JP2005524524A - 無電極紫外線放出流体改善 - Google Patents

Abstract

球状（２３）または円筒状（２７，３６）の無電極紫外線ランプが、直接に、または、紫外線活性化光触媒表面の励起によって、流体を改善するのに使用され、この紫外線活性化光触媒表面は、ランプそれ自体の上、または、流体が透過できる構造体上にあることができる。ランプは、マグネトロン（２２）からのマイクロ波エネルギーによって、またはランプに誘導結合（４０）される高周波電源（３９）によって空洞（１８，１９，４３）内で励起され得る。ランプ（４４）は、始動電極（４７）を有することができる。

Description

本発明は、化学反応を促進する光触媒表面の励起を含む無電極紫外線放出装置からの紫外線放射を用いる有限空間内の流体の改善に関する。

通常の空気浄化器は、電極放電紫外線ランプを使用し、ある場合には、微生物を完全にまたは部分的に破壊するのに紫外光に依拠しており、別の場合には、紫外光が、ペレット充填層または通過する空気が透過できる構造体の表面にある光触媒を活性化する。同様の装置は、空気の流れまたは水の流れの光触媒酸化がこれらの流れを改善（すなわち殺菌）するかそうでなければ調和するために実行される化学工程に、使用できる。

ランプの寿命が短いので、空気浄化器の設計は、ランプの切り換えに適したものにする必要がある。そのような設計は、不必要に体積を大きくし、非常に多数の紫外線ランプと光触媒要素（使用される場合）とを必要とする。電極紫外線ランプ（水銀ランプなど）の効率は、３０％未満である、すなわち、入力電力のうち紫外線放射に変換されるのは３０％未満である。この種のランプは、米国特許第６，２８０，６８６号およびそこで参照されている特許に使用されている。

一例として、建物の居住空間内の汚染空気の空気浄化などといった工程の流れの商業的光触媒的処理に使用される現在の標準的な実施について検討してみよう。効果的な設計には、空間的にも時間的にも、紫外線光子、光触媒表面要素、および工程の流れ（例えば、空気浄化の例における空気中の汚染物質）を一緒にすることが必要である。現在の設計の実施では、光触媒を所定位置に固定し、紫外線照射源を光触媒の外部に配置する。その結果、光触媒表面要素は、不均一な照射、かすかな照射、また、無照射にされることになる。このような実施は、設計に可能な自由度を必然的に制限することになる。

例示的な適用例としては、現在の商業的光触媒空気浄化器は全て、電極放電紫外線ランプと、光触媒ペレットの充填層としてまたは光触媒被覆を有する多孔性モノリス担体（例えば、ハニカム、網目状発泡体、スクリーン、織り繊維または不織繊維、その他）として構成される光触媒要素とを使用する。この設計の主な欠点は、二つの部分を有する。第一は、紫外線放射源が、光触媒担体または光触媒表面の外部にある、すなわち、紫外線放射源と光触媒表面とが空間内で必然的に離れているので、照明は本質的に不均一であり、表面要素をかすかに照射するかまたは全く照射しないことになり、その結果、汚染物質の破壊が不十分になる。この本質的な欠点のために、適切に活性化された光触媒への汚染物質（工程の流れ）の供給を同時に達成しながら紫外線光子を光触媒へ供給するという設計目的は、困難な設計上の問題を生じる。第二に、流体処理装置はこれまで、紫外線放射の生成を持続するための電極間の放電に依拠する紫外線ランプの使用によって制限されてきた。これらの装置は、電極における熱の集中により生じる不純物の堆積を被っており、それによってまた、電子の放出が抑制され、従って、ＵＶ光放出が抑制される。ランプ照射は、ランプが古くなるにつれて時間とともに低減し、結果として約８，０００時間より短い有効ランプ寿命となるが、これは、電極に基づく紫外線ランプの本質的特徴である。これらの欠点の結果、空気浄化器の設計は、体積が大きくなり、非常に多数の紫外線ランプと光触媒要素とを必要とし、また多量の電力を消費する。空気浄化器の例は、外部照射の短所を例示するのに用いたが、これら同じ欠点は、光触媒の外部に紫外線放射源を有する適用全てにおいて本質的である。

ここで使用されるように、「改善（ｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ）」とは、光触媒処理および光化学処理を含み、また、（１）「汚染除去」（これはどのような微生物も、（ａ）（ｉ）完全または（ｉｉ）部分的に、（ｂ）（ｉ）破壊し、（ｉｉ）死滅させ、または（ｉｉｉ）蒸発させることを意味する）、および（２）「分解」（これは化合物の酸化または還元を意味する）を含む。

本発明の目的は、十年間を上回るランプ寿命を有する紫外線放射を用いる流体改善と、例えば効率８０％程度といった電気入力エネルギーの高い効率の利用率を有する紫外線流体改善と、高い効率の光触媒流体改善と、相対的に小型の空間内で実施できる流体改善と、エネルギー効率のよい方法で容易に実施される光触媒流体改善と、向上した紫外線および光触媒流体改善とを含む。

本発明によれば、無電極紫外線ランプが、流体改善区域内で使用される。紫外線ランプは、単独で、あるいは、所定の空間内の紫外線活性化光触媒表面と共に使用できる。ランプは、一群となって、あるいは個別に、マグネトロンにより提供されるマイクロ波によって活性化できる。ランプは、誘導結合高周波エネルギーによって活性化できる。光触媒表面は、ランプ上に位置することも、あるいは、光触媒要素または非光触媒要素の粒子上に位置することもできる。ランプは、球体あるいは円筒体とするができる。処理される流体は、空気、水、あるいは他の流体とすることができる。

さらに、本発明は、酸化反応または還元反応を処理するための光触媒的および光化学的処理に関する。本発明の可能な適用は、さまざまであり、例えば、居住空間（例えば、住宅用建物または商用建物、輸送車両、その他）の空気浄化、園芸商品の輸送中のエチレン制御、汚染土壌および水の改善などであり、また一般に任意の汚染空気または水の流れ用、化学合成用、および微生物殺菌用である。本発明のこの態様の鍵となる特徴は、ＵＶ光と光触媒表面との完全な統合であり、それによって、ＵＶ強度と流体相物質輸送過程とを独立して制御する自由度が増加する。本発明は、空気浄化および他の適用のための小型で高い効率の光触媒反応器と、長寿命の紫外線放出源とを提供する。本発明は、紫外線源と光触媒表面とを極めて近接させ、それによって、光触媒表面要素全てのほぼ均一な照射を達成する。紫外線照射源と光触媒表面とのこの完全な統合によって、一般に、紫外線強度と、輸送過程すなわち処理流れの中の化学反応物の光触媒表面への輸送とを独立して制御する自由度が大幅に向上する。

本発明は、十年間を上回る寿命の紫外線ランプを有する流体改善を提供し、それによって、装置を単純化するとともに維持費用を大幅に低減する。本発明は、高周波またはマイクロ波発生装置および空洞によるエネルギー移動損失を含む、８０％程度の紫外線効率を提供する。

本発明の他の目的、特徴および利点は、添付の図面に示されるような以下の例示的な実施態様の詳細な説明に照らしてさらに明らかになるであろう。

図１では、流体改善区域１３が、マイクロ波反射材料から構成されたダクト１４内に形成される。有限空間１７の各端部では、ダクト１４内の流体が透過できるマイクロ波反射体１８、１９が、共振マイクロ波空洞を形成する。マグネトロン２２が、マイクロ波電磁放射を空洞内に提供する。空洞内には、球体２３、２４が位置する。球体２３、２４全てが、球状無電極マイクロ波ランプを構成でき、この場合は、図１の流体改善区域は、紫外線照射のみによって微生物を完全または部分的に破壊するように機能する。他方では、本発明に従うと、球体２３は、球状無電極紫外線ランプを構成でき、球体２４は、紫外線活性化光触媒表面を有する非ランプ球体とすることができ、この場合は、図１の流体改善区域は、流体との光触媒反応を利用して、流体内の有機化合物を酸化または還元するなどといった所定の仕方で流体を改善する。その代わりに球体２３、２４は、それらの上に光触媒被覆を有する球状無電極紫外線ランプを構成することもでき、この被覆は、マイクロ波電磁放射に対して実質的に透明になるように十分に薄く、それによって、放射は、球体内の物質に浸透でき、それによって、球体２３、２４の表面上の光触媒を活性化する紫外線放射を維持する。被覆の厚みは、米国特許第５，８６５，９５９号から決定できる。この場合、流体内の物質との光触媒反応が存在する。図１では、球体２４の代わりに、球状無電極紫外線ランプ２３が、それらと共に分散された粒子を有することができ、粒子は、光触媒材料から構成されるか、あるいは、非光触媒材料であるがその上に光触媒被覆を有する材料から構成される。図１では、所望ならば、マイクロ波反射体１８、１９は、流体との相互作用を向上させるように光触媒で被覆することができる。

図２では、流体改善区域２６が、ダクト１４と、マイクロ波反射表面１８、１９と、マグネトロン２２とを含むが、球体の代わりに、それは、円筒状無電極紫外線ランプ２７を含む。ランプ２７は、それらの間の間隙内を流体が流れることができるように、それらの対称軸がダクトの長さ寸法に平行になるように配置されるが、円筒体の軸線とダクトの流れとの間のどのような可能な角度も許容できる。ランプ２７は、紫外線活性化光触媒の適切な薄層で被覆することができる。図２では、円筒状無電極紫外線ランプ２７は、それらと共に分散された粒子（例えば、球体、円筒体、または任意の形状）を有することができ、粒子は、光触媒材料から構成されるか、あるいは、非光触媒材料であるがその上に光触媒被覆を有する材料から構成される。

図３では、改善区域３０が、ダクト１４と、マグネトロン２２とを備えており、複数の透過性基体３１〜３３が含まれており、円筒状無電極紫外線ランプがそれらの間に配置される。少なくとも端部基体３３（他方は図示せず）は、ダクト１４内のマイクロ波空洞を形成するようにマイクロ波反射材料とする必要がある。基体３１〜３３は全て、光触媒表面を備えており、この光触媒表面は、ランプ３６からの放射によって活性化されると、流体内の物質（一般に炭化水素）との化学反応を引き起こして、これらを無害にするなどといった所望の仕方でこれらに影響を及ぼすために、これらの物質を酸化または還元する。

図１〜図３のように空洞共振によってエネルギーを与える代わりに、管３６は、図４のように、コイル４０によるＲＦ電源３９からの誘導結合される高周波（ＲＦ）電磁放射によって活性化することもできる。本発明の任意の実施に好都合なように、電源３９は、各管に対してコイル４０を有することができ、あるいは、各管は、それ自体の電源を有することができる。一方、各管３６は、図５のように、それ自体のマイクロ波空洞内に配置されることができ、マイクロ波空洞は、マグネトロン２２と共に、図５に示すような適切なマイクロ波反射、透過性材料４３で形成される。透過性基体３１〜３３および４３は、マイクロ波反射鏡として機能するとともに適切な流体を通過させることができる任意の種類のラビリンス、メッシュ、ネット、スクリーン、または他の多孔材料とすることができる。

本願で使用するように、「無電極紫外線ランプ」という用語は、ランプ内の電極による励起ではなくマイクロ波励起またはＲＦ励起によって紫外線放射を持続できる紫外線ランプを意味するが、図６の無電極ランプ４４に示すように、紫外線放出の開始を助けるために内部に電極が設けられたランプを含む。そこでは、ランプ４４は、ガス充填円筒体４６に加えて基部４５を有し、電極４７が、各基部から円筒体４６内へ延びている。点灯の際、始動電源４８が、一時的に電極４７に電力を供給して、上述したように円筒体が電磁放射で照射されている間に、円筒体４６内の紫外線放出を増強する。しかしながら、電極への電力は、いったん紫外線放射が得られると遮断され、紫外線放射は、電磁放射のみによって持続される。このように、ランプ内での堆積物の生成を含む長期間の熱の影響が回避される。

紫外線放射の放出は、ボウロス（Ｂｏｕｌｏｓ， Ｍ．Ｉ．）ら、熱プラズマ：基礎と応用、第１巻、プレナム出版、ニューヨーク、１９４４年（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｌａｓｍａ： Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ， Ｖｏｌ．１， Ｐｌｅｎｕｍ Ｐｒｅｓｓ， Ｎ．Ｙ．，１９４４）に記載されている。マイクロ波駆動無電極紫外線ランプは、フュージョンＵＶシステムズ社（Ｆｕｓｉｏｎ ＵＶ Ｓｙｓｔｅｍｓ， Ｉｎｃ．）から入手できる。誘導駆動無電極紫外線ランプは、シルヴァニア社（Ｓｙｌｖａｎｉａ）から、またフィリップス社（Ｐｈｉｌｌｉｐｓ）から入手できる。

上述した特許は、参照することによって本願に組み込まれる。

このように、本発明は、その例示的な実施態様に関して図示および説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱せずに、上述したものおよびさまざまな他の変更、省略、および追加を本発明の中に、また本発明に対して行うことができることは、当業者には理解されるはずであろう。

マグネトロン活性化マイクロ波空洞内の無電極紫外線ランプを含む球体を有するダクトの簡略様式化された概略側面図。 ダクト内のマグネトロン活性化マイクロ波空洞内に配置された円筒状無電極紫外線ランプの一部を切り欠いた簡略概略斜視図。 光触媒被覆流体透過性基体間に配置された円筒状無電極紫外線ランプの一部を切り欠いた様式化された概略斜視図。 高周波電源により誘導的に励起される円筒状無電極紫外線ランプの簡略概略斜視図。 マグネトロン励振マイクロ波空洞内に配置された管状無電極紫外線ランプの簡略概略斜視図。 始動器電極と電源とを有する管状無電極紫外線ランプの簡略概略側立面図。

Claims (14)

1. 改善されるように流体が通過できる有限空間内に配置された複数の無電極紫外線ランプと、
   前記ランプが前記空間内で紫外線電磁放射を放出するように電磁放射で前記無電極紫外線ランプを励起させる手段と、
   を備えることを特徴とする流体改善区域。
2. 前記空間は、マイクロ波反射材料によって画定されており、それによって、マイクロ波空洞が形成され、この空洞の少なくとも一部は、前記流体が透過でき、
   前記手段は、前記空洞内にマイクロ波電磁放射を放出するように配置されたマグネトロンを備える、
   ことを特徴とする請求項１記載の流体改善区域。
3. 前記手段は、
   前記ランプのそれぞれに一つずつのマグネトロンが対応する、複数のマグネトロンと、
   前記ランプのそれぞれに一つずつの空洞が対応する、複数の空洞と、
   を備えており、各空洞は、対応する一つのマグネトロンと、前記流体が透過できるマイクロ波反射多孔性材料とによって形成されることを特徴とする請求項１記載の流体改善区域。
4. 前記手段は、
   前記ランプを励起させるように配置された一つまたは複数の誘導結合器と、
   前記誘導結合器を駆動するための少なくとも一つの高周波電源と、
   を備えることを特徴とする請求項１記載の流体改善区域。
5. 前記流体改善区域は、前記空間内に配置された複数の紫外線活性化光触媒表面をさらに備えており、それによって、これらの光触媒表面は、前記紫外線電磁放射によって活性化されると、前記流体内の物質と反応し、それによって、この流体を改善することを特徴とする請求項１、２、３または４のいずれかに記載の流体改善区域。
6. 前記表面は、前記流体が透過できる少なくとも一つの多孔性基体上にあることを特徴とする請求項５記載の流体改善区域。
7. 前記表面は、前記ランプの外部表面であり、前記被覆は、マイクロ波電磁放射に対して実質的に透明になるように十分に薄いことを特徴とする請求項５記載の流体改善区域。
8. 前記表面は、前記流体が通過できる間隙を有する層を形成する粒子上にあることを特徴とする請求項５記載の流体改善区域。
9. 前記粒子は、前記触媒の粒子であることを特徴とする請求項８記載の流体改善区域。
10. 前記粒子は、前記触媒以外の物質の粒子であり、前記触媒で被覆されていることを特徴とする請求項８記載の流体改善区域。
11. 前記無電極紫外線ランプは、複数の球体または円筒体から構成されており、これらの球体または円筒体は、それらの間に前記流れが通過できる間隙を提供するように前記空間内に配置されており、前記ランプは、紫外線活性化光触媒の被覆を有しており、それによって、この光触媒は、前記紫外線電磁放射によって活性化されると、前記流体内の物質と反応し、それによって、この流体を改善し、前記被覆は、マイクロ波電磁放射に対して実質的に透明になるように十分に薄いことを特徴とする請求項１記載の流体改善区域。
12. 前記空間は、前記流体が透過できるマイクロ波反射材料を含むマイクロ波反射材料によって画定されており、それによって、マイクロ波空洞が形成され、
    前記手段は、前記空洞内にマイクロ波電磁放射を放出するように配置されたマグネトロンを備える、
    ことを特徴とする請求項１１記載の流体改善区域。
13. 前記空間は、内部を前記流体が流れることができるダクト内にあることを特徴とする請求項１記載の流体改善区域。
14. 前記流体改善区域は、前記ダクト内に配置された複数の紫外線活性化光触媒表面をさらに備えており、それによって、これらの光触媒表面は、前記紫外線電磁放射によって活性化されると、前記ダクト内を流れる流体内の物質と反応し、それによって、この流体を改善することを特徴とする請求項１３記載の流体改善区域。

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