紫外線長光路殺菌システム

　紫外線照射による空気殺菌は、［透過する放射束（エネルギー）密度　Ｘ　照射時間］により、殺菌能力が評価できます。

　紫外線を用いた空気殺菌装置は数多くありますが、紫外線の放射束（エネルギー）密度は、以下のような理由により減衰するため、紫外線の能力を使いきれず、効果的な殺菌を行うことが困難でした。

• 光学的・幾何学的な理由による減衰
• 透過による減衰
• 反射による減衰

光学的・幾何学的な理由による減衰

　紫外線の放射束密度は、光学的・幾何学的な理由により、光源からの距離に応じ低下します。
光源の形状により、紫外線の放射束の放射モデルが異なります。

光束とエネルギー

　可視光線の強さは、光線の物理的なエネルギーを、波長ごとに人の視覚に応じて重みづけされた、「光束」という物理量により表現されます。単位はｌｍ（ルーメン）といいます。
　光束は、人の視覚で捉えられる光のエネルギーを表現したものであり、実際の物理量の総量とは異なります。これに対し、紫外線など、可視光線以外の光線や電磁波の場合、「光束」ではなく、実際の物理量である、「放射束」という言葉で表現されます。

　いずれにせよ、光束や放射束という概念は、束状にモデル化された光線等によるエネルギーが、ある面を何本透過するか、というイメージで捉えられるよう、考えられたのでははないかと思います。

　光源から放射される放射束は、幾何学的・光学的な理由から、光源のタイプにより、減衰の度合いが異なってきます。

点光源

　完全な点光源から放射される放射束は、３次元的に、各方向に対し均等に放射されます。点光源の周囲の、均等な放射束密度（エネルギー密度）となる部分を結ぶと、球体面が形成されます。

　うにではありません。

　光源からの一定の立体角範囲に含まれる放射束（エネルギー）の量は、光源からの距離に関わらず、一定となります。

線光源

　線光源の場合、光源に直交する面上において２次元的に、各方向に対し均等に放射されます。光源の周囲の、均等な放射束密度（エネルギー密度）となる部分を結ぶと、円柱面が形成されます。

　放射束は面状にモデル化すると理解しやすくなります。

　光源に直交する面上において、光源からの一定の角範囲に含まれる放射束（エネルギー）の量は、光源からの距離に関わらず、一定となります。

光源からの放射エネルギー密度

　上述のように、光源から一定の角度内は、光源からの距離に関わらず、放射束（エネルギー）の量が一定となるため、下図の線光源・点光源それぞれについて、光源からの距離がｒ１となる面およびｒ２となる面を通過する放射束（エネルギー）Ｒ（Ｊ）は、等量となります。

　逆にいうと、光源からの距離に対する、単位面積あたりの放射束（エネルギー）、つまり、放射束密度（エネルギー密度）は、以下のように考えられます。
※ここで、
ｒ：光源からの距離（ｍ）、Ｓ：光源からの距離ｒかつ一定の角範囲内となる円柱面上の面積（㎡）、Φ：光源からの距離ｒの位置における放射束密度（Ｊ／㎡）、Ｒ：一定の角範囲の放射束（Ｊ）
とします。

線光源

ｒ　∝　Ｓ
Φ　＝　Ｒ／Ｓ
これらにより、
Φ　∝　１／ｒ　つまり、放射束密度は光源からの距離に反比例します。

例えば、図の場合、ｒ２／ｒ１＝２であれば、Ｓ２／Ｓ１＝２となり、光源からの距離ｒ１の面上に対し、距離ｒ２の面上での放射束密度は、１／２倍となります。

点光源

（ｒの２乗）　∝　Ｓ
Φ　＝　Ｒ／Ｓ
これらにより、
Φ　∝　１／（ｒの２乗）　つまり、放射束密度は光源からの距離の２乗に反比例します。

例えば、図の場合、ｒ２／ｒ１＝２であれば、Ｓ２／Ｓ１＝４となり、光源からの距離ｒ１の面上に対し、距離ｒ２の面上での放射束密度は、１／４倍となります。

つまり

　光源からの距離が大きくなるほど、殺菌能力が低下することがわかります。とりわけ点光源の場合、顕著となります。

↑ PAGE TOP

透過による減衰

　殺菌に用いられる紫外線は、ＵＶ－Ｃと呼ばれる短波長領域の紫外線で、オゾンや酸素を透過すると、吸収されて減衰します。
太陽光線にも含まれますが、大気中のオゾンや酸素に吸収されるため、地上には到達しません。しかしながら、ＵＶ－Ｃは生物のＤＮＡを破壊するため、殺菌作用と同時に人体にも有害であり、オゾン層破壊により地上に到達する危険性が指摘されています。

　ＵＶ－Ｃは、他の波長領域の紫外線と比較して、透過による減衰が大きいものの、通常の空気殺菌装置内程度の光路の長さでは、考慮する必要が無いものと考えます。

　オゾンや酸素の他、空気中を浮遊する埃や水蒸気、ウィルスを含む雑菌といったエアロゾルに衝突することによる減衰も考えられますが、これは可視光線でも同様であり、通常の室内環境であれば、空気が霞んで部屋の中が良く見えない、ということはないため、ＵＶ－Ｃの場合でも、ほとんど無視できるのではないかと考えます。

　尚、長光路殺菌システムは、水などの流体の殺菌にも用いることが可能ですが、水中は、空気中と比較して、紫外線の透過率が非常に小さい（減衰が大きい）ため、基本的に小規模な装置への適用（短距離の光路の形成）となります。

　その他、紫外線を透過させる部材については、通常のガラスは紫外線透過率が低いため、石英ガラス等を用います。

反射による減衰

　紫外線は、通常の鏡ではほとんど反射しません。殺菌に用いられる波長域の紫外線の反射率は、一般に、アルミニウムで４０～５０％、ステンレスで２０～３０％程度となります。

　通常、紫外線を反射させる場合、アルミ蒸着による特殊な反射面が用いられます。この場合、反射率は８０～９０％程度に高めることもできます。紫外線殺菌装置は、光源の周囲の筐体内面をアルミ蒸着面とし、光源からの直接光のみではなく、筐体内面での反射光を再利用する構造とすることが一般的です。

　筐体内面で１０回反射した場合、光路の距離は、筐体内の内径の１１倍となります。とはいえ、筐体内面を８５％の反射率の蒸着面としても、１０回の反射で光線のエネルギーは２０％以下に低下し、長い光路を計画しても、エネルギーが低下しながら反射を繰り返しているため、当該光路上のエネルギーの総和（殺菌できるエネルギー）は限定的です。
　さらに、筐体が閉鎖構造であれば、実際にはこれほど多くの反射回数となる光路を計画することは困難で、ほとんどの放射束（光束）をトレースすると、わずかな反射回数ののち再び光源を照射して、熱に変換されているのではないかと思います。

　ダクト内に紫外線殺菌装置を設置する場合は、通常の空気殺菌器具と比較して長大な流路に対して殺菌システムを構成することとなりますが、アルミ蒸着等による内面の反射面の処理は、コストが大きくなるため、光源付近の一定区間のみに限定されるものと考えられます。

　紫外線長光路殺菌システムは、基本的に、コリメーター（放物面鏡）を用いて平行光を生成するため、少なくとも一度反射することとなり、その分、生成された平行光は減衰します。
　また、光路および流路は、反射板を設置することにより、屈折させることができます。反射回数が多いほど紫外線光線は減衰するため、光路および流路は、極力屈折回数が少なくなるように計画します。

結論

　従来の紫外線殺菌装置は、上述の「．．．の課題」のように、紫外線光線のエネルギーやエネルギー密度の減衰により、効果的な殺菌が困難でした。
これに対し、「紫外線長光路殺菌システム」は、紫外線を平行光に変換することにより、通常の使用条件では半無限と言える長光路を実現し、革新的な殺菌効果の実現を期待することができます。

↑ PAGE TOP

　紫外線による殺菌灯の光源自体は、放射束を放射状に放射しますが、コリメーター（放物面鏡）を設置し、コリメーターの焦点となる位置に当該光源を設置することにより、放射状の放射束は、平行光（コリメート光）に変換することができます。

　平行光は、一般に、遠くを照らすビームのようなまっすぐな光の出る懐中電灯（小学校のお泊りイベントで持参した人がヒーローだった、あの懐中電灯です）や、サーチライト、車のハイビームなどに用いられます。

　紫外線長光路殺菌システムは、この平行光と殺菌対象の空気の流路とを一致させることにより、空気が当該流路上を通過する間中、継続的に殺菌されるように計画します。

※尚、長光路殺菌システムに用いるコリメーターは、アルミ蒸着等による高い反射率を持つ反射面とします。

　下の図は、空調ダクトに長光路殺菌システムを構成する場合の例として、コリメーター部分の拡大図を示しています。

　水色の曲面はコリメーター、紫色の点は光源、ピンク色の光束は直接光、水色の光束はコリメーターで反射した平行光を表しています。
クリックして拡大すると、コリメーターで反射された直接光と、コリメート光の光束の一本一本が対応していることがわかります。

　この図から、直接光自体は、放射状に放射されるため、ほとんど殺菌に活用されないことが分かります。
これに対し、コリメート光（平行光）は、全体として太く放射束密度（エネルギー密度）の高い直線状の光路となり、ダクト内の気体の流路と一致させることができ、ダクト内全体を漏れなく照射できることがわかります。

　また、空気中での紫外線の減衰を無視すると、無限に長大な光路および流路を構成でき、わずかな出力の光源でありながら、大量の空気の殺菌が可能な装置を実現できることとなります。（この場合、流路を長くした分、流速を大きくしたり、流路空間内の気流の向きを短辺方向に計画することなどにより、処理可能な風量を大きくします。）

　上述のように、長い直線状の流路内に平行光を投射することにより、多量の紫外線を、もれなく長時間照射可能な空気殺菌システムを構成することができますが、流路内面に反射板を設置することにより、当該流路は、光路とともに屈折させることができます。
　これにより、空調ダクトへの導入の場合であれば、既設のダクト形状に合わせて光路を追従させ、長大な光路を形成することができ、空気殺菌装置を構成する場合であれば、光路を折り返させることなどにより、コンパクトな装置を構成することができます。

紫色の線は紫外線光線をモデル化して表現し、水色の面は反射面（コリメーターおよびダクト屈折箇所の反射板）を示します。
このアニメーションでは、反射面での反射率が８５％と仮定し、紫外線光線のエネルギー密度を彩度として表現しています。
ＨＳＢカラーモデル上、直接光はＨ２８２、Ｓ１００％、Ｂ１００％、コリメーターによる平行光はＳ８５％、さらに屈曲部の反射板による反射光はＳ７１％として表現しています。
※Ｓ０％は完全な白となります。

　コリメーターを含め、紫外線光線は反射の度に減衰していますが、反射の回数が少ないため、光路全体として殺菌に活用される光線のエネルギーは非常に大きいことが分かります。