特許 7399004 紫外線照射装置およびオゾン生成装置

(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】

(24)【登録日】2023-12-07

(45)【発行日】2023-12-15

(54)【発明の名称】紫外線照射装置およびオゾン生成装置

(51)【国際特許分類】

   C01B 13/10 20060101AFI20231208BHJP

   B01J 19/12 20060101ALI20231208BHJP

   H01J 65/00 20060101ALI20231208BHJP

【ＦＩ】

C01B13/10 Z

B01J19/12 C

H01J65/00 A

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2020056099

(22)【出願日】2020-03-26

(65)【公開番号】P2021155247

(43)【公開日】2021-10-07

【審査請求日】2022-12-19

(73)【特許権者】

【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】100090169

【弁理士】

【氏名又は名称】松浦 孝

(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】小林 剛

(72)【発明者】

【氏名】芹澤 和泉

(72)【発明者】

【氏名】北澤 成

【審査官】佐藤 慶明

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－０９３１０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０９５７２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０６４８４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０４３７８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１１３１１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００９／００８４７３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１９／１３１１２４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】５５章：円管の断面積変化による損失， [online]，2012年09月03日，［令和５年７月２７日検索］, インターネット＜URL：http://skomo.o.oo7.jp/f28/hp28_55.htm＞

【文献】［機械設計マスターへの道］管路における圧力損失［流体力学の基礎知識４］， [online]，2019年09月18日，［令和５年７月２７日検索］, インターネット＜URL：https://engineer-education.com/machine-design-25_fluid-dynamics4-pressure-loss/＞

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ０１Ｊ １０／００ － １２／０２

Ｂ０１Ｊ １４／００ － １９／３２

Ｈ０１Ｊ ６１／５０ － ６５／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

紫外線照射ランプと、
前記紫外線照射ランプを、その端部側から支持する支持部材と、
前記紫外線照射ランプに電力を供給可能な電源部とを備え、
流体が、前記電源部の流路および／またはその周囲と前記紫外線照射ランプの周囲とを一方向に沿って流れる流域を形成し、
前記電源部が、前記流域の前記紫外線照射ランプより上流側に位置し、
前記紫外線照射ランプが、そのランプ軸が前記流体の流れる一方向に沿うように、配置され、
前記流域において、前記電源部と前記紫外線照射ランプとの間に、前記流体の吹き出る吹出口が形成され、
前記紫外線照射ランプが、前記吹出口に対し、所定距離間隔離れてその端部が向かい合うように、配置されていることを特徴とする紫外線照射装置。

【請求項2】

前記紫外線照射ランプの配置される流域が、非一様流であ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】

前記電源部において、前記紫外線照射ランプのランプ軸に沿って点灯回路を設け、前記流域の外周部に制御回路が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の紫外線照射装置。

【請求項4】

前記支持部材が、前記流体の流れる一方向に沿って延びることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の紫外線照射装置。

【請求項5】

前記流域の前記電源部より上流側に配置される流体供給部をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の紫外線照射装置。

【請求項6】

請求項１乃至５のいずれかに記載の紫外線照射装置を備え、
前記流域を流れる酸素を含む流体が、前記吹出口からの吹出流に誘引される随伴流を形成し、前記流体に紫外線を照射することを特徴とするオゾン生成装置。

【請求項7】

エキシマランプと、
前記エキシマランプに電力を供給可能な電源部を覆う電源収納部と、
酸素を含む流体を供給する流体供給部とを備え、
前記流体供給部、前記電源部、そして前記エキシマランプが、ランプ軸に沿って順に並び、
前記電源収納部が、前記電源部の内部および／またはその周囲を流体が流れる流路をランプ軸に沿って形成し、また、その上端部において、前記流体の吹き出る吹出口を形成し、
前記エキシマランプのランプ表面が、前記流体が表面付近に沿って流れていくように、露出し、
前記エキシマランプが、前記吹出口に対し、所定距離間隔離れてその端部が向かい合うように、配置されていることを特徴とするオゾン生成装置。

【請求項8】

前記電源収納部において、前記吹出口が、前記エキシマランプの外径よりも大きい内径を有し、前記エキシマランプと対向する位置に設けられていることを特徴とする請求項７に記載のオゾン生成装置。

【請求項9】

エキシマランプと、
前記エキシマランプに電力を供給可能な電源部を覆う電源収納部と、
酸素を含む流体を供給する流体供給部とを備え、
前記流体供給部、前記電源部、そして前記エキシマランプが、ランプ軸に沿って順に並び、
前記電源収納部が、前記電源部の内部および／またはその周囲を流体が流れる流路をランプ軸に沿って形成し、
前記エキシマランプをランプ軸に沿った方向から支持する支持部材をさらに備え、
前記電源収納部の前記流体の吹き出る吹出口が、前記電源収納部と前記支持部材との接続部の周囲で、前記エキシマランプの外周面よりも径方向で外側となる位置に複数設けられていることを特徴とするオゾン生成装置。

【請求項10】

ランプ軸に沿って並ぶエキシマランプと電源部とが、対となって複数設けられ、
各エキシマランプの配置される流域が、非一様流であることを特徴とする請求項７に記載のオゾン生成装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エキシマランプなどを用いた紫外線照射装置およびオゾン生成装置に関し、特に、電源配置に関する。

【背景技術】

【0002】

エキシマランプなどを用いた紫外線照射装置、オゾン生成装置では、紫外線放射ランプとともに、吸気ファンなどの送風機、ランプ点灯用の電源回路が装備され、筐体内に配置されている。電源回路は吸気ファンなど送風機の比較的近くに配置され、電源の冷却を図っている。（例えば、特許文献１、２、３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１４－１０３０２８号公報

【文献】特開２０１４－２２６６０５号公報

【文献】特開２０１８－２４５４６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特定のピーク波長をもつ真空紫外線は大気中で吸収されやすく、進行の過程で減衰し、紫外線強度が低下する。例えば、波長１７２ｎｍの紫外線の場合、約３ｍｍの進行で紫外線強度比が５０％以下まで減衰し、約６ｍｍで２０％以下、そして約３０ｍｍで紫外線がすべて吸収される。

【0005】

オゾン生成装置の筐体内では、各構成要素の区画域に合わせて区画壁が形成されているため、送風機の流量などを調整しても、ガスが対流、攪拌などして流れが複雑となり、酸素を含むガスなどを効果的にエキシマランプへ供給することが難しい。

【0006】

したがって、電源部を備えた紫外線照射装置、オゾン生成装置において、酸素を含むガスなどをエキシマランプへ効果的に供給す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、紫外線照射ランプと、紫外線照射ランプに電力を供給可能な電源部とを備え、また、ガスなどの流体が、電源部の流路またはその周囲、あるいはその両方と、紫外線照射ランプの周囲とを一方向に沿って流れる流域を形成している。ここで、「電源部の流路」とは、整流板や邪魔板となるように配置した回路基板や、その回路基板の開口部などによって形成された流体の通過可能な領域を表す。

【0008】

本発明では、電源部が、流域の紫外線照射ランプより上流側に位置する。流体は、電源部の流路および／または周囲、そしてエキシマランプの周囲の順に流れていく。例えば、流域の電源部より上流側に流体供給部を配置可能である。

【0009】

紫外線照射ランプは、そのランプ軸が流体の流れる一方向に沿うように、配置可能であり、紫外線照射ランプの配置される流域を非一様流の流れにすることができる。例えば、吹出口から流体が吹き出るようにし、吹出流によって周囲に流れを誘引することによって非一様流の流れを形成することができる。

【0010】

電源部において、紫外線照射ランプのランプ軸に沿って点灯回路を設け、流域の外周部に制御回路が設けることが可能である。また、流体の流れる一方向に沿って延びる支持部材をさらに設けることが可能であり、支持部材は、紫外線照射ランプをその端部側から支持すればよい。

【0011】

本発明の一態様であるオゾン生成装置は、上記紫外線照射装置を備え、流域を流れる酸素を含む流体が、吹出流と、吹出流に誘引される随伴流を形成し、流体に紫外線を照射する。

【0012】

本発明の一態様であるオゾン生成装置は、エキシマランプと、エキシマランプに電力を供給可能な電源部を覆う電源収納部と、酸素を含む流体を供給する流体供給部とを備え、流体供給部、電源部、そしてエキシマランプが、ランプ軸に沿って順に並び、電源収納部が、電源部の内部および／またはその周囲を流体が流れる流路をランプ軸に沿って形成している。

【0013】

例えば、電源収納部において、流体が吹き出る吹出口が、エキシマランプの外径よりも大きい内径を有し、エキシマランプと対向する位置に設けることが可能である。エキシマランプをランプ軸に沿った方向から支持する支持部材をさらに備えることが可能であって、電源収納部の流体が吹き出る吹出口が、電源収納部と支持部材との接続部の周囲で、エキシマランプの外周面よりも径方向で外側となる位置に複数設けることができる。

【0014】

あるいは、ランプ軸に沿って並ぶエキシマランプと電源部とを、対にして複数設けることが可能であり、各エキシマランプの配置される流域が、非一様流であるように構成することができる。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、電源部を備えた紫外線照射装置、オゾン生成装置において、酸素を含むガスなどをエキシマランプへ効果的に供給することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】第１の実施形態である紫外線照射装置の概略的内部構成を示した図である。

【図2】第２の実施形態である紫外線照射装置の概略的内部構成を示した図である。

【図3】第３の実施形態であるオゾン生成装置の概略的内部構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

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。

【0018】

図１は、第１の実施形態である紫外線照射装置の概略的内部構成を示した図である。

【0019】

紫外線照射装置１は、オゾン生成装置に組み込むことが可能な光源装置であって、エキシマランプ（紫外線照射ランプ）１０、電源収納部２０、流体供給部３０を備え、電源収納部２０には、電源部４０が設けられている。エキシマランプ１０は、電源収納部２０の上方に配置され、ランプ軸Ｅが鉛直方向に沿うように支持部材（図示せず）によって支持されている。

【0020】

流体供給部３０は、電源収納部２０の下方側開口端である流入口２０Ａ付近に配置され、電源部４０の下方に位置する。流体供給部３０は、ここでは軸流ファンとして構成され、その軸はエキシマランプ１０とランプ軸Ｅと一致する。流体供給部３０が動作することによって、装置周囲のガス（空気などの流体）が電源収納部２０に吸入される。

【0021】

電源部４０は、回路基板に所定の素子、半導体などを搭載した回路構成であり、点灯回路と制御回路が設けられている。電源部４０は、図示しない支持機構によって電源収納部２０の所定高さで保持され、給電線（図示せず）を介してエキシマランプ１０と接続する。また、電源部４０の回路基板には、ガスの通過可能な開口部が部分的に設けられ、効果的に電源冷却するための整流板や邪魔板のように配置して、電源部４０にガスが通過する流路が形成されている。

【0022】

電源収納部２０は、ここでは筒状に構成され、その軸がエキシマランプ１０のランプ軸Ｅと一致している。したがって、流体供給部３０は電源収納部２０に対して同軸的に配置されている。また、電源収納部２０の上方側端部２０Ｔには、エキシマランプ１０の外径よりも大きい内径の開口端となる吹出口２０Ｂが、エキシマランプ１０から所定距離間隔だけ離れて向かい合う位置に形成されている。

【0023】

装置周囲の常温ガスは、流体供給部３０によって電源収納部２０に吸入されると、電源部４０内のガスが流れる流路を通過し、あるいは電源部４０の周囲に沿って吹出口２０Ｂ側へ流れていく。ガスは、電源部４０を冷却する一方、電源部４０からの熱を受けて温度上昇し、高温となって吹出口２０Ｂから吹き出る。

【0024】

ガスが吹出口２０Ｂから吹き出ると、その粘性によって吹出口２０Ｂ周囲のガスが誘引され、ランプ軸Ｅに沿った流れ（ここでは、随伴流という）が形成される。随伴流を伴った吹出流は、エキシマランプ１０の周囲を流れていく。

【0025】

一般に、自由噴流では、拡散現象によって噴流幅は次第に広がって拡散し、幅方向に一様な速度の流れ（一様流れ）となる。しかしながら、エキシマランプ１０がそのランプ軸Ｅを吹出口２０Ｂの中心軸と一致するように配置されているため、噴流は、圧力勾配によってエキシマランプ１０の表面付近に沿って流れていく。そのため、ランプ表面付近の速度が減少せずに維持され、幅方向に沿って速度分布の異なる非一様流が、エキシマランプ１０の配置された流域で維持される。

【0026】

エキシマランプ１０は、電圧が印加されるとエキシマ放電を形成し、特定のピーク波長（例えば１７２ｎｍ）をもつ紫外線を３６０度全方位に向けて放射する。酸素を含むガスがエキシマランプ１０の表面付近を流れることによって、ガスに紫外線が照射され、オゾンが生成される。

【0027】

このように本実施形態の紫外線照射装置１では、上流側から、流体供給部３０、電源部４０、エキシマランプ１０を順に配置している。すなわち、電源部４０が、流体供給部３０とエキシマランプ１０との間で、流域の中央部に配置されている。そして、電源部４０を覆う電源収納部２０には、酸素を含むガスがランプ軸Ｅに沿って（一方向に）流れる流域が形成され、電源収納部２０に吸入されたガスが吹出口２０Ｂから吹出し、エキシマランプ１０の表面に沿って流れていく。

【0028】

流体供給部３０、電源部４０、エキシマランプ１０をランプ軸Ｅに沿って上流側から順に配置することによって、電源冷却とエキシマランプ１０へのガス供給を同時に実現している。そして、エキシマランプ１０を電源収納部２０の内部に配置しないことによって、エキシマランプ１０から放射される紫外線を、電源収納部２０の流体供給部３０や電源部４０による遮断無く、全方向に照射させることができる。また、エキシマランプ１０の周囲にレンズやミラー等の光学部材、透明ガラスなどのランプカバーを自由に配置することができるため、効果的に紫外線照射することができる。

【0029】

一方、ガスがランプ軸Ｅに沿って流れる流路を電源収納部２０内部に形成することにより、電源収納部２０内においてガスが対流、攪拌して過剰な乱流状態となるのを抑えて、効果的に電源冷却とエキシマランプ１０へのガス供給を可能にしている。

【0030】

さらに、電源収納部２０内の流路を鉛直方向に沿って形成し、ランプ軸Ｅを鉛直方向にしてエキシマランプ１０を吹出口２０Ｂの中心軸と同軸配置しているため、エキシマランプ１０の表面全周に渡ってガスを供給することが容易となる。そのため、流体供給部３０の流量調整などによって、電源部４０の冷却やオゾン生成量などを調整することが可能となる。

【0031】

なお、エキシマランプ１０と吹出口２０Ｂとの距離間隔を調整し、吹出流がある程度幅広となって周囲ガスに拡散した流域にエキシマランプ１０を配置してもよい。これにより、電源部４０を通って昇温したガスが冷却され、流体供給部３０から電源部４０に向けて供給されたガスを直接エキシマランプ１０へ供給する場合と同じガス供給を実質的に行うことができる。

【0032】

次に、図２を用いて第２の実施形態である紫外線照射装置について説明する。

【0033】

図２は、第２の実施形態である紫外線照射装置の概略的内部構成を示した図である。同一の構成については第１の実施形態と同じ符号を用いている。

【0034】

紫外線照射装置１００は、エキシマランプ１０、電源収納部１２０、流体供給部３０を備え、電源収納部１２０には、電源部１４０が設けられている。電源部１４０は、点灯回路１４２と制御回路１４４とを含み、異なる高さに設置された回路基板（図示せず）にそれぞれ実装されている。

【0035】

点灯回路１４２は、電源収納部１２０の軸、すなわちランプ軸Ｅ付近に配置され、点灯回路１４２の回路基板には、開口部が部分的に形成されている。点灯回路１４２よりも下方に位置する制御回路１４４は、点灯回路１４２の下方から外れた位置に配置され、ランプ軸Ｅからの距離が点灯回路１４２と比べて離れている。点灯回路１４４の回路基板にも、流体供給部３０と対向する位置に開口部が部分的に形成されている。この開口部を介して、点灯回路１４２は流体供給部３０に対して露出している。

【0036】

筒状の電源収納部１２０には、エキシマランプ１０を支持する支持部材１５０が、上方側端部１２０Ｔに接続されている。支持部材１５０は、ランプ軸Ｅの方向からエキシマランプ１０を支持する板状部材であり、電源収納部１２０の軸に合わせて設置されている。支持部材１５０と電源収納部１２０との接続部１２０Ｋの周囲には、エキシマランプ１０の表面よりも径方向に外側となる位置で、複数の吹出口１３０が周方向に沿って形成されている。支持部材１５０は、吹出口１３０からランプ軸Ｅに沿って所定距離間隔だけ離れた位置にエキシマランプを支持している。

【0037】

第２の実施形態では、流体供給部３０の上方（流体供給部３０により形成される流域の中央部）に、電源部１４０の点灯回路１４２を配置して、制御回路１４４の回路基板の開口部を介して露出している。点灯時に高電圧となって高温になりやすい点灯回路１４２へ向けてガスをできるだけ多く流すことにより、効果的な電源冷却を行うことができる。また、積極的な冷却の必要がない低電圧の制御回路１４４を点灯回路１４２とは異なる高さであって、流体供給部３０の上方から外れた位置（流体供給部３０により形成される流域の外周部）に配置することによって、高温となった点灯回路１４２からの熱影響（熱伝導や熱放射による昇温）を抑制するとともに、制御回路１４４によって過剰な乱流状態となることなく、電源収納部１２０のランプ軸Ｅに沿った流れの流域を安定して作り出すことができる。

【0038】

エキシマランプ１０を電源収納部１２０の上面側で保持する構成によって、紫外線照射装置を様々な配光特性に設計することが容易となる。そして、支持部材１５０の接続部１２０Ｋの周囲に吹出口１３０を形成して、吹出口１３０から所定距離間隔だけ離れた位置にエキシマランプを配置することによって、エキシマランプ１０の表面付近へ安定してガスを供給することができる。なお、第１の実施形態と同様、電源収納部１２０とエキシマランプ１０との距離間隔を調整し、吹出流が周囲ガスに拡散した流域にエキシマランプ１０を配置してもよい。また、ランプカバーを設けてもよい。

【0039】

次に、図３を用いて第３の実施形態について説明する。第３の実施形態では、エキシマランプと電源部とからなる対が複数配置されている。

【0040】

図３は、第３の実施形態であるオゾン生成装置の概略的内部構成図である。

【0041】

オゾン生成装置２００は、エキシマランプ２１０Ａ、２１０Ｂと、電源収納部２２０と、流体供給部３０とを備え、酸素を含むガスに対して紫外線を照射し、オゾンを生成する。エキシマランプ２１０Ａ、２１０Ｂは、流路管２５０内で所定間隔離れて配置されている。流路管２５０は、ここでは流路管２５０と繋がる管状電源収納部２２０と同軸的に配置されたランプカバーであり、電源収納部２２０の吹出口２３０は、流路管２５０の流入口と同じ内径を有する。

【0042】

電源部収納部２２０では、電源部２４０Ａ、２４０Ｂが、エキシマランプ２１０Ａ、２１０Ｂと対向するように配置されている。電源部２４０Ａ、２４０Ｂは、図示しない給電線を介してエキシマランプ２１０Ａ、２１０Ｂとそれぞれ接続している。

【0043】

第３の実施形態では、オゾン生成量を増加させるため、２つのエキシマランプ２１０Ａ、２１０Ｂが配置されるとともに、各ランプに電源部２４０Ａ、２４０Ｂが用意されるとともに、エキシマランプ２１０Ａ、２１０Ｂに対して対向配置されている。

【0044】

電源部収納部２２０と流路管２５０とにより形成された流域において、流体供給部および流路の少なくとも一方の特性に従って、場所によって流速（方向および速さ）が異なる非一様流（非一様乱流）となる流れが生じる。このような流れにおいては、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電源部とエキシマランプの周囲に形成される。

【0045】

電源部とエキシマランプとを対にして対向配置することにより、電源収納部２２０内にランプ軸Ｅに沿った流れを形成することを可能とし、エキシマランプ２１０Ａ，２１０Ｂの表面付近に沿って安定したガスの流れを作り出すことができる。さらに、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ガスが少なくなり、エキシマランプの表面近くをガスが通過することで、効果的にオゾン生成することができる。また、電源部２４０Ａ、２４０Ｂとエキシマランプ２１０Ａ、２１０Ｂとの電気的接続、取り外しなどが容易となり、メンテナンス性、利便性が増す。なお、第１～第２の実施形態のように、流路管２５０（ランプカバー）を設けない構成にしてもよい。

【0046】

第１～第３の実施形態では、エキシマランプを使用しているが、エキシマランプ以外の紫外線照射ランプを使用してもよい。また、電源部などを防水構造にすることによって、ガスの代わりに液体を流すことも可能である。さらに、ガスなどの流体の流れを鉛直下方から上方に向けた流れに限定されず、流体の流れる領域（流域）が一方向に向けて流体が流れる流域であればよく、電源収納部はその内部において流れの方向に沿った流路を形成する構成にすればよい。

【符号の説明】

【0047】

１ 紫外線照射装置
１０ エキシマランプ
２０ 電源収納部
３０ 流体供給部
４０ 電源部
２００ オゾン生成装置

【図1】

【図2】

【図3】