(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＥＤを紫外線光源とする光反応装置内の任意の受光位置における照度算出方法であって、
前記ＬＥＤに固有の配光分布に基づき、該配光分布により示される立体の比表面積を求めるステップと、
前記比表面積、前記ＬＥＤの全光束、及び前記配光分布に基づき、前記受光位置における照度を算出するステップと
からなる照度算出方法。
【請求項２】
前記照度を算出するステップは、前記比表面積に対する前記ＬＥＤの全光束の比と、前記ＬＥＤの発光位置から前記受光位置までの距離の２乗に対する前記配光分布の比の積に基づき、前記受光位置における照度を算出することからなる請求項１の照度算出方法。
【請求項３】
前記照度を算出するステップは、前記発光位置から前記受光位置までの光路に介在する前記光反応装置内の被処理液体の厚みと紫外線透過率とを考慮して、前記受光位置における照度を算出することからなる請求項２の照度算出方法。
【請求項４】
前記照度を算出するステップは、下記式
ｌｕ＝［（Ｐ／Ａ）・｛ｆ（θ）／Ｌ2｝］Ｔm
に従う演算を実行することを含み、ここで、ｌｕは前記受光位置における照度、Ｐは前記全光束、Ａは前記比表面積、ｆ（θ）は前記配光分布を示す放射角θの関数、Ｌは前記発光位置から前記受光位置までの距離、Ｔは前記被処理液体の紫外線透過率、ｍは前記発光位置から前記受光位置までの光路に介在する前記被処理液体の厚みである、請求項３の照度算出方法。
【請求項５】
前記照度を算出するステップは、前記発光位置と前記受光位置との間に介在する気液界面における紫外線の反射と屈折を考慮して、前記受光位置における照度を算出することからなる請求項２乃至４のいずれかの照度算出方法。
【請求項６】
前記光反応装置内の複数の受光位置に関して前記照度を算出するステップを実行することに基づき、該光反応装置における紫外線照度特性を示す情報を生成するステップを更に備える請求項１乃至５のいずれかの照度算出方法。
【請求項７】
ＬＥＤを紫外線光源とする光反応装置内の任意の受光位置における照度を算出するためのプログラムであって、プロセッサに、
前記ＬＥＤに固有の配光分布に基づき、該配光分布により示される立体の比表面積を求める手順と、
前記比表面積、前記ＬＥＤの全光束、及び前記配光分布に基づき、前記受光位置における照度を算出する手順と
を実行させることからなるプログラム。
【請求項８】
前記照度を算出する手順は、前記比表面積に対する前記ＬＥＤの全光束の比と、前記ＬＥＤの発光位置から前記受光位置までの距離の２乗に対する前記配光分布の比の積に基づき、前記受光位置における照度を算出することからなる請求項７のプログラム。
【請求項９】
前記光反応装置内の複数の受光位置に関して前記照度を算出する手順を実行することに基づき、該光反応装置における紫外線照度特性を示す情報を生成する手順を、前記プロセッサに更に実行させることからなる請求項７又は８のプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（以下、ＬＥＤという）を紫外線光源とする光反応装置内の任意の受光位置における紫外線照度を算出する方法及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
紫外線（以下、ＵＶという）を照射により殺菌あるいは微生物分解等の処理を行う液体処理装置あるいは水処理プラントなどにおいては、処理に使用する光反応器の性能を予想できることが望ましい。光反応器の性能を予想するには、その反応器内の照度分布、照射量に対する被反応物（液体等）の反応速度、さらにその反応器が流通式であれば反応器内の流れモデルの情報が必要である。照度分布と流れモデルから照射量が計算され、その照射量と反応速度式から反応器出口の未反応物濃度が算出される。【０００３】
照度分布の測定については、従来は、物理的なＵＶ照度計又は溶液の光化学反応を利用した化学光量計を使用して行われていた。しかし、ＵＶ光源として紫外線発光ダイオード（以下、ＵＶ−ＬＥＤという）を用いる場合、ＵＶ照度計による照度の測定については、現状ではＵＶ出力が小さいために、測定距離を短くしなければならず、そのため、光反応器内の立体的な照度分布の測定には適していなかった。また、化学光量計においては、ペトリ皿上にＵＶに反応する溶液を配置して、ペトリ皿上にＵＶを照射した時の溶液反応から化学的に照度測定を行う構成であるため、これも、光反応器内の立体的な照度分布を簡便に測定できるものではない。【０００４】
一方、ＵＶ−ＬＥＤではなく照明用ＬＥＤの立体的な照度分布をコンピュータによる解析に基づいて測定する技術も、例えば下記の特許文献１、２、３のように、知られている。しかし、これらは高度な光学シミュレーションを行うものであり、光反応器内の立体的な照度分布を簡便かつローコストに測定するために応用することができるものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平9-138862号公報
【特許文献２】特開2001-155181号公報
【特許文献３】特開2012-79537号公報
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、ＵＶ−ＬＥＤを利用した光反応装置内の立体的な照度分布を簡便に測定若しくは推定できるようにした照度算出方法及びプログラムを提供しようとするものである。
【０００７】
本発明に係る照度算出方法は、ＬＥＤを紫外線光源とする光反応装置内の任意の受光位置における照度算出方法であって、前記ＬＥＤに固有の配光分布に基づき、該配光分布により示される立体の比表面積を求めるステップと、前記比表面積、前記ＬＥＤの全光束、及び前記配光分布に基づき、前記受光位置における照度を算出するステップとからなる。また、前記光反応装置内の複数の受光位置に関して前記照度を算出するステップを実行することに基づき、該光反応装置における紫外線照度特性を示す情報を生成するステップを更に備える。
【０００８】
本発明によれば、ＬＥＤに固有の配光分布に基づき、該配光分布により示される立体の比表面積を求め、該比表面積、前記ＬＥＤの全光束及び前記配光分布に基づき、前記受光位置における照度を算出することを特徴としている。したがって、複雑な光学シミュレーションが不要であり、かつ、ＵＶ照度計又は化学光量計も使用しないので、光反応器内の任意の受光位置における照度を簡便な構成で測定若しくは推定することができる。そして、複数の受光位置に関して前記照度を算出することにより、該光反応装置におけるＵＶ−ＬＥＤの照度分布を簡便に測定若しくは推定することができる。
【０００９】
ＵＶ−ＬＥＤの進歩は目覚ましく、次々と新製品が誕生している。また、寿命により光源を交換する際、リプレース用として数年後、十数年後には、装置に使用した当時のＵＶ−ＬＥＤと同じ仕様のものを入手することが困難になっているものと想定される。したがって、光反応装置におけるＵＶ−ＬＥＤの照度分布を適切に測定若しくは推定することがよく多く必要とされるようになるので、本発明に従う簡便かつローコストなＵＶ−ＬＥＤの照度分布測定技術は、極めて有益である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施例に係る照度算出方法が適用される光反応装置の一例を示す正面略図。
【図２】本発明の一実施例に係る照度算出方法のフローチャート。
【図３】いくつかのＵＶ−ＬＥＤの配光分布を例示する図。
【図４】ＵＶ光線が液面で一部反射し屈折する状態を示す参考図。
【図５】図３に示すＵＶ−ＬＥＤ  Ａの配光分布のいくつかのバリエーションを例示する図。
【図６】図５に示す配光分布のバリエーションごとに、各透過率Ｔについて求めた必要照射時間の算出結果を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、本発明の一実施例に係る照度算出方法が適用される光反応装置の一例を示す正面略図であり、この光反応装置は1000 [ml] のペットボトル型光反応器１０からなる。この光反応器１０は、最大で1000 [ml] 程度の液体（例えば水）を収納できる円筒形の容器本体１１と、その上部を覆う着脱自在なキャップ１２とを含む。キャップ１２の底面の略中央にＵＶ−ＬＥＤ１３が設置され、ＵＶ−ＬＥＤ１３は半球ドーム状のＵＶ透過性の石英ガラスからなる保護カバー１４で液密に覆われている。また、キャップ１２の内部には、ＵＶ−ＬＥＤ１３からの発熱を冷却する冷却構造が組み込まれている。図示の便宜上、容器本体１１内のＵＶ−ＬＥＤ１３及び保護カバー１４が外側から透視しうるように描いてあるが、これらは外側から透視し得ないようになっていてよい。
【００１２】
次に、本発明の一実施例に係る照度算出方法について、図２のフローチャートを参照して説明する。この照度算出方法のフローチャートは、典型的には、適宜のパーソナルコンピュータ内にインストールされる本発明の照度算出方法に係るアプリケーションプログラムの概略フローであり、該コンピュータ内のプロセッサ（ＣＰＵ）によって実行される。例えば、このアプリケーションプログラムが非一過性のコンピュータ読取可能な記憶媒体内に記憶されており、該記憶媒体内に記憶されたアプリケーションプログラムがコンピュータ内にインストールされる。
【００１３】
まず、ステップＳ１では、照度算出対象であるＵＶ−ＬＥＤ（例えば図１におけるＵＶ−ＬＥＤ１３）の仕様情報を取得する。この仕様情報には、該ＵＶ−ＬＥＤに固有の全光束Ｐ [mW] 及び配光分布ｆ(θ）が含まれる。なお、これらの全光束Ｐ [mW] 及び配光分布ｆ(θ）は、当該ＵＶ−ＬＥＤの製品カタログや仕様書などから容易に知得し得るので、ユーザ操作によってコンピュータに入力することにより、コンピュータのプロセッサはこれらの仕様情報を取得することができる。
【００１４】
なお、当該ＵＶ−ＬＥＤの製品カタログや仕様書などから知れる配光分布（配光特性）は、例えば図３に示すような分布図であることが多い。図３は、円周方向が放射角θ、半径方向が相対ＵＶ強度（０〜１００％）を示す極座標により配光分布を示す図である。なお、放射角θとは、発光点から垂直（例えば真下）に延びた垂直線に対してなす角度である。図３においては、単なる例示として、或るＵＶ−ＬＥＤ  Ａの配光分布が実線で描かれ、別のＵＶ−ＬＥＤ  Ｂの配光分布が点線で描かれ、さらに参考として拡散光モデルの配光分布が１点鎖線で描かれている。当該ＵＶ−ＬＥＤの製品カタログや仕様書などから、当該ＵＶ−ＬＥＤの配光分布が関数ｆ(θ）で教示されていない場合は、図３に示すような配光分布を放射角θの関数ｆ(θ）として表現し、コンピュータに入力する。例えば、図３におけるＵＶ−ＬＥＤ  Ａの配光分布の関数ｆ(θ）は下記式（１）で表現され、ＵＶ−ＬＥＤ  Ｂの配光分布の関数ｆ(θ）は下記式（２）で表現され、拡散光モデルの配光分布の関数ｆ(θ）は下記式（３）で表現される。
【００１５】
0006627053.tif 000002
【００１６】
図２に戻ると、ステップＳ２では、前記対象ＵＶ−ＬＥＤに固有の前記配光分布ｆ(θ)に基づき、該配光分布により示される立体の比表面積Ａを求める。その場合、まず、極座標で表された前記配光分布の関数ｆ(θ)を、下記式（４），（５）に従い、図３の横軸をｘ軸とし、たて軸をｙ軸とするｘｙ座標に変換する。
【００１７】
ｘ＝ｆ(θ) sinθ       (4)
ｙ＝ｆ(θ) cosθ       (5)
【００１８】
配光分布ｆ(θ)により示される立体とは、図３に示すような２次元的配光分布ｆ(θ)を放射角θの０度に対応するｙ軸の回りで回転させた回転体である。従って、ステップＳ２において、比表面積Ａは、下記式(6)に示すような回転体の表面積を求める公式に基づき算出することができる。
【００１９】
0006627053.tif 000003
【００２０】
次に、ステップＳ３において、任意の受光位置（受光点）について、前記比表面積Ａと前記ＵＶ−ＬＥＤの全光束及び前記配光分布ｆ（θ）に基づき、照度ｌｕを算出する。比表面積Ａを用いて気中（発光点と受光点との間にＵＶを吸収する物質が存在しない条件）における任意の位置でのＵＶ照度ｌｕ [mW/cm2] は次式から求めることができる。なお、以下、便宜上、光反応装置（光反応器１０）の内壁面からのＵＶ反射は０である場合を想定する。
【００２１】
ｌｕ＝（Ｐ／Ａ）・｛ｆ（θ）／Ｌ2｝       (7)
ここで、Ｐは全光束 [mW]、Ｌは発光点から受光点までの距離（光路長）[cm] である。すなわち、任意の受光位置（受光点）における照度ｌｕは、前記比表面積Ａに対する前記ＵＶ−ＬＥＤの全光束Ｐの比（Ｐ／Ａ）と、該ＵＶ−ＬＥＤの発光位置（発光点）から前記受光位置（受光点）までの距離Ｌの２乗に対する前記配光分布の比（ｆ（θ）／Ｌ2）、の積に基づき算出し得る。ここで、比「Ｐ／Ａ」は、比表面積Ａに応じた「光束配分単位量」を示しており、全光束Ｐが同じ場合、比表面積Ａが大きいほど「光束配分単位量」が小さくなる。比「ｆ（θ）／Ｌ2」は、１受光点に至る特定の放射角θにおける配光分布上の相対ＵＶ強度（つまりθに対するｆ（θ）の値）を、該受光点までの距離Ｌの２乗で除した値であり、つまり距離Ｌに応じて２乗の割合で減少する「距離換算された相対ＵＶ強度」を示している。該「距離換算された相対ＵＶ強度」に前記「光束配分単位量」を乗算することで、該「距離換算された相対ＵＶ強度」が絶対値に換算され、当該１受光点における照度ｌｕを求めることができる。
【００２２】
光反応器１０内に液体が存在しない場合、ステップＳ３では、上記式（７）に従って、任意の受光位置（受光点）における照度ｌｕを算出するようにしてよい。そのような実施形態は、光反応装置（光反応器１０）において液体以外の処理対象物を処理する場合（つまり、発光点から放射されたＵＶが空気中を通って処理対象物に照射される場合）に適用しうる。
【００２３】
次に、図１に示す光反応器１０の容器本体１１内にフルに被処理液体が充填されている場合を想定する。その場合、保護カバー１４は半球状であるため、発光点から放射されたＵＶ光線が屈折も反射もすることなく、容器本体１１内の被処理液体を通る。その場合、ＵＶ照度ｌｕに対して影響を及ぼす要素として、該被処理液体のＵＶ透過率を追加的に考慮すればよい。すなわち、その場合、ステップＳ３では、次式に従って、前記発光位置（発光点）から前記受光位置（受光点）までの光路に介在する前記光反応装置（光反応器１０）内の被処理液体の厚みｍ [cm] とそのＵＶ透過率Ｔとを考慮して、前記受光点におけるＵＶ照度ｌｕを算出する。
【００２４】
ｌｕ＝［（Ｐ／Ａ）・｛ｆ（θ）／Ｌ2｝］Ｔm       (8)
ここで、Ｔは前記被処理液体の１ [cm] 当たりの該当ＵＶ波長の透過率であり、Ｔm は、受光点に到達するまでに該ＵＶ光線が通過する被処理液体の厚みｍ [cm] をベキ指数として、Ｔをベキ乗した値である。これにより、被処理液体のＵＶ透過率を考慮したＵＶ照度ｌｕを算出することができる。
【００２５】
次に、図１に示す光反応器１０の容器本体１１内にフルに被処理液体が充填されていない場合を想定する。その場合、発光点から放射されたＵＶ光線は、始め、気体中を進み、次に、被処理液体の液面（気液界面）で一部反射し残りが屈折して被処理液体中を進むことになる。したがって、その場合、ＵＶ照度ｌｕに対して影響を及ぼす要素として、該被処理液体の表面での一部反射と屈折を追加的に考慮する必要があり得る。図４を参照して、以下、この点について考察する。
【００２６】
図４は、ＵＶ光線が液面（気液界面）で一部反射し屈折する状態を示す参考図である。液面での光の屈折と反射を考慮した場合、液面への入射角は前記放射角θと同じであり、屈折角をφとすると、屈折率ｎは次式（９）で表される。この屈折率ｎは、ＵＶの波長と被処理液体に固有の数である。
0006627053.tif 000004
【００２７】
発光点から液面までの鉛直距離をｒ1、液面から受光点までの鉛直距離をｒ2とすると、発光点から受光点までの水平距離ｚは次式（１０）で表される。したがって、所望の受光位置（受光点）に関する水平距離ｚ及び距離ｒ1、ｒ2と、上記屈折率ｎを式（１０）に代入することにより、屈折角φを算出することができる。
0006627053.tif 000005
【００２８】
また、下記式（１１）により、気液界面（液面）での反射率Ｒを求めることができる。
0006627053.tif 000006
【００２９】
このようにして求めた屈折角φと反射率Ｒと、所望の受光位置（受光点）に関する水平距離ｚ及び距離ｒ1、ｒ2を考慮して、前記式（８）を書き換えると、該所望の受光位置（受光点）におけるＵＶ照度ｌｕは、下記式（１２）にしたがって算出され得ることになる。
0006627053.tif 000007
【００３０】
したがって、気液界面（液面）でのＵＶ光線の屈折と反射を考慮して任意の受光位置（受光点）におけるＵＶ照度ｌｕを算出する場合は、図２のステップＳ３では、前記式（１０），（１１）に基づいて屈折角φと反射率Ｒを算出し、前記式（１２）に基づいてＵＶ照度ｌｕを算出するようにすればよい。
【００３１】
なお、光反応装置（光反応器１０）内に気液界面（液面）が存在する場合においては必ず前記式（１２）にしたがってＵＶ照度ｌｕを算出しなければならないというわけではなく、あまり細かな精度を要求しないような用途にあっては、前記式（８）にしたがって（つまり被処理液体のＵＶ透過率のみを考慮して）ＵＶ照度ｌｕを算出してもよい。また、液体を処理するタイプの光反応装置（光反応器１０）においては必ず前記式（８）又は（１２）にしたがってＵＶ照度ｌｕを算出しなければならないというわけではなく、あまり細かな精度を要求しないような用途にあっては、前記式（７）にしたがって（つまり被処理液体のＵＶ透過率を考慮することなく）ＵＶ照度ｌｕを算出してもよい。
【００３２】
図２に戻ると、ステップＳ４では、前記ステップＳ３による上記照度ｌｕの算出処理を、光反応器１０内の複数の受光位置（受光点）についてそれぞれ行うようにし、そのようにして算出した複数の受光位置（受光点）についてＵＶ照度ｌｕに基づき、光反応器１０におけるＵＶ−ＬＥＤ１３のＵＶ照度特性を示す情報を生成する。このＵＶ照度特性として、例えば、算出した複数の受光位置（受光点）に関するＵＶ照度ｌｕの組合せにより、該光反応器１０におけるＵＶ−ＬＥＤ１３の紫外線照度分布を提示するようにしてよい。別の例としては、ＵＶ照度特性として、算出した複数の受光位置（受光点）のＵＶ照度ｌｕから平均的照度を求めることにより、該光反応器１０におけるＵＶ−ＬＥＤ１３の平均ＵＶ照度を提示するようにしてもよい。
【００３３】
なお、ステップＳ４におけるＵＶ照度特性を示す情報の作成処理はオプションであり、必須ではない。要は、ステップＳ３で算出した任意の受光位置（受光点）におけるＵＶ照度ｌｕのデータを応用目的に応じて適宜利用又は加工等すればよい。
【００３４】
なお、本発明の一実施例に係る照度算出方法が適用される光反応装置は、図１に示したような光反応器１０に限定されないのは勿論であり、どのようなタイプのＵＶ液体処理装置又はプラントにおいても適用可能であり、また、液体以外の処理対象物をＵＶ処理する装置においても適用可能である。
【００３５】
以上のように、本発明によれば、ＵＶ照度計や化学光量計等を使用することなく、ＵＶ−ＬＥＤのＵＶ照射性能を簡便に測定又は推定することができる。したがって、そのような使い勝手のよい本発明の技術を利用して、従来行われていなかったような検証も可能となる。そのような検証の１つとして、ＵＶ−ＬＥＤの配光特性が及ぼすＵＶ照射性能への影響について、以下、考察する。
【００３６】
一例として、図３におけるＵＶ−ＬＥＤ  Ａの配光分布ｆ(θ）のいくつかのバリエーションを図５に示す。このＵＶ−ＬＥＤ  Ａの配光分布ｆ(θ）は、前記式（１）で示された通りであるが、図５では、ＵＶ−ＬＥＤ  Ａの配光分布ｆ(θ）の指数部「θ2」を「αθ2」に変更し、「α」の値を「０．１」、「１」、「１０」、「１００」、「１０００」の５通りに変更した、５つのバリエーションを示している。図中、凡例において、「α」の各値に対応する配光分布を描いている線種を明示してある。検証の対象とする光反応装置は、図１に示した光反応器１０と同様の構成のものとし、具体的には、容器本体１１の内径を８ [cm]、高さを２０ [cm] とし、光源であるＵＶ−ＬＥＤ１３の全光束Ｐを１６．３ [mW] とした。配光分布ｆ(θ）の上記バリエーションのそれぞれについて、被処理液体の透過率Ｔとして９５％と８０％の２種を例にとり、半球状の石英製保護カバー１４の半径を１．２５ [cm] （石英の厚み０．１５ [cm]を含む）として、複数の受光点に関して、前記式（８）にしたがってそれぞれのＵＶ照度ｌｕを算出し、かつ、算出したＵＶ照度ｌｕから、それぞれのケースの平均ＵＶ照度を算出した。
【００３７】
次に、各ケース毎に、前記算出した平均ＵＶ照度に従うＵＶ照射によって一定の消毒効果を得るために必要な照射時間を算出した。その計算条件は、254 nm 光としての必要ＵＶ照射量を２６ [mJ/cm2] とし、保護カバー１４におけるＵＶ透過率を９０％、254 nm 光に対するUV-LED 発光波長の消毒効果（ＧＦ値）を７０％、光源寿命末期での照度維持率を７０％、保護カバー１４の汚れ付着に起因する透過率を９５％とした。反応器１０内に被処理液体が満たされているとして必要ＵＶ照射量に達するまでの必要照射時間を前記係数αのバリエーションごとに計算した。その結果を各透過率Ｔについて示したものが図６である。図６からも判るが、当然のことながら、配光分布が同じであれば、被処理液体の透過率Ｔが高い方が短い必要照射時間となった。係数αの値の変化に対する必要照射時間の挙動から、配光分布が平均ＵＶ照度に影響を与えており、同じ全光束Ｐの条件で平均ＵＶ照度を計算すると、係数αの値に最適値が存在することが分かり、また、そのときの係数αは液の透過率Ｔによって異なることがわかった。例えば、図６に示す検証結果では、透過率Ｔが９５％の場合は係数αの値が「１」の配光分布を持つＵＶ−ＬＥＤが最も短い必要照射時間となり、透過率Ｔが８０％の場合は係数αの値が「１０」の配光分布を持つＵＶ−ＬＥＤが最も短い必要照射時間を持つことがわかる。したがって、本発明の応用により、このような検証が簡便に行えることで、たとえば異なる配光分布からなる２種類のＵＶ−ＬＥＤがある場合に、どちらのＵＶ−ＬＥＤの方が用途に応じて高性能であるかを判断することができ、さらには、最適な反応器１０の形状と最適な配光分布の設計も可能となるであろう。
【図１】
0006627053.tif 000008
【図２】
0006627053.tif 000009
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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