JP2014004507A

JP2014004507A - 流体処理装置

Info

Publication number: JP2014004507A
Application number: JP2012140457A
Authority: JP
Inventors: Shinobu Nansai; 信乃夫南齋; Hidenori Watanabe; 英典渡邊
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2012-06-22
Filing date: 2012-06-22
Publication date: 2014-01-16

Abstract

【課題】被処理流体について所望の処理を確実に行うことができ、しかも、環境汚染物質の発生のない流体処理装置を提供すること。
【解決手段】この流体処理装置は、被処理流体が流通される流路を形成する流路形成部材と、流路形成部材の少なくとも一方の端面から拡散レンズを介して紫外線レーザ光を流路内に入射させるレーザ光源とを具えており、流路形成部材は、断面形状が円環状の管が湾曲した形態をなすよう形成されてなり、流路形成部材の内面が紫外線反射性を有する構成とされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば水などの被処理流体の殺菌処理または滅菌処理に用いられる流体処理装置に関し、詳しくは、紫外線照射により、水中の各種有機物（ＴＯＣ；トータルオーガニックカーボン）の分解、バクテリア、ウィルス、菌類、カビ胞子、原虫類および同種の微生物を不活性化、あるいは殺菌を行う流体処理装置に関する。

現在、例えば水等の被処理流体中の各種有機物（ＴＯＣ；トータルオーガニックカーボン）の分解、バクテリア、ウィルス、菌類、カビ胞子、原虫類および同種の微生物を不活性化するために、あるいは殺菌するために、被処理流体に対して紫外線を照射する技術が知られている。

図４は、従来の流体処理装置の一例における構成の概略を示す、リアクターの外壁の管軸方向に沿った断面図である。
この流体処理装置（以下、「リアクター」と称することにする。）は、例えば、ステンレスよりなる円筒状のリアクター外壁（外部筐体）３０の内部に配置された、紫外線を放出する棒状の紫外線ランプ３１と、リアクター外壁３０と紫外線ランプ３１との間に配置された、円筒状の石英スリーブ３２とを備えている。紫外線ランプ３１および石英スリーブ３２は、いずれも、リアクター外壁３０の管軸Ｃと同軸上に配置されている。
リアクター外壁３０の内周面には、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン：Ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）からなる紫外線反射シート（図示せず）が設けられている。
このリアクターにおいては、紫外線照射処理する例えば水などの被処理流体Ｗは、リアクター外壁（外部筐体）３０と石英スリーブ３２との間に形成された円筒状の空間（流体流通路Ｓ）内に導入され、被処理流体が当該流体流通路Ｒ内を流通される過程において、紫外線ランプからの紫外線が被処理流体に照射されて所定の処理がなされる。なお、図４において、便宜上斜線を付した矢印は被処理流体Ｗを示す。また、白抜きの矢印は、紫外線ランプ３１からの紫外線および紫外線反射シートにより反射された紫外線を示す。
このようないわゆる二重管構造のリアクターは、例えば特許文献１に記載されている。

近年、国内外の上水道にて実施される塩素を用いた殺菌では死滅させることの困難なクリプトスポロジウム（以下、本明細書においては「クリプト」と称することとする。）を有効に殺菌できる手段が求められている。

このような要求に応えるためには、例えば、クリプトなどの菌類の殺菌波長である波長２６６ｎｍの紫外線を放出する紫外線ランプを使用することが有効であると考えられる。
しかし、従来における殺菌処理に使用される例えば低圧水銀ランプなどの紫外線ランプは、波長２５４ｎｍにピークを有する紫外線を放出するものであるため、クリプトの殺菌効率が不十分であるという問題がある。

一方、例えばエキシマランプにおいては、発光管の外部に適宜の蛍光剤を塗布することにより任意の波長に波長変換して光を放射することが行われており、従って、例えば波長２６６ｎｍの紫外線を選択的に放射する構成とすることが可能である。しかしながら、このような構成のエキシマランプは、従来の水銀ランプに比較して発光効率が悪いのが実情であり、十分に高いクリプトの不活性化効率が得られないことが知られている。

また、従来の紫外線ランプを使用して被処理流体の殺菌処理等を行う流体処理装置（例えば図４に示すもの）においては、紫外線ランプ３１を定期的に交換することが必要であり、また、紫外線ランプ３１が水銀や亜鉛などのハロゲン類を使用したものであるため、ランプ交換後に廃却する際に環境に悪影響を与える可能性があるなどの問題がある。

さらにまた、上記構成のリアクターにおいては、長時間使用されることで紫外線ランプ３１の外周面の周囲を覆う石英スリーブ３２の表面に汚れが付着し、定期的に石英スリーブ３２をクリーニングするなどのメンテナンス作業が必要である。

米国特許第７５１１２８１号

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、被処理流体について所望の処理を確実に行うことができ、しかも、環境汚染物質の発生のない流体処理装置を提供することを目的とする。

本発明の流体処理装置は、被処理流体が流通される流路を形成する流路形成部材と、当該流路形成部材の少なくとも一方の端面から拡散レンズを介して紫外線レーザ光を前記流路内に入射させるレーザ光源とを具えており、
前記流路形成部材は、断面形状が円環状の管が湾曲した形態をなすよう形成されてなり、当該流路形成部材の内面が紫外線反射性を有することを特徴とする。

本発明の流体処理装置によれば、断面形状が円環状の管が湾曲した形態をなすよう形成されてなる流路形成部材を具え、当該流路形成部材の内面が紫外線反射性を有することにより、レーザ光源より当該流路形成部材の少なくとも一方の端面から拡散レンズを介して流路内に入射される紫外線レーザ光は、流路内において流路形成部材の内面によって繰り返し反射（全反射）されながら流路に沿って進行することとなる。従って、流路形成部材内を流通される被処理流体は、紫外線レーザ光による殺菌作用あるいは不活性化作用を十分に受けることとなるため、所望の処理を高い効率で行うことができる。特に、紫外線レーザ光として波長２６０ｎｍ〜２７０ｎｍのレーザ光を利用することにより、従来においては有効に殺菌することのできなかった被処理流体中のクリプトの殺菌処理または不活性化処理を行う場合に極めて有用なものとなる。
しかも、紫外線光源として、レーザ光源が用いられており、紫外線ランプが光源として用いられていた従来の処理装置のように、ハロゲン類などの環境に有害な物質を使用していないことから、環境汚染物質の発生がない。

本発明の流体処理装置の一例における構成の概略を示す、流路形成部材の管軸に沿った断面図である。図１におけるＡ−Ａ線断面図である。本発明の流体処理装置の他の例における構成の概略を示す、流路形成部材の管軸に沿った断面図である。従来の流体処理装置の一例における構成の概略を示す、リアクター外壁の管軸方向に沿った断面図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の流体処理装置の一例における構成の概略を示す、流路形成部材の管軸に沿った断面図である。また、図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
この例における流体処理装置（以下、「リアクター」と称することとする。）は、例えば水などの被処理流体Ｗが流通される流路Ｒを形成する流路形成部材１０と、当該流路形成部材１０の一方の端面から拡散レンズ２０を介して紫外線レーザ光を流路Ｒ内に入射させるレーザ光源２５とを具えている。

流路形成部材１０は、断面形状が円環状の管が例えば円弧に沿って湾曲した形態をなすよう形成されて構成されている。具体的には、この例における流路形成部材１０は、例えばステンレス鋼よりなる断面形状が円環状の管が半円環型の形態をなす状態に形成されてなる。

この流路形成部材１０における被処理流体Ｗが導入される一方の開口端部には、例えばメクラ栓よりなる閉塞部材１５Ａが装着されている。この閉塞部材１５Ａには、複数例えば４つの貫通孔が厚み方向に延びるよう形成されており、当該貫通孔の少なくとも一が被処理流体導入部とされると共に当該貫通孔の他の少なくとも一つが紫外線レーザ光入射部とされる。この例においては、４つの貫通孔のうちの一つが紫外線レーザ光入射部１７とされており、他の三つが被処理流体導入部１６とされている。そして、閉塞部材１５Ａの内端面における紫外線レーザ光入射部１７に対応する位置に、拡散レンズ２０が設けられている。

また、流路形成部材１０における被処理流体が排出される他方の開口端部には、例えばメクラ栓よりなる閉塞部材１５Ｂが装着されている。この閉塞部材１５Ｂには、複数例えば４つの貫通孔が厚み方向に延びるよう形成されており、この貫通孔の各々によって、被処理流体排出部１８が形成されている。

流路形成部材１０の内面には、例えばアルミニウム蒸着膜よりなる紫外線反射膜２３が形成されており、従って、流路形成部材１０の内面が紫外線反射性を有している。
紫外線反射膜２３の厚みは、例えば０．２〜３０μｍであることが好ましい。これにより、後述するレーザ光源２５からの紫外線レーザ光について例えば７０％以上の反射率を有するものとなる。
また、紫外線反射膜２３の表面に、耐水性コート膜（図示せず）が形成された構成とされていることが好ましい。これにより、長期間使用した場合でも、流路形成部材１０の内面に汚れが付着するなどして機能低下することを回避することができると共にメンテナンス作業を行う頻度を低減することができる。

レーザ光源２５としては、目的に応じた所望の波長の紫外線レーザ光を出射するものを用いることができる。
本発明に係る流体処理装置において利用される紫外線レーザ光としては、例えば、波長域２６０ｎｍ〜２７０ｎｍの紫外線を発振することのできるレーザによるもの、発振波長が例えば３７０ｎｍ〜８００ｎｍである色素レーザの第２高調波、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）もしくはＹＶＯ_４（イットリウム・バナデート）を媒質にした、発振波長が１０６４ｎｍの光を基本波とするＤＰＳＳ（半導体励起固体）レーザの第４高調波、波長可変のパルスレーザによるレーザ光などを例示することができる。
例えば波長２６０ｎｍ〜２７０ｎｍの紫外線レーザ光を出射するものを用いた場合には、水中のクリプトなどの菌類の不活性化または殺菌を有効に行うことができる。

上記の流体処理装置においては、処理すべき被処理流体Ｗ例えば水が流路形成部材１０の一方の開口端部における被処理流体導入部１６を介して流路Ｒ内に導入される一方で、レーザ光源２５よりの所定の波長の紫外線レーザ光が流路形成部材１０の一方の開口端部における紫外線レーザ光入射部１７を介して流路Ｒ内に入射される。これにより、被処理流体Ｗが流路Ｒ内を流通される過程において、紫外線レーザ光による殺菌作用あるいは不活性化作用を受けて当該被処理流体Ｗについて所望の処理がなされる。その後、被処理流体Ｗは、流路形成部材１０の他方の開口端部における被処理流体排出部１８を介して排出される。
処理条件としては、例えばレーザ光源２５による紫外線レーザ光の照射エネルギーが２〜１５ｍＪ/ｃｍ^２である場合において、流路Ｒ内において紫外線レーザ光が被処理流体Ｗに照射される照射時間（被処理流体Ｗが流路Ｒ内に導入されてから排出されるまでの時間）が６０秒間以上、例えば６０〜１２０秒間である。これにより、十分な効果が得られる。従って、このような条件を満たす範囲内において、流路形成部材１０の寸法、被処理流体Ｗの流量およびその他の具体的構成を設定することができる。

上記の流体処理装置は、断面形状が円環状の管が半円環型の形態をなす状態に形成されてなる流路形成部材１０を具え、当該流路形成部材１０の内面に紫外線反射膜２３が形成されている。そのため、レーザ光源２５より当該流路形成部材１０の一方の端面から拡散レンズ２０を介して流路Ｒ内に入射される紫外線レーザ光は、流路Ｒ内において流路形成部材１０の内面によって繰り返し反射（全反射）されながら流路Ｒに沿って進行することとなる。従って、流路形成部材１０内を流通される被処理流体Ｗは、紫外線レーザ光による殺菌作用あるいは不活性化作用を十分に受けることとなるため、所望の処理を高い効率で（有効に）行うことができる。特に、紫外線レーザ光として波長２６０ｎｍ〜２７０ｎｍのレーザ光が利用されることにより、従来においては有効に殺菌することのできなかった被処理流体Ｗ中のクリプトの殺菌処理または不活性化処理を行う場合に極めて有用なものとなる。すなわち、例えば以下に示す条件において、レーザ光源２５の、水銀ランプによる不活性化出力（これを「１」とする。）に対する相対不活性化出力は１．１６となり、クリプトに対して、水銀ランプよりも高い不活性化効率（発光効率と相対不活性化出力との積で定義される。）を得ることができる。

〔処理条件〕
流路形成部材（１０）：流路形成部材を構成する管の内径がφ０．１ｍ、外径寸法（流路の内面の曲率、Ｒ１）が０．６５ｍ、流路（Ｒ）の容積が約１７．３ｍ^３
紫外線反射膜（２３）：アルミニウム蒸着膜、厚さ３０μｍ、波長２６６ｎｍの紫外線の反射率が７０％
レーザ光源（２５）：発振波長が２６６ｎｍ、出力が０．４Ｗであるレーザ
拡散レンズ（２０）：波長２６６ｎｍの紫外線の透過率が３０％、拡散後のレーザ光のビーム形状を直径１０ｃｍの円形状とするもの
流路（Ｒ）内に導入される被処理流体（Ｗ）の流量：１７．３ｍ^３/ｍｉｎ
紫外線レーザ光の照射時間：６０秒間
＜比較条件＞
水銀ランプによる紫外線照射エネルギー：２ｍＪ/ｃｍ^２
水銀ランプによる紫外線の照射時間：６０秒間

また、上記の流体処理装置においては、紫外線光源として、レーザ光源２５が用いられており、紫外線ランプが光源として用いられていた従来の流体処理装置のように、ハロゲン類などの環境に有害な物質を使用していないことから、環境汚染物質の発生がない。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、流路形成部材の形態は、上記の実施形態に係る形態に限定されるものではない。図３に示すように、流路形成部材１０Ａは、例えば断面形状が円環状の管が円環型の形態をなすよう形成されていてもよい。図３においては、白抜きの矢印は紫外線レーザ光を示す。また、便宜上斜線を付した矢印は被処理流体Ｗであって、流路形成部材１０Ａのいずれの開口端部より導入されてもよいことを示す。なお、図３において、図１および図２に示す流体処理装置と同一の構成部材には、同一の符号が付してある。

また、図１および図２に示す流体処理装置において、紫外線レーザ光が、流路形成部材の両端面の各々から導入される構成とされていてもよく、また、紫外線レーザ光は、被処理流体が排出される流路形成部材の他方の端部から流路内に入射される構成（紫外線レーザ光が流路内において被処理流体の流通方向と逆方向に進行）とされていてもよい。
さらにまた、被処理流体は、流路形成部材の一方の開口端部の周壁側から流路内に導入される構成とされていてもよい。

１０，１０Ａ流路形成部材
１５Ａ，１５Ｂ閉塞部材
１６被処理流体導入部
１７紫外線レーザ光入射部
１８被処理流体排出部
２０拡散レンズ
２３紫外線反射膜
２５レーザ光源
Ｒ流路
Ｗ被処理流体
３０リアクター外壁（外部筐体）
３１紫外線ランプ
３２石英スリーブ
Ｃリアクター外壁の管軸
Ｓ流体流通路

Claims

被処理流体が流通される流路を形成する流路形成部材と、当該流路形成部材の少なくとも一方の端面から拡散レンズを介して紫外線レーザ光を前記流路内に入射させるレーザ光源とを具えており、
前記流路形成部材は、断面形状が円環状の管が湾曲した形態をなすよう形成されてなり、当該流路形成部材の内面が紫外線反射性を有することを特徴とする流体処理装置。