(57)【要約】【課題】ガラス管にフッ素樹脂を被覆することによる紫外線照射量の低下を抑制する。【解決手段】紫外線ランプ３７と、この紫外線ランプ３７が挿入される石英ガラス管３９と、この石英ガラス管３９の外表面を被覆するＦＥＰ膜４１とを備え、石英ガラス管３９とＦＥＰ膜４１を石英分子及びＦＥＰ分子の化学結合層４３を介して接合して、石英ガラス管３９を透過した紫外線を、巨視的にみて反射の法則と無関係に多方向４９に拡散させてＦＥＰ膜に拡散透過させるようにする。これにより、石英ガラス管３９の外面とＦＥＰ膜４１の内面の境界面で紫外線が正反射されないから、紫外線が正反射されて紫外線ランプに吸収されることを防止でき、紫外線照射量の低下を抑制することができる。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
紫外線ランプと、該紫外線ランプが挿入された紫外線透過性を有するガラス管と、該ガラス管を被覆するフッ素樹脂膜とを備え、
前記ガラス管と前記フッ素樹脂膜は、前記ガラス管を構成する分子と、前記フッ素樹脂膜を構成する分子とが化学結合した化学結合層を介して接合されてなる紫外線照射装置。
【請求項２】
前記ガラス管は石英ガラスで構成され、前記フッ素樹脂膜はテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロポリプロピレン共重合体で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の紫外線照射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、紫外線照射装置に係り、特に、紫外線ランプが内挿されるガラス管を備えた紫外線照射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
紫外線照射装置は、紫外線透過性を有するガラス管に挿入された紫外線ランプを、例えば、被処理流体が流入する流路または被処理流体が収容される槽内に設置して、被処理流体中の微生物の殺滅、有機物の酸化分解、その他の有毒物質の分解などを行なうものである。
【０００３】
このようなガラス管の外表面に、被処理流体中の微生物、有機物質及びその他の汚物などが付着すると、紫外線ランプから被処理流体への紫外線の照射が妨げられ、装置としての所望の能力が得られなくなるという問題がある。
【０００４】
この問題を解決するために、ガラス管の外表面にフッ素樹脂膜を被覆して付着物が付き難くするという方法があり、具体的には、熱収縮性を持たせたチューブ状のフッ素樹脂膜にガラス管を挿入し、フッ素樹脂膜を加熱して縮ませて締めつけるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平２−４８０９２号公報（第２頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、光が一の媒質から他の媒質に透過するとき、その光の一部は媒質の境界面で正反射することが知られている。このような現象は紫外線照射装置においても生じ、例えば、紫外線ランプから照射された紫外線はガラス管の内面や外面などの境界面で正反射する。この正反射した紫外線が、紫外線ランプの放電管壁に当たると吸収されてしまい、被処理流体に照射される紫外線の量が減るという問題がある。特に、従来のものは、ガラス管とフッ素樹脂膜が単に接しているだけなので、ガラス管の内面、ガラス管の外面、フッ素樹脂膜の内面、及びフッ素樹脂膜の外面の４つの境界面が存在し、紫外線がその各々の境界面で正反射されて比較的大幅に紫外線照射量が低下するという問題がある。しかも、従来のガラス管とフッ素樹脂膜は、微視的にみて点接触しているに過ぎないためガラス管とフッ素樹脂膜の間には薄い空気層が存在し、この空気層が紫外線の正反射を助長して、紫外線照射量を低下させている。
【０００７】
このように紫外線の照射量が低下すると、例えば、紫外線ランプの設置数や紫外線ランプの出力などを増やして紫外線照射量を補う必要が生じ、装置の大型化や、設備費及び電力費が増大するなどの問題が生じる。
【０００８】
また、ガラス管にフッ素樹脂膜を被覆する方法に代えて、紫外線照射中にガラス管に沿ってワイパを摺動させて外表面の付着物を払拭するという方法が考えられる。この場合、フッ素樹脂膜を設ける必要がなくなるのでフッ素樹脂膜による紫外線照射量の低下を改善できる。しかしながら、ワイパを摺動させる機構は、装置の構成が複雑になるとともに、被処理流体の種類によってはメンテナンスの頻度が多くなるなどの問題がある。このため用途や被処理流体の種類などに応じて、フッ素樹脂膜によってガラス管を被覆することが必要とされる。
【０００９】
そこで、本発明は、ガラス管にフッ素樹脂膜を被覆することによる紫外線の照射量の低下を抑制することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、紫外線ランプと、この紫外線ランプが挿入される紫外線透過性を有するガラス管と、このガラス管の外表面を被覆する紫外線透過性を有するフッ素樹脂膜とを備えた紫外線照射装置において、ガラス管とフッ素樹脂膜を、ガラス管を構成する分子とフッ素樹脂膜を構成する分子とが化学結合した化学結合層を介して接合することにより上記課題を解決する。
【００１１】
このように、ガラス管とフッ素樹脂膜との間に、ガラス管を構成する分子とフッ素樹脂膜を構成する分子とが化学結合した化学結合層を形成することで、ガラス管を透過した紫外線を、巨視的にみて反射の法則と無関係に多方向に拡散させてフッ素樹脂膜に透過させることができる。つまり、化学結合層を形成してガラス管とフッ素樹脂膜との間の空気層をなくし、ガラス管の外面とフッ素樹脂膜の内面で紫外線が正反射されないようにすることで、紫外線が正反射されて紫外線ランプの放電管壁に吸収されることを防止でき、紫外線照射量の低下を抑制することができる。
【００１２】
この場合において、化学結合層は、ガラス管とフッ素樹脂膜を、例えば、シランカップリング剤などのカップリング剤を介して結合させることで形成する。また、化学結合層は、ガラス管とフッ素樹脂膜を紛体塗装により結合させることで形成する。
【００１３】
また、ガラス管は石英ガラスで構成し、フッ素樹脂膜はテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロポリプロピレン共重合体で構成することができる。これにより、例えば被処理流体が水を主とする流体である場合、水に接する媒質の屈折率を水に比較的近づけることができる。したがって、水の境界面における臨界角を大きくできるので、その分だけ大きな入射角で紫外線を照射、つまり広い範囲で紫外線を照射できるから紫外線照射量を増やすことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用してなる紫外線照射装置の一実施形態を図１〜図３を参照して説明する。図１は、本発明を適用してなる紫外線照射装置の概略側面図である。図２は、紫外線ランプが挿入された保護管を長手方向からみた断面図である。図３は、石英ガラス管、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロポリプロピレン共重合体膜及び化学結合層の分子構造を示した概略図である。
【００１５】
本実施形態の紫外線照射装置１は、図１に示すように、紫外線処理槽３、流入槽５、流出槽７、で構成される開水路と紫外線処理槽３の中に設置されている紫外線照射モジュール８などで構成されている。紫外線処理槽３は、紫外線処理槽用脚部９の上に据え付けられ、上流側に流入槽５が、下流側に流出槽７が一体に形成されている。流入槽５は、流入槽用脚部１１の上に据え付けられ、紫外線処理槽３の底面よりも低い位置に底面を有しており、流入槽５の下部側面には、流入口１３を形成するフランジ管１５が取り付けられている。流出槽７は、流出槽用脚部２０の上に据え付けられ、内部が上部槽１７と下部槽１９の２段構造になっており、下部槽１９は、紫外線処理槽３の底面よりも低い位置に底面を有している。上部槽１７の底板１８に形成されている図示していない穴の上側の周囲には、枠状の越流堰２１が設けられており、下部槽１９の側面には、流出口２３を形成するフランジ管２５が取り付けられている。
【００１６】
紫外線照射装置１には、１以上の紫外線照射モジュール８が設置されており、紫外線照射モジュール８は、防食性の材質、例えばステンレスやアルミニウムなどの金属や樹脂などで形成されたフレーム２９、紫外線を透過する材質で形成された保護管３１を２本備えて構成されている。フレーム２９は、保護管３１より長く形成された横枠２９ａと、横枠２９ａに垂直に固定された縦枠２９ｂ、２９ｃからなり、縦枠２９ｂ、２９ｃには、保護管３１の両端部を保持するソケット３３と３５が各々取り付けられている。保護管３１は、ソケット３３と３５内に備えられたＯ−リングなどのシール材により保護管３１内に液体が進入しないようにシールされた状態で支持されている。紫外線照射モジュール８は、紫外線処理槽３内の流入槽５側と流出槽７側の側面間に固定されたアングル材からなるラック３８に、横枠２９ａの両端部を引っ掛けて吊り下げられた状態で設置されている。
【００１７】
次に、本発明の特徴部である保護管の構成について説明する。保護管３１は、図２に示すように内部に紫外線ランプ３７が挿入される構造であり、石英ガラス管３９と、石英ガラス管３９の外表面に被覆されたＦＥＰ膜４１で形成されている。石英ガラス管３９とテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロポリプロピレン共重合体（以下、ＦＥＰと略称する）膜４１との間には、図３に示すように、石英ガラスを構成する分子とＦＥＰを構成する分子とが化学結合して混在する化学結合層４３が形成され、石英ガラス管３９とＦＥＰ膜４１は化学結合層４３を介して密着されている。化学結合層４３は、石英ガラス管３９とＦＥＰ膜４１を固相反応により結合させることで形成する。具体的には、石英ガラス管３９とＦＥＰ膜をシランカップリング剤によって結合する、もしくは、紛体塗装によって結合ことにより形成する。また、固相反応により化学結合層４３を形成できれば、他の方法を用いることもできる。
【００１８】
このような構成の紫外線照射装置１の動作と本発明の特徴部について説明する。流入槽５に流入口１３から流入した、例えば水などの被処理液は、紫外線処理槽３に設置された紫外線照射モジュール８の保護管３１の長手方向に沿って流れ、紫外線の照射を受けることにより、被処理液中の微生物の殺滅、有機物の酸化分解、その他の有毒物質の分解などが行なわれる。流出槽７の上部槽１７に設けた越流堰２１を越えた被処理液は、下部槽１９に落下し、流出口２３から次工程などに送られる。紫外線処理槽３内の被処理液の水位（図１中に２点鎖線で示す）は、越流堰２１によって、上側の保護管３１上面が水没した状態になるように保たれている。
【００１９】
ここで、紫外線の照射について説明する。紫外線ランプ３７から保護管３１を介して被処理液に照射される紫外線の一部は、図２の符号４５の矢印で示すに、石英ガラス管３９の内面で正反射し、紫外線ランプ３７の放電管壁にぶつかって吸収される。一方、石英ガラス管３９の内面を正透過した紫外線は、符号４７の矢印で示す石英ガラス管３９内を通過する間に、石英の厚み及び吸光係数に応じた量だけ減衰する。そして、石英ガラス管３９を通過した紫外線は、符号４９の矢印で示すように、化学結合層４３において多方向に拡散透過し、つまり、巨視的にみて正透過及び正反射せずにＦＥＰ膜４１内に入射する。ここで、ＦＥＰ膜４１内のＦＥＰの結晶度が４０〜５０％であり、ガラス状ＦＥＰ中に無秩序に内包さていることから、化学結合層４３からＦＥＰ膜４１に入射した紫外線は、正透過せずにＦＥＰ膜４１内でさらに拡散透過する。拡散した紫外線は、ＦＥＰ膜４１内を通過する間に、ＦＥＰの厚み及び吸光係数に応じた量だけ減衰する。ＦＥＰ膜４１を通過した紫外線の一部は、被処理液とＦＥＰ膜４１との境界面で正反射して失われ、透過した残りの紫外線が被処理液に照射される。
【００２０】
このように本実施形態によれば、石英ガラス管３９とＦＥＰ膜４１との間に石英分子とＦＥＰ分子が混在する化学結合層４３を形成することで、石英ガラス管３９を透過した紫外線を、巨視的にみて反射の法則と無関係に多方向に拡散透過させてＦＥＰ膜４１に入射させることができる。したがって、従来のように、空気層と石英ガラス管３９の外面の境界面、及び空気層とＦＥＰ膜４１の内面の境界面で紫外線が正反射される紫外線照射装置に比べ、正反射によって紫外線ランプ３７に吸収される紫外線を減らすことができ、石英ガラス管３９にＦＥＰ膜４１を被覆することによる紫外線照射量の低下を抑制することができる。
【００２１】
ここで、本実施形態の効果について一例を挙げて説明する。一例として石英ガラス管３９の外径を３０ｍｍ、厚みを１．２ｍｍ、石英ガラス管３９の外表面に化学結合されたＦＥＰ膜４１の厚さを２００μｍとする。なお、空気から石英への垂直入射反射率Ｒ１を０．０４、ＦＥＰから被処理液（水）への垂直入射反射率Ｒ２を０．０００２、石英の吸光係数を０．０５８３、ＦＥＰの吸光係数を０．１とする。
【００２２】
このようにな紫外線照射装置から被処理液に照射される紫外線は、石英ガラス管３９の内面において、反射率Ｒ１に相当する４％が正反射され紫外線ランプ３７の放電管壁に吸収される。石英ガラス管３９を正透過した残りの紫外線は、石英ガラス管３９を通過する間、石英ガラス管３９の厚みに応じて０．７％減衰する。石英ガラス管３９内での垂直に入射する紫外線の減衰割合は次式により求めることができる。
１−ｅｘｐ（−０．０５８３＊０．１２）＝０．００７              （１）
石英ガラス管３９を通過した紫外線は、化学結合層４３において多方向に拡散透過してＦＥＰ膜４１内に入射する。化学結合層４３を拡散透過した紫外線は、ＦＥＰ膜４１を通過する間に０．２％が減衰する。ＦＥＰ膜４１内での垂直に入射する紫外線の減衰割合は次式により求めることができる。
１−ｅｘｐ（−０．１＊０．０２）＝０．００２                    （２）
ＦＥＰ膜４１を通過した紫外線は、ＦＥＰ膜４１と被処理液の境界面において、反射率Ｒ２に相当する０．０２％が正反射されて失われ、残りの紫外線が被処理液に入射する。従って、紫外線ランプ３７から放射された紫外線が、被処理液中に透過する割合である透過率Ｄは、垂直に入射する紫外線について以下の式により求めることができる。
2004249239.tif 000003
このように、本実施形態の透過率Ｄは０．９５１となり、紫外線ランプから出力された紫外線の約９５％が被処理液に照射されることになる。これに対して、石英ガラス管に単にＦＥＰ膜を被覆しただけの従来の紫外線照射装置において、石英ガラス管の外径を３０ｍｍ、厚みを１．２ｍｍ、石英ガラス管の外表面に被覆されたＦＥＰ膜の厚さを２００μｍとする場合の透過率は０．８９４であり、出力された紫外線の約８９％しか被処理液に照射されないことになる。したがって、本実施形態によれば、石英ガラス管をＦＥＰ膜で被覆することによる紫外線照射量の低下を抑制することができる。
【００２３】
さらに、本実施形態は、保護管３１を、石英ガラス管３９の外表面にＦＥＰ膜４１を化学結合させて形成している。すなわち、ＦＥＰの屈折率は、例えば１．３３８であるから、被処理流体が水である場合、水の屈折率の１．３に近くできる。したがって、屈折率が１．５の石英ガラスのみで形成した保護管よりも、大きな臨界角を確保でき、その分だけ大きな入射角で紫外線を照射できるから紫外線照射量を増やすことができる。
【００２４】
具体的に、本実施形態の保護管−水界面の臨界角ｉは、次式から７６．３度となる。なお、ＦＥＰの屈折率ｎ１は１．３３８、水の屈折率ｎ２は１．３とする。
ｉ＝ｓｉｎ−１（１．３／１．３３８）                          （４）
これに対して、保護管を石英ガラス管のみで形成した場合の保護管−水界面の臨界角ｉは、次式から６０．１度となる。石英の屈折率ｎ１は１．５とする。
ｉ＝ｓｉｎ−１（１．３／１．５）                              （５）
このように、紫外線ランブから斜めに入射した紫外線が水との界面で全反射して水中へ透過しない割合が本発明の方が少なく、結果として紫外線の透過率を向上することができるのである。
【００２５】
この本実施形態の効果の一例について図４を用いて説明する。図４は、縦軸に紫外線照射量、横軸に照射時間を表し、本実施形態の紫外線照射量と、保護管を石英ガラス管のみで形成した場合の紫外線照射量とを比較したグラフである。
【００２６】
本実施形態の紫外線照射装置の紫外線照射量と、保護管を石英ガラス管のみで形成した紫外線照射装置の紫外線照射量とを比較した。比較試験は、一例として同一の標準光源（紫外線出力２０Ｗ）、同一の紫外線照射装置（内径１００ｍｍ／全長１０１５ｍｍ）を用い、石英ガラス管３９の外径を３０ｍｍ、厚みを１．２ｍｍ、石英ガラス管３９の外表面に化学結合されたＦＥＰ膜４１の厚さを２００μｍとする本実施形態の保護管と、石英ガラス管３９の外径を３０ｍｍ、厚みを１．２ｍｍのみで形成された保護管との比較試験を行った。この結果、図４に示すように、本実施形態の保護管を適用した装置の紫外線照射量が１．４５倍大きく、紫外線の透過率が１．４５倍に向上することができた。
【００２７】
以上に述べたように、本実施形態によれば、石英とＦＥＰの化学結合層が拡散透過性を有することを活用して紫外線の正反射面を減らすことにより、石英ガラス管をＦＥＰ膜で被覆することによる紫外線透過率の低下を抑制することができる。また、ＦＥＰの屈折率が水に近いことを利用してＦＲＰ一水界面における全反射の割合を減少させることにより、被処理流体が水を主とする流体である場合に、紫外線の水中への透過率を向上させることができる。
【００２８】
また、本実施形態では、フッ素樹脂としてＦＥＰを用いているが、紫外線透過性が高く、石英ガラスを構成する分子との化学結合により拡散透過性が発現し、かつ、屈折率が小さい素材であれば何を用いてもよい。
【００２９】
また、本実施形態は、紫外線照射モジュール８を設置した紫外線処理槽３、流入槽５、流出槽７で構成される紫外線照射装置１であるが、本発明はこれに限らず、例えば、紫外線ランプを内挿したガラス管を縦型の筒状の槽中に上下方向に延在させて設置したものなど、様々な構成の紫外線照射装置に適用できる。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、ガラス管をフッ素樹脂で被覆することによる紫外線照射量の低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用してなる紫外線照射装置の概略側面図である。
【図２】紫外線ランプが挿入された保護管を長手方向からみた断面図である。
【図３】石英ガラス管、ＦＥＰ膜及び化学結合層の分子構造を示した概略図である。
【図４】縦軸に紫外線照射量、横軸に照射時間を表し、本実施形態の紫外線照射量と、保護管を石英ガラス管のみで形成した場合の紫外線照射量とを比較したグラフである。
【符号の説明】
３１  保護管
３７  紫外線ランプ
３９  石英ガラス管
４１  ＦＥＰ膜
４３  化学結合層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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