特開 2023-138975 紫外線照射装置およびオゾン生成器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023138975

(43)【公開日】2023-10-03

(54)【発明の名称】紫外線照射装置およびオゾン生成器

(51)【国際特許分類】

   C01B 13/10 20060101AFI20230926BHJP

   H01J 65/00 20060101ALI20230926BHJP

   A61L 9/20 20060101ALI20230926BHJP

   A61L 9/015 20060101ALI20230926BHJP

   B01J 19/12 20060101ALI20230926BHJP

【ＦＩ】

C01B13/10 Z

H01J65/00 A

A61L9/20

A61L9/015

B01J19/12 C

【審査請求】有

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023105844

(22)【出願日】2023-06-28

(62)【分割の表示】P 2019045837の分割

【原出願日】2019-03-13

(71)【出願人】

【識別番号】000128496

【氏名又は名称】株式会社オーク製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100156199

【弁理士】

【氏名又は名称】神崎 真

(74)【代理人】

【識別番号】100124497

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 洋樹

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 博明

(72)【発明者】

【氏名】五味 工

(72)【発明者】

【氏名】濱 友樹

(72)【発明者】

【氏名】金児 裕美

(72)【発明者】

【氏名】芹澤 和泉

(72)【発明者】

【氏名】小林 剛

(57)【要約】

【課題】様々な使用環境下においても、安定して高効率の紫外線照射処理を実現する。
【解決手段】紫外線照射装置１０において、軸流ファン２０を管状流路３０と同軸的に配置し、流体を供給する。そして、管状流路３０内において、場所によって流速（方向および速さ）が大きく異なる複雑な流れ（非一様乱流）が支配的な流れ場が生じている領域ＦＡに、エキシマランプ４０を配置する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

紫外線を放射するエキシマランプと、
前記エキシマランプを収納し、流路を形成する流路管と、
軸流ファンとを備え、
前記軸流ファンの回転によって、前記流路管内を流体が移動し、
前記エキシマランプが、前記軸流ファンの回転によって旋回流が生じる領域に、前記軸流ファンと対向するように配置されることを特徴とする紫外線照射装置。

【請求項2】

前記エキシマランプが、前記軸流ファンの軸上に沿って配置されることを特徴とする請求項１に記載の紫外線照射装置。

【請求項3】

前記軸流ファンが、ファンモータ部と、ファン羽根とを有し、
前記エキシマランプの外径が、前記ファンモータ部の外径より小さいことを特徴とする請求項２に記載の紫外線照射装置。

【請求項4】

前記軸流ファンが、前記ファンモータ部および前記ファン羽根を囲むファン管を有し、
前記ファン管が、前記流路管と同軸的に配置されることを特徴とする請求項３に記載の紫外線照射装置。

【請求項5】

紫外線を放射するエキシマランプと、
前記エキシマランプを収納し、流路を形成する流路管と、
ファンモータ部と、ファン羽根とを有する軸流ファンとを備え、
前記エキシマランプが、前記流路管内の前記軸流ファンの排出口付近に、前記軸流ファンの軸上に沿って配置され、
前記エキシマランプの外径が、前記ファンモータ部の外径より小さいことを特徴とする紫外線照射装置。

【請求項6】

前記軸流ファンが、前記ファンモータ部および前記ファン羽根を囲むファン管を有し、
前記ファン管が、前記流路管と同軸的に配置されることを特徴とする請求項５に記載の紫外線照射装置。

【請求項7】

請求項１乃至６のいずれかに記載の紫外線照射装置を備え、
酸素を含む流体に対して紫外線を照射することを特徴とするオゾン生成器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エキシマランプによって紫外線を照射する紫外線照射装置に関する。

【背景技術】

【0002】

酸化力の強いオゾンを生成する方法として、大気など酸素を含む原料ガスに紫外線（例えば波長１７２ｎｍ）を照射することによってオゾンを発生させることができる。紫外線を照射する光源としては、例えば、エキシマランプが用いられる（特許文献１参照）。そこでは、筐体の上面に吸気口、底面に排気口を設け、吸気口にファンなどを設け、筐体内に空気を流入させる。

【0003】

エキシマランプでは、発光管の管壁温度が上昇すると、光強度が低下し、また、発生したオゾンの熱分解が発光管付近で生じてしまう。これを防ぐため、エキシマランプを配置した管内に流れる原料ガスの流速を所定値以上に定めることによって、オゾン発生の効率を高めることが提案されている（特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１６－１３９４６２号公報

【特許文献2】特許第６０７０７９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

紫外線照射装置、オゾン生成器は、様々な環境下で設置され、外気温や原料ガスなど流体の温度も使用環境によって異なる。例えば外気を利用してオゾンを生成する場合、エキシマランプ雰囲気温度および流体の温度によってその紫外線照射効率も変化し、所望するような紫外線処理効果を得ることは難しい。特に、エキシマランプは、コンパクトでありながら高濃度のオゾンが生成でき、放射される紫外線の波長１７２ｎｍでは空気の透過距離が約１０ｍｍ未満で小さいので、原料ガスはエキシマランプの表面近くを流れる必要がある。そのため、原料ガスの流れの状態による影響が無視できなくなってきた。例えば紫外線の透過距離よりも、エキシマランプ外表面から流路内壁までの距離が大きくなると、紫外線が届かない領域を通過する原料ガスが多くなり、紫外線処理効率が低下するという問題がある。

【0006】

したがって、様々な使用環境下においても、安定して高効率の紫外線照射処理を実現できることが求められる。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の紫外線照射装置は、例えば酸素を含む流体に対して紫外線を照射することを特徴とするオゾン生成器に設けることが可能な装置であり、紫外線を放射するエキシマランプと、エキシマランプを収納し、流路を形成する流路管と、軸流ファンとを備える。軸流ファンの排出口付近では複雑な乱流現象が生じ、エキシマランプの配置された領域においても、極めて複雑な渦運動等の流れの状態が生じる。すなわち、エキシマランプの周囲で、非一様流が形成される。

【0008】

ここでの「非一様流」という記載は、全体的な流体の移動方向、すなわち流路の方向に関し、流れの状態を一様な流れとして捉えることができず、時間平均で流路方向の速度を表すことができない複雑な流れの状態を意味する。例えば、非一様乱流状態であらわされる流れ、あるいは旋回流などの流れがエキシマランプ周囲に形成される。流路方向に沿った速度成分によって流れの状態を表すことができないため、例えば、ＪＩＳ Ｂ ８３３０に準拠する構成は排除される。

【0009】

エキシマランプは、軸流ファンおよび流路の少なくとも一方の特性に従って２次元流れもしくは３次元流れとして表される流れ場になっている領域に配置することが可能である。ここで、「２次元流れもしくは３次元流れ」とは、管内などの平均速度をとることによって一方向の速度成分で表すことができる「１次元流れ」ではなく、少なくとも２方向の流れの速度成分によって流れを表すことができることを意味する。例えば流路が、直状の管などによって管状流路として構成される場合、エキシマランプは、管状流路の軸方向以外の速度成分が支配的な流れの領域に配置することが可能である。

【0010】

そして、軸流ファンの回転によって、流路管内を流体が移動し、エキシマランプは、軸流ファンの回転によって旋回流が生じる領域に、軸流ファンと対向するように配置される。

【0011】

軸流ファンは、エキシマランプの表面において冷却の程度が場所によって異なるように、流体を供給するようにすればよい。例えば、出力、サイズなどその軸流ファンの特性によって表面温度が一様にならないようにすることができる。

【0012】

例えば、エキシマランプは、軸流ファンの軸上に配置することができ、軸流ファンが、ファンモータ部と、ファン羽根とを有し、エキシマランプの外径が、軸流ファンのファンモータ部の外径よりも小さくなるように構成すればよい。例えば、軸流ファンは、ファンモータ部およびファン羽根を囲むファン管を有し、ファン管が、流路管と同軸的に配置される。

【0013】

本発明の他の一態様である紫外線照射装置は、紫外線を放射するエキシマランプと、エキシマランプを収納し、流路を形成する流路管と、ファンモータ部と、ファン羽根とを有する軸流ファンとを備え、エキシマランプが、流路管内の軸流ファンの排出口付近に、軸流ファンの軸上に沿って配置され、エキシマランプの外径が、ファンモータ部の外径より小さい。

【0014】

例えば、軸流ファンは、ファンモータ部およびファン羽根を囲むファン管を有し、ファン管が、流路管と同軸的に配置される。

【0015】

一方で、複数のエキシマランプを配置することも可能であり、複数のエキシマランプは、軸流ファンの特性によって冷却の程度が異なる場所に、それぞれ配置することができる。例えば、複数のエキシマランプが、第１のエキシマランプと、第１のエキシマランプより生成できるオゾンの濃度が高い第２のエキシマランプとを備え、第１のエキシマランプが、相対的に流速が低い場所に配置し、第２のエキシマランプが、相対的に流速が高い場所に配置することが可能である。ここでの流速は、２次元流れあるいは３次元流れの速度成分の速さとして求めることが可能である。

【0016】

また、複数のエキシマランプを、軸流ファンの軸から径方向に沿ってファンモータ部の半径よりも離れて配置し、複数のエキシマランプの外径が、軸流ファンのファンモータ部の外径よりも小さくなるように構成すればよい。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、様々な使用環境下においても、安定して高効率の紫外線照射処理を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】第１の実施形態である紫外線照射装置の概略的構成図である。

【図2】第２の実施形態である紫外線照射装置の概略的構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

【0020】

図１は、第１の実施形態である紫外線照射装置の概略的構成図である。紫外線照射装置１０は、軸流ファン２０、管状流路３０、エキシマランプ４０とを備える。

【0021】

エキシマランプ４０は、管状の発光管４０Ａを有し、紫外線（例えば１７２ｎｍ）を放射する。発光管４０Ａは、図示しない支持部材によって支持されている。紫外線照射部を有する管状流路３０は、原料ガス（被照射体）の流れる流路を形成し、流入口３０Ａから図示しない排出口に向けて原料ガスが流れる。原料ガスは、酸素を含むガスであり、ここでは大気が管３０内に流れ込むようになっている。

【0022】

軸流ファン２０は、ファンモータ部２２と、ファン羽２４とを備え、管状流路３０と実質的に同じ外径であって、ファンモータ部２２を囲む円筒状の開口部である供給口を有し、管状流路３０の流入口３０Ａに対して同軸的に配置され、管状流路（紫外線照射部）に沿った方向に移動する流体を供給する流体供給部である。エキシマランプ４０は、発光管４０Ａの軸（ランプ軸）が管状流路３０の軸Ｃと一致する、すなわち軸流ファン２０の軸上に沿うように、流体供給部の排出口に対向して管状流路３０内に配置されている。エキシマランプ４０の外径Ｄは、軸流ファン２０のファンモータ部２２の外径ｄよりも小さい。なお、管状流路３０の内径は、軸流ファン２０以上の内径の大きさにしてもよい。

【0023】

軸流ファン２０が回転すると、周囲の空気が管状流路３０に流れ込み、速度を増加させて管状流路３０に沿った方向に移動する。エキシマランプ４０は、図示しない電源部による制御によって点灯し、紫外線を放射する。その結果オゾンが生じ、生成されたオゾンは排出口側へ移動して脱臭、殺菌処理などに用いられる。

【0024】

一般的に、管内を流れるガスなどの流体は、レイノルズ数が比較的低い層流状態、レイノルズ数が比較的高い乱流状態においても、境界層以外の主流部分では、径方向に沿って曲線的（一様に減少・増加する）な速度分布をもつ流れとなるか、あるいは略一定（一様）な速度分布となる。この場合、平均速度を用いることで、管軸方向に沿った一方向の速度成分によってガスの流れの状態を表すことができる。

【0025】

しかしながら、軸流ファン２０の排出口（流体供給口）付近では、管状流路３０の軸付近の軸流ファンのファンモータ部の外径の大きさに影響される領域で逆流現象が生じる。そのため、軸流ファン２０を回転させている間、軸流ファンの流体供給の特性や管状流路の内面形状等の特性により、管状流路３０の流入口３０Ａ付近で複雑な乱流現象が生じ、エキシマランプ４０の配置された領域ＦＡにおいても、極めて複雑な渦運動等の流れの状態が生じる。そのため、管状流路３０の管軸方向に沿ったガスの速度成分だけで流れの現象を表すことができない。すなわち、管軸方向に沿った１次元流れ（一方向の速度成分）ではなく、２次元流れあるいは３次元流れ（複数方向の速度成分）とし表現される流れ場になっている。

【0026】

したがって、エキシマランプ４０の周囲では、その速度（方向および速さ）が一様ではなく不均一（非一様）であり、エキシマランプ４０の表面近くでは、流速の比較的大きい流れと流速の比較的小さい流れが不規則的に存在し、その方向も異なる。例えば、軸流ファン１０と対向する端部４０Ｔ近くの流れと管軸方向に沿った表面４０Ｓ近くの流れとでは、その方向および速さが異なる。

【0027】

エキシマランプ４０の場合、発光管４０Ａの温度が上昇すると、放射光の光強度が減少する傾向にある。したがって、流速の速い原料ガスの流れによって発光管４０Ａの温度を下げることで、紫外線の照射効率が向上する。しかしながら、原料ガスの流量が低いと、エキシマランプを十分に冷却することが難しい。

【0028】

本実施形態では、エキシマランプ４０の配置された領域ＦＡにおいて、場所によって流速（方向および速さ）が大きく異なる複雑な非一様流（非一様乱流）が支配的な流れの領域が生じる。そのため、エキシマランプから放射される紫外線が届かない領域を通過する原料ガスが少なくなり、原料ガスはエキシマランプの表面近くを通過することで紫外線処理効率が向上する。また、流体供給部の特性によって冷却の程度が場所によって異なり、エキシマランプの表面は一様には冷却されない。原料ガスの温度が高い場合、流速の大きい部分によってエキシマランプ４０の発光管４０Ａの温度が低下し、その付近において紫外線照射効率が高くなる。そのため、原料ガスの流量が小さいときでも、エキシマランプを十分に冷却することができるので、従来の一様流によりエキシマランプの表面を一様に冷却するオゾン発生器のように、管内に流れる原料ガスの流速を所定値以上に定めることを要しない。一方、原料ガスの温度が低い場合、流速の低い部分で温度がそれほど低下しないため、オゾン発生量の低下が抑制される。したがって、外気など原料ガスの温度が高低いずれであっても、紫外線照射によるオゾン生成を、エキシマランプ４０全体として効率よく行うことができる。

【0029】

特に、軸流ファン１０のファンモータ部分１２よりも外径の小さいエキシマランプ４０を軸流ファン１０と同軸的に配置することによって、軸流ファン１０と向かい合う端部４０Ｔと管軸方向に沿った側面側との間で大きな流速の差を生じさせることができる。

【0030】

このように本実施形態によれば、紫外線照射装置１０において、軸流ファン２０を管状流路３０と同軸的に配置し、流体を供給する。そして、エキシマランプ４０の配置された領域ＦＡにおいて、場所によって流速（方向および速さ）が大きく異なり、管状流路に沿った方向に関して複雑な非一様流（例えば非一様乱流の流れ）が支配的な流れの領域が生じている領域に、エキシマランプ４０を配置する。なお、エキシマランプ４０を径方向に沿って配置してもよく、あるいは斜め方向に配置してもよい。また、エキシマランプ４０の外径についても任意に設定することが可能である。

【0031】

エキシマランプ４０の少なくとも一部が軸流ファン２０の排出口付近に配置するようにすれば、流体供給部の特性に従った流れ場を大きく変更せず、大きな圧力損失と成らない程度に、円筒形状以外の多角形状などの管状流路とし、屈曲させた管状流路としてもよい。また、大きな圧力損失を与えない程度で、軸流ファン２０の排出口付近やエキシマランプ４０の周囲に、流体供給部の特性に応じた整流板（整流格子）を配置してもよい。

【0032】

図２は、第２の実施形態である紫外線照射装置の概略的構成図である。第２の実施形態では、２つのエキシマランプが設けられている。

【0033】

紫外線照射装置１００のエキシマランプ１４０Ａ、１４０Ｂは、管状流路の管軸Ｃに関して対称的な位置に配置され、管軸Ｃからの距離Ｌは、軸流ファン１０のファンモータ部２４の半径ｄ／２よりも大きい。そのため、エキシマランプ１４０Ａ、１４０Ｂの管軸側を向く表面付近と、管壁を向く表面付近とでは、流速が大きく相違する。このように２つのエキシマランプ１４０Ａ、１４０Ｂを配置することで、紫外線の透過距離が短いことを補い、より安定した高効率でオゾンを生成することができる。

【0034】

なお、エキシマランプ１４０Ａ、１４０Ｂを管軸Ｃに対して非対称に配置して、それぞれのエキシマランプに対する冷却の程度を流体供給部の特性によって異なるようにしてもよく、例えばエキシマランプ１４０Ａを管軸Ｃに配置し、エキシマランプ１４０Ｂを径方向に沿ってファンモータ部２４の半径ｄ／２より離れた位置に配置することも可能である。また、エキシマランプ１４０Ａ、１４０Ｂを径方向に配置してもよく、斜めに配置してもよい。さらには、３つ以上のエキシマランプを配置することも可能である。

【0035】

エキシマランプ１４０Ａ，１４０Ｂは、長軸長さ、径の大きさなどのサイズが同一に定められているが、異なるサイズにしてもよい。また、電力、紫外線照度を異なるようにしてもよい。例えば、低濃度のオゾンを生成する（小型）第１のエキシマランプと、高濃度のオゾンを生成できる（大型）第２のエキシマランプを装備することが可能であり、相対的に流速が高く冷却が強い場所に高濃度エキシマランプを配置し、相対的に流速が低く冷却が弱い場所に低濃度エキシマランプを配置すればよい。

【0036】

軸流ファン１０以外にも、遠心ファンなど他のファンを適用することが可能である。この場合、１次元流れとして流れの状態を表すことができない領域に、エキシマランプを配置すればよい。

【0037】

本実施形態では、軸流ファンの送風方向に合わせて管を同軸的に接続した構成であるが、筐体内にエキシマランプ、軸流ファンなどを設置し、流路を形成してエキシマランプ方向に原料ガスなどを供給すればよく、その流路は直線的なものでなくてもよい。また、本実施形態では、酸素を含む原料ガスに紫外線を照射してオゾンを生成するが、酸素を含まない気体、液体などに紫外線を照射し、紫外線照射処理などを行ってもよい。

【符号の説明】

【0038】

１０ 紫外線照射装置
２０ 軸流ファン（流体供給部）
３０ 管状流路（紫外線照射部）
４０ エキシマランプ

【図1】

【図2】