JP6814826B2 - 流体殺菌装置 - Google Patents

Description

本発明は、紫外光を照射して流体を殺菌する技術に関する。

紫外光には殺菌能力があることが知られており、医療や食品加工の現場などでの殺菌処理に紫外光照射装置が用いられる。例えば、直管内を通過する流体の流れに沿う方向に紫外光ＬＥＤ（Light Emitting Diode）から出力される紫外光を照射する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７−０７４１１４号公報

流体に対して連続的に殺菌処理をしつつ、紫外光を出力する複数の発光素子の動作をモニタできることが好ましい。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、複数の発光素子の動作をモニタできる流体殺菌装置を提供することにある。

本発明のある態様の流体殺菌装置は、流体が流れる直管と、直管の第１端部から直管の内部に向けて紫外光を照射する複数の発光素子を含む光源と、複数の発光素子のそれぞれから出力されて直管の内部を透過する可視光を直管の第１端部とは反対の第２端部において撮像する撮像装置と、を備える。

この態様によると、直管を挟んで光源と撮像装置が対向して配置されるため、光源を構成する複数の発光素子の照度分布を撮像してモニタできる。また、複数の発光素子から出力される紫外光ではなく、複数の発光素子の出力光にわずかに含まれる可視光を撮像することで、流体の流れの変動によって照度分布が変化する影響を低減できる。本発明者らの知見によれば、流体の変動の影響を受けやすい紫外光を撮像するのではなく、流体の変動の影響を受けにくい可視光を撮像することで、直管内の流体ごしに光源を撮像する場合であっても光源の照度分布を高精度で取得できる。

複数の発光素子の出力光のピーク波長は２６０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、複数の発光素子の出力光には波長４００ｎｍ以上の可視光が含まれていてもよい。撮像装置は、波長４００ｎｍ以上の可視光を撮像するよう構成されてもよい。

光源と第１端部の間に配置される第１窓部材と、撮像装置と第２端部の間に配置され、第１窓部材よりも紫外光の透過率が低い第２窓部材とをさらに備えてもよい。

第１窓部材は、波長２６０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の紫外光の透過率が５０％以上であてもよい。第２窓部材は、波長２６０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の紫外光の透過率が１％未満であり、波長４００ｎｍ以上の可視光の透過率が５０％以上であってもよい。

撮像装置が撮像する画像を解析し、複数の発光素子のそれぞれの発光強度を個別に推定する制御装置をさらに備えてもよい。

制御装置は、複数の発光素子のそれぞれの発光強度の推定結果に基づいて、複数の発光素子のそれぞれの駆動電流を個別に制御してもよい。

本発明によれば、流体に対して連続的に殺菌処理をしながら複数の発光素子の動作をモニタできる。

実施の形態に係る流体殺菌装置の構成を概略的に示す断面図である。 発光素子の波長特性を模式的に示すグラフである。 第２窓部材に用いる材料の波長特性を模式的に示すグラフである。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。

図１は、実施の形態に係る流体殺菌装置１０の構成を概略的に示す図である。流体殺菌装置１０は、矢印Ａで示されるように流路１２内を通過する流体に対して紫外光Ｂを照射して殺菌処理を施す。流体殺菌装置１０は、直管２０と、第１筐体２３と、第２筐体２４と、光源３０と、撮像装置３６と、第１窓部材３７と、第２窓部材３８と、制御装置４０とを備える。

直管２０は、流路１２を区画する。直管２０は、第１端部２１および第２端部２２を有する。第１端部２１には第１筐体２３が設けられ、第２端部２２には第２筐体２４が設けられる。直管２０の材質は特に問わないが、少なくとも直管２０の内面が紫外光に対する耐久性および反射率が高い材料であることが好ましい。直管２０の内面は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのフッ素系樹脂やアルミニウム（Ａｌ）などの金属材料で構成されることが好ましい。

図面の理解を助けるため、直管２０の第１端部２１から第２端部２２に向かう方向を「軸方向」ともいう。また、直管２０の中心軸から離れる方向を「径方向」ともいい、直管２０の中心軸周りの方向を「周方向」ともいう。

第１筐体２３は、直管２０の外側に設けられる第１整流室１３および光源室１７を区画する。第１整流室１３と光源室１７の間は、第１窓部材３７により仕切られる。第１筐体２３には第１流通口２５が設けられ、第１流通口２５から第１流通管２７が径方向に延びる。第１整流室１３は、流路１２と第１流通口２５の間をつなぐ。第１整流室１３は、直管２０の第１端部２１と、第１端部２１に対向する第１窓部材３７との間の第１隙間１５を通じて流路１２と連通する。第１整流室１３は、例えば、直管２０の全周にわたって設けられる。

第２筐体２４は、直管２０の外側に設けられる第２整流室１４および撮像室１８を区画する。第２整流室１４と撮像室１８の間は、第２窓部材３８により仕切られる。第２筐体２４には第２流通口２６が設けられ、第２流通口２６から第２流通管２８が径方向に延びる。第２整流室１４は、流路１２と第２流通口２６の間をつなぐ。第２整流室１４は、直管２０の第２端部２２と、第２端部２２に対向する第２窓部材３８との間の第２隙間１６を通じて流路１２と連通する。第２整流室１４は、例えば、直管２０の全周にわたって設けられる。

図１の構成では、光源室１７が設けられる第１筐体２３を流体の流出側とし、撮像室１８が設けられる第２筐体２４を流体の流入側としている。つまり、第１流通口２５を流出口とし、第１流通管２７を流出管とし、第２流通口２６を流入口とし、第２流通管２８を流入管としている。変形例においては、流入側と流出側を逆にしてもよい。つまり、第１流通口２５を流入口とし、第１流通管２７を流入管とし、第２流通口２６を流出口とし、第２流通管２８を流出管としてもよい。

光源３０は、光源室１７に設けられる。光源３０は、複数の発光素子３２と、基板３３と、ヒートシンク３４とを含む。光源３０は、第１窓部材３７を介して第１端部２１から直管２０の内部に向けて軸方向に紫外光を照射するよう構成される。つまり、光源３０は、第１端部２１から第２端部２２に向けて直管の内部に紫外光を照射する。

発光素子３２は、いわゆるＵＶ−ＬＥＤ（Ultra Violet-Light Emitting Diode）である。発光素子３２は、発光のピーク波長が３００ｎｍ以下であり、殺菌効率の高い波長である２６０ｎｍ〜２９０ｎｍ付近の紫外光を発する。また、発光素子３２は、波長４００ｎｍ以上の可視光をわずかに出力するよう構成される。例えば、発光素子３２の可視光域の発光強度は、例えばピーク波長の発光強度の１％未満であり、例えば０．１％程度である。

図２は、発光素子３２の波長特性を模式的に示すグラフである。図２では、ピーク波長が２８０ｎｍ付近である発光素子３２の波長特性を示し、ピーク波長の発光強度を１００％としている。図示されるように、波長４００ｎｍ〜５００ｎｍ程度の可視光域において、ピーク波長の発光強度の０．１％〜０．２％程度の発光強度があることが分かる。

複数の発光素子３２は、基板３３の実装面上にアレイ状に並べられ、軸方向に紫外光Ｂを照射するように配置される。複数の発光素子３２は、例えば円形や矩形状の基板３３の実装面上に等間隔となるように二次元アレイ状に配置される。複数の発光素子３２は、第１窓部材３７を介して流路１２の内部に紫外光を照射する。基板３３の実装面の裏側にはヒートシンク３４が設けられる。基板３３は、第１ケーブル４２を介して制御装置４０と電気的に接続される。

撮像装置３６は、撮像室１８に設けられる。撮像装置３６は、第２窓部材３８を介して第２端部２２から直管２０の内部を軸方向に撮像するよう構成される。撮像装置３６は、第２端部２２において直管２０の内部を流れる流体ごしに光源３０の照度分布を撮像する。撮像装置３６は、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子を含み、可視光を撮像するよう構成される。撮像装置３６は、光源３０のピーク波長付近の紫外光（例えば３００ｎｍ以下）を撮像せず、波長４００ｎｍ以上の可視光を撮像する。撮像装置３６は、第２ケーブル４４を介して制御装置４０と電気的に接続される。

第１窓部材３７は、光源３０と第１端部２１の間に配置される。第１窓部材３７は、光源３０のピーク波長付近の紫外光（例えば３００ｎｍ以下）の透過率が高い材料で構成され、例えば石英ガラス（ＳｉＯ_２）やサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）などで構成される。第１窓部材３７は、波長２６０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の紫外光の透過率が５０％以上となるように構成され、波長２６０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の紫外光の透過率が７０％以上または８０％以上となることが好ましい。第１窓部材３７は、可視光の透過率が高いことが好ましく、少なくとも波長４００ｎｍ程度の可視光の透過率が５０％以上となるよう構成される。

第２窓部材３８は、撮像装置３６と第２端部２２の間に配置される。第２窓部材３８は、光源３０のピーク波長付近の紫外光（例えば３００ｎｍ以下）の透過率が低く、波長４００ｎｍ以上の可視光の透過率が高い材料で構成される。第２窓部材３８は、波長２６０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の紫外光の透過率が１％未満となり、波長４００ｎｍ以上の可視光の透過率が５０％以上となるよう構成される。第２窓部材３８は、波長３００ｎｍ〜４００ｎｍ程度の中紫外光から近紫外光の透過率についても１％未満であることが好ましい。第２窓部材３８は、例えば、ソーダ石灰ガラスなどの一般的なガラスや、紫外光が遮蔽可能な特殊なアクリル樹脂（いわゆるＵＶカットアクリル）で構成することができる。

図３は、第２窓部材３８に用いる材料の波長特性を模式的に示すグラフである。細実線５１で示されるグラフは、ソーダ石灰ガラスの波長特性であり、波長３００ｎｍ以下の紫外光の透過率が１％未満であり、波長４００ｎｍ以上の可視光の透過率が８０％以上である。太実線５２で示されるグラフは、ＵＶカットアクリルの波長特性であり、波長３５０ｎｍ以下の紫外光の透過率が１％未満であり、波長４００ｎｍ以上の可視光の透過率が７０％以上である。したがって、ソーダ石灰ガラスやＵＶカットアクリルを第２窓部材３８の材料として用いることで、紫外光を遮蔽して実質的に可視光のみを透過させることができる。なお、破線５３で示されるグラフは、ＵＶカット用ではない通常のアクリル樹脂の波長特性である。図示されるように、通常のアクリル樹脂は、波長２８０ｎｍ付近の透過率が１０％以上あるため、第２窓部材３８の材料として適していない。

第２窓部材３８は、波長２６０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の紫外光を反射し、波長４００ｎｍ以上の可視光を透過させるダイクロイックミラーであってもよい。第２窓部材３８として、例えば、波長４００ｎｍ付近をカットオフ波長とする誘電体多層膜ミラーなどを用いることができる。

第２窓部材３８は、第１窓部材３７に比べて光源３０が出力する紫外光の透過率が低くなるように構成される。つまり、第１窓部材３７は光源３０が出力する紫外光を透過させ、第２窓部材３８は光源３０が出力する紫外光をカットするように構成される。一方、第１窓部材３７および第２窓部材３８はいずれも、光源３０が出力する波長４００ｎｍ程度の可視光を透過させるよう構成される。

制御装置４０は、複数の発光素子３２のそれぞれを駆動するための電力を供給する。制御装置４０は、撮像装置３６が撮像する画像を解析し、複数の発光素子３２のそれぞれの発光強度を推定する。制御装置４０は、例えば、撮像画像における複数の発光素子３２のそれぞれの位置に対応する画素値から各発光素子の発光強度を推定し、劣化による発光強度の低下や故障による不点灯が生じた発光素子を特定する。

制御装置４０は、発光強度が低下している発光素子を特定した場合、その発光素子の駆動電流を増やして発光強度が既定値となるようにフィードバック制御してもよい。制御装置４０は、発光強度の低下や不点灯といった異常のある発光素子を特定した場合、正常な発光素子の駆動電流を増やして、光源３０の全体としての照度が既定値となるようにフィードバック制御してもよい。制御装置４０は、発光強度の低下や不点灯といった異常のある発光素子を特定した場合、外部にアラート信号を出力してもよい。

つづいて、流体殺菌装置１０の動作について説明する。殺菌処理の対象となる水などの流体は、第２流通管２８、第２流通口２６、第２整流室１４、第２隙間１６、流路１２、第１隙間１５、第１整流室１３、第１流通口２５および第１流通管２７の順に通過する。流路１２内の流体の流れは、第１整流室１３および第２整流室１４を設けることで整流されて層流状態となる。特に、第１隙間１５および第２隙間１６を狭くして流路１２の内部に比べて通水断面積を小さくすることで、整流効果が高められる。このような層流状態の流体に対して、流れの方向Ａに沿って紫外光Ｂを軸方向に照射することにより、流体に対して紫外光を効果的に作用させることができ、殺菌効果を高めることができる。

撮像装置３６は、流路１２を挟んで光源３０が設けられる第１端部２１とは反対側の第２端部２２から直管２０の内部を撮像する。これにより、流路１２を流れる流体に対する紫外光の照射Ｂを阻害することなく、光源３０の照度分布を撮像して光源３０の動作をモニタできる。光源３０から出力される可視光の照度分布を撮像することにより、紫外光の照度分布を撮像する場合に比べて流路１２の内部の流体の流れの変動に起因する擾乱の影響を軽減できる。これにより、流路１２を流れる流体の変動によらずに光源３０の動作を適切にモニタできる。

撮像装置３６は、紫外光ではなく、可視光を撮像するよう構成されるため、一般的な可視光用のＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサを用いることができる。また、高エネルギーかつ高強度の紫外光を直接撮像しないようにすることで、紫外光による撮像素子の劣化を軽減することができる。これにより、撮像装置３６によるモニタの信頼性を高めることができる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

上述の実施の形態では、第２窓部材３８にて紫外光を遮蔽する場合について示した。変形例においては、第２窓部材３８とは別の波長フィルタにて紫外光を遮蔽するよう構成してもよい。この波長フィルタは、第２窓部材３８と撮像装置３６の間に配置されてもよいし、撮像装置３６の撮像素子の手前に配置されてもよい。

１０…流体殺菌装置、１２…流路、２０…直管、２１…第１端部、２２…第２端部、３０…光源、３２…発光素子、３６…撮像装置、３７…第１窓部材、３８…第２窓部材、４０…制御装置。

Claims (6)

1. 流体が流れる直管と、
   前記直管の第１端部から前記直管の内部に向けて紫外光を照射する複数の発光素子を含む光源と、
   前記複数の発光素子のそれぞれから出力されて前記直管の内部を透過する可視光の照度分布を前記直管の前記第１端部とは反対の第２端部において撮像する撮像装置と、を備えることを特徴とする流体殺菌装置。
2. 前記複数の発光素子の出力光のピーク波長は２６０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、前記複数の発光素子の出力光には波長４００ｎｍ以上の可視光が含まれており、
   前記撮像装置は、波長４００ｎｍ以上の可視光を撮像するよう構成されることを特徴とする請求項１に記載の流体殺菌装置。
3. 前記光源と前記第１端部の間に配置される第１窓部材と、前記撮像装置と前記第２端部の間に配置され、前記第１窓部材よりも紫外光の透過率が低い第２窓部材とをさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の流体殺菌装置。
4. 前記第１窓部材は、波長２６０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の紫外光の透過率が５０％以上であり、
   前記第２窓部材は、波長２６０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の紫外光の透過率が１％未満であり、波長４００ｎｍ以上の可視光の透過率が５０％以上であることを特徴とする請求項３に記載の流体殺菌装置。
5. 前記撮像装置が撮像する画像を解析し、前記複数の発光素子のそれぞれの発光強度を個別に推定する制御装置をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の流体殺菌装置。
6. 前記制御装置は、前記複数の発光素子のそれぞれの発光強度の推定結果に基づいて、前記複数の発光素子のそれぞれの駆動電流を個別に制御することを特徴とする請求項５に記載の流体殺菌装置。

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