(57)【要約】【課題】流体に作用する光線量をより高い精度で解析する。【解決手段】解析装置１０は、仮想空間内に定義される流路構造内での流体および標識粒子の運動を支配方程式を用いて数値的に演算する流体解析部１２と、流路構造内で透過および反射する光線の分布を光線追跡により数値的に演算する光線解析部１４と、流路構造内を通過する標識粒子に向けて複数の方向から入射する光線量に基づいて、流路構造内を通過する際に標識粒子が受ける積算照度を演算する積算照度演算部１８と、を備える。【選択図】図２
2018122252.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
仮想空間内に定義される流路構造内での流体および標識粒子の運動を支配方程式を用いて数値的に演算するステップと、
前記流路構造内で透過および反射する光線の分布を光線追跡により数値的に演算するステップと、
前記流路構造内を通過する標識粒子に向けて複数の方向から入射する光線量に基づいて、前記流路構造内を通過する際に標識粒子が受ける積算照度を演算するステップと、を備えることを特徴とする解析方法。
【請求項２】
仮想空間内の複数の格子点に対応して設定される複数のボクセルについて、各ボクセルが持つ複数の表面上の照度を前記光線追跡の演算結果に基づいて算出し、各ボクセルが持つ複数の表面上の照度を足し合わせることにより各ボクセルに対応する格子点の立体照度を算出するステップをさらに備え、
前記積算照度は、前記格子点の立体照度に基づいて計算されることを特徴とする請求項１に記載の解析方法。
【請求項３】
前記複数のボクセルは、直方体形状を有し、直方体の六面上の照度を足し合わせることにより前記格子点の立体照度が算出されることを特徴とする請求項２に記載の解析方法。
【請求項４】
前記標識粒子の運動は、前記流路構造内に分割設定される複数の体積要素のそれぞれについて演算される流体の物理量に基づいて計算され、
前記積算照度は、前記標識粒子の運動の軌跡と交差する体積要素ごとに算出される立体照度を足し合わせることにより計算されることを特徴とする請求項２または３に記載の解析方法。
【請求項５】
前記体積要素の立体照度は、前記体積要素の周りに設定される複数の格子点の立体照度に基づいて計算されることを特徴とする請求項４に記載の解析方法。
【請求項６】
前記複数の体積要素は、前記複数のボクセルと異なる形状を有するように設定されることを特徴とする請求項４または５に記載の解析方法。
【請求項７】
前記積算照度に基づいて、流路構造を通過する流体に作用する殺菌効果量を演算するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の解析方法。
【請求項８】
仮想空間内に定義される流路構造内での流体および標識粒子の運動を支配方程式を用いて数値的に演算する流体解析部と、
前記流路構造内で透過および反射する光線の分布を光線追跡により数値的に演算する光線解析部と、
前記流路構造内を通過する標識粒子に向けて複数の方向から入射する光線量に基づいて、前記流路構造内を通過する際に標識粒子が受ける積算照度を演算する積算照度演算部と、を備えることを特徴とする解析装置。
【請求項９】
仮想空間内に定義される流路構造内での流体および標識粒子の運動を支配方程式を用いて数値的に演算する機能と、
前記流路構造内で透過および反射する光線の分布を光線追跡により数値的に演算する機能と、
前記流路構造内を通過する標識粒子に向けて複数の方向から入射する光線量に基づいて、前記流路構造内を通過する際に標識粒子が受ける積算照度を演算する機能と、をコンピュータに実現させるためのコンピュータプログラム。
【請求項１０】
請求項１から７のいずれか一項に記載される解析方法を用いて計算される前記積算照度に基づいて流体に紫外線を照射することを特徴とする照射方法。
【請求項１１】
紫外線の照射対象となる流体が流れる流路構造と、
前記流路構造内に紫外線を照射する光源と、
請求項１から７のいずれか一項に記載される解析方法を用いて計算される前記積算照度に基づいて前記光源を駆動する制御装置と、を備えることを特徴とする照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、解析方法、解析装置、照射方法および照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
紫外光には殺菌能力があることが知られており、医療や食品加工の現場などでの殺菌処理に紫外光を照射する装置が用いられている。また、水などの流体に紫外光を照射することで、流体を連続的に殺菌する装置も用いられている。このような装置として、例えば、直管状の流路構造に沿って紫外線ＬＥＤを配置した装置が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、照射装置による殺菌作用量を評価するために流体解析と光学解析とを組み合わせたシミュレーション手法が提案されている。例えば、流体解析の方法として有限要素法や有限体積法が用いられ、光学解析の方法として点光源からの放射強度を光源からの距離ｒの２乗に反比例する理論式を用いて算出する手法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−２３３６４６号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】R.M.Jenny et al., "Modeling a continuous flow ultraviolet Light Emitting Diode reactor using computational fluid dynamics", Chemical Engineering Science 116 (2014) 524-535
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、流路構造内の紫外線の反射や散乱を最適化することにより、流体殺菌装置のさらなる性能向上が試みられている。しかしながら、上述の光学解析手法を用いる場合、流路構造内での紫外線の反射や散乱をシミュレーション結果に反映させることが難しい。そのため、紫外線の反射や散乱を積極的に用いる構造の場合、精度の高いシミュレーション結果を得ることが難しい。その結果、殺菌作用量を評価するためには、菌液等を用いた照射実験が必要となり、性能評価に多大な時間およびコストがかかってしまう。
【０００７】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、流体に作用する光線量を高精度でシミュレーション可能な解析方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のある態様の解析方法は、仮想空間内に定義される流路構造内での流体および標識粒子の運動を支配方程式を用いて数値的に演算するステップと、流路構造内で透過および反射する光線の分布を光線追跡により数値的に演算するステップと、流路構造内を通過する標識粒子に向けて複数の方向から入射する光線量に基づいて、流路構造内を通過する際に標識粒子が受ける積算照度ステップと、を備える。
【０００９】
この態様によると、流路構造内の光の状態を光線追跡により解析するため、流路構造内での光の反射や散乱などを考慮することができる。また、標識粒子に向けて複数の方向から入射する光線量を用いて標識粒子の積算照度を計算することにより、光源から標識粒子に直接向かう光線だけではなく、流路構造内で反射ないし散乱されて標識粒子に向かう光線量を反映させることができる。これにより、流路構造内で光線が反射ないし散乱される流路構造をモデル化する場合であっても、標識粒子に作用する光線量を精度良くシミュレーションすることができる。
【００１０】
仮想空間内の複数の格子点に対応して設定される複数のボクセルについて、各ボクセルが持つ複数の表面上の照度を光線追跡の演算結果に基づいて算出し、各ボクセルが持つ複数の表面上の照度を足し合わせることにより各ボクセルに対応する格子点の立体照度を算出するステップをさらに備えてもよい。積算照度は、格子点の立体照度に基づいて計算されてもよい。
【００１１】
複数のボクセルは、直方体形状を有し、直方体の六面上の照度を足し合わせることにより格子点の立体照度が算出されてもよい。
【００１２】
標識粒子の運動は、流路構造内に分割設定される複数の体積要素のそれぞれについて演算される流体の物理量に基づいて計算され、積算照度は、標識粒子の運動の軌跡と交差する体積要素ごとに算出される立体照度を足し合わせることにより計算されてもよい。
【００１３】
体積要素の立体照度は、体積要素の周りに設定される複数の格子点の立体照度に基づいて計算されてもよい。
【００１４】
複数の体積要素は、複数のボクセルと異なる形状を有するように設定されてもよい。
【００１５】
積算照度に基づいて、流路構造を通過する流体に作用する殺菌効果量を演算するステップをさらに備えてもよい。
【００１６】
本発明の別の態様は、解析装置である。この装置は、仮想空間内に定義される流路構造内での流体および標識粒子の運動を支配方程式を用いて数値的に演算する流体解析部と、流路構造内で透過および反射する光線の分布を光線追跡により数値的に演算する光線解析部と、流路構造内を通過する標識粒子に向けて複数の方向から入射する光線量に基づいて、流路構造内を通過する際に標識粒子が受ける積算照度を演算する積算照度演算部と、を備える。
【００１７】
本発明のさらに別の態様は、照射方法である。この方法は、上記態様に係る解析方法を用いて計算される積算照度に基づいて流体に紫外線を照射してもよい。
【００１８】
本発明のさらに別の態様は、照射装置である。この装置は、紫外線の照射対象となる流体が流れる流路構造と、流路構造内に紫外線を照射する光源と、上記態様に係る解析方法を用いて計算される積算照度に基づいて光源を駆動する制御装置と、を備えてもよい。
【００１９】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を装置、方法、システム、コンピュータプログラム、コンピュータプログラムを格納した記録媒体などの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のある態様によれば、流体に作用する光線量をより高い精度で解析できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施の形態に係る照射装置の構成を概略的に示す断面図である。
【図２】実施の形態に係る解析装置の構成を示すブロック図である。
【図３】流体解析モデルを模式的に示す図である。
【図４】光線解析モデルを模式的に示す図である。
【図５】光線解析の演算結果を模式的に示す図である。
【図６】立体照度の計算方法を模式的に示す図である。
【図７】流体解析モデルへの立体照度の適用方法を模式的に示す図である。
【図８】複数の標識粒子の積算照度を模式的に示すグラフである。
【図９】実施の形態に係る解析方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明を具体的に説明する前に、概要を述べる。実施の形態は、流体に作用する光線量を解析する方法である。この解析方法は、仮想空間内に定義される流路構造内での流体および標識粒子の運動を支配方程式を用いて数値的に演算するステップと、流路構造内で透過および反射する光線の分布を光線追跡により数値的に演算するステップと、流路構造内を通過する際に標識粒子が受ける積算照度を演算するステップと、を備える。
【００２３】
紫外線殺菌の分野では、紫外線の照射量に対する殺菌効果を評価するために「積算照度」を用いることが一般的である。積算照度は、単位面積あたりの照射エネルギーであり、Ｊ／ｃｍ２の単位を有する。積算照度は、殺菌対象に照射される紫外線の照度（Ｗ／ｃｍ２）に照射時間（ｓ）を乗算することにより得られる。紫外線の照度は、計測面となる位置にフォトダイオードなどを含む照度計を配置して測定されるものであり、ある基準面上での光の強さを表す。
【００２４】
従来の紫外線殺菌装置では、紫外線ランプ等の光源から一様に放射される紫外線を用いることが多く、光源から照射対象までの距離ｒから理論的に紫外線照度を求めることが可能である。これは、光源から照射対象に向けて一方向に照射される紫外線のみを考慮し、照射方向に直交する照射面を仮定することで容易に照度を算出できるためである。
【００２５】
一方、近年の紫外線殺菌装置では、紫外線ランプの代わりに紫外線ＬＥＤなどの半導体発光素子が光源として用いられることがある。例えば、流路構造に複数の発光素子が配置され、流路構造の内面で紫外線が反射または散乱されるようにすることで殺菌効率の向上が図られる。この場合、流路構造を流れる流体に対して様々な方向から紫外線が照射されるため、流体に対して特定の照射面を仮定して流体に作用する紫外線の照度を算出することが難しい。その結果、流体に作用する紫外線の積算照度を反射や散乱を考慮しつつ数値的に演算することが困難であった。
【００２６】
そこで、本発明者は、照射対象に対して複数方向から入射する光線量に対応する「立体照度」という概念を導入することを考えた。ここで、立体照度は、立方体などの単位格子またはボクセルを仮定し、そのボクセルが持つ複数の表面（例えば、立方体の六面）上の照度を計算し、その照度を足し合わせることにより演算される。その結果、立体照度は、ある単位体積を有するボクセルに入射する光線量の総和という意味合いを持つ一方で、単位面積あたりの照射強度を表す照度と同じ単位を有する。
【００２７】
本実施の形態では、流路構造内の光線分布を光線追跡により演算し、光線追跡の演算結果に基づいて複数の方向から入射する光線量が考慮された立体照度を演算し、立体照度に基づいて流路構造を流れる流体に作用する積算照度を算出する。積算照度をこのようにして算出することで、流路構造内での散乱や反射を考慮に入れた評価を行うことができる。また、流体に作用する光線量を「照度」として算出することで、これまで蓄積されてきた照度と殺菌効果量との関係をそのまま利用して殺菌性能を評価することができる。
【００２８】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。
【００２９】
図１は、実施の形態に係る照射装置５０の構成を概略的に示す断面図であり、解析対象とする流体殺菌装置の一例を示す。照射装置５０は、光源５２と、流路構造６０と、制御装置６８とを備える。
【００３０】
光源５２は、発光素子５４と、基板５６と、光学素子５８とを含む。発光素子５４は、紫外光を発するＬＥＤ（Light Emitting Diode）であり、例えば、殺菌効率が高い波長である２６０ｎｍ〜３００ｎｍ付近の紫外光を出力する。発光素子５４は、基板５６に取り付けられている。光学素子５８は、発光素子５４から出力される紫外光の照射方向を整えるように構成される。図示する例において、光学素子５８は、椀形状の反射体であり、椀形状の底部に発光素子５４が配置され、発光素子５４からの紫外光を凹面形状の内面で反射させる。光学素子５８は、反射型、屈折型のいずれであってもよいし、これらの組み合わせであってもよい。光学素子５８は、例えば、発光素子５４からの紫外光の照射方向を整えるためのレンズなどを含んでもよい。
【００３１】
流路構造６０は、紫外線の照射対象となる流体が流れる流路を構成する。流路構造６０は、流入路６１と、照射流路６２と、流出部６３とを有する。図示する例において、照射流路６２は、直管状に構成される。流入路６１および流出部６３は、照射流路６２の両端に設けられており、照射流路６２の長手方向（軸方向）と直交する方向（径方向）に延びている。照射流路６２の一端には、照射窓６６が設けられ、照射窓６６を介して光源５２からの紫外線が照射流路６２を流れる流体に向けて照射される。
【００３２】
図示する例において、照射窓６６は、流出部６３が位置する照射流路６２の端部に設けられており、流入路６１から流入する流体は、照射窓６６に向かって軸方向に流れるように構成される。流路構造６０の内面６４は、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などのフッ素系樹脂などで構成される。ＰＴＦＥは、紫外線に対する耐久性に優れており、紫外線の反射率が高い材料であるため、流路構造６０の内面６４の構成材料として好ましい。
【００３３】
制御装置６８は、発光素子５４に駆動電流を供給し、所望の発光強度で発光素子５４が駆動されるようにする。制御装置６８は、後述する解析方法に基づいて計算される積算照度の値に基づいて光源５２を駆動する。制御装置６８は、例えば、流路構造６０の内部を流れる流体に作用する積算照度が所望の値となるように発光素子５４の駆動電流を制御する。
【００３４】
なお、図示される照射装置５０の構造は例示であり、任意の流路構造および光源配置を有する照射装置に対して、以下に示す解析方法が適用されてもよい。
【００３５】
図２は、実施の形態に係る解析装置１０の構成を概略的に示すブロック図である。本明細書のブロック図において示される各ブロックは、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵ（Central Processing Unit）をはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウェア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組み合わせによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者に理解されるところである。
【００３６】
解析装置１０は、流体解析部１２と、光線解析部１４と、立体照度演算部１６と、積算照度演算部１８と、殺菌効果演算部２０とを備える。解析装置１０は、入力装置３０、出力装置３２および記憶装置３４と接続される。
【００３７】
入力装置３０は、解析装置１０で実行される処理に関するユーザの入力を受けるためのキーボードやマウスなどである。入力装置３０は、インターネットなどのネットワークや、ディスク、フラッシュメモリといった記録媒体から入力を受けるように構成されてもよい。出力装置３２は、解析装置１０の処理結果を表示するためのディスプレイなどである。出力装置３２は、解析装置１０の処理結果をデータとして出力するよう構成されてもよい。記憶装置３４は、解析装置１０の処理に必要なデータを保持するためのメモリやハードディスクなどである。
【００３８】
流体解析部１２は、入力装置３０を介して取得する入力情報に基づき、仮想空間内で流路構造をモデル化し、モデル化された流路構造内での流体の運動を所定の支配方程式を用いて数値的に演算する。流体解析部１２は、例えば、流体の支配方程式である「連続の式」および「運動方程式」を用いて流路構造内の流体の流れを解析する。流体解析部１２はさらに、流路構造内での標識粒子の運動を数値的に演算する。流体解析部１２は、例えば、粒子追跡法を用いて流路構造内に投入した複数の標識粒子の運動を演算し、流路構造の入口から出口に至るまでの複数の標識粒子の運動の軌跡を演算する。
【００３９】
図３は、流体解析モデル７０を模式的に示す図である。流体解析モデル７０は、図１に示した流路構造６０と同様の構造を有する。流体解析部１２は、有限要素法や有限体積法に基づいて流路構造をメッシュ化し、メッシュ化された体積要素７２の重心７４の位置での速度および圧力を演算する。流体解析部１２は、流体の速度および圧力に基づいて標識粒子７６に作用する力を算出し、標識粒子７６の運動の軌跡７８を導出する。流体解析部１２は、例えば、数十、数百、または、数千といった多数の標識粒子について、流路の入口から出口に至る運動の軌跡を演算する。
【００４０】
流体解析部１２は、他の計算アルゴリズムに基づいて流体の運動を演算してもよく、例えば、粒子法などを用いて流体の運動を演算してもよい。流体解析部１２は、エネルギー方程式などの他の支配方程式を用いて、各体積要素７２の温度といった他の物理量を演算してもよい。流体解析部１２は、解析された流体のレイノルズ数に基づいて、乱流モデルから得られる乱流変動などを標識粒子７６に与えて標識粒子７６の運動の軌跡を演算してもよい。
【００４１】
図２に戻り、光線解析部１４は、入力装置３０を介して取得する入力情報に基づき、仮想空間内で流路構造をモデル化し、モデル化された流路構造内での光線の分布を光線追跡法により数値的に演算する。光線解析部１４は、流路構造内に複数の計測面を設定し、計測面に入射する光線の本数または強度から計測面上での照度が演算可能となるようにする。
【００４２】
図４は、光線解析モデル８０を模式的に示す図である。光線解析モデル８０は、図１に示した流路構造６０と同様の構造を有する。光線解析モデル８０には、発光素子５４に対応する波源８２、光学素子５８に対応する反射体８４、流路構造６０の内面６４に対応する境界面８６などが設定される。反射体８４には、光学素子５８の反射特性に応じたパラメータが設定され、境界面８６には流路構造６０の内面６４の反射特性や散乱特性に応じたパラメータが設定される。また、流路構造の内部には、照射対象となる流体（例えば、水）の光学特性（例えば透過率）に応じたパラメータが設定される。
【００４３】
光線解析モデル８０には、複数の計測面８８が設定される。計測面８８は、光線解析の結果から計測面８８上の照度を求めるために設定され、光線追跡の演算結果に影響を与えるものではない。計測面８８は、例えば、複数の計測面８８によって流路構造内がメッシュ状の複数のボクセル９２に分割されるように設定される。その結果、各計測面８８がボクセル９２の表面に一致するように設定される。
【００４４】
図示する例では、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸により規定される直交座標系において、ボクセル９２の中心が直交座標系の格子点９０となるように計測面８８が設定される。したがって、複数の計測面８８は、例えば、ｘｙ平面、ｙｚ平面またはｘｚ平面のいずれかに平行となるように設定され、ボクセル９２の形状が直方体または立方体となる。複数の計測面８８をこのように設定することで、流路構造内の任意の場所で、ｘ方向、ｙ方向およびｚ方向から見た照度を求めることができる。
【００４５】
なお、計測面８８の設定方法は上記方法に限られず、複数の方向から見た照度の導出が可能であれば、どのように設定されてもよい。例えば、向きの異なる計測面が互いに直交するのではなく、互いに斜めに交差するように複数の計測面が設定されてもよい。また、計測面８８の形状は平面に限られず、光線解析に用いる座標系が円筒座標系や極座標系などであれば、円筒状や球面状の計測面が設定されてもよい。
【００４６】
図５は、光線解析の演算結果を模式的に示す図であり、波源８２から出射された光線が反射体８４や境界面８６にて反射ないし散乱される様子を模式的に示す。図示する例では、少ない本数の光線のみを模式的に示しているが、実際の光線解析では、数千、数万本、またはそれ以上といった多数の光線を用いて光線追跡の演算がなされる。
【００４７】
ここで、特定のボクセル９２に注目すると、ボクセル９２に向けて複数の方向から光線が入射していることが分かる。このボクセル９２の位置の流体に作用する光線量は、ボクセル９２に入射する光線の総和に等しい。つまり、ボクセル９２が持つ複数の表面に入射する光線を足し合わせれば、ボクセル９２の位置で流体に作用する光線量が求められる。本実施の形態では、このような考え方に基づいて各格子点９０の位置での「立体照度」を算出する。
【００４８】
図６は、立体照度の計算方法を模式的に示す図である。図６は、格子点９０を中心とするボクセル９２が持つ複数の表面９４ａ，９４ｂ，９４ｃ，９４ｄ，９４ｅ，９４ｆのそれぞれに向けて入射する光線ＬＡ，ＬＢ，ＬＣ，ＬＤ，ＬＥ，ＬＦを示している。図６では、各表面９４ａ〜９４ｆに直交する方向に光線ＬＡ〜ＬＦが入射するように示されているが、光線が各表面９４ａ〜９４ｆに斜めの方向に入射してもよいし、様々な方向に進む複数の光線が各表面９４ａ〜９４ｆに入射してもよい。
【００４９】
このとき、各表面９４ａ〜９４ｆ上での照度Ｅｉ（ｉ＝ａ〜ｆ）は、各表面９４ａ〜９４ｆに入射する光線の強度Ｐ（Ｗ）と、光線の入射角度αとに依存する。各表面９４ａ〜９４ｆの面積をＳｉとすれば、Ｅｉ＝Σ（Ｐｊ・ｃｏｓαｊ）／Ｓｉと表すことができる。ここで、添え字のｊは、各表面９４ａ〜９４ｆに入射する複数の光線を識別するための符号である。格子点９０の立体照度Ｅｖは、各表面９４ａ〜９４ｆ上での照度Ｅｉを足し合わせることにより算出され、Ｅｖ＝ΣＥｉと表すことができる。このようにして算出される立体照度Ｅｖは、ボクセル９２に入射する光線の強度の総和に比例するため、ボクセル９２に作用する光線量の総和を表す指標として用いることができる。
【００５０】
図２に戻り、立体照度演算部１６は、光線解析モデル８０に設定される複数の格子点９０のそれぞれの位置における立体照度Ｅｖを演算する。立体照度演算部１６は、各格子点９０に対応するボクセル９２が持つ複数の表面９４ａ〜９４ｆ上の照度Ｅｉを光線追跡の演算結果に基づいて算出する。立体照度演算部１６は、算出した複数の表面９４ａ〜９４ｆ上のそれぞれの照度Ｅｉを足し合わせることにより、各ボクセル９２に対応する格子点９０の立体照度Ｅｖを算出する。したがって、立体照度演算部１６は、ボクセル９２に向けて複数の方向から入射する光線量に基づいて立体照度Ｅｖを算出する。
【００５１】
立体照度演算部１６は、つづいて、流体解析モデル７０に含まれる体積要素７２の重心７４の位置での立体照度を計算し、光線解析の結果を流体解析モデル７０に反映させる。流体解析と光線解析は異なる計算アルゴリズムに基づくため、それぞれの解析にて定義されるメッシュ形状を一致させる必要はなく、具体的な計算手法によっては両者が一致しないかもしれない。つまり、流体解析モデル７０の体積要素７２の形状と光線解析モデル８０のボクセル９２の形状が異なっており、光線解析モデル８０での格子点９０の位置と流体解析モデル７０の体積要素７２の重心７４の位置とが一致しないことが考えられる。そこで、立体照度演算部１６は、流体解析モデル７０において立体照度が扱えるように流体解析モデル７０の体積要素７２の位置を基準にした立体照度への変換処理をする。
【００５２】
図７は、流体解析モデル７０への立体照度の適用方法を模式的に示す図である。図７では、流体解析モデル７０に含まれる特定の体積要素７２と、光線解析モデル８０における計測面８８のメッシュ形状および複数の格子点９０とを重ね合わせて示している。図示されるように、体積要素７２の重心７４の位置と格子点９０の位置は一致せず、互いにずれている。
【００５３】
立体照度演算部１６は、体積要素７２の立体照度を算出するため、体積要素７２の周りに設定される複数の格子点９０の立体照度を用いる。立体照度演算部１６は、体積要素７２の周りの格子点９０の立体照度の値を内挿することにより体積要素７２の立体照度を算出する。立体照度演算部１６は、例えば、各格子点９０から体積要素７２の重心７４までの距離に応じた加重平均により体積要素７２の立体照度を計算する。立体照度演算部１６は、各格子点９０に対応するボクセル９２と体積要素７２とが重複する体積に応じた加重平均をしてもよい。その他、体積要素７２の重心７４に最も近い格子点９０の立体照度の値をそのまま体積要素７２の立体照度として用いてもよい。
【００５４】
図２に戻り、積算照度演算部１８は、流体解析モデル７０を通過する際に標識粒子７６が光線から受ける照度の積算値である積算照度を演算する。積算照度演算部１８は、図３に示されるように解析された標識粒子７６の軌跡７８に基づいて標識粒子７６が通過する体積要素７２を特定する。つづいて、特定された体積要素７２を通過する際に標識粒子７６が受ける積算照度を立体照度演算部１６が算出した立体照度を用いて演算する。立体照度演算部１６は、例えば、体積要素７２の立体照度（Ｗ／ｃｍ２）に体積要素７２の通過時間（ｓ）を掛け合わせることで、一つの体積要素７２の通過時に受ける積算照度（Ｊ／ｃｍ２）を算出する。積算照度演算部１８は、標識粒子７６の軌跡７８と交差する全ての体積要素７２について積算照度を算出し、これらを足し合わせることにより、標識粒子７６が流路構造を通過する際に受ける積算照度を計算する。積算照度演算部１８は、流体解析部１２が解析した複数の標識粒子７６について、各標識粒子７６が流路構造を通過する際に受ける積算照度を計算する。
【００５５】
殺菌効果演算部２０は、積算照度演算部１８が演算した標識粒子７６の積算照度に基づいて、解析した流路構造の殺菌効果を演算する。殺菌効果演算部２０は、例えば、複数の標識粒子の積算照度の分布を示すヒストグラムを作成し、所定の殺菌効果を実現するための積算照度の閾値ＤＴを超える標識粒子の割合がどの程度であるかを算出する。
【００５６】
図８は、複数の標識粒子７６の積算照度Ｄを模式的に示すグラフであり、複数の標識粒子７６の積算照度Ｄの分布を示すヒストグラムである。グラフの縦軸は粒子数Ｎであり、グラフの横軸は標識粒子が受ける積算照度Ｄである。殺菌効果演算部２０は、積算照度演算部１８の演算結果に基づいて図示されるようなヒストグラムを作成し、全粒子数Ｎ０＝Ｎ１＋Ｎ２に占める閾値ＤＴを超える標識粒子の割合Ｎ２／Ｎ０を算出する。閾値ＤＴの値は、処理対象となる菌の種類に応じて異なっており、殺菌効果演算部２０は、例えば、記憶装置３４に保持される菌種と閾値ＤＴの対応関係を示す情報を参照し、その閾値ＤＴの値を超える標識粒子の割合Ｎ２／Ｎ０を算出する。
【００５７】
殺菌効果演算部２０は、別の方法で殺菌効果を演算してもよく、例えば、積算照度Ｄと菌の生存率βとの関係を示すパラメータを用いて殺菌効果を定量的に評価してもよい。例えば、不活化速度定数ｋを用いれば、菌の生存率β＝ｅｘｐ（−ｋＤ）と表すことができる。不活化速度定数ｋは、実験的に求めることができ、例えば、シャーレの菌に対して紫外線を照射し、積算照度Ｄと生存率βの関係を得ることにより導出できる。複数の標識粒子７６のそれぞれの積算照度をＤｉと表した場合、解析した流路構造の全体としての菌の生存率βＴは、βＴ＝（１／Ｎ０）Σｅｘｐ（−ｋＤｉ）と表すことができる。なお、添え字のｉは、複数の標識粒子７６を識別するための符号である。
【００５８】
殺菌効果演算部２０は、図８に示すヒストグラムと、不活化速度定数ｋとに基づいて殺菌効果を演算してもよい。複数の標識粒子７６をそれぞれの積算照度の値に基づいて各階級に分類し、分類された階級の積算照度Ｄｊと、その階級に含まれる粒子数がＮｊとを用いて殺菌効果量を演算する。各階級の積算照度Ｄｊは離散化されており、例えば、積算照度Ｄについて（Ｄｊ−１＋Ｄｊ）／２≦Ｄ＜（Ｄｊ＋１＋Ｄｊ）／２の条件を満たす標識粒子７６がｊ番目の階級に分類される。このとき、菌の生存率βＴは、βＴ＝Σ（Ｎｊ／Ｎ０）ｅｘｐ（−ｋＤｊ）と表すことができる。
【００５９】
つづいて、解析装置１０の動作の流れについて説明する。図９は、実施の形態に係る解析方法を示すフローチャートである。流体解析部１２は、流体解析モデル７０における流路構造内の流体および標識粒子の運動を流体解析により数値的に演算する（Ｓ１０）。光線解析部１４は、光線解析モデル８０における流路構造内の光線の分布を光線追跡により数値的に演算する（Ｓ１２）。立体照度演算部１６は、光線解析モデル８０に設定される格子点９０の立体照度を演算し（Ｓ１４）、格子点９０の立体照度から流体解析モデル７０に設定される体積要素７２の立体照度を算出する（Ｓ１６）。積算照度演算部１８は、体積要素７２の立体照度に基づいて、流路構造を通過する標識粒子７６が光線から受ける積算照度を算出する（Ｓ１８）。殺菌効果演算部２０は、標識粒子７６が受ける積算照度に基づいて、流路構造を通過する流体に作用する殺菌効果を演算する（Ｓ２０）。
【００６０】
本実施の形態によれば、流路構造内の光の状態を光線追跡により解析するため、流路構造内での光の反射や散乱などを考慮することができる。また、標識粒子に向けて複数の方向から入射する光線量を用いて標識粒子の積算照度を計算することにより、光源から標識粒子に直接向かう光線だけではなく、流路構造内で反射ないし散乱されて標識粒子に向かう光線量を反映させることができる。これにより、流路構造内で光線が反射ないし散乱される流路構造をモデル化する場合であっても、標識粒子に作用する光線量を精度良くシミュレーションすることができる。また、標識粒子に作用する積算照度を高精度で求めることにより、照射装置の定量的な殺菌効果をより高い精度で得ることができる。
【００６１】
以上、本発明を実施の形態にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。
【００６２】
上述の実施の形態では、光線解析モデル８０にて演算した格子点９０の立体照度を流体解析モデル７０に反映させる演算方法を示した。変形例では、流体解析モデル７０にて演算された標識粒子７６の運動の軌跡７８を光線解析モデル８０に反映し、光線解析モデル８０において標識粒子７６が受ける積算照度を算出してもよい。この場合、流体解析モデル７０における標識粒子７６の運動の軌跡７８が光線解析モデル８０の座標系に変換され、変換された標識粒子７６の軌跡と交差するボクセル９２の立体照度を積算することで標識粒子７６の積算照度を算出することができる。
【００６３】
さらなる変形例では、流体解析モデル７０における体積要素７２の形状と、光線解析モデル８０におけるボクセル９２の形状を一致させ、光線解析モデル８０を用いて体積要素７２の立体照度を直接的に算出してもよい。この場合、体積要素７２が持つ複数の面上の照度が算出され、その照度を足し合わせることにより体積要素７２の立体照度が計算される。これにより、体積要素７２に入射する複数の方向から入射する光線量に基づいて、体積要素７２の立体照度を得ることができる。
【００６４】
上述の実施の形態では、紫外光照射による殺菌処理をシミュレーションする場合について示したが、変形例では、殺菌以外の用途、例えば、紫外光照射による有機物の分解処理等のシミュレーションに用いられてもよい。また、流体への光照射処理のシミュレーションは紫外光に限られず、可視光に用いる処理に適用してもよい。
【符号の説明】
【００６５】
１０…解析装置、１２…流体解析部、１４…光線解析部、１８…積算照度演算部、５０…照射装置、５２…光源、６０…流路構造、６８…制御装置、７２…体積要素、７６…標識粒子、７８…軌跡、９０…格子点、９２…ボクセル、９４…表面。
【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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【図８】
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【図９】
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