形態によれば、発光素子３１０から発光された紫外線は、リフレクタ３２０で集光されて処理流路２２０に照射される。そのため、本実施形態は、発光素子３１０から発光された紫外線の光路を制御して、処理流路２２０内での紫外線の照度分布を調整しやすい。
　また、本実施形態によれば、反射面３２６が条件１を満たすリフレクタ３２０で発光された紫外線を集光するため、処理流路２２０中での紫外線の照度が低下しにくく、紫外線が処理流路２２０中の長さ方向への長い距離を伝播することが可能である。
　また、本実施形態の上記一態様によれば、反射面３２６が条件２を満たすリフレクタ３２０で発光された紫外線を集光するため、出射口から離れた位置までも処理流路の中心である軸ＰＡ付近の照度がより高い状態を保ったまま、紫外線が処理流路２２０内を伝播していきやすい。
　また、本実施形態の上記他の態様によれば、反射面３２６が条件３を満たすリフレクタ３２０で発光された紫外線を集光するため、出射された紫外線は光束の中心部に集まったスポット状になりにくく、より均一な照度分布を保ったまま伝播していきやすい。
　このように、本実施形態では、発光素子から出射される紫外線の光を流路管に向けて集光する反射面で反射させ、紫外線の光束を制御することで、処理流路全体での殺菌効果をより高めることができる。
　［照度分布のシミュレーション結果］
　以下、紫外線照射装置３００を有する紫外線殺菌装置１００を用いて処理流路２２０に紫外線を照射したときの、処理流路２２０内での紫外線の照度分布シミュレーションした結果を示す。また、比較のため、紫外線照射装置３００を有さない紫外線殺菌装置を用いて、処理流路に対向させて配置した発光素子から発光された紫外線を処理流路に照射したとき（図８Ａ参照）の、処理流路での紫外線の照度分布シミュレーションした結果も示す。
　シミュレーションは、以下の設定条件で行った。
　（設定条件１および２）
　図１に示されるように、基板取付部３４０に、ＬＥＤである発光素子３１０が実装された基板、および条件１および条件２（実施例１）、または条件１および条件３（実施例２）を満たす反射面３２６を有するリフレクタ３２０を取り付けて、紫外線照射装置３００とした。なお、発光素子３１０は、リフレクタ３２０の反射面３２６を放物面とみなしたときに焦点となる位置ＦＰに配置した。また、リフレクタ３２０は、その底面が、発光素子３１０の上面と同一平面上になるように取り付けた。紫外線照射装置３００を、流路壁２２５が紫外線を反射する処理流路２２０を有する流路管２００に固定して取り付けた。このとき、発光素子３１０の上面が処理流路２２０の軸ＰＡよりわずかに鉛直方向下方になるように、紫外線照射装置３００を配置した。
　発光素子３１０、リフレクタ３２０、透明板２５０および処理流路２２０、ならびにそれぞれの位置関係は、以下のように設定した。
　・発光素子の中心波長：　２６５ｎｍ
　・発光素子の指向角半値幅：　１０５°
　・発光素子の出射面の外径：　φ３ｍｍ（チップサイズは１ｍｍ×１ｍｍ）
　・発光素子の光軸と透明板との間の距離：　３０．４ｍｍ
　・リフレクタの出射口の形状：　半円形
　・リフレクタの出射口の内径：　φ３２ｍｍ
　・透明板の厚み：　２ｍｍ
　・処理流路の断面形状：　円形
　・処理流路の内径：　２０ｍｍ
　・処理流路の長さ：　１４０ｍｍ
　・処理流路内の流体：　水（Ｈ２Ｏ）
　この紫外線照射装置における、実施例１の発光光線が発光素子３１０の光軸ＯＡに対してなす角度θ１と、反射光線が仮想軸ＥＡに対してなす角度θ２と、の関係を、表１に、実施例２の前記θ１と、前記θ２と、の関係を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　（設定条件３）
　比較のため、同一の発光素子を、処理流路の軸ＰＡと発光素子の光軸ＯＡとが一致する位置に、処理流路と対向して配置した。発光素子の出射面と透明板との間の距離は、０．１ｍｍとした。それ以外は、設定条件１および２と同一に設定した。
　（シミュレーション１）
　設定条件１および設定条件３において、処理流路の長さ方向（透明板から７．５ｍｍ～１３５．５ｍｍ）における、処理流路の軸ＰＡ上での照度（以下、単に「中心照度」ともいう。）の分布、ならびに、処理流路の上端、下端、右端および左端における照度のうち最小の値（以下、単に「周縁部照度」ともいう。）の分布、をそれぞれ調べた。
　図９Ａは、透明板からの距離をＸ軸、当該距離における照度をＹ軸にプロットして得られた、設定条件１および設定条件３における中心照度の分布を示すグラフである。図９Ａにおいて、実線は設定条件１におけるシミュレーション結果を、破線は設定条件３におけるシミュレーション結果を、それぞれ示す。紫外線照射装置３００を用いる設定条件１では、紫外線照射装置３００を用いない設定条件３と比較して透明板からより離れた位置まで、高い中心照度を維持したまま紫外線が処理流路内を伝播した。
　図９Ｂは、透明板からの距離をＸ軸、当該距離における照度をＹ軸にプロットして得られた、設定条件１および設定条件３における周縁部照度の分布を示すグラフである。図９Ｂにおいて、実線は設定条件１におけるシミュレーション結果を、破線は設定条件３におけるシミュレーション結果を、それぞれ示す。紫外線照射装置３００を用いる設定条件１では、紫外線照射装置３００を用いない設定条件３と比較して透明板からより離れた位置まで、高い周縁部照度を維持したまま紫外線が処理流路内を伝播した。
　これらの結果から、紫外線照射装置３００を用いる設定条件１では、紫外線照射装置３００を用いない設定条件３と比較して、処理流路の断面方向の全域において、より高い照度を維持したまま紫外線が処理流路内を伝播することがわかる。
　（シミュレーション２）
　設定条件１および設定条件３において、透明板から８ｍｍの位置における処理流路の軸ＰＡを通る水平線上での照度分布、および透明板から７２ｍｍの位置における処理流路の軸ＰＡを通る水平線上での照度分布、をそれぞれ調べた。
　図１０Ａは、透明板から８ｍｍの位置における、処理流路の軸ＰＡからの距離をＸ軸、当該距離における照度をＹ軸にプロットして得られた、設定条件１および設定条件３における照度の分布を示すグラフである。図１０Ａにおいて、実線は設定条件１におけるシミュレーション結果を、破線は設定条件３におけるシミュレーション結果を、それぞれ示す。
　図１０Ｂは、透明板から７２ｍｍの位置における、処理流路の軸ＰＡからの距離をＸ軸、当該距離における照度をＹ軸にプロットして得られた、設定条件１および設定条件３における照度の分布を示すグラフである。図１０Ｂにおいて、実線は設定条件１におけるシミュレーション結果を、破線は設定条件３におけるシミュレーション結果を、それぞれ示す。
　紫外線照射装置３００を用いる設定条件１では、透明板から８ｍｍの位置および透明板から７２ｍｍの位置の両方とも、処理流路の軸ＰＡに近い位置に照度分布のピークが形成された。一方で、紫外線照射装置３００を用いない設定条件３では、透明板から８ｍｍの位置では処理流路の軸ＰＡに近い位置に照度分布のピークが形成されたものの、透明板から７２ｍｍの位置では照度分布のピークが形成されなかった。
　これらの結果から、紫外線照射装置３００を用いる設定条件１では、紫外線照射装置３００を用いない設定条件３と比較して、処理流路２２０の長さ方向へのより長い距離を、高い中心照度を維持したまま紫外線が伝播することがわかる。
（シミュレーション３）
　前記シミュレーション１において、設定条件１を設定条件２に変更し、同様のシミュレーションを行った。
　図１１Ａは、透明板からの距離をＸ軸、当該距離における照度をＹ軸にプロットして得られた、設定条件２および設定条件３における中心照度の分布を示すグラフである。図１１Ａにおいて、実線は設定条件２におけるシミュレーション結果を、破線は設定条件３におけるシミュレーション結果を、それぞれ示す。紫外線照射装置３００を用いる設定条件２では、紫外線照射装置３００を用いない設定条件３と比較して透明板からより離れた位置まで、高い中心照度を維持したまま紫外線が処理流路内を伝播した。
　図１１Ｂは、透明板からの距離をＸ軸、当該距離における照度をＹ軸にプロットして得られた、設定条件２および設定条件３における周縁部照度の分布を示すグラフである。図１１Ｂにおいて、実線は設定条件２におけるシミュレーション結果を、破線は設定条件３におけるシミュレーション結果を、それぞれ示す。紫外線照射装置３００を用いる設定条件２では、紫外線照射装置３００を用いない設定条件３と比較して透明板からより離れた位置まで、高い周縁部照度を維持したまま紫外線が処理流路内を伝播した。
　これらの結果から、紫外線照射装置３００を用いる設定条件２では、紫外線照射装置３００を用いない設定条件３と比較して、処理流路２２０の断面方向の全域において、より高い照度を維持したまま処理流路２２０の長さ方向へのより長い距離を紫外線が伝播することがわかる。
（シミュレーション４）
　前記シミュレーション２において、設定条件１を設定条件２に変更し、同様のシミュレーションを行った。
　図１２Ａは、透明板から８ｍｍの位置における、処理流路の軸ＰＡからの距離をＸ軸、当該距離における照度をＹ軸にプロットして得られた、設定条件２および設定条件３における照度の分布を示すグラフである。図１２Ａにおいて、実線は設定条件２におけるシミュレーション結果を、破線は設定条件３におけるシミュレーション結果を、それぞれ示す。
　図１２Ｂは、透明板から７２ｍｍの位置における、処理流路の軸ＰＡからの距離をＸ軸、当該距離における照度をＹ軸にプロットして得られた、設定条件２および設定条件３における照度の分布を示すグラフである。図１２Ｂにおいて、実線は設定条件２におけるシミュレーション結果を、破線は設定条件３におけるシミュレーション結果を、それぞれ示す。
　透明板から８ｍｍの位置における中心照度と周縁部照度との間の差は、紫外線照射装置３００を用いる設定条件２において紫外線照射装置３００を用いない設定条件３よりも小さかった。紫外線照射装置３００を用いる設定条件２では、透明板から７２ｍｍの位置でも、中心照度と周縁部照度との間の差が小さいまま紫外線が伝播していた。
　これらの結果から、紫外線照射装置３００を用いる設定条件２では、紫外線照射装置３００を用いない設定条件３と比較して、処理流路の長さ方向のより長い距離まで、より均一な照度分布を維持したまま紫外線が処理流路内を伝播することがわかる。
　［その他の実施形態］
　なお、上記実施形態は、発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならない。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
　たとえば、上記実施形態では、処理流路を流通する流体の流通方向とは対向する方向に紫外線を照射する位置に紫外線照射装置を配置していたが、流体の流通方向に沿った方向に紫外線を照射する位置に紫外線照射装置を配置してもよい。
　また、照度分布をより均一にして処理流路内部の全体をより均一に殺菌するため、紫外線照射装置を回転させながら、処理流路に紫外性を照射してもよい。
　本出願は、２０１７年９月２８日出願の日本国出願番号２０１７－１８８１４８号に基づく優先権を主張する出願であり、当該出願の明細書、特許請求の範囲および図面に記載された内容は本出願に援用される。
　本発明によれば、紫外線殺菌装置による、処理流路内を流通する流体の殺菌効果をより高めることが可能である。したがって、本発明により、上水や農業用の流体などの殺菌への紫外線殺菌装置の普及および当該技術分野のさらなる発展が期待される。
　１００　紫外線殺菌装置
　２００　流路管
　２１０　流入口
　２１２　嵌込部
　２１６　流入係留部
　２２０　処理流路
　２２５　流路壁
　２３０　端部
　２３２　透明板保持部
　２３２ａ　端部外壁部
　２３２ｂ　透明板配置部
　２３２ｃ　流速緩和部
　２３４　透明板固定蓋
　２３４ａ　固定外壁部
　２３４ｂ　紫外線照射孔
　２４０　流出口
　２４４　開口
　２４５　流出流路
　２４６　流出係留部
　２５０　透明板
　３００　紫外線照射装置
　３１０　発光素子
　３２０　リフレクタ
　３２２　筺体
　３２３　筺体固定部
　３２３ａ、３２３ｂ　ネジ孔
　３２５　開口部
　３２６　反射面
　３２７　出射口
　３３０　基板
　３４０　基板取付部
 

Claims (10)

  1. 　直線状の処理流路を流通する流体に対し紫外線を照射して前記流体を殺菌処理する紫外線殺菌装置であって、
    　前記直線状の処理流路を内部に有する流路管と、
    　前記紫外線を発光する発光素子と、
    　前記発光素子から発光された前記紫外線を反射して前記流路管に向けて集光する反射面を有するリフレクタと、を有する、紫外線殺菌装置。
  2. 　前記リフレクタは、前記反射面が前記発光素子の発光面と対向する位置に配置され、
    　前記リフレクタの前記反射面は、前記発光素子の光軸を含む断面において、前記発光素子の発光中心から発光された発光光線の出射角θ１、および前記発光光線が前記反射面で反射してなる反射光線の出射角θ２、について下記条件１が満たされるように、前記発光素子から発光された紫外線を反射する形状を有する、請求項１に記載の紫外線殺菌装置。
    　条件１：－６０°＜θ１＜－５°および５°＜θ１＜６０°の範囲において、ある発光光線が前記反射面で反射してなる反射光線の出射角θ２の絶対値は、当該発光光線の出射角θ１の絶対値よりも小さい
    　（ただし、前記発光素子の発光中心から発光される紫外線に含まれる１つの発光光線が前記発光素子の光軸に対してなす角度をθ１とし、このとき、前記発光光線が前記光軸に対して前記流路管に向かう方向とは反対方向に傾斜して進行するとき、当該発光光線がなす角度θ１を正の値とし、前記発光光線が前記光軸に対して前記流路管に向かう方向に傾斜して進行するとき、当該発光光線がなす角度θ１を負の値とし、
    　前記リフレクタの反射面で反射された紫外線に含まれる１つの反射光線が前記処理流路の軸に対してなす角度をθ２とし、このとき、前記反射光線が前記処理流路の軸に対して前記光軸の進行方向に傾斜して進行するとき、当該反射光線がなす角度θ２を正の値とし、前記反射光線が前記処理流路の軸に対して前記光軸の進行方向とは反対の方向に傾斜して進行するとき、当該反射光線がなす角度θ２を負の値とする。）
  3. 　前記リフレクタの前記反射面は、前記出射角θ１および前記出射角θ２が、さらに下記条件２が満たされるように、前記発光素子から発光された紫外線を反射する形状を有する、請求項２に記載の紫外線殺菌装置。
    　条件２：－５０°＜θ１＜５０°の範囲において、θ２の最大値とθ２の最小値との差は３°未満である
  4. 　前記リフレクタの前記反射面は、前記出射角θ１および前記出射角θ２が、さらに下記条件３が満たされるように、前記発光素子から発光された紫外線を反射する形状を有する、請求項２に記載の紫外線殺菌装置。
    　条件３：－４０°＜θ１＜５５°の範囲において、θ１が小さくなるにつれてθ２は大きくなる
  5. 　前記発光素子は、前記処理流路の軸とは略直交する方向に前記紫外線を発光する向きに配置される、請求項１～４のいずれか１項に記載の紫外線殺菌装置。
  6. 　前記発光素子は、発光面の位置が、前記処理流路の軸に対して、前記発光素子の光軸の進行方向とは反対方向にずれた位置となるように配置される、請求項１～５のいずれか１項に記載の紫外線殺菌装置。
  7. 　前記発光素子および前記リフレクタは、前記処理流路の外部に配置される、請求項１～６のいずれか１項に記載の紫外線殺菌装置。
  8. 　前記流路管は、前記処理流路の端部に紫外線を透過可能な透明板を有し、
    　前記リフレクタは、前記集光された紫外線を、前記透明板を介して前記処理流路に照射する位置に配置される、請求項７に記載の紫外線殺菌装置。
  9. 　前記リフレクタは、前記反射面が前記発光素子の発光面と対向する位置、かつ、前記処理流路の一端側に配置され、
    　前記処理流路を流通する流体は、前記処理流路の他端側から前記一端側に流通する、請求項１～８のいずれか１項に記載の紫外線殺菌装置。
  10. 　直線状の処理流路を流通する流体に対し紫外線を照射して前記流体を殺菌処理するための紫外線照射装置であって、
    　紫外線を発光する発光素子と、
    　前記発光素子から発光された紫外線を反射して前記流路管が配置される方向に向けて集光する反射面を有するリフレクタと、を有する、紫外線照射装置。
     
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