JP2018192402A - 水浄化モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】ファインバブルを含んだ被処理水へＬＥＤユニットを用いて紫外線を照射させるとき、できる限り少ないＬＥＤユニットを使ってべセル内を流通する被処理水を確実に浄化する。
【解決手段】この発明の水浄化モジュールでは、被処理水を流通させるべセルと、べセルの内に配置されて、べセル内を流通する被処理水に紫外線を放射するＬＥＤユニットと、被処理水に平均粒径が１ｍｍ未満のファインバブルを付与する気泡発生部とを備え、ＬＥＤユニットはその光軸が前記被処理水の流れに沿うように配置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は紫外線を使った水浄化モジュールの改良に関する。

飲料用に供するために、生水等の被処理水へ紫外線を照射する装置が知られている。昨今はＬＥＤ技術の発達により浄化能力の高い紫外線を放出するＬＥＤが用いられている（特許文献１参照）。
他方、被処理水にいわゆるファインバブルと呼ばれる微小気泡を導入することで、被処理水に含まれる有害物質を分解する技術も知られている。
特許文献２では、このファインバブルとしてオゾンの微小気泡を被処理水に導入するとともに、これに紫外線を照射する技術が開示されている。特許文献２ではオゾンバブルを含んだ被処理水が流れるべセル内へ長尺な紫外線チューブを挿入し、べセル内の被処理水へその全体に渡り紫外線が照射される。

特表２０１６−５１１１３８号公報 特開平１１−１９７６５６号公報

被処理水を浄化する手段として、ファインバブルの発生と紫外線の照射とが知られており、両者の協働効果が特許文献２で示唆される。
特許文献２で用いられる紫外線発生装置はチューブ式であり、コスト、エネルギー消費、耐久性等においてＬＥＤユニットに置き換えることが好ましい。
本発明者らは、ファインバブルが導入された被処理水を紫外線処理する際に使用するチューブ式の紫外線発生装置をＬＥＤユニットに交換すべく検討を行った。その結果、次の解決すべき課題に想到した。べセル内を流通する被処理水を確実に浄化するには、少なくともべセル内の所定の断面の全域へ紫外線を供給する必要がある。しかしながら、ＬＥＤユニットは基本的に点光源であり、放出される光の指向性が高いので、所定の断面の全域へ、隙間なく、紫外線を供給するには、当該断面を照射可能な位置のべセルの内周壁へＬＥＤユニットを敷き詰めなくてはならない。
当該断面の全域へ紫外線を供給する方法として、当該断面が交差するべセルの内周壁へＬＥＤユニットを配設してその平面方向（断面に沿った方向）へ紫外線を照射することを考えた。対向するＬＥＤユニットの光軸をずらすことで、内周壁の全周へＬＥＤユニットを敷き詰める必要がなくなるからである。しかしながら、この方法では、被処理水に対する紫外線の通過距離がべセルの径に限定されてしまい、ＬＥＤユニットから放出された紫外線のパワーを十分に生かしきれない。

本発明者らは、できる限り少ないＬＥＤユニットを使ってべセル内を流通する被処理水を確実に浄化すべく検討を重ねてきた。その結果、被処理水に含まれるファインバブルへ紫外線が干渉して散乱することに気が付いた。この散乱を利用してべセル内の全域へ紫外線を行き渡らせれば、結果として、少なくともべセル内の所定の断面の全域へ紫外線を供給できることとなる。
この発明の第１の局面の水浄化ユニットは次のように規定される。即ち、被処理水を流通させるべセルと、
前記べセルの内に配置されて、該べセル内を流通する前記被処理水に紫外線を放射するＬＥＤユニットと、
前記被処理水に平均粒径が１ｍｍ未満のファインバブルを付与する気泡発生部とを備え、
前記ＬＥＤユニットはその光軸が前記被処理水の流れに沿うように配置されている、水浄化モジュール。

このように規定される第１の局面の水浄化モジュールによれば、ＬＥＤユニットをその光軸が被処理水の流れに沿うように配置しているので、被処理水の流れに対して紫外線の光路を長くとれる。
また、本発明者らの検討によれば、被処理水の流れに沿うようにＬＥＤユニットから紫外線を放射したとき、被処理水中に含まれる平均粒径が１ｍｍ未満のファインバブルと干渉して散乱を起こす。この散乱によりＬＥＤユニットからの紫外線がべセル内の被処理水の全域に行き渡る。よって、べセル内において被処理水の流れ方向に垂直な面の全域にＬＥＤユニットを敷き詰めなくても、換言すれば、少ないＬＥＤユニットでべセル内に流れる被処理水を全体的に照射できる。
なお、被処理水に含まれるファインバブルによる紫外線の散乱効率を高くするためには、ＬＥＤユニットの光放射方向を被処理水の流れと対向させることが好ましい（第２の局面）。
更には、ファインバブルの平均粒径を１００μｍ以下、その濃度は被処理水において１０００〜１００００個／ｍｌとすることが好ましい（第３の局面）。更に好ましくはファインバブルの平均粒径を６０μｍ以下、その濃度は被処理水において３０００〜５０００個／ｍｌとする（第４の局面）。

更には、べセル内を流れる被処理水の流速もファインバブルによる紫外線の散乱効率に関係する。べセル内における被処理水の流速を０．０５〜２m／sec、更に好ましくは０．２〜２m／secとしたとき、上記第１〜第４の局面で規定される水浄化モジュールにおいて、被処理水の流れ方向に向いたＬＥＤユニットからの紫外線と被処理水に含まれるファインバブルとの干渉が促進される。よって、水浄化モジュールの水浄化能力が向上する。

図１はこの発明の実施の形態の水浄化モジュールの構造を模式的に示す断面図である。 図２はファインバブルと紫外線との干渉を模式的に説明する図である。 図３は他の実施の形態の水浄化モジュールの構造を模式的に示す断面図である。 図４は他の実施の形態の水浄化モジュールの構造を模式的に示す断面図である。

この発明の実施の形態の水浄化モジュール１は、図１に示すとおり、べセル３、ＬＥＤユニット１０及び気泡発生部１００を備える。
べセル３の形状は有底筒状であり、底の部分４を構成する内周壁にＬＥＤユニット１０が配置される。べセル３の先端部分にはインレット９０が同軸的に配置され、インレットの側面に気泡発生部１００が連結される。また、べセル３の底側の側面にはアウトレット９５が連結される。
べセル３の本体部５の形状は被処理水の種類やその処理量等に応じて任意に設計できる。底の部分４に配置されるＬＥＤユニット１０からの紫外線の光路を確保するため、本体部５は直管状とすることが好ましい。べセル３の内周壁は少なくとも紫外線を透過させずかつ紫外線に対して耐性を有する材料で形成する。この内周壁は紫外線を反射する鏡面とするか若しくはこれを紫外線反射率の高いフッ素樹脂で被覆することが好ましい。本体部５の内側には何も部材が配置されない状態とすることが好ましい。ＬＥＤユニット１０からの紫外線の光路の遮蔽物を廃し、もってその光路をできる限り長くするためである。

インレット９０はべセル３の本体部（大径部分）５と同軸的に配置される。インレット９０と本体部５とはテーパ部８で連結される。インレット９０から図示しないポンプにより被処理水が導入される。このインレット９０をべセル本体５の側面に連結してもよい。このインレット９０をべセル本体５に対し、複数本を若しく軸をずらした１本を連結してもよい。
アウトレット９５は図示しないタンクに連結され、ここに被処理水が貯蔵される。若しくは、アウトレット９５から排出される被処理水は、被処理水の本来の用途に、そのまま供される。

この例では、気泡発生部１００として、インレット９０の側面へ連通するガス菅１０５を採用している。インレット９０を被処理水が通過するときにガスが取り込まれ、被処理水が大径部５に達したときに生じる負圧により気泡が発生する。
気泡発生部１００により生成されるバブルは平均粒径が１ｍｍ未満のファインバブルとする。ファインバブルの粒径の制御は、被処理水の流速、インレット９０の径と大径部５の径との比、被処理水の粘度、ガス成分更にはガス菅１０５の供給されるガスの圧力を調整すること等により行える。
勿論、ガス菅１０５とインレット９０との間に１又は複数の微小なオリフィスを形成して、ガスを圧送することにより、オリフィスの径に応じた平均粒径のファインバブルを強制的に発生させることもできる。
インレットにおいてガス菅１０５の直ぐ下流にキャビテーションを利用した気泡発生装置を配置することにより、ナノオーダのファインバブルの形成も可能になる。
なお、キャビテーションを利用した気泡発生装置を用いる場合には、被処理水に溶解した気体（専ら空気）がバブルとなるので、外部からのガス供給が不要な場合がある。
ファインバブルの発生原理は任意に選択できるものの、ファインバブルの平均粒径は１００μｍ以下、その濃度は被処理水において１０００〜１００００個／ｍｌとすることが好ましい。更に好ましくはファインバブルの平均粒径は６０μｍ以下、その濃度は被処理水において３０００〜５０００個／ｍｌとする。
外部から供給するガスは、水浄化モジュールの用途や目的に応じて任意に選択できる。例えば、ガスとしてオゾン、フッ素ガス、空気、酸素、二酸化炭素、窒素、水素等を用いることができる。

べセル３の底部４には仕切窓７が設けられて、底部４と仕切窓７の間にＬＥＤユニット１０が配置される。仕切窓７は被処理水の浸入を防いでいる。仕切窓７の成形材料には紫外線に対し安定であってかつこれを透過させ、更には被処理水に対しても安定した材料（例えばガラスやシリコン樹脂）が選択される。
ＬＥＤユニット１０には水を浄化する見地から紫外線を放出する発光素子が組み込まれる。かかる発光素子として豊田合成株式会社が提供する発光素子を用いることができる。この発光素子１３の波長は２２０〜３００nm、望ましくは２７５〜２９０nmである。
かかる発光素子１３は例えば基板に直接マウントされ、この発光素子１３を低融点ガラスからなる封止部材１５で被覆してＬＥＤユニット１０が構成される。

図１の例では、べセル３の底部４の中心部に１つの、そしてその周囲に等間隔（即ち９０度）をあけて４つの、計５つのＬＥＤユニット１０が配置されている。ＬＥＤユニット１０の配置数や配置位置はこの例に限定されるものではないが、各ＬＥＤユニット１０の間にデッドスペース１２が存在する。デッドスペースとは紫外線が放出されない領域をいう。ＬＥＤユニット１０から放出された紫外線は、図２に示すように、被処理水に存在するファインバブルと干渉して全方位へ拡散する。これにより、べセル３内においてデッドスペースの軸方向（被処理水流れ方向上流側）に存在する領域にも紫外線が供給される。もって、べセル３内の全ての領域にＬＥＤユニット１０からの紫外線が行き渡ることとなる。
なお、底部４の表面において、デッドスペース１２の占める面積割合は、７０％以下とすることが好ましく、更に好ましくは５０％以下である。また、デッドスペース１２は底部４の表面において均等に分配されることが好ましい。換言すれば、ＬＥＤユニット１０を底部４の表面において均等に分配することが好ましく、ＬＥＤユニット１０の占める面積比は３０％を超えることがこのましく、更に好ましくは５０％を超える。

図１の例では、べセル３を有底筒状としたためその底の部分へＬＥＤユニット１０を取付けたが、べセル３を無底筒状としたときは、べセル３内へメッシュ状のリテーナを設ける。このリテーナには、その光軸が被処理水の流れに沿うように、ＬＥＤユニットを保持させる。かかる構成においては、ＬＥＤユニットから放出させる紫外線の光軸の向きは、図１の例と同様に被処理水の流れに対向するものとしてもよいし、また、その光軸の向きを被処理水の流れ方向としてもよい。

べセル内を流れる被処理水の流速もファインバブルによる紫外線の散乱効率に関係する。そこで、図３に示す水浄化モジュール２００では、インレット９０に送水量を制御可能なポンプ２０１、アウトレット９５に水量計２０５を設けた。コントローラ２０３は水量計２０５の出力に基づき、べセル３の径及びその容積からべセル３内の被処理水の流速を演算する。演算結果に応じてコントローラはポンプ２０１の出力を制御し、もって、べセル３の本体部５における流速を所望のものにする。これにより、べセル内における被処理水の流速を０．０５〜２m／sec、更に好ましくは０．２〜２m／secに維持できる。

図３において、符号１１０はキャビテーションを利用した気泡発生装置である。べセル３内において紫外線の拡散を促進するためには、ファインバブルの粒径分布を広くする方が好ましい。そのため、複数のインレットをべセル３へ連結する。他方、異なる平均粒径のファインバブルを発生させる気泡発生装置を準備し、複数のインレットに対して異なる気泡発生装置（異なる粒径のファインバブルを発生させる）を取り付ける。これにより、べセル３内に異なる粒径のファインバブルを確実に生じさせられる。二系統のインレットへそれぞれガス菅及びポンプを設けられる。

被処理水の成分、即ち被処理水に溶解若しくは分散する成分は特に限定されるものではない。例えば、浄化対象となる化学的成分や生物学的な成分を含むことができるが、ＬＥＤユニット１０から放射される紫外線を少なくともべセルの中央部分まで透過させる透明度（紫外線透過性）を有するものとすることが好ましい。

図１の例では、ＬＥＤユニット１０を仕切窓７で保護していたが、仕切窓７を省略することもできる。
図４に示すように、べセルの底部４に取付け孔を設け、この取付け孔へＬＥＤユニット３１０を、シール部材３２０を介して、取り付ける。
このＬＥＤユニット３１０において、ＬＥＤ型の発光素子３１３が基板３１１に直接マウントされ、この発光素子３１３はガラス材料からなる封止部材３１５で被覆される。

基板３１１はエポキシ樹脂等からなる絶縁性の基板本体とその表面にプリントされた配線とを備えている。発光素子３１３の電極と基板の配線とがバンプやワイヤ等を介して電気的に接続される。なお、図示は省略するが、基板３１１にはべセル３の外部より電源性及び必要に応じて制御線が接続されている。
封止部材３１５は耐水性、耐光性、耐薬品性等の見地からガラス製とする。このガラス材料は、そのガラス転移点が発光素子３１３の耐熱温度よりも低く、熱膨張率が基板３１１と同等であれば任意に選択できるが、例えば、ＺｎＯ-Ｂ_２Ｏ_３-ＳｉＯ_２が挙げられる。なお、この封止部材３１５に用いられるガラスは、加熱により軟化状態として成形したガラスであり、ゾルゲル法により成形されるガラスと異なる。ゾルゲルガラスでは成形時の体積変化が大きいのでクラックが生じやすくガラスによる厚膜を形成することが困難であるところ、熱により軟化させて基板３１１に融着させるガラスを用いればこの問題を回避できる。また、ゾルゲルガラスでは細孔を生じるので気密性を損なうことがあるが、本実施形態のガラスはこの問題点を生じることもなく、発光素子３１３の封止が確実となる。
かかるガラス材料として株式会社住田光学ガラスが提供する低融点ガラス（型番：K-PBK40）が用いられる。
封止部材３１５の形状は図示した矩形に限定されず、砲弾型や円筒型など任意の形状を採用できる。

この実施例のＬＥＤユニット３１０は被処理水に浸されるので耐水性が要求される。そのため、基板３１１の配線は基板の中央部分に集中され、その周囲にはマージナル領域が設けられて専ら封止部材３１５との融着に用いられる。
このガラスにはその屈折率を制御するため、酸化ニオブ等の屈折率調整剤を配合できる。

ＬＥＤユニット３１０のサイズは水浄化モジュールの目的用途に応じて任意に設計できる。例えば、発光素子３１３は基板３１１に対して１〜１６個を載置できる。これら発光素子３１３の厚さは通常０．１〜１．０ｍｍであり、それに応じて封止部材３１５の厚さ（その上面と基板３１１との距離）は０．２〜１．５ｍｍとなる。また、発光素子３１３の側方（基板３１１の平面方向）には０．０５〜１．０ｍｍ程度の幅を設けることが好ましい。
封止部材３１５に上記の厚さがあると、その上側部分は被処理水の乱流層に到達し、その部分で流れる被処理水に接する。もって、封止部材３１５を介しての発光素子３１３に対する冷却機能を担保できる。

ＬＥＤユニット３１０とべセル３の底部４との間の水密性も必要である。そのため、シール部材３２０が十分に機能するように、基板３１１には所定の厚さが求められる。例えばシール部材３２０として市販のオーリングを採用したとき、内周壁４に対向する基板３１１の側面には０．２〜１．０ｍｍ程度の幅（図４の例では基板３１１の厚さに等しい）があるとよい。

図４の例では、ＬＥＤユニット３１０の基板３１１の表面がべセル３の底部４と面一に設計されている。発光素子３１３の光軸はその垂直方向であり、この方向に最も多くの光が放射されるが、ＬＥＤの構造上、発光素子３１３の側方からも光が放出される。図４の例では、基板３１１の表面がべセル３の底部４と同じレベルにあって、発光素子３１３は底部４より立ち上がっているので、発光素子３１３の発光層（図示せず）は底部４よりべセル３の中心側に位置している。即ち、発光層がべセル内に突出しているため、側方へ放出された光がべセル３の底部４で遮蔽されることがない。
また、発光素子３１３から側方に放出された紫外線がシール部材３２０で遮蔽されるおそれもある。そのため、発光素子３１３の発光層はこのシール部材３２０よりもべセル３の中心側に位置するように、シール部材３２０の取付け位置及びＬＥＤユニット３１０の突出量を調整することが好ましい。
更には、基板３１１の側面及びそれに対抗する取付け孔の周面をテーパ面にすることができる。

以上において説明した本発明の異なる実施形態の要素を、実現不可能な場合を除き、互いに組み合わせて実施してもよく、そのような実施の態様も本発明の範囲に含まれる。
本発明は上記発明の各局面や実施形態やその変形例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

１，３０１ 水浄化モジュール、３ べセル、４ 底部、５ べセル本体、７ 仕切窓、８ テーパ部、９０ インレット、９５ アウトレット、１００ 気泡発生部、１０５ ガス菅。

Claims (6)

1. 被処理水を流通させるべセルと、
   前記べセルの内に配置されて、該べセル内を流通する前記被処理水に紫外線を放射するＬＥＤユニットと、
   前記被処理水に平均粒径が１ｍｍ未満のファインバブルを付与する気泡発生部とを備え、
   前記ＬＥＤユニットはその光軸が前記被処理水の流れに沿うように配置されている、水浄化モジュール。
2. 前記ＬＥＤユニットの光出射方向は前記被処理水の流れと対向する、請求項１に記載の水浄化モジュール。
3. 前記気泡発生部は下記条件で、
   平均粒径が１００μｍ以下であり、
   その濃度は１０００〜１００００個／ｍｌである、
   前記ファインバブルを発生させる請求項１又は２に記載の水浄化モジュール。
4. 前記気泡発生部は下記条件で、
   平均粒径が６０μｍ以下であり、
   その濃度は３０００〜５０００個／ｍｌである、
   前記ファインバブルを発生させる請求項１又は２に記載の水浄化モジュール。
5. 前記べセル内における被処理水の流速が０．０５〜２m／secである、請求項３又は４に記載の水浄化モジュール。
6. 前記べセル内における被処理水の流速が０．２〜２m／secである、請求項３又は４に記載の水浄化モジュール。