JP7623632B2

JP7623632B2 - 紫外線放射装置

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Publication number: JP7623632B2
Application number: JP2021050369A
Authority: JP
Inventors: 浩貴玉井; 太一山田; 正徳福島; 慎太郎圷; 誠酒井
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2021-03-24
Filing date: 2021-03-24
Publication date: 2025-01-29
Anticipated expiration: 2041-03-24
Also published as: JP2022148620A

Description

本発明の実施形態は、紫外線を放射する紫外線放射装置に関する。

従来、例えば殺菌を目的として紫外線を放射する紫外線ランプが用いられている。紫外線ランプは、放電灯タイプが用いられてきたが、紫外線波長域の光を放射するＬＥＤなどの紫外線発光素子への置き換えが検討されている。

放電灯タイプの紫外線ランプの場合、紫外線の放射とともに可視光が放射されるため、紫外線を放射しているか否かを確認することが可能であった。それに対して、紫外線発光素子の場合、紫外線波長域の光のみが放射され、可視域の光は放射されないため、紫外線を放射している状態にあるのか否かを確認することが困難となっている。

また、紫外線発光素子からの紫外線波長域の光で励起されて可視域の光を放射する蛍光体を備えた紫外線放射装置がある。この紫外線放射装置では、可視域の光の放射を視認することにより紫外線が放射されている状態にあることを確認可能であるが、確認しやすくするために可視域の光の視認性の向上が望まれている。

特開２０２０－１６７１４７号公報

本発明が解決しようとする課題は、紫外線が放射されている状態にあることを確認しやすくできる紫外線放射装置を提供することにある。

実施形態の紫外線放射装置は、反射体、紫外線発光素子および内部蛍光体を備える。反射体は、内部で発生する光を外部に出射可能な出射部を有する。紫外線発光素子は、反射体の内部に設けられ、紫外線波長域の光を放射する。内部蛍光体は、反射体の内部に設けられ、少なくとも一部が出射部に対向され、紫外線波長域の光で励起されて可視域の光を放射する。出射部の上部からは紫外線波長域の光が支配的に出射され、出射部の下部からは可視域の光が支配的に出射される。

実施形態の紫外線放射装置によれば、紫外線が放射されている状態にあることを確認しやすくすることが期待できる。

第１の実施形態を示す紫外線放射装置の斜視図である。同上紫外線放射装置の断面図である。第２の実施形態を示す紫外線放射装置の断面図である。

以下、第１の実施形態を、図１および図２を参照して説明する。

図１に、空気を殺菌する殺菌灯の例を示す。殺菌灯１０は、紫外線放射装置１１と、この紫外線放射装置１１を天井から吊り下げ状態に取り付ける取付装置１２とを備えている。なお、本明細書において、「殺菌」の用語は、「除菌」、「滅菌」、「減菌」などに置き換え可能である。

図１に加え、図２に、殺菌灯１０の長尺に形成された本体１５の長手方向に垂直な面の断面図を示す。紫外線放射装置１１は、本体１５と、この本体１５内に配置される発光モジュール１６、放熱体１７、反射体１８および内部蛍光体１９と、本体１５または本体１５とは別の場所に配置される電源装置とを備えている。

本体１５は、紫外線放射装置１１の外郭をなす筐体であり、水平方向である幅方向に長尺に形成されている。本体１５は、例えば金属板にて形成されており、上面部２２、下面部２３および背面部２４を有する断面略コ字形で、長手方向の両端を閉塞する端面部２５を有する四角形筒状に設けられている。本体１５の前面側には、光が外部に出射する出射部２６を構成する開口部（本体開口部）２７が設けられている。

また、発光モジュール１６は、基板３０と、この基板３０の表面に実装された複数の紫外線発光素子３１とを備えている。

基板３０は、長尺な平板状に形成されている。基板３０は、放熱性が良好な銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などの金属材料を主成分とする基板ベースを有し、あるいは、紫外線劣化しにくい例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）などの無機材料を主成分とする基板ベースを有している。この基板ベースの表面に絶縁層が形成され、この絶縁層上に接続回路を構成する金属製の配線パターン３２が形成されている。基板３０の配線パターン３２上に複数の紫外線発光素子３１が実装されている。

複数の紫外線発光素子３１は、基板３０の長手方向に沿って配列されるように、基板３０の配線パターン３２上に実装されている。複数の紫外線発光素子３１は、接続回路によって直列または直並列に接続されている。紫外線発光素子３１は、ピーク波長が３００ｎｍ以下の紫外線波長域の光（ＵＶ－Ｃ）であって、好ましくは２６０～２８０ｎｍの紫外線波長域の光（以下、紫外線という）を放射する。紫外線発光素子３１は、紫外線のみを放射し、可視光波長域の光（以下、可視光という）を含む他の波長域の光を放射しない。紫外線発光素子３１は、例えば紫外線ＬＥＤなどの半導体発光素子が用いられている。紫外線発光素子３１には、基板３０の配線パターン３２に面実装されるフリップチップ形が用いられてもよいし、基板３０の配線パターン３２にワイヤを介して電気的に接続されるフェースアップ形が用いられてもよい。

紫外線発光素子３１は、基板３０と反対の表面に垂直な光軸Ｚを中心とした紫外線の配光角θが、例えば約１２０°に構成されている。発光モジュール１６は、放熱体１７に取り付けられて本体１５内の下部側に配置され、光軸Ｚが上方の例えば鉛直方向に向けられている。発光モジュール１６は、本体１５の前後方向の中央よりも前面側である開口部２７側に寄った位置に配置されている。具体的には、図２に示す断面方向に見た場合、紫外線発光素子３１の中心が、本体１５の下面部２３の中心よりも開口部２７側に位置するように発光モジュール１６は配置される。この配置により、紫外線発光素子３１からの一次紫外線が人のいる方向へ直接放射されない構成となるとともに、紫外線発光素子３１から照射される光を効率良く外部へ取り出すことができ、殺菌効率を高めることが期待できる。

また、放熱体１７は、放熱性が良好な銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などの金属材料を主成分としているか、紫外線劣化しにくい例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）などの無機材料を主成分としている。

放熱体１７は、厚みが反射体１８よりも厚い略板状で、長尺に設けられている。放熱体１７は、本体１５内の下部側に長手方向に沿って配置されている。放熱体１７の上面に発光モジュール１６の基板３０の裏面側が接触して取り付けられ、放熱体１７と基板３０とが熱的に接続されている。

また、反射体１８は、放熱性が良好な銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などの金属材料を主成分とするか、紫外線劣化しにくい例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）などの無機材料を主成分としている。

反射体１８は、放熱体１７と別体に設けられて放熱体１７に熱的に接続される構成であるが、放熱体１７と一体に設けられてもよい。

反射体１８は、断面略円筒状で、放熱体１７の長手方向と略同寸法となる長尺に設けられている。反射体１８の前面側には、出射部２６を構成する開口部（反射体開口部）３５が形成されている。反射体１８の内面は、紫外線および可視光を反射する反射面３６に形成されている。反射面３６は、例えば鏡面などの高い反射率特性を有するように形成されている。反射面３６の長手方向に交差する断面形状は、全体に同一半径の円弧状でもよいし、例えば、紫外線発光素子３１の光軸Ｚに対向する上面域と、開口部３５に対向して内部蛍光体１９が配置される背面域とで異なる反射面形状に設けてもよい。

また、本体１５の開口部２７の下部側から前方に突出部３７が突出されている。突出部３７は、本体１５の開口部２７の幅方向（長手方向）の全域に配置され、反射体１８の内部に対向する内面側が凹曲面、外面側が凸曲面となる円弧状に形成されているが、直線状に形成されていてもよい。突出部３７は、内面側が反射面３６に形成され、反射体１８の一部として構成されている。なお、突出部３７は、例えば黒色として光反射を抑制するようにしてもよいし、反射体１８とは別体として構成されてもよい。突出部３７は、紫外線発光素子３１の配光角θの範囲外に配置され、紫外線発光素子３１からの一次紫外線は照射されない。つまり、突出部３７は、紫外線発光素子３１から照射された光は直接照射されない。また、突出部３７は、紫外線発光素子３１からの二次紫外線は照射される。つまり、突出部３７は、本体１５の出射部２６から下方へ向けて出射される光（反射体１８で反射した紫外線など）の光路上に配置され、下方への紫外線の照射を遮蔽する遮蔽部３８として構成されている。

また、内部蛍光体１９は、少なくとも一部が開口部３５に対向する反射体１８の背部側の内面（背面部２４と対向する面とは反対側の面）に、反射体１８の長手方向に沿って例えば塗布によって形成されている。そして、内部蛍光体１９の形成された面の少なくとも一部に接する接線に垂直な法線方向（例えば図２のＡ方向）に出射部２６が形成されている。内部蛍光体１９は、紫外線発光素子３１の配光角θの範囲内に少なくとも一部が配置され、好ましくは全部が配置され、紫外線発光素子３１からの一次紫外線が直接入射される。そして、内部蛍光体１９は、紫外線の入射によって励起され、可視光を放射する。内部蛍光体１９が放射する可視光には、少なくとも３６０ｎｍから４２０ｎｍのＵＶ－Ａの波長成分が含まれていることが望ましい。また、内部蛍光体１９は、反射体１８に配設される蛍光体である。本実施形態においては、反射体１８は本体１５内に配設されるため内部蛍光体１９と呼んでいるが、内部蛍光体１９は、本体１５内に配設されなくてもよい。例えば、反射体１８が、突出部３７とは異なる形で本体１５から突出する構造となっており、その反射体１８の突出箇所に内部蛍光体１９が配設されてもよい。

例えば、内部蛍光体１９の下部側は開口部３５の下部側よりも上側に位置されてもよい。開口部３５の下部側で反射もしくは内部蛍光体１９で変換された光の多くは、開口部３５から上方に向けて（例えば、天井に向かって）取り出される。開口部３５から上方に向けて取り出された可視光は視認性の向上にはそれほど寄与しないため、内部蛍光体１９の下部側は開口部３５の下部側よりも上側に位置されることが好ましい。また、内部蛍光体１９の上部側は開口部３５の上部側よりも下側に位置されてもよい。この構成により、内部蛍光体１９で変換された光が、開口部３５より上側の反射体１８で反射することを抑制することができ、より多くの可視光を外部に取り出すことが期待できる。つまり、可視光の視認性の向上が期待できる。また、内部蛍光体１９の上部側は開口部３５の上部側よりも上側に位置されてもよい。開口部３５の上部側で反射もしくは内部蛍光体１９で変換された光の多くは、開口部３５から下方に向けて（例えば、床面に向かって）取り出される。そのため、開口部３５から下方に向けて取り出された可視光は、人の目に届きやすく視認性の向上に寄与することが期待できる。このように、開口部３５の上部側（上半分）からは、紫外線が支配的に取り出され、開口部３５の下部側（下半分）からは、可視光が支配的に取り出されるように、反射体１８（内部蛍光体１９）が形成されることが望ましい。ここでの支配的とは、例えば、放射束の大小である。開口部３５の上部側（上半分）からは紫外線の放射束が多くなるように取り出され、開口部３５の下部側（下半分）からは、可視光の放射束が多くなるように取り出される。また、ここでの支配的とは、例えば、光の割合である。開口部３５の上部側（上半分）からは、開口部３５の下部側（下半分）から取り出される紫外線よりも規定数以上の紫外線が取り出されるように構成され、開口部３５の下部側（下半分）からは、開口部３５の上部側（上半分）から取り出される可視光よりも規定数以上の可視光が取り出されるように構成される。ここでの規定数は、光の出力を示す値（放射束、スペクトル強度、照度、光束など）で定められる。そして、例えば規定数としては１０倍が定められるが、任意の倍数であってもよい。

また、電源装置は、例えば商用交流電源からの交流電力を所定の直流電力に変換して発光モジュール１６に供給し、紫外線発光素子３１を点灯させる。電源装置は、例えば本体１５の内部または外部に配置される。本体１５の内部に配置される場合には、下面部２３や背面部２４と反射体１８との間に配置され、また、本体１５の外部に配置される場合には、本体１５の上面や背面に配置される。なお、電源装置は、天井や取付装置１２に配置してもよい。

また、取付装置１２は、天井面に設置されるサポート、上端がサポートに取り付けられるとともに下端に紫外線放射装置１１が取り付けられるパイプ４１、およびサポートを覆うカバー４２などを備えている。天井からの電源線がパイプ４１内に配線されて電源装置に電気的に接続される。なお、取付装置１２は、鎖やワイヤなどの吊具で紫外線放射装置１１を吊り下げ、電源線を電源装置に電気的に接続してもよい。

そして、紫外線放射装置１１の電源装置に給電されることにより、紫外線発光素子３１が点灯され、紫外線発光素子３１から紫外線が放射される。紫外線発光素子３１から放射された一次紫外線のうち、一部が光軸Ｚ上に位置する反射体１８の上部域に照射され、さらに一部が開口部３５から外部に出射され、さらに一部が内部蛍光体１９に照射される。

反射体１８に照射された紫外線が反射面３６で反射され、反射された紫外線のうち、一部が開口部３５から外部に出射され、さらに一部が反射体１８の内部で反射されて開口部３５から外部に出射され、さらに一部が内部蛍光体１９に照射される。

内部蛍光体１９は、紫外線の照射により励起され、可視光が放射される。内部蛍光体１９から放射された可視光のうち、一部が対向する開口部３５から外部に直接出射され、さらに一部が反射体１８の反射面３６に照射され、さらに反射面３６で反射された可視光が開口部３５から外部に出射されたり内部蛍光体１９に照射される。内部蛍光体１９からは全方向に可視光が放射されるため、可視光が照射される反射体１８の反射面３６は内部蛍光体１９が形成されている背部域も含まれた全域となる。そのため、内部蛍光体１９から背面方向に放射された可視光は、反射体１８の背部域の反射面３６で反射して前方へ反射される。

本体１５の開口部２７の下部側には突出部３７つまり遮蔽部３８が突出されているため、反射体１８の内部から開口部２７を通じて下方へ向かう紫外線が遮蔽され、下方への紫外線の照射が抑制される。

また、紫外線発光素子３１が発生する熱は放熱体１７に伝達され、励起によって蛍光体が発生する熱が反射体１８に伝達され、これら放熱体１７および反射体１８から空気中に放熱され、さらに放熱体１７および反射体１８から本体１５に伝達されて本体１５から空気中に放熱される。

そして、紫外線放射装置１１の紫外線発光素子３１の点灯時には、内部蛍光体１９から可視光が放射され、さらに、内部蛍光体１９から放射された可視光が開口部２７から外部に出射されて天井面などに照射され、および反射体１８の反射面３６に照射され、これら可視光を視認することで、紫外線が放射されている状態にあることを確認することができる。

本実施形態の紫外線放射装置１１では、内部蛍光体１９の少なくとも一部が出射部２６に対向する位置に設けられることにより、すなわち内部蛍光体１９の少なくとも一部に接する接線に垂直な法線方向と出射部２６とが一致されることにより、内部蛍光体１９から放射される可視光の視認性が向上し、紫外線が放射されている状態にあることを確認しやすくできる。

さらに、内部蛍光体１９の少なくとも一部が紫外線発光素子３１の配光角θの範囲内に配置され、内部蛍光体１９に紫外線発光素子３１からの一次紫外線が直接入射されることにより、内部蛍光体１９からの可視光の放射効率が向上し、可視光の視認性を向上できる。

また、内部蛍光体１９が放射する可視光に３６０ｎｍから４２０ｎｍのＵＶ－Ａの波長成分が含まれている場合には、可視光が照射される箇所で活性酸素が生成され、殺菌効果を高めることができる。

また、ＤＮＡの紫外線吸収スペクトルは、２６０ｎｍに吸収ピーク波長を持ち、３００ｎｍではピーク値の１／２５を下回る吸収値となることから、紫外線発光素子３１が放射する紫外線の波長は３００ｎｍ以下、好ましくは２６０～２８０ｎｍであることにより、効率良く殺菌効果を得ることができる。

また、本体１５の開口部２７の下部側から前方に突出部３７である遮蔽部３８が突出されているため、本体１５内から開口部２７を通じて下方へ向かう紫外線を遮蔽し、下方への紫外線の照射を抑制できる。

また、放熱体１７は紫外線発光素子３１が発生する熱を吸収する熱容量を確保するために質量が大きいが、本体１５の下部側に配置されるため、紫外線放射装置１１の吊り下げ時の姿勢を安定させることができる。

次に、図３に第２の実施形態を示す。

突出部３７が、第１の実施形態において遮蔽部３８を構成するのに代えて、可視光放射部５０を構成している。可視光放射部５０は、可視光を透過する透明な可視光透過部材５１と、この可視光透過部材５１の内面に設けられた外部蛍光体５２とを備えている。外部蛍光体５２は、突出部３７に配設される蛍光体である。本実施形態においては、突出部３７は本体１５外に配設されるため外部蛍光体５２と呼んでいるが、外部蛍光体５２は、本体１５外に配設されなくてもよい。例えば、突出部３７が、本体１５内にも位置するように配設されており、その突出部３７の本体１５内に位置する箇所に外部蛍光体５２が配設されてもよい。

可視光透過部材５１は、可視光を透過する透明なガラスで形成されている。なお、可視光透過部材５１は、紫外線劣化しにくく、紫外線を吸収し、可視光は透過する例えばホウケイ酸ガラスなどの無機材料を主成分として形成されていてもよい。

外部蛍光体５２は、紫外線の入射によって励起され、可視光を放射する。外部蛍光体５２は、可視光のみを放射し、紫外線を透過せず、つまり紫外線を放射しない構成でもよい。外部蛍光体５２が放射する可視光には、内部蛍光体１９と同様に、少なくとも３６０ｎｍから４２０ｎｍのＵＶ－Ａの波長成分が含まれていることが望ましい。

そして、紫外線発光素子３１の点灯時に、反射体１８の反射面３６で反射された紫外線の一部が外部蛍光体５２に照射される。外部蛍光体５２は、紫外線の照射により励起されて可視光が放射される。外部蛍光体５２から放射された可視光の一部は可視光透過部材５１を透過して外部に照射され、さらに一部は反射体１８の内部に照射される。

そのため、可視光放射部５０および反射体１８の内部が光り、可視光の視認性が向上し、紫外線が放射されている状態にあることを確認しやすくできる。

なお、可視光放射部５０を備える場合、内部蛍光体１９は備えなくてもよいが、内部蛍光体１９を備えることで、可視光の視認性をより向上できる。

なお、上述した各実施形態において、出射部２６は紫外線および可視光を透過可能なカバーで閉塞されていてもよい。この場合、例えば、本体１５の両端に通気口を設け、少なくとも一端側にファンを設けることにより、ファンにより本体１５の外部と内部とで空気を循環させ、空気の殺菌効率を向上させるとともに、放熱性を向上させてもよい。

また、紫外線放射装置１１は、吊り下げ形を説明したが、壁面などに設置する直付け形または埋込形にも適用できる。

また、上述した実施形態では、本体１５の下面部２３側に、発光モジュール１６と放熱体１７を、配設する構造を示したが、発光モジュール１６と放熱体１７は、本体１５の上面部２２側に配設されてもよい。この場合、反射体１８の上部側に空隙が配設され、その空隙部分に発光モジュール１６と放熱体１７が配設される。そして、発光モジュール１６からは、下方に向けて光が照射される。なお、突出部３７の位置は上述した実施形態と同様の位置である。（図２、図３と同様の位置）。また、本体１５の上面部２２側に発光モジュール１６と放熱体１７を配設する場合は、発光モジュール１６は、本体１５の前後方向の中央よりも後面側である本体１５の背面部２４に寄った位置に配置されることが好ましい。言い換えれば、紫外線発光素子３１の中心が、本体１５の上面部２２の中心よりも背面部２４側に位置するように発光モジュール１６は配置されることが好ましい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、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。

１１紫外線放射装置
１５本体
１８反射体
１９内部蛍光体
２６出射部
２７開口部
３１紫外線発光素子
３７突出部
５０可視光放射部
５１可視光透過部材
５２外部蛍光体

Claims

内部で発生する光を外部に出射可能な出射部を有する反射体と；
前記反射体の内部に設けられ、紫外線波長域の光を放射する紫外線発光素子と；
前記反射体の内部に設けられ、少なくとも一部が前記出射部に対向され、前記紫外線波長域の光で励起されて可視域の光を放射する内部蛍光体と；
を備え、
前記出射部の上部からは前記紫外線波長域の光が支配的に出射され、前記出射部の下部からは前記可視域の光が支配的に出射される
ことを特徴とする紫外線放射装置。
開口部を備える本体と、
内部で発生する光を外部に出射可能な出射部を有し、前記開口部に前記出射部が包含されるように前記本体内に配設される反射体と；
前記反射体の内部に設けられ、紫外線波長域の光を放射する紫外線発光素子と；
前記紫外線波長域の光で励起されて可視域の光を放射する外部蛍光体を有する可視光放射部を備え、前記開口部から外部へ突出するように配設された突出部と；
を備えることを特徴とする紫外線放射装置。
開口部を備える本体と、
内部で発生する光を外部に出射可能な出射部を有し、前記開口部に前記出射部が包含されるように前記本体内に配設される反射体と；
前記本体の内部に設けられ、紫外線波長域の光を放射する紫外線発光素子と；
前記本体の内部に設けられ、少なくとも一部が前記開口部に対向され、前記紫外線波長域の光で励起されて可視域の光を放射する内部蛍光体と；
前記紫外線波長域の光で励起されて可視域の光を放射する外部蛍光体を有する可視光放射部を備え、前記開口部から外部へ突出するように配設された突出部と；
を備えることを特徴とする紫外線放射装置。
前記内部蛍光体の少なくとも一部に接する接線に垂直な法線方向と前記出射部とが一致する
ことを特徴とする請求項１または３記載の紫外線放射装置。
前記突出部は、可視光透過部材で構成されている
ことを特徴とする請求項２または３記載の紫外線放射装置。
前記出射部の上部からは前記紫外線波長域の光が支配的に出射され、前記出射部の下部からは前記可視域の光が支配的に出射される
ことを特徴とする請求項２または３記載の紫外線放射装置。
前記内部蛍光体が放射する可視域の光には、少なくとも３６０ｎｍから４２０ｎｍの波長成分が含まれている
ことを特徴とする請求項１、３、４いずれか一記載の紫外線放射装置。
前記外部蛍光体が放射する可視域の光には、少なくとも３６０ｎｍから４２０ｎｍの波長成分が含まれている
ことを特徴とする請求項２または３記載の紫外線放射装置。
前記紫外線発光素子が放射する光の紫外線波長域は、３００ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１ないし８いずれか一記載の紫外線放射装置。