特許 6559577 流体殺菌装置及び流体殺菌方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6559577

(24)【登録日】2019年7月26日

(45)【発行日】2019年8月14日

(54)【発明の名称】流体殺菌装置及び流体殺菌方法

(51)【国際特許分類】

   A61L 2/10 20060101AFI20190805BHJP

   B23Q 11/10 20060101ALI20190805BHJP

   A01G 31/00 20180101ALI20190805BHJP

   C12G 3/02 20190101ALI20190805BHJP

   C12H 1/16 20060101ALI20190805BHJP

   A23L 3/28 20060101ALI20190805BHJP

【ＦＩ】

   A61L2/10

   B23Q11/10 E

   A01G31/00 601A

   C12G3/02 119S

   C12H1/16

   A23L3/28

【請求項の数】7

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2016-1235(P2016-1235)

(22)【出願日】2016年1月6日

(65)【公開番号】特開2017-121319(P2017-121319A)

(43)【公開日】2017年7月13日

【審査請求日】2018年8月27日

(73)【特許権者】

【識別番号】000226242

【氏名又は名称】日機装株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(72)【発明者】

【氏名】浅野 英樹

(72)【発明者】

【氏名】越智 鉄美

(72)【発明者】

【氏名】小永吉 英典

(72)【発明者】

【氏名】木内 裕紀

【審査官】 五十棲 毅

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１５／０３１４０２４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特表２００９−５２３７１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００８−５１０５３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１３−５２３３０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−２６４１９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−１６３８８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−００３０６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−２１２３３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２０１５３５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ａ６１Ｌ ２／１０

Ａ０１Ｇ ３１／００

Ａ２３Ｌ ３／２８

Ｂ２３Ｑ １１／１０

Ｃ１２Ｇ ３／０２

Ｃ１２Ｈ １／０６

Ｃ１２Ｈ １／１６

Ｃ０２Ｆ １／３２

ＷＰＩＤＳ／ＷＰＩＸ（ＳＴＮ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

流体を流すための流路と、
前記流路を流れる前記流体に向けて、２９０〜３１０ｎｍの波長の紫外光を照射するＬＥＤと、
を備え、
前記流体は、切削加工のための切削液、又は、製造過程における日本酒を含むことを特徴とする流体殺菌装置。

【請求項2】

前記切削液は、エチレングリコール及びフェノール類を含むことを特徴とする請求項１に記載の流体殺菌装置。

【請求項3】

前記切削液に含まれるバクテリアを殺菌するために紫外光を照射することを特徴とする請求項１又は２に記載の流体殺菌装置。

【請求項4】

前記日本酒は、フェノール類又は芳香族アミノ酸を含むことを特徴とする請求項１に記載の流体殺菌装置。

【請求項5】

前記日本酒に含まれる乳酸菌を殺菌するために紫外光を照射することを特徴とする請求項１又は４に記載の流体殺菌装置。

【請求項6】

前記流路は、長手方向に延びる直管を含み、
前記流体は、前記流路を層流状態で流れ、
前記ＬＥＤは、前記長手方向と直交する前記流路の断面において中央付近の紫外光強度がその周囲の紫外光強度よりも高い強度分布となるように紫外光を照射することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の流体殺菌装置。

【請求項7】

流路を流れる流体に向けて、２９０〜３１０ｎｍの波長の紫外光を発光するＬＥＤから光を照射し、
前記流体は、切削加工のための切削液、又は、製造過程における日本酒を含むことを特徴とする流体殺菌方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、流体殺菌装置及び流体殺菌方法に関し、特に、紫外光を照射して流体を殺菌する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

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を照射する装置が用いられている。また、水などの流体に紫外光を照射することで、流体を連続的に殺菌する装置も用いられている（例えば、特許文献１〜３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平４−２６４１９９号公報

【特許文献2】特開２０１２−２４８８０号公報

【特許文献3】特開平９−１６３８８４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来の流体殺菌装置においては、低圧水銀ランプから発せられる２５４ｎｍの波長の紫外光が流体に照射されているが、上記の特許文献においても指摘されているように、この波長の紫外光は、流体自体に吸収されてしまい、表面から数ミリメートル程度の深さまでしか届かない。特許文献１においては、流体の循環経路中に流体が浅くなる部分を設け、その部分を通過する流体に紫外光を照射するなどの工夫が施されているが、抜本的な解決にはなっていない。紫外光照射により流体を殺菌する効率を更に向上させる技術が求められている。

【0005】

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、紫外光により流体を殺菌する効率を向上させる技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明のある態様の流体殺菌装置は、流体を流すための流路と、流路を流れる流体に向けて、２９０〜３１０ｎｍの波長の紫外光を照射する光源と、を備える。

【0007】

この態様によると、後述するように、流体に含まれる成分による紫外光の吸収を抑えて、流体の内部まで紫外光を照射し、流体に含まれる細菌やウイルスなどを効率良く殺菌することができる。

【0008】

流体は、芳香族化合物を含んでもよい。２５４ｎｍ付近の紫外光を吸収するような芳香族化合物が含まれる流体であっても、２９０〜３１０ｎｍの波長の紫外光を照射することにより、流体に含まれる細菌やウイルスなどを効率良く殺菌することができる。

【0009】

流路は、長手方向に延びる直管を含んでもよい。流体は、流路を層流状態で流れてもよい。光源は、２９０〜３１０ｎｍの波長の紫外光を発する発光素子を含んでもよく、長手方向と直交する流路の断面において中央付近の紫外光強度がその周囲の紫外光強度よりも高い強度分布となるように紫外光を照射してもよい。

【0010】

この態様によると、層流状態で流れる流体に紫外光を照射するため、乱流状態の流体に紫外光を照射する場合と比べて殺菌効率を高めることができる。本発明者らの知見により、直管状の流路内に紫外光を照射して殺菌処理をする場合、乱流状態とするよりも層流状態とする方が約７倍の殺菌効率が得られることがわかっている。また、層流状態の流体は、中央付近の流速が速く、管内壁付近の流速が遅い速度分布を有しているため、その速度分布に対応させて中央付近の紫外光強度を高めることで、流路内を流れる流体に効果的に紫外光を照射して殺菌効率を向上させることができる。

【0011】

流体は、切削加工のための切削液を含んでもよい。この態様によると、切削加工中に空気中を浮遊しているバクテリア等が切削液に溶け込み、切削液に含まれている有機成分を培地として繁殖してしまうのを防ぐことができる。

【0012】

流体は、水耕栽培のための培養液を含んでもよい。この態様によると、水耕栽培のための培養液に混入した病原菌が繁殖し、植物が死滅してしまうのを防ぐことができる。

【0013】

流体は、製造過程における日本酒を含んでもよい。この態様によると、日本酒の製造過程において残存した乳酸菌により、日本酒に含まれる糖分が流通過程において醗酵し、日本酒本来の味を損ねてしまうのを防ぐことができる。

【0014】

本発明の別の態様は、流体殺菌方法である。この方法は、流路を流れる流体に向けて、２９０〜３１０ｎｍの波長の紫外光を照射する。

【0015】

この態様によっても、流体に含まれる成分による紫外光の吸収を抑えて、流体の内部まで紫外光を照射し、流体に含まれる細菌やウイルスなどを効率良く殺菌することができる。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、紫外光により流体を殺菌する効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】流体の一例である切削液の透過スペクトルの例を示す図である。

【図2】共役二重結合を有する有機化合物の例として、ベンゼン、ナフタレン、およびアントラセンの吸収スペクトルを示す図である。

【図3】官能基を有する芳香族化合物の例として、フェノール、ｐ−ニトロフェノールの吸収スペクトルを、ベンゼンの吸収スペクトルとともに示す図である。

【図4】流体の一例である日本酒の透過スペクトルの例を示す図である。

【図5】紫外光による殺菌効果の波長依存性の例を示す図である。

【図6】第１の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。

【図7】流路内の紫外光強度分布を示すコンター図である。

【図8】乱流状態の流体の速度分布を示すコンター図である。

【図9】層流状態の流体の速度分布を示すコンター図である。

【図10】変形例に係る光源の構成を概略的に示す正面図である。

【図11】第２の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。

【図12】図１１の流体殺菌装置の構成を概略的に示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

実施の形態に係る流体殺菌装置は、従来の流体殺菌装置において使用されていた２５４ｎｍ付近の波長の紫外光ではなく、より長波長の紫外光、例えば、２９０〜３１０ｎｍの範囲の波長の紫外光を流体に照射する。これにより、流体に含まれる成分による紫外光の吸収を抑えて、流体の内部まで紫外光を照射し、流体に含まれる細菌やウイルスなどを効率良く殺菌することができる。２９０〜３１０ｎｍの範囲の波長の紫外光を照射すべき理由を以下に説明する。

【0019】

［殺菌の対象となる流体］
旋盤等の工作機械では、切削液として、エチレングリコールを主成分としたクーラントが広く用いられている。このクーラントは、加工点の潤滑剤及び冷却剤としての機能を有しているが、使用とともにクーラント自体の温度が上昇することは避けられないので、空気中を浮遊しているバクテリア等がクーラントに溶け込んだ際には、もともとクーラントに含まれている有機成分を培地として、バクテリア等が繁殖し易い環境にある。このため、特に夏場ともなると、加工中に悪臭が放たれて、作業環境の悪化を招いている。また、バクテリアが産生する成分は、流体のｐＨを下げるため、加工製品や加工装置の錆や腐食を起こし、品質を低下させたり、加工装置の寿命を短縮したりする問題も生じる。更に、切削液中のカビの発生も大きな問題となる。カビが発生すると、液槽の壁に堆積物が付着するが、この堆積物がクーラントの性能を阻害し、特にろ過システムの性能を低下させる。カビの発生を抑えるために、真菌用の殺菌剤を使用すると、切削性能が変化してしまう場合があるため、特に高い精度を必要とする加工装置では好ましくない。このため、紫外光により切削液を殺菌することが求められている。

【0020】

水耕栽培や植物工場では、生育に必要な培養液を循環しているが、しばしばこの培養液に病気の原因となる病原菌が入りこむことがある。培養液に病原菌がひとたび混入すると、培養液を循環させているために、植物が全滅してしまう可能性もある。野菜栽培では、病気に対抗するために、しばしば農薬が使われるが、水耕栽培の場合は、農薬を使用すると、農薬が培養液に溶け込み、植物の内部が農薬によって汚染されてしまうため、ほとんどの農薬が使用できない。このため、紫外光により培養液を殺菌することが求められている。

【0021】

日本酒は、米を麹菌により醗酵させて作るアルコール飲料であるが、その製造過程において乳酸菌が残存してしまうと、日本酒に含まれる糖分が次々と醗酵していき、日本酒本来の味を大きく損ねることになる。そのため、日本酒の製造過程では、醗酵し終わった原酒に含まれる麹菌をフィルタで取り除いた後に、６０℃程度の温度で処理する「火入れ」と呼ばれる工程を導入しており、ここで乳酸菌を殺菌している。ところが、この「火入れ」は、日本酒が持つ豊かな風味や味を損ねることが知られているため、できるだけ温度を低くしたり、時間を短くしたりして、風味が落ちないようにする工夫がなされている。そのため、ごくまれに乳酸菌が残ってしまうことがあり、その場合は、流通過程を経て消費者の手に届くまでの間に乳酸菌が繁殖してしまい、消費者が開封する頃には、炭酸ガスを含んだ、酸っぱい味に変化してしまう。これを「火おち」と呼んでいる。紫外光により乳酸菌を殺菌することができれば、火入れを行う必要がなくなるので、風味や味を損ねることなく、芳醇な味わいの日本酒を製造することができると考えられる。

【0022】

［流体の紫外光吸収特性］
図１は、流体の一例である切削液の透過スペクトルの例を示す。この透過スペクトルは、市販されている切削液を用いて測定したものである。約２９０ｎｍ未満の波長の紫外光の透過率は１５％未満と低いが、約２９０ｎｍ以上の波長の紫外光はあまり吸収されずに透過することが分かる。このような透過特性は、主に、切削液に添加されている下記の有機化合物が約２９０ｎｍ未満の紫外光を吸収することに由来すると考えられる。

【化1】

【化2】

【化3】

これらの有機化合物は、いずれもベンゼン環を有しており、共役二重結合の存在により、吸収される紫外光の波長が長波長側にシフトした結果、約２９０ｎｍまでの波長の紫外光を吸収すると考えられる。

【0023】

共役二重結合が増えるにつれて、吸収される紫外光の波長が長波長側にシフトすることは良く知られている。図２は、共役二重結合を有する有機化合物の例として、ベンゼン、ナフタレン、およびアントラセンの吸収スペクトルを示す。ベンゼンでは約２７０ｎｍ、ナフタレンでは約３１０ｎｍ、アントラセンでは約３９０ｎｍまで吸収の立ち上がりがシフトしている。また、吸収される紫外光の波長は、ベンゼン環に結合する官能基によっても影響を受ける。図３は、官能基を有する芳香族化合物の例として、フェノール、ｐ−ニトロフェノールの吸収スペクトルを、ベンゼンの吸収スペクトルとともに示す。水酸基やニトロ基の影響により、フェノールおよびｐ−ニトロフェノールの吸収は、ベンゼンよりも更に長波長側にシフトしている。

【0024】

このように、切削液などの流体は、添加物として、または不純物として、芳香族化合物を含んでいるが、芳香族化合物は、一般に、２５４ｎｍ付近の波長の紫外光の吸光度が高いので、２５４ｎｍ付近の波長の紫外光を照射しても、流体の表面付近の芳香族化合物により、ほとんどの紫外光が吸収されてしまうことになる。

【0025】

これに対して、２５４ｎｍよりも長波長、例えば２９０ｎｍ以上の波長の紫外光は、ベンゼン、ナフタレン、フェノールによってはほとんど吸収されない。

【0026】

図４は、日本酒の透過スペクトルの例を示す。この透過スペクトルは、市販されている２種類の日本酒と精製水の透過スペクトルである。いずれの日本酒においても、２８５ｎｍより短い波長領域では、ほとんどの光が透過しないことが分かる。これは、日本酒にはフェノールが約１０ｐｐｍ〜３００ｐｐｍ程度含まれており、また多くの芳香族アミノ酸も含まれていることから、これらの芳香族化合物が２８５ｎｍ未満の波長の紫外光をほとんど吸収してしまうためであると考えられる。

【0027】

［紫外光による殺菌効果の波長依存性］
図５は、紫外光による殺菌効果の波長依存性の例を示す。細菌やウィルスなどの核酸は、本図に示すように、波長が２６０ｎｍ付近である紫外光を良く吸収すると言われている。したがって、前述したように、従来の流体殺菌装置においては２５４ｎｍ付近の波長の紫外光が流体に照射されていた。しかし、本図からも分かるように、より長波長の紫外光であっても、３１０ｎｍ付近の波長までの範囲であれば、殺菌効果が期待できる。２５４ｎｍ付近の波長の紫外光よりも効果は低くなるが、照射する光量や時間などを増加させることにより解決可能であり、例えば２９０〜３１０ｎｍの波長の紫外光を照射することによっても、確実に流体を殺菌することができる。２９０ｎｍ付近の波長の紫外光の照射による殺菌効果は約３０％であり、最も殺菌効果の高い２５４ｎｍ付近の波長の紫外光を照射する場合に比べて殺菌効果は約１／３に低下するが、紫外光の照射エネルギーを約３倍に増加させれば同等の殺菌効果が得られる。これは、流体殺菌装置に応用するにあたって、十分に現実的な値である。

【0028】

［照射すべき紫外光の波長］
以上説明したように、殺菌の対象となる流体に含まれる芳香族化合物による紫外光の吸収を低く抑えるためには、２９０ｎｍ以上の波長の紫外光を照射することが好ましく、流体に含まれる細菌やウイルスなどを効果的に殺菌するためには、３１０ｎｍ以下の波長の紫外光を照射することが好ましい。

【0029】

下限値は、流体に含まれる有機化合物の種類に応じて選択されてもよい。例えば、主成分がベンゼンであり、その他の芳香族化合物がほとんど含まれない場合は、２７０ｎｍ以上の波長の紫外光を用いることができる。また、主成分がアントラセンである場合も、２７０ｎｍ以上の波長の紫外光を用いることができる。主成分がナフタレンまたはフェノールである場合は、２９０ｎｍ以上の波長の紫外光を用いることが好ましい。主成分がｐ−ニトロフェノールである場合は、逆に、３００ｎｍ以下、より好ましくは２８０ｎｍ以下の波長の紫外光を用いることが好ましい。殺菌の対象となる流体の吸収スペクトルを予め測定して、照射すべき紫外光の波長を決定してもよい。この場合、照射する紫外光の光量、照射時間、照射エネルギー、紫外光を照射する部分における流路の深さなどを考慮して、許容される流体の吸光度を決定し、決定された吸光度から照射する紫外光の波長を決定してもよい。

【0030】

上限値は、流体に含まれる細菌やウイルスなどの種類に応じて選択されてもよい。例えば、図５に示した例よりも長波長の紫外光でも殺菌効果があるような細菌やウイルスなどが流体に含まれる場合は、３１０ｎｍよりも長い波長の紫外光が用いられてもよく、例えば、３２０ｎｍ、３３０ｎｍ、３４０ｎｍ、または３５０ｎｍを上限値としてもよい。この場合も、殺菌の対象となる流体に含まれる細菌やウイルスの種類を予め検査し、含まれる細菌やウイルスの種類から紫外光の波長を決定してもよい。

【0031】

［流体殺菌装置の構成］
上記の波長の紫外光を流体に照射するための光源として、キセノンランプ、重水素ランプ、発光ダイオードなどが挙げられるが、キセノンランプ及び重水素ランプは、上記の波長以外の波長の光も発するので、熱線により流体の温度が上昇してしまうのを防ぐために、フィルターなどを用いる必要がある。したがって、上記の波長の紫外光を選択的に発することが可能な発光ダイオードを用いることがより好ましい。以下に、発光ダイオードを光源とする流体殺菌装置の構成について説明する。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。

【0032】

（第１の実施の形態）
図６は、第１の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、直管２０と、流出管３０と、光源４０とを備える。光源４０は、直管２０の端部（第２端部２２）に配置され、直管２０の内部に向けて紫外光を照射する。流体殺菌装置１０は、直管２０の内部を流れる水などの流体に紫外光を照射して殺菌処理を施すために用いられる。

【0033】

直管２０は、第１端部２１と、第２端部２２と、第１フランジ２６と、窓部２８とを有する。直管２０は、第１端部２１から第２端部２２に向けて長手方向に延在する。第１端部２１には、直管２０の長手方向に流体を流入させる流入口２３と、流入口２３を他の配管等に接続するための第１フランジ２６が設けられる。第２端部２２には、光源４０からの紫外光を透過させるための窓部２８が設けられる。窓部２８は、石英（ＳｉＯ_２）やサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、非晶質のフッ素系樹脂などの紫外光の透過率が高い部材で構成される。

【0034】

第２端部２２には、直管２０の長手方向と交差する方向または直交する方向に流体を流出させる流出口２４が設けられる。流出口２４は、直管２０の側壁に設けられ、流出口２４には、流出管３０が取り付けられている。流出管３０は、一端が流出口２４に取り付けられ、他端に第２フランジ３２が設けられる。したがって、直管２０および流出管３０は、Ｌ字状の流路１２を形成する。第１フランジ２６から流入する流体は、流入口２３、直管２０、流出口２４および流出管３０を通って第２フランジ３２から流出する。

【0035】

直管２０および流出管３０は、金属材料や樹脂材料で構成される。直管２０の内壁面２０ａは、紫外光の反射率が高い材料で構成されることが望ましく、例えば、鏡面研磨されたアルミニウム（Ａｌ）や、全フッ素化樹脂であるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で構成される。これらの材料で直管２０の内壁面２０ａを構成することで、光源４０が発する紫外光を内壁面２０ａで反射させて直管２０の長手方向に紫外光を伝搬させることができる。なお、ＰＴＦＥは、化学的に安定した材料であり、紫外光の反射率が高い材料であるため、流体殺菌装置の流路を構成する直管２０の材料として好適である。

【0036】

直管２０の内径ｄおよび流路１２を流れる流体の平均流速ｖは、流路１２を流れる流体が層流状態となるように調整される。具体的には、流路１２のレイノルズ数Ｒｅが層流状態の臨界レイノルズ数以下となるように、Ｒｅ＝ｖ・ｄ／ν（ν：流体の動粘性係数）の式を用いて内径ｄおよび平均流速ｖが調整される。臨界レイノルズ数以下の値とは、例えば、レイノルズ数Ｒｅが３０００以下であり、好ましくは２５００以下であり、さらに好ましくは２３２０以下である。また、流入口２３から流路１２に長手方向に流体を流入させることにより、第２端部２２に向かって流体が層流状態で流れるようにする。流体が層流状態で流れる場合、直管２０の中心軸の近傍を流れる流体の流速ｖ_１が相対的に速く、直管２０の内壁面２０ａの近傍を流れる流体の流速ｖ_２が相対的に遅い流速分布となる。理想的な層流状態である場合、流路１２を流れる流体は、回転放物面の式で表される速度分布となる。

【0037】

光源４０は、発光素子４２と、基板４４とを有する。発光素子４２は、紫外光を発するＬＥＤ（Light Emitting Diode）であり、その中心波長またはピーク波長が約２００ｎｍ〜３５０ｎｍの範囲に含まれる。発光素子４２は、上述した波長の範囲、例えば２９０ｎｍ〜３１０ｎｍ付近の紫外光を発することが好ましい。このような紫外光ＬＥＤとして、例えば、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）を用いたものが知られている。

【0038】

発光素子４２は、所定の指向角または配光角を有するＬＥＤであり、例えば、配光角（全角値）が１２０度以上となる広配光角のＬＥＤである。このような発光素子４２として、出力強度の高い表面実装（ＳＭＤ；surface mount device)型のＬＥＤが挙げられる。発光素子４２は、直管２０の中心軸上に配置され、窓部２８と対向するように基板４４に取り付けられる。基板４４は、熱伝導性の高い部材で構成され、例えば、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などがベース材料として用いられる。発光素子４２が発する熱は、基板４４を通じて放熱される。

【0039】

図７は、流路１２内の紫外光強度分布を示すコンター図である。発光素子４２は、所定の配光角を有する紫外光を照射するため、中央付近の紫外光強度がその周囲の紫外光強度よりも高い強度分布となる。その結果、直管２０の内部における紫外光の強度分布は、長手方向と直交する流路１２の断面視において、中心軸付近の紫外光強度が高く、内壁面２０ａ付近の紫外光強度が低くなる。

【0040】

以上の構成により、流体殺菌装置１０は、直管２０の内部を流れる流体に紫外光を照射して流体に殺菌処理を施す。光源４０からの紫外光は、直管２０の中央付近の強度が高く、直管２０の内壁面２０ａ付近の強度が低くなるように照射される。流路１２を流れる流体は、中央付近の流速ｖ_１が速く、内壁面２０ａ付近の流速ｖ_２が遅くなる層流状態となるようにして流される。その結果、層流状態となって直管２０を通過する流体に作用する紫外光のエネルギー量を流体が通過する径方向の位置によらずに均一化できる。これにより、直管２０を流れる流体の全体に対して所定以上のエネルギー量の紫外光を照射することができ、流体全体に対する殺菌効果を高めることができる。

【0041】

つづいて、流体殺菌装置１０の効果について比較例を参照しながら説明する。図８は、乱流状態の流体の速度分布を示すコンター図であり、レイノルズ数Ｒｅ＝４９６１となる条件下で直管２０に流体を流した場合の速度分布を示す。図示する例では、内壁面２０ａ付近の一部分の流速が最も速く、中央付近の流速が負の値となる状態を示すが、流体の速度分布は一定ではなく時間とともに随時変化する。このような乱流状態となる条件下において、流体として大腸菌を含む菌液を流したところ、通過後の流体に含まれる大腸菌の生存率が０．５３％であった。

【0042】

図９は、層流状態の流体の速度分布を示すコンター図であり、レイノルズ数Ｒｅ＝２２７９となる条件下で直管２０に流体を流した場合の速度分布を示す。図示する例では、流速が最も高い箇所が右上の方にずれているが、概ね中央付近の流速が速く、内壁面２０ａ付近の流速が遅い流速分布となっている。このような層流状態となる条件下にて大腸菌を含む菌液を流したところ、通過後の流体に含まれる大腸菌の生存率が０．０７％となった。これらの結果から、乱流状態と比べて層流状態では約７倍の殺菌効果が得られることがわかった。このように、本実施の形態によれば、層流状態の流体に対して層流状態の流速分布に対応した強度分布の紫外光を照射することできるため、流体に対する殺菌効率を向上させることができる。

【0043】

また、本実施の形態によれば、直管２０の中心軸上に流入口２３と光源４０が配置されるため、光源４０からの紫外光が照射される方向に流体のスムーズな流れを作ることができる。また、流入口２３を光源４０と反対側の位置に設けることで直管２０を進んでいくことで乱れの少ない層流状態となった流体に強度の高い紫外光を照射できる。これにより、紫外光強度の低い箇所を流体の一部が高速で通過したり、紫外光強度の高い箇所で流体の一部が渦となって滞留したりして照射される紫外光のエネルギー量にムラが生じ、殺菌効果が低下する影響を抑えることができる。

【0044】

図１０は、変形例に係る光源１４０の構成を概略的に示す正面図である。光源１４０は、複数の発光素子１４２ａ，１４２ｂと、基板１４４とを有する。光源１４０は、基板１４４の中央領域Ｃ１に密集して配置される複数の第１発光素子１４２ａと、基板１４４の周縁領域Ｃ２に点在して配置される複数の第２発光素子１４２ｂとを有する。第１発光素子１４２ａおよび第２発光素子１４２ｂは、上述の発光素子４２と同様に構成される。

【0045】

光源１４０は、中央領域Ｃ１に第１発光素子１４２ａが密集して配置されるため、中央領域Ｃ１において相対的に強度の高い紫外光を出力する。一方、周縁領域Ｃ２には第２発光素子１４２ｂがまだらに配置されるため、周縁領域Ｃ２において相対的に強度の低い紫外光を出力する。したがって、本変形例に係る光源１４０を上述の流体殺菌装置１０に適用することで、直管２０の直径ｄを大きくして処理流量を増やす場合であっても、中央付近の紫外光強度が高く、内壁面２０ａ付近の紫外光強度が低い強度分布の紫外光を照射できる。

【0046】

（第２の実施の形態）
図１１および図１２は、第２の実施の形態に係る流体殺菌装置２１０の構成を概略的に示す断面図であり、図１２は、図１１のＡ−Ａ線断面に対応する。流体殺菌装置２１０は、直管２２０と、流入管２３１と、流出管２３２と、複数の第１光源２４０ａと、複数の第２光源２４０ｂとを備える。流体殺菌装置２１０は、流入管２３１および流出管２３２が直管２２０の中心軸上に配置され、Ｌ字状ではなく直線状の流路２１２が構成される点で上述の第１の実施の形態と相違する。以下、本実施の形態について第１の実施の形態との相違点を中心に述べる。

【0047】

直管２２０は、第１端部２２１から第２端部２２２に向けて延在する。第１端部２２１には、直管２２０の長手方向と直交する第１端面２２１ａと、第１端面２２１ａの中央付近に位置する流入口２２３とが設けられる。第１端面２２１ａには、第１光源２４０ａからの紫外光を透過させるための複数の第１窓部２２７が設けられる。流入口２２３には、直管２２０の長手方向に延びる流入管２３１が取り付けられている。流入管２３１は、直管２２０の長手方向に流体を流入させ、流路２１２内の流れに乱れが生じるのを抑える。

【0048】

第２端部２２２は、第１端部２２１と同様に構成されている。第２端部２２２には、直管２２０の長手方向と直交する第２端面２２２ａと、第２端面２２２ａの中央付近に位置する流出口２２４とが設けられる。第２端面２２２ａには、第２光源２４０ｂからの紫外光を透過させるための複数の第２窓部２２８が設けられる。流出口２２４には、直管２２０の長手方向に延びる流出管２３２が取り付けられている。流出管２３２は、直管２２０の長手方向に流体を流出させ、流路２１２内の流れに乱れが生じるのを抑える。

【0049】

第１光源２４０ａは、複数の第１発光素子２４２ａと、複数の第１基板２４４ａとを有する。複数の第１発光素子２４２ａは、図１２に示されるように、流入口２２３を囲むように四方に配置され、第１基板２４４ａに取り付けられる。複数の第１発光素子２４２ａのそれぞれは、対応する第１窓部２２７を通じて直管２２０の内部に向けて直管２２０の長手方向に紫外光を照射する。

【0050】

図示する例では、第１発光素子２４２ａが四箇所に設けられる場合を示しているが、第１発光素子２４２ａは三箇所以下に設けられてもよいし、五箇所以上に設けられてもよい。なお、複数の第１発光素子２４２ａは、流路２１２を流れる流体全体に紫外光を照射できるように、等間隔に配置されることが好ましい。流入口２２３を囲むようにして複数の第１発光素子２４２ａを等間隔に配置することで、第１光源２４０ａは、直管２２０の中央付近の紫外強度が高く、直管２２０の内壁面２２０ａ付近の紫外強度が低くなるような強度分布の紫外光を照射できる。

【0051】

第２光源２４０ｂは、複数の第２発光素子２４２ｂと、複数の第２基板２４４ｂとを有し、第１光源２４０ａと同様に構成される。複数の第２発光素子２４２ｂは、流出口２２４を囲むように四方に配置され、第２基板２４４ｂに取り付けられる。複数の第２発光素子２４２ｂのそれぞれは、対応する第２窓部２２８を通じて直管２２０の内部に向けて直管２２０の長手方向に紫外光を照射する。第２光源２４０ｂは、第１光源２４０ａと同様、直管２２０の中央付近の紫外強度が高く、直管２２０の内壁面２２０ａ付近の紫外強度が低くなるような強度分布の紫外光を照射する。

【0052】

直管２２０の内径および流路１１２を流れる流体の平均流速は、流路２１２を流れる流体が層流状態となるように調整される。その結果、直管２２０の中心軸の近傍を流れる流体の流速が相対的に速く、直管２２０の内壁面２２０ａの近傍を流れる流体の流速が相対的に遅い流速分布となる。このような速度分布を有する流体に対して、第１光源２４０ａおよび第２光源２４０ｂから直管２２０の中央付近の紫外強度が高く、内壁面２２０ａ付近の紫外強度が低い強度分布の紫外光が照射される。したがって、本実施の形態においても、層流状態の流体に対して層流状態の流速分布に対応した強度分布の紫外光を照射することで、流体に対する殺菌効率を向上させることができる。

【0053】

また、本実施の形態によれば、直管２２０の中心軸上に流入口２２３と流出口２２４が配置されるため、流路２１２を流れる流体に乱れや渦が生じるのを抑えることができる。また、流入口２２３と流出口２２４の双方に光源２４０ａ，２４０ｂを配置しているため、いずれか一方のみから紫外光を照射する場合よりも流体に作用する紫外光のエネルギー量を増やして流体に対する殺菌効率を向上させることができる。

【0054】

なお、変形例においては、流入口２２３と流出口２２４のいずれか一方のみに光源を配置してもよい。また、光源２４０ａ，２４０ｂは、直管２２０の内部に設けられてもよい。直管２２０の内部に光源２４０ａ，２４０ｂを設ける場合、光源２４０ａ，２４０ｂは、直管２２０の端面２２１ａ，２２２ｂに取り付けられるとともに、流路２１２を流れる流体に直接触れないように紫外光を透過するカバー部材等が設けられる。

【0055】

以上、本発明を実施の形態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。

【0056】

上述の実施の形態に係る流体殺菌装置１０は、流体に紫外光を照射して殺菌処理を施すための装置として説明した。変形例においては、紫外光の照射により流体に含まれる有機物を分解させる浄化処理に本流体殺菌装置を用いてもよい。

【0057】

変形例においては、上述の直管で構成される流路の途中、流入口または流入口よりも上流の位置に整流板が設けられてもよい。この整流板は、流路を流れる流体の流れを整えて層流化させる機能を有してもよい。整流板を設けることで、より乱れの少ない層流状態を形成して殺菌効果を高めることができる。

【0058】

変形例において、光源は、発光素子が発する紫外光の強度分布を調整するための調整機構を有してもよい。調整機構は、レンズなどの透過型の光学素子や、凹面鏡などの反射型の光学素子を含んでもよい。調整機構は、発光素子からの紫外光の強度分布を調整することにより、光源から出力される紫外光の強度分布が層流状態の速度分布に対応した形状となるようにしてもよい。このような調整機構を設けることで、流体の流れの態様に適した強度分布の紫外光を照射することができ、殺菌効率をより高めることができる。

【0059】

実施の形態に係る流体殺菌装置１０は、工作機械の切削液、水耕栽培の培養液、日本酒以外にも、様々な流体の殺菌に利用することができる。例えば、水族館、養殖場、家庭などにおいて魚を飼育する水槽の水を殺菌することにより、魚の育成に悪影響を及ぼすバクテリアの繁殖を防止することができる。また、病院、宿泊施設、家庭などにおいて使用されるシーツなどを洗浄する際に、洗浄液ごとシーツを殺菌することにより、病原菌を殺菌し、感染症などの拡散を防止することができる。また、食器洗浄機の洗浄液や化粧水などは、有効成分又は添加物として芳香族化合物を多く含み、業務用循環風呂における風呂水は人体から出た皮脂成分を多く含んでいるが、実施の形態に係る流体殺菌装置１０によれば、これらの流体も効率良く殺菌することができる。

【符号の説明】

【0060】

１０…流体殺菌装置、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…発光素子、１４０…光源、２１０…流体殺菌装置、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。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】