(57)【要約】【課題】高圧紫外線ランプにおいて波長２５４ｎｍ付近の放射を高効率で得ながら高圧紫外線ランプの長寿命化を実現する。【解決手段】一部に開口部１４が形成された箱状のランプハウス１１内に高圧紫外線ランプ１２を配置し、発生した紫外線を、開口部１４から放射させる。開口部１４の反対側に放射された高圧紫外線ランプ１２の紫外線は、リフレクター１３で反射させて開口部１４から放射させる。ランプハウス１１の開口部１４に対向する位置に窓部１５ｃが形成され、この窓部１５ｃに配置された紫外線を透過させる石英ガラス製の紫外線透過材１９を介し、内部に形成された被処理水が流入出可能な処理部１６が形成された処理容器１５に紫外線を照射させる。高圧紫外線ランプ１２のランプ温度を５５０〜６５０度の範囲内で駆動させるようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水銀または水銀を含む金属元素が封入された高圧紫外線ランプと、
前記高圧紫外線ランプを点灯する点灯装置と、
前記高圧紫外線ランプを収納し、外部に紫外線光を照射可能な開口部が形成されたランプハウスと、
前記ランプハウス内の温度を低下させ前記高圧紫外線ランプのランプ温度を低下させることが可能な冷却機構と、
前記ランプハウスの開口部に対向する位置に窓部が形成され、該窓部を介して前記紫外線を透過させる紫外線透過性の紫外線透過材を配置し、内部に形成された被処理水が流入出可能な処理部が形成された処理容器と、を具備し、
前記高圧紫外線ランプのランプ温度は、５５０〜６５０度の範囲内に制御したことを特徴とする紫外線処理装置。
【請求項２】
マイクロ波を発生させるマグネトロンのマイクロ波に基づき、紫外線を放射させる放電媒体が封入された無電極の高圧紫外線ランプと、
前記高圧紫外線ランプを収納し、外部に紫外線光を照射可能な開口部が形成されたランプハウスと、
前記ランプハウスの開口部に配置させ、前記マイクロ波をシールドするＲＦスクリーンと、
前記ランプハウス内の温度を低下させ前記高圧紫外線ランプのランプ温度を低下させることが可能な冷却機構と、
前記ランプハウスの開口部に対向する位置に窓部が形成され、該窓部を介して前記紫外線を透過させる紫外線透過性の紫外線透過材を配置し、内部に形成された被処理水が流入出可能な処理部が形成された処理容器と、を具備し、
前記高圧紫外線ランプのランプ温度は、５５０〜６５０度の範囲内に制御したことを特徴とする紫外線処理装置。
【請求項３】
前記高圧紫外線ランプの波長は、２４０〜２７０ｎｍの紫外線が発光可能であることを特徴とする請求項１または２記載の紫外線処理装置。
【請求項４】
前記冷却機構は、前記ランプハウス内を吸気または排気の少なくとも一方を行い、前記高圧紫外線ランプを冷却することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の紫外線処理装置。
【請求項５】
前記冷却機構は、前記高圧紫外線ランプを点灯させる入力電力の増減を併用したことを特徴とする１〜４のいずれかに記載の紫外線処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高圧紫外線ランプを用いて殺菌・不活化・有機物分解などの水処理を行う紫外線照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の紫外線照射装置は、高圧紫外線ランプが発光時に発する熱で高温となることから、この温度を抑えるために高圧紫外線ランプを内包する内管の外側に外管を設けた二重管形の水冷ジャケットを設け、水冷ジャケット内に冷却液を流すことで温度上昇を抑えている。（例えば、特許文献１）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２２６８０６公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した特許文献１の技術は、３００〜４３０ｎｍに主要な波長をもつ水銀または水銀を含む金属元素が封入された高圧紫外線ランプを対象とし、ここで示された冷却構造では内管を水で冷却し、ランプ周囲の気体を冷却することでランプを冷却する間接的なものであるため、冷却能力に限界があり発光管の温度はせいぜい７５０度程度であり、温度が高いことによる発光効率の低下は免れないものとなっていた。また、ランプ温度の上昇により、石英の失透や黒化が加速されランプ寿命が短いものとなっていた。さらには、二重管構造の内側に高圧紫外線ランプを配置させる必要から、ランプ交換等のメンテナンス性も落ちるものであった。
【０００５】
この発明の目的は、高圧紫外線ランプにおいて殺菌線２５４ｎｍの高発光効率を得ながら高圧紫外線ランプの長寿命化を図ることが可能な紫外線照射装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記した課題を解決するために、この発明の紫外線照射装置は、水銀または水銀を含む金属元素が封入された高圧紫外線ランプと、前記高圧紫外線ランプを点灯する点灯装置と、前記高圧紫外線ランプを収納し、外部に紫外線光を照射可能な開口部が形成されたランプハウスと、前記ランプハウス内の温度を低下させ前記高圧紫外線ランプのランプ温度を低下させることが可能な冷却機構と、前記ランプハウスの開口部に対向する位置に窓部が形成され、該窓部を介して前記紫外線を透過させる紫外線透過性の紫外線透過材を配置し、内部に形成された被処理水が流入出可能な処理部が形成された処理容器と、を具備し、前記高圧紫外線ランプのランプ温度は、５５０〜６５０度の範囲内に制御したことを特徴とする。
【０００７】
また、この発明の紫外線照射装置は、マイクロ波を発生させるマグネトロンのマイクロ波に基づき、紫外線を放射させる放電媒体が封入された無電極の高圧紫外線ランプと、前記高圧紫外線ランプを収納し、外部に紫外線光を照射可能な開口部が形成されたランプハウスと、前記ランプハウスの開口部に配置させ、前記マイクロ波をシールドするＲＦスクリーンと、前記ランプハウス内の温度を低下させ前記高圧紫外線ランプのランプ温度を低下させることが可能な冷却機構と、前記ランプハウスの開口部に対向する位置に窓部が形成され、該窓部を介して前記紫外線を透過させる紫外線透過性の紫外線透過材を配置し、内部に形成された被処理水が流入出可能な処理部が形成された処理容器と、を具備し、前記高圧紫外線ランプのランプ温度は、５５０〜６５０度の範囲内に制御したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、ランプの寿命を向上させつつ、水処理に必要な紫外線の発光効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の紫外線処理装置に関する一実施形態の概念的な構成について説明するための斜視図である。
【図２】図１の側断面図である。
【図３】図２のＩ−Ｉ’線の側断面図である。
【図４】この発明の効果について説明するための説明図である。
【図５】この発明の紫外線処理装置に関する他の実施形態の概念的な構成について説明するための側面図である。
【図６】図５のII−II’線の側断面図である。
【図７】図５に用いる無電極ランプの一例について説明するための構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１１】
図１〜図３は、この発明の紫外線照射装置に関する一実施形態について説明するための、図１は概念的な構成を示す斜視図、図２は図１の断面図、図３は図２のＩ−Ｉ’線断面図である。
【００１２】
図１〜図３において、１００は、例えば水道水に紫外線を照射させて殺菌処理を行うランプハウス１１および処理容器１５から構成される紫外線照射装置である。ランプハウス１１は、下面に近い側に開口部１４が設けられた箱状に形成される。このランプハウス１１内には、３００〜４３０ｎｍに主要な波長をもつとともに、２５４ｎｍ付近の紫外線を放射可能な例えば有電極ロングアークの高圧紫外線ランプ１２が配置される。開口部１４と対向する位置にはリフレクター１３が配置され、開口部１４とは反対側に放射された高圧紫外線ランプ１２からの紫外線を開口部１４に反射させている。リフレクター１３とランプハウス１１との間はスペース等による空気の流通部を構成しており、リフレクター１３の非反射面側と反射面側が容易に空気の流通を図れるような構造にしてある。
【００１３】
１５は、耐腐食性の例えばステンレスで形成された処理容器である。処理容器１５は、三角柱の頂点を下にし、内部空間に処理部１６が形成される。処理容器１５の三角柱の三角形をなす一方の側面には、処理部１６に送り込む処理対象の水を取り込む給水口１７が形成される。三角柱の三角形をなす他方の側面には、処理部１６で処理された水を送り出す排水口１８が形成される。給水口１７には図示しない被処理水を流し込むパイプが、排水口１８には図示しない処理部１６で処理された処理水を送り出すためのパイプがそれぞれ取り付けられる。
【００１４】
ところで、給水口１７は、処理容器１５の底部１５ａに近い側に、排水口１８は、処理容器１５の上部１５ｂに近い側にそれぞれ形成される。これにより、給水口１７に取り込まれた被処理水は、深い位置と浅い位置の何れの位置も通過し排水口１８から送り出されることとなる。
【００１５】
処理容器１５の三角柱の頂点と対向する側面にあたる部分には、ランプハウス１１の開口部１４と合わさるような大きさの窓部１５ｃが形成される。この窓部１５ｃには、紫外線透過性の機能を備えた、例えば石英ガラス製の紫外線透過材１９が取り付けられる。処理部１６には、紫外線透過材１９を介して高圧紫外線ランプ１２からの紫外線が照射可能となる。
【００１６】
２０は、高圧紫外線ランプ１２の温度を検知するための温度センサーである。この温度センサー２０で検知された温度情報は、マイコン等で構成される制御部２１に供給し、ここで予め設定された温度か否かを判断する。制御部２１は、設定された温度に基づいてブロア２２を駆動させ、ダクト２３を介してランプハウス１１の上面に設置された吸気口２４への冷却媒体である空気を送り込む制御を行い、ランプハウス１１に取り込むようにしている。なお、温度センサー２０は、ランプから放射される熱を直接検知するものでなくてよく、例えばランプ温度の上下によってランプハウス内温度が上下することに着目し、ランプハウス１１の内部壁、またはその他部材の温度を検知することで、相対的なランプ温度検知を行ってもよい。また、冷却の制御は、駆動周波数の増減により排気量を調整可能なブロアを用い、温度センサー１０で検知された温度情報に基づきブロアの駆動周波数を制御することで実現できる。
【００１７】
吸気口２４からランプハウス１１に取り込められた空気は、ランプハウス１１とリフレクター１３との間の流通部を介して高圧紫外線ランプ１２に当てられてランプ温度を低下させる冷却機構を構成している。
【００１８】
このように構成された紫外線照射装置では、高圧紫外線ランプ１２から放射された紫外線は直接、紫外線透過材１９を介して処理部１６に照射される分とリフレクター１３で反射させ紫外線透過材１９を介して処理部１６に照射される分とにより、処理部１６に給水口１７から取り込まれる被処理水に紫外線を照射させている。
【００１９】
ところで、高圧紫外線ランプ１２の温度が予め設定された、例えば５５０〜６５０度の範囲であれば、制御部２１はブロア２２の駆動周波数を一定状態とし、ランプハウス１１内への送風を制御する。制御部２１が高圧紫外線ランプ１２の温度が６５０度を超えたことを検知した場合は、ブロア２２の駆動周波数を増高させることで、ランプハウス１１内を冷却させ、高圧紫外線ランプ１２の温度が６５０度以下になるような制御を行う。５５０度未満では、ブロア２２の駆動周波数を低減させる制御を行う。
【００２０】
高圧紫外線ランプ１２の温度が５５０〜６５０度の範囲でのブロア２２の制御は、全く一定状態とさせることではなく、この温度５５０〜６５０度の例えば中間温度にくるように駆動と停止とを繰り返すような制御を行っても構わない。
【００２１】
ここで、図４を参照し、異なる波長域におけるランプ温度に対する発光効率との関係について説明する。図４では、同一の高圧紫外線ランプにおける２４０〜２７０ｎｍ、３１０〜３８０ｎｍ、３４０〜４７０ｎｍのそれぞれのランプ温度と発光効率の関係について示している。なお、発光効率ηは、所定の条件（距離・照度計）にて測定された照度値［単位：ｍＷ／ｃｍ２］を高圧紫外線ランプへの投入電力［Ｗ］にて除した値としている。
【００２２】
２５４ｎｍ付近の紫外線を生物に照射すると、遺伝情報を司るデオキシリボ核酸（ＤＮＡ）中の隣接したピリミジン塩基、特に、チミジン塩基が光架橋して二量体化するため、遺伝子の発現やＤＮＡの複製が正常に起こらなくなり、ついには死滅するとされる（例えば、安藤茂他（１９９４「紫外線による下水・排水の消毒」用水と排水、第３６巻、第６号、２７頁等）。しかしながら、３１０〜３８０ｎｍ、３４０〜４７０ｎｍの高圧紫外線ランプでＤＮＡ上に損傷を受けた生物は、３００〜６００ｎｍの可視光ないしは近紫外光を受けると損傷が軽減され、回復が起こることが知られている（例えば、「生化学辞典」東京化学同人；鹿島田浩二他（１９９５）「紫外線照射水処理における光回復の評価」水環境学会誌、第１８巻、第１号、４４頁）。
【００２３】
従って、波長３１０〜３８０ｎｍ、３４０〜４７０ｎｍの範囲に主要な波長をもつ高圧紫外線ランプでは、温度が高いほど発光効率が向上することにはなるものの、水処理の高圧紫外線ランプとしては実用に供しない。
【００２４】
このようなランプにおいて、波長３１０〜３８０ｎｍ、３４０〜４７０ｎｍの発光を抑え、相対的に水処理用の紫外線として満足する２４０〜２７０ｎｍ波長の発光効率を最大化させるため、図４のとおり５５０〜６５０度をランプ温度に制限した。これにより、高い発光効率を得ながら水処理に適した紫外線照射を実現することが可能となる。
【００２５】
この実施形態では、高圧紫外線ランプが処理容器の外側に配置されることから、ランプ交換のメンテナンス性の向上を図りつつ、ランプ温度を５５０〜６５０度の範囲で管理することで水処理に適した２５４ｎｍ付近の波長の高圧紫外線ランプを高発光効率の状態下で点灯させることが可能となる。
【００２６】
また、ランプ温度を低減させることによって、高圧紫外線ランプへの負荷が軽減させることが可能となる。このため、高圧紫外線ランプであっても長寿命化を実現させることが可能となる。
【００２７】
この実施形態での温度は、ランプハウス内に送風させてランプ温度を調整するようにしたが、排気口を設置し、ランプハウス内の熱を排気しても構わない。さらに、吸気と排気の機能を設置しても構わない。
【００２８】
図５〜図７は、この発明の紫外線処理装置に関する他の実施形態の概念的な構成について説明するための、図５は側面図、図６は図５のII−II’線の側断面図、図７は図５で用いる無電極ランプの一例について説明するための構成図である。この実施形態は、２５４ｎｍ付近の波長を発光させる無電極の高圧紫外線ランプを使用したもので、上記した実施形態と同一部分には同一の符号を付してここでは異なる部分について説明する。
【００２９】
すなわち、ランプハウス１１の中央下方部には電極を備えない、いわゆる無電極ランプ５１をランプハウス１１の側面の一部に取り付けてある。５２は、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生させるマグネトロンであり、マグネトロン５２には電源５３から電力が供給される。５４は、マグネトロン５２で発生させたマイクロ波をアンテナ５５から送信し、無電極ランプ５１に伝達させる導波管である。
【００３０】
ここで、図７を参照して無電極ランプ５１の構成例について説明する。５１１は紫外光を透過させる石英ガラス製の長さが２４０ｍｍ程度の円筒形状のバルブである。バルブ５１１は、中央部５１２をその両端部５１３，５１４よりも細くなるようにテ―パをつけたもので、両端部５１３，５１４の外径は例えば１７ｍｍ程度、中央部５１２の外径は１０ｍｍ程度である。バルブ５１１の発光空間５１５内には、不活性ガスと水銀、鉄等の放電媒体を封入する。バルブ５１１の両端にはバルブ５１１を支持する支持部５１６，５１７を、バルブ５１１と一体的に形成する。無電極ランプ５１は、マイクロ波を照射させることで、バルブ５１１に封入された２５４ｎｍ付近の紫外光が発生する放電媒体を発光させることができる。
【００３１】
再び図５、図６において、無電極ランプ５１の背面側には照射される紫外光を集光あるいは拡散させる反射板１３１，１３２が設置される。また、反射板１３１，１３２の前面には、照射窓を構成するＲＦスクリーン５６がランプハウス１１の一部に設けられている。反射板１３１，１３２間は、間隙をおいて配置され、この間隙からマイクロ波を無電極ランプ５１に供給するようにしている。
【００３２】
ＲＦスクリーン５６は、金属でありかつ開口部が設けられ、マイクロ波は遮断し、紫外光と送風は通過させる。ＲＦスクリーン５６は、例えば、金属線をメッシュ状に編み込んで形成したり、金属板にパンチング加工で形成したりして開口部を有するようになっている。
【００３３】
なお、無電極ランプ５１と対向するＲＦスクリーン５６の反対面は、紫外線の照射面５７となる。
【００３４】
５８は、ランプハウス１１の下部と密着して配置された排気用のダクトである。このダクト５８は、箱状の形状を有しており、ＲＦスクリーン５６の位置する上面板と下面板には、ＲＦスクリーン５６と同形状で同大きさの開口５８１，５８２がそれぞれ形成される。さらに、ダクト５８は通気孔５８３を介して排気口５８４が形成されている。
【００３５】
マグネトロン５２および無電極ランプ５１は、送風用のブロア２２から吸気口２４、ランプハウス１１内に送風を行い、ダクト５８の排気口５８４から排気させて冷却行い、これら一連の空気の流れは冷却機構を構成している。
【００３６】
ここで、マグネトロン５２が駆動されている状態下では、ブロア２２から送風が行われ吸気口２４を介してランプハウス１１内に取り込まれる。取り込まれた送風は、図１中の波線矢印で示すように、マグネトロン５２、無電極ランプ５１、ＲＦスクリーン５６、ダクト５８を介してダクト５８の排気口５８４から排熱される。
【００３７】
このとき、マグネトロン５２のマイクロ波で励起された無電極ランプ５１は、２５４ｎｍ付近の紫外線を発し、ＲＦスクリーン５６、紫外線透過材１９を介して処理容器１５内に給水された被処理水を処理し、排水口１８へ送り出す。
【００３８】
この実施形態においても、２５４ｎｍ付近の紫外線を発光させる無電極の高圧紫外線ランプに対する温度管理を行うことで、発光効率の高い紫外線を得ることが可能となる。また、高圧紫外線ランプの冷却は、被処理水を通過させる処理容器外に設置したことから、メンテナンス性においても良好なものとなる。
【００３９】
なお、この実施形態で用いられるマグネトロンは、ランプハウス内に設置したが、ランプハウス外に設置し、マイクロ波をランプハウス内に取り込む構造にしても構わない。この場合のランプハウスでは、マグネトロンから発生する熱の影響を受けないことから、ランプ温度の制御がし易いものとなる。
【００４０】
また、高圧紫外線ランプにおいて２４０〜２７０ｎｍの紫外線を高い発光効率で得られる５５０〜６５０℃の温度範囲に設定する方法としては、冷却機構の吸気量または排気量の少なくとも一方の増減を制御するほかに、高圧紫外線ランプの温度検出結果に基づき、制御部から電源の制御を行い、高圧紫外線ランプへの入力電力の増減を併用しても構わない。
【符号の説明】
【００４１】
１００  紫外線照射装置
１１  ランプハウス
１２  高圧紫外線ランプ
１３  リフレクター
１５  処理容器
１６  処理部
１７  給水口
１８  排水口
１９  紫外線透過材
２０  温度センサー
２１  制御部
２２  ブロア
２３，５８  ダクト
２４  吸気口
５１  無電極ランプ
５２  マグネトロン
５４  導波管
５８４  排気口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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