CN108136060A - 流体杀菌装置以及流体杀菌方法 - Google Patents
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Abstract
流体杀菌装置(10)包括：直管(20)，其构成在长度方向上延伸的流路(12)；以及光源(40)，其向以层流状态流过流路(12)的流体在长度方向上照射紫外光。光源(40)有发出紫外光的发光元件(42)，并以在与长度方向正交的流路的截面中达到中央附近的紫外光强度比其周围的紫外光强度高的强度分布的方式照射紫外光。
Description
技术领域
本发明涉及流体杀菌装置以及流体杀菌方法，尤其涉及照射紫外光而对流体进行杀菌的技术。
背景技术
众所周知，紫外光具有杀菌能力，照射紫外光而进行杀菌处理的装置被使用在医疗或食品加工等现场。此外，也使用通过对水等流体照射紫外光来对流体进行连续杀菌的装置。作为这样的杀菌装置，例如可以例举在由直管状的金属管形成的流路的管端内壁上配置有紫外线LED的装置(例如，参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2011-16074号公报
发明内容
发明要解决的课题
为了对流体进行高效率的紫外光照射，希望适当地控制流路内的流体的流动状态，并且以与流动状态适应的形态来照射紫外光。
本发明是鉴于这样的课题而完成的，其示例性的目的之一在于提供一种提高对流过流路的流体的紫外光照射效率的流体杀菌装置。
用于解决课题的手段
本发明的某个方案的流体杀菌装置包括构成在长度方向上延伸的流路的直管、以及向以层流状态流过流路的流体沿长度方向照射紫外光的光源。光源具有发出紫外光的发光元件，并以在与长度方向正交的流路截面中达到中央附近的紫外光强度比其周围的紫外光强度高的强度分布的方式照射紫外光。
根据该方案，由于对以层流状态流动的流体照射紫外光，所以与对紊流状态的流体照射紫外光的情况相比，能够提高杀菌效率。据本发明的发明者们的见解，在向直管状流路内照射紫外光以进行杀菌处理的情况下，与形成紊流状态时相比，形成层流状态时能够得到7倍的杀菌效率。此外，层流状态的流体由于具有中央附近的流速快而管内壁附近的流速慢的速度分布，所以通过与该速度分布对应地提高中央附近的紫外光的强度，能够有效地对流过流路内的流体照射紫外光，从而提高杀菌效率。
也可以是，直管具有设置有使流体在长度方向上流入的流入口的第1端部、和与第1端部相反侧的第2端部。也可以是，光源配置在第2端部。
也可以是，光源以及流入口配置在直管的中心轴上。
也可以是，直管具有流出口，该流出口设置在第2端部上，并使流体在与长度方向相交叉的方向上流出。
也可以是，直管具有流出口，该流出口设置在第2端部上，并使流体在长度方向上流出。也可以是，光源具有以包围流出口的方式配置的多个发光元件。也可以是，多个发光元件向流过流路的流体在长度方向上照射紫外光。
也可以是，进一步包括用于使流过流路的流体层流化的整流板。
本发明的另一个方案是流体杀菌方法。这个方法一边在构成沿长度方向延伸的流路的直管内部形成层流状态的流体的流动，一边以在与长度方向正交的流路的截面中达到中央附近的紫外光强度比其周围的紫外光强度高的强度分布的方式，向以层流状态流过流路的流体在长度方向上照射紫外光。
根据该方案，由于对以层流状态流动的流体照射紫外光，所以与对紊流状态的流体照射紫外光的情况相比，能够提高杀菌效率。此外，由于层流状态的流体具有中央附近的流速快而管内壁附近的流速慢的速度分布，所以通过与该速度分布对应地提高中央附近的紫外光的强度，能够有效地对流过流路内的流体照射紫外光，从而提高杀菌效率。
发明效果
根据本发明，能够提高对流过流路的流体的紫外光照射效率从而提高杀菌能力。
附图说明
图1是概略表示第1实施方式的流体杀菌装置的构成的剖视图。
图2是表示流路内的紫外光强度分布的等光强度线图。
图3是表示紊流状态下流体速度分布的等流速线图。
图4是表示层流状态下流体速度分布的等流速线图。
图5是概略表示变形例的光源构成的主视图。
图6是概略表示第2实施方式的流体杀菌装置构成的剖视图。
图7是概略表示图6的流体杀菌装置构成的剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图，详细说明用于实施本发明的方式。另外，在说明中对于相同的要素标注相同的附图标记，并适当省略重复的说明。
(第1实施方式)
图1是概略地表示第1实施方式的流体杀菌装置10的构成的图。流体杀菌装置10包括直管20、流出管30和光源40。光源40配置在直管20的端部(第2端部22)，向直管20的内部照射紫外光。流体杀菌装置10用于对直管20内部流过的水等流体照射紫外光而实施杀菌处理。
直管20包括第1端部21、第2端部22、第1凸缘26和窗口部28。直管20从第1端部21向第2端部22在长度方向上延伸。在第1端部21上，设置有使流体在直管20的长度方向上流入的流入口23、和用于将流入口23与其他配管等连接的第1凸缘26。在第2端部22上，设置有使来自光源40的紫外光透过的窗口部28。窗口部28是由石英(SiO2)或蓝宝石(Al2O3)、非晶质的氟树脂等紫外光透过率高的部件来构成的。
在第2端部22上，设置有使流体在与直管20的长度方向相交叉的方向或正交的方向上流出的流出口24。流出口24设置在直管20的侧壁上。在流出口24上安装有流出管30。流出管30的一端安装在流出口24上，在另一端设置有第2凸缘32。因此，直管20以及流出管30形成了L状的流路12。从第1凸缘26流入的流体通过流入口23、直管20、流出口24以及流出管30，从第2凸缘32流出。
直管20以及流出管30是由金属材料或树脂材料构成的。直管20的内壁面20a优选由紫外光反射率高的材料来构成，例如，由镜面研磨过的铝、或者作为全氟树脂的聚四氟乙烯(PTFE)构成。通过用这些材料构成直管20的内壁面20a，从而能够使光源40所发出的紫外光在内壁面20a上反射并使紫外光沿着直管20的长度方向传播。另外，因为PTFE是化学性质稳定的材料，并且其紫外光反射率也高，所以适合作为构成流体杀菌装置的流路的直管20的材料。
为了使流路12内流过的流体呈层流状，调整直管20的内径d和流路12内流过的流体的平均流速v。具体来说，为了使流路12的雷诺数Re在层流状态的临界雷诺数以下，使用式子Re＝v·d/v(v：流体的动粘度系数)来调整内径d和平均流速v。所谓临界雷诺数以下的值，例如雷诺数Re在3000以下，优选在2500以下，更优选在2320。此外，通过使流体从流入口23在长度方向上流入流路12，从而使得流体以层流状态流向第2端部22。在流体以层流状态流动的情况下，达到直管20的中心轴近旁流过的流体流速v1相对较快且直管20的内壁面20a近旁流过的流体流速v2相对较慢的流速分布。在理想的层流状态的情况下，流过流路12的流体达到以旋转抛物面的形式表现的速度分布。
光源40包括发光元件42和基板44。发光元件42是发射紫外光的LED(LightEmitting Diode：发光二极管)，其中心波长或者峰值波长被包含在约200nm～350nm的范围内。发光元件42优选发射杀菌效率高的波长即260nm～270nm附近的紫外光。作为这样的紫外光LED，例如已知使用了氮化镓铝(AlGaN)的LED。
发光元件42是有预定指向角或配光角的LED，比如，配光角(全角值)在120度以上的广配光角的LED。作为这样的发光元件42，可例举输出强度高的表面安装(SMD：surfacemount device)型的LED。发光元件42配置在直管20的中心轴上，以与窗口部28对置的方式安装在基板44上。基板44由导热性高的部件构成，例如铜或铝等被用作基础材料。发光元件42所产生的热量通过基板44而被散热。
图2是表示流路12内部的紫外光强度分布的等光强度线图。发光元件42因为照射出具有预定配光角的紫外光，所以达到中央附近的紫外光强度比其周围的紫外光强度高的强度分布。其结果，关于直管20内部的紫外光强度分布，在与长度方向正交的流路12的剖面上，中心轴附近的紫外光强度高，而内壁面20a附近的紫外光强度低。
根据以上构成，流体杀菌装置10通过对直管20内部流过的流体照射紫外光而实施杀菌处理。来自光源40的紫外光被以在直管20中央附近强度高且在直管20的内壁面20a附近强度低的方式照射。流过流路12的流体被以达到中央附近的流速V1快而内壁面20a附近的流速V2慢的层流状态的方式流动。其结果，能够使作用于以层流状态通过直管20的流体的紫外光的能量，与流体所通过的径向上的位置无关地均匀化。由此，能够对流过直管20的流体全体照射预定以上的能量的紫外光，从而对流体全体提高杀菌效果。
接下来，参照比较例说明流体杀菌装置10的效果。图3是表示紊流状态的流体速度分布的等流速图，示出了在雷诺数Re＝4961的条件下在直管20在流动了流体的情况下的速度分布。在图示的例子中，示出内壁面20a附近的一部分的流速最快且中央附近的流速为负值的状态，但是，流体的速度分布并非一定，而是随着时间而随时变化。在成为这样的紊流状态的条件下，将含有大肠杆菌的菌液作为流体使之流过时，通过后的流体所包含的大肠杆菌的生存率是0.53％。
图4是表示层流状态的流体速度分布的等流速图，示出了在雷诺数Re＝2279的条件下在直管20中流过了流体的情况下的速度分布。在图示的例子中，虽然流速最高处偏向于右上方，但是大体上达到中央附近的流速快且内壁面20a附近的流速慢的流速分布。在成为这样的层流状态的条件下使含有大肠杆菌的菌液流过时，通过后的流体所包含的大肠菌的生存率是0.07％。根据这些结果可知，与紊流状态相比，在层流状态下得到约7倍的杀菌效果。这样，根据本实施方式，因为能够对层流状态的流体照射与层流状态的流速分布相对应的强度分布的紫外光，所以能够提高对流体的杀菌效率。
此外，根据本实施方式，因为在直管20的中心轴上配置有流入口23和光源40，所以能够在来自光源40的紫外光被照射的方向上形成流体的顺畅的流动。此外，通过将流入口23设置在了与光源40相反侧的位置，从而能够对因在直管20中行进而成为紊流少的层流状态的流体照射高强度的紫外光。由此，能够抑制由于部分流体在紫外光强度低的部位高速通过、或者部分流体在紫外光强度高的部位形成漩涡并滞留从而导致被照射的紫外光能量产生不均，杀菌效果降低的影响。
图5是概略地表示变形例的光源140的构成的主视图。光源140具有多个发光元件142a、142b和基板144。光源140具有密集配置在基板144的中央区域C1的多个第1发光元件142a、和散落配置在基板144周缘区域C2的多个第2发光元件142b。第1发光元件142a和第2发光元件142b被与上述发光元件42同样地构成。
光源140由于在中央区域C1密集配置了第1发光元件142a，所以在中央区域C1输出强度相对高的紫外光。另一方面，由于第2发光元件142b被散落配置在周缘区域C2，所以在周缘区域C2输出强度相对低的紫外光。因此，通过将本变形例的光源140应用于上述流体杀菌装置10，即使在增大直管20的直径d而增加处理流量的情况下，也能够照射中央附近的紫外光强度高、而内壁面20a附近的紫外光强度低的强度分布的紫外光。
(第2实施方式)
图6和图7是概略地表示第2实施方式的流体杀菌装置210的构成的剖面图。图7对应于图6中A-A线剖面。流体杀菌装置210包括直管220、流入管231、流出管232、多个第1光源240a和多个第2光源240b。流体杀菌装置210与上述第1实施方式的不同点在于，流入管231和流出管232配置在直管220的中心轴上，构成直线型的流路212而非L状。下面就本实施方式，以其与第1实施方式的不同点为中心展开描述。
直管220从第1端部221向第2端部222延伸。在第1端部221上，设置有与直管220的长度方向正交的第1端面221a、和位于第1端面221a的中央附近的流入口223。在第1端面221a上设置有用于使来自第1光源240a的紫外光透过的多个第1窗口部227。在流入口223上安装有在直管220的长度方向上延伸的流入管231。流入管231使流体在直管220的长度方向上流入，并抑制流路212内的流动产生紊流。
第2端部222被与第1端部221同样地构成。在第2端部222上，设置有与直管220的长度方向正交的第2端面222a、和位于第2端面222a的中央附近的流出口224。在第2端面222a上设置有用于使来自第2光源240b的紫外光透过的多个第2窗口部228。在流出口224上安装有在直管220的长度方向上延伸的流出管232。流出管232使流体在直管220的长度方向上流出，并抑制流路212内的流动产生紊流。
第1光源240a具有多个第1发光元件242a和多个第1基板244a。如图7所示，多个第1发光元件242a以包围流入口223的方式配置于四周，安装在第1基板244a上。多个第1发光元件242a的每一个都通过与之对应的第1窗口部227，向直管220的内部沿直管220的长度方向照射紫外光。
在图示的例子中，示出了在四个部位设置有第1发光元件242a的情况，但是，既可以在三个以下的部位也可以在五个以上的部位设置第1发光元件242a。另外，为了能对流过流路212的流体全体照射紫外光，优选等间隔配置多个第1发光元件242a。通过以包围流入口223的方式等间隔配置多个第1发光元件242a，从而第1光源240a能够照射直管220的中央附近的紫外强度高且直管220的内壁面220a附近的紫外强度低这样的强度分布的紫外光。
第2光源240b具有多个第2发光元件242b和多个第2基板244b，被与第1光源240a同样地构成。多个第2发光元件242b以包围流出口224的方式配置在四周，安装在第2基板244b上。多个第2发光元件242b的每一个都通过与之对应的第2窗口部228，向直管220的内部沿直管220的长度方向照射紫外光。与第1光源240a同样，第2光源240b照射直管220的中央附近的紫外强度高且直管220的内壁面220a附近的紫外强度低这样的强度分布的紫外光。
为了使流过流路212的流体成为层流状态，调整直管220的内径和流过流路212的流体的平均流速。其结果是，达到流过直管220的中心轴近旁的流体的流速相对较快、而流过直管220的内壁面220a近旁的流体的流速相对较慢的流速分布。对于具有这样的速度分布的流体，从第1光源240a和第2光源240b照射直管220的中央附近的紫外强度高、而内壁面220a附近的紫外强度低的强度分布的紫外光。因此，在本实施方式中，也能够通过对层流状态的流体照射与层流状态的流速分布相对应的强度分布的紫外光，从而提高对流体的杀菌效率。
此外，根据本实施方式，由于在直管220的中心轴上配置有流入口223和流出口224，所以能够抑制流过流路212的流体发生紊流或漩涡。此外，由于在流入口223和流出口224这两者上配置有光源240a、240b，所以与仅从任一个光源照射紫外光的情况相比，能够增加作用于流体的紫外光的能量，从而提高对流体的杀菌效率。
另外，在变形例中，也可以仅在流入口223或流出口224的任一者上配置光源。此外，也可以将光源240a、240b设置在直管220的内部。在将光源240a、240b设置于直管220内部的情况下，光源240a、240b安装于直管220的端面221a、222a，并且，为了使得其不直接接触到流过流路212的流体，而设置使紫外光透过的盖部件。
以上基于实施方式对本发明做了说明。本发明不限定于上述实施方式，本领域技术人员可以理解，能够实施各种变形例，而且这种变形例也在本发明的范围之内。
上述实施方式的流体杀菌装置10是作为用于对流体照射紫外光而实施杀菌处理的装置来说明的。在变形例中，也可以将本流体杀菌装置用于通过紫外光照射而使流体所含的有机物分解的净化处理。
在变形例中，也可以在由上述直管构成的流路的中途、流入口或者比流入口更上游的位置设置整流板。该整流板也可以具有对流过流路的流体的流动进行整理以使其层流化的功能。通过设置整流板，从而能够形成紊流更少的层流状态从而提高杀菌效果。
在变形例中，光源也可以有用于调整发光元件所发出的紫外光的强度分布的调整机构。调整机构也可以包括透镜等透过型的光学元件、或者凹面镜等反射型的光学元件。调整机构也可以通过调整来自发光元件的紫外光的强度分布，从而使得从光源输出的紫外光强度分布成为与层流状态的速度分布相对应的形状。通过设置这样的调整机构，能够照射适合于流体的流动形态的强度分布的紫外光，能够进一步提高杀菌效率。
附图标记说明
10…流体杀菌装置，12…流路，20…直管，21…第1端部，22…第2端部，23…流入口，24…流出口，40…光源，42…发光元件，140…光源，210…流体杀菌装置，212…流路，220…直管，221…第1端部，222…第2端部，223…流入口，224…流出口，240a…第1光源，240b…第2光源。
工业可利用性
根据本发明，能够提高对流过流路的流体的紫外光照射效率，从而能够提高杀菌能力。
Claims (7)
1.一种流体杀菌装置，其特征在于，包括：
直管，其构成在长度方向上延伸的流路，以及
光源，其向以层流状态流过上述流路的流体沿上述长度方向照射紫外光；
上述光源具有发出紫外光的发光元件，并以在与上述长度方向正交的上述流路的截面中达到中央附近的紫外光强度比其周围的紫外光强度高的强度分布的方式照射紫外光。
2.如权利要求1所述的流体杀菌装置，其特征在于，
上述直管具有设置有使流体沿上述长度方向流入的流入口的第1端部、以及与上述第1端部相反侧的第2端部；
上述光源配置在上述第2端部。
3.如权利要求2所述的流体杀菌装置，其特征在于，
上述光源和上述流入口配置在上述直管的中心轴上。
4.如权利要求2或3所述的流体杀菌装置，其特征在于，
上述直管具有流出口，上述流出口设置在上述第2端部，并使流体沿与上述长度方向交叉的方向流出。
5.如权利要求2所述的流体杀菌装置，其特征在于，
上述直管具有流出口，上述流出口设置在上述第2端部，并使流体沿上述长度方向流出；
上述光源具有以包围上述流出口的方式配置的多个发光元件；
上述多个发光元件向流过上述流路的流体沿上述长度方向照射紫外光。
6.如权利要求1至5的任一项所述的流体杀菌装置，其特征在于，
还包括用于使流过上述流路的流体层流化的整流板。
7.一种流体杀菌方法，其特征在于，
一边在构成在沿长度方向延伸的流路的直管的内部形成层流状态的流体流动，一边以在与上述长度方向正交的上述流路的截面中达到中央附近的紫外光强度比其周围的紫外光强度高的强度分布的方式，向以层流状态流过上述流路的流体沿上述长度方向照射紫外光。
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