JP2006158994A

JP2006158994A - 空気浄化装置

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Publication number: JP2006158994A
Application number: JP2004349917A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Tanaka; 茂田中; Rika Shiba; 里佳司馬
Original assignee: Keio University
Current assignee: Keio University
Priority date: 2004-12-02
Filing date: 2004-12-02
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2024-12-02
Also published as: JP4524397B2

Abstract

【課題】装置規模を大型化せずに、大量の空気の処理が容易に行え、大気中の窒素酸化物
（ＮＯｘ）等の有害ガスの高い除去効率が達成できる空気浄化装置の提供。
【解決手段】筒状体の中心軸線上に筒状体と同心状に励起発光管を設置し、有害ガス及び
粒子を含む汚染空気を筒状体の一方の端面側の入口から他方の端面側の出口へ通気する構
造の拡散スクラバ法による空気浄化装置とする。汚染空気を通気する間隙となり、通気流
路有効長を有するスリット形成用のプレートが励起発光管の外周面と筒状体の内周面との
間の空間に筒状体の中心軸から半径方向に放射状に配置され、該プレートの表面に光触媒
層が形成され、該光触媒層に拡散係数の相違により粒子と分離された有害ガスを拡散させ
るとともに、スリットの励起発光管側の端部の隙間及び／又は筒状体側の端部の隙間から
励起光を光触媒層に照射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気浄化装置、特に、空調装置の空気流路又は排気ガス処理装置のガス流路
に付設して用いるのに適した環境空気中の有害ガスを低出力の送風手段により高速で連続
的に分解除去できる空気浄化装置に関する。

環境空気の汚染への社会的関心の高まりから、空気浄化技術の研究が精力的に行われて
きている。最近では、酸化チタンなどの光触媒を利用した空気浄化技術が盛んに開発され
ている。その多くは、酸化チタン光触媒、又は酸化チタン光触媒と吸着剤を通気性のある
基体に塗布してエアフィルターとして用いて、粉塵をろ過し、かつ空気中の窒素酸化物（
ＮＯｘ）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、エチレン等の
有害ガスや悪臭成分を光触媒によって分解しようとするものである。

これらのフィルタ方式で基板をプリーツ状やコルゲート状としたものも用いられている
が、いずれも、空気を不織布等の通気性基体の中を強制的に通過させる必要があり、また
、微細な粉塵の捕捉効率をあげるには、フィルタの目を細かくする必要があるので通気抵
抗が大きくなり、多量の空気処理が困難である。

これに対して、光触媒層を形成した平面を積層平板にしたり、スリット状にしたりして
光触媒層の面に平行に汚染された空気を流して空気流の圧力損失を少なくする方法も考え
られているが、当然ながら素通りする被処理空気量が多くなり、接触面積を高めるために
プリーツ状やコルゲート状としても有害ガスの除去効率が悪くなる。

また、筒状体の中心部に励起発光管を設ける方式として、筒状体の内周面に光触媒層を
設けたもの（例えば、特許文献１，２，３）、励起発光管と管体の内面との間隔を２〜９
ｍｍとした管体を複数本並列に配置したもの（例えば、特許文献４）、表面に光触媒層を
設けたらせん状の空気流路を筒状体内に設けたもの（例えば、特許文献５）、表面に光触
媒層を設けた基体を所要の角度で傾けて配置したもの（例えば、特許文献６）、表面に光
触媒層を設けた放射状かつらせん状の空気透過流路を筒状体内に設けたもの（例えば、特
許文献７，８）、電気集塵用の正極板、負極板に光触媒層を放射状に配置した集塵ユニッ
ト（例えば、特許文献９）なども考えられている。

本発明者らは、従来のフィルタ式や単なる平行板式の空気浄化技術の延長ではなく、環
境空気中に含まれている大気汚染物質であるＮＯｘやＳＯｘなどの有害ガスを効率良く完
全に空気中から除去し、しかも、大量の空気処理を行える革新的な空気浄化技術として、
酸化チタン（ＴｉＯ₂）光触媒と拡散スクラバの原理とを組み合わせた有害ガスの除去処
理技術について開発し、特許出願した（特許文献１０、１１）。

前記の空気浄化装置は、拡散スクラバの原理を応用した小型平行板型装置であり、特に
、大気中のＮＯｘの除去処理装置として高い除去効率を有する。この装置の構造は、図１
４に示すように、ＴｉＯ₂光触媒を塗布した基板、好ましくはステンレス鋼板を５ｍｍ程
度の狭い間隔で向き合わせて平行に並べて、保持部材８、固定部材９によって保持して平
行板２とし、その平行板２の隙間に極細（外径、４ｍｍφ）のＵＶランプ５を設置したユ
ニットで構成される単純な構造であるが、その隙間の間隔や平行板の大きさが拡散スクラ
バの原理に関するGormleyの理論式（P.G.Gormley,Proceedings of the Royal Irish Acad
emy,Vol.45,59-63,(1938）)に基づく除去効率に基づいて、有害ガスの大きな除去効率が
得られるように設計されることを特徴とする。

さらに、本発明者は、装置規模を大型化せずに、大量の空気の処理が容易に行え、大気
中のＮＯｘ等の有害ガスの高い除去効率が達成できるとともに、光触媒を塗布した基板の
洗浄、再使用が容易な装置及びシステムの提供を目的として、平行板として不織布、紙、
プラスチックフィルム等の軽量な素材を用い、その形状を工夫することによって、大量の
空気を小型、軽量の装置で処理でき、大気中のＮＯｘ等の有害ガスの高い除去効率が達成
できる空気浄化装置を開発し、特許出願した（特願２００３−３７１０５７）。

特開平１０−２８１４８８号公報特開平１１−１１４０４８号公報特開２００３−３１０７２４号公報特開２０００−２６２６０６号公報特開２００２−３４６３１８号公報特開２００１−２１２２１５号公報特開２０００−３００９９８号公報特開２００１−１２１００２号公報特開２００１−１４５６９２号公報特開２００２−１２６４５１号公報特開２００３−２５１１４７号公報

光触媒を利用した空気浄化装置では、浄化効率を高めるためには、空気中の有害ガス成
分と光触媒との接触面積を大きくさせること（接触効率）と、光触媒層の全面に励起光を
一定値以上の照射強度でムラなく照射させること（励起光照射効率）と、を両立させる必
要がある。しかし、これまでの先行技術によるフィルタ式のものや本発明者らが開発した
平行板及びプリーツ型積層拡散スクラバは、光源のブラックライトなどの励起発光管を装
置の側面に配置するため、励起発光管を多数必要としたり、励起発光管の径を小さくした
りして隙間の奥まで照射されるようにする必要があり光照射効率が悪かった。

管状体の中心軸上に励起発光管を配置し、管内面に光触媒層を設けたものでは光触媒層
の受光効率を高めることはできるものの光触媒と接触せずに流出してしまう空気の量が多
くなり、そのために、光触媒層をフィルタ式にしたり、空気通過間隙を狭くしたり、複数
本の管を束ねたりすることによって有害ガスと光触媒層との接触面積を多くするなどの複
雑な構造が必要であった。例えば、前記特許文献７及び特許文献８には、表面に光触媒層
を設けた放射状、かつ、らせん状の空気流路を筒状体内に設けたものが開示されており、
励起光照射効率は高いものの、空気の透過接触性を有する多孔性の帯状光触媒フィルタを
用いて微細な異物粒子などの透過を阻止するものであり、従来のフィルタ方式の空気浄化
装置と同様に、通気抵抗が大きくなり、多量の空気処理には不向きであり、また、空気中
に含まれる異物粒子が付着されて光触媒層の機能低下が早まることになる。

前記特許文献９に示される集塵ユニットは、紫外線照射効率は高いものの、負極板に捕
集した塵等の成分を光触媒の酸化作用により分解するものであり、有害ガスを分解するも
のではなく、また、光触媒層に塵等の微細な固形物が付着して分解するので光触媒層の機
能低下も早い。

したがって、本発明は、小型の装置であっても、空気中の有害ガスを低出力の送風手段
により高速で連続的に高効率で光触媒を用いて分解除去でき、しかも、空気中に含まれる
粒子の付着による光触媒の機能の低下が少ない空気浄化装置を提供することを課題とする
。

空気浄化装置により有害ガス等を光触媒の酸化作用により分解して空気浄化する場合、
分解除去効率を高めるには、光触媒層の全面にムラなく一定強度以上の励起光を照射する
とともに、空気中の有害ガスが光触媒層へ効率よく拡散して集まるようにする必要がある
。

本発明者は、励起光及び／又は太陽光を有効利用できる管状構造体と、単位時間当たり
の汚染空気処理量の大きな積層平行板型の構造を併せ持つ新しい拡散スクラバ方式を利用
することによって、大量の空気を小型、軽量の装置で連続的に処理でき、大気中のＮＯｘ
等の有害ガスの高い除去効率を達成できる空気浄化装置を開発した。また、この装置は、
拡散スクラバ方式なので、拡散係数の相違により粒子と有害ガスを分離し有害ガスのみを
除去処理することができるので、空気中に含まれる粒子の付着による光触媒の機能の低下
も少ない。

本発明は、（１）筒状体の中心軸線上に筒状体と同心状に励起発光管を設置し、有害ガ
ス及び粒子を含む汚染空気を筒状体の一方の端面側の入口から他方の端面側の出口へ通気
する構造の空気浄化装置において、下記のGormley及びKennedyの拡散スクラバの原理を表
す理論式（１）(1949年)において、１パスで５０％以上の有害ガス除去効率を得る様に、
M. Possanziniらが導き出した相当直径δの概念を用いる（式２）及び（３）（１９８３
年）で求められる気流中のガス成分の除去パラメータ（μ）を、０．０３５以上とし、か
つ、筒状体は太陽光透過素材から形成され、汚染空気を通気する間隙となり、通気流路有
効長を有するスリット形成用のプレートが励起発光管の外周面と筒状体の内周面との間の
空間に筒状体の中心軸から半径方向に放射状に配置され、該プレートの表面に光触媒層が
形成され、該光触媒層に拡散係数の相違により粒子と分離された有害ガスを拡散させると
ともに、スリットの励起発光管側の端部の隙間及び／又は筒状体側の端部の隙間から励起
光を光触媒層に照射するようにしたことを特徴とする空気浄化装置、である。

また、本発明は、（２）筒状体の中心軸線上に筒状体と同心状に励起発光管を設置し、
有害ガス及び粒子を含む汚染空気を筒状体の一方の端面側の入口から他方の端面側の出口
へ通気する構造の空気浄化装置において、汚染空気を通気する間隙となるスリット形成用
のプレートが励起発光管の外周面と筒状体の内周面との間の空間に筒状体の中心軸から半
径方向に放射状に配置され、該スリット内に、筒状体の内周面から中心軸方向に１枚又は
2枚以上の補助プレートが配置され、かつ、該スリット形成用のプレート及び補助プレー
トの表面に光触媒層が形成され、該光触媒層に拡散係数の相違により粒子と分離された有
害ガスを拡散させるとともに、スリットの励起発光管側端の端部の隙間及び／又は筒状体
側の端部の隙間から励起光を光触媒層に照射するようにしたことを特徴とする空気浄化装
置、である。

また、本発明は、（３）補助プレートの幅はスリット形成用のプレートの幅の０．８〜
０．３倍であることを特徴とする上記（２）の空気浄化装置、である。

また、本発明は、（４）該スリットは励起発光管側の端部の隙間が１〜１０ｍｍである
ことを特徴とする上記（１）ないし（３）のいずれかの空気浄化装置、である。

また、本発明は、（５）筒状体は、内管と外管とからなる２重管とし、内管を励起光透
過素材から形成し、内管の内側に励起発光管を設けたことを特徴とする上記（１）ないし
（４）のいずれかの空気浄化装置、である。

また、本発明は、（６）前記筒状体は、多段に直列に配置された複数個の筒状体からな
ることを特徴とする上記（１）ないし（５）のいずれかの空気浄化装置、である。

また、本発明は、（７）励起発光管により励起光を照射するとともに外管の外側から太
陽光を照射させることを特徴とする、上記（１）ないし（６）のいずれかの空気浄化装置
の使用方法、である。

本発明の空気浄化装置は、筒状体の中心軸に励起発光管を配置した筒状構造体を汚染空
気中の有害ガス成分の分解除去ゾーンとして用いる。そして、該発光管の外面と筒状体の
内面との空間に筒状体の中心軸からみて半径方向にスリット形成用プレートを放射状に並
べて多数のスリットを形成する。プレートの表面には光触媒層を設けている。プレートの
長さは筒状体と実質的に同じ長さとする。この長さが通気流路有効長（Ｌ）に相当する。
そして、筒状体の一方の端面側を汚染空気の入口として、このスリットに汚染空気を流し
、光触媒層に拡散した有害ガスを光触媒層で分解することによって浄化された空気を他方
の端面側の出口から排出させるようにする。本発明の装置は従来のフィルタ方式のような
大きな圧力損失がないので、汚染空気は、ファンなどの低出力の送風手段で通気させるこ
とができる。

また、本発明の空気浄化装置の筒状構造体内で拡散係数の差により有害ガスと分離され
た粒子はそのまま、出口から排出されるので、後段でこれらの粒子をフィルタや集塵機な
どにより除去できるが、筒状構造体の前段に汚染空気中の微粒子を除去するフィルタを設
けて、微粒子を除去した後の汚染空気を通気するようにしてもよい。さらに、本発明の空
気浄化装置は、筒状構造体の前段にＶＯＣ（ベンゼン、トルエン等）除去装置を組み合わ
せたシステムとすることによってより効率的にＮＯｘやＳＯｘなどの有害ガスを分解除去
できる。

本発明の装置においては、拡散スクラバの原理によって汚染空気中の有害ガスはスリッ
ト中を素通りすることなくプレート表面の光触媒層に拡散するので、空気中の有害ガスを
光触媒によって高効率で分解できる。本発明の装置においては、スリットの励起発光管側
の端部の隙間及び／又は筒状体側の端部の隙間から励起光を光触媒層に照射するようにし
ているので、建物の壁、屋根、屋外に設置する場合は、筒状体（２重管の場合は外管）に
励起光透過素材を用いることで３６０度方向から太陽光を取り入れることが可能であり、
昼間が晴天や薄曇りの場合には、太陽光のみを使用して、装置を稼動させることができ、
明け方、夕方、雨天や曇天の場合には、太陽光を内側に配置した励起発光管と併用して昼
間の電気代を節約することができ、夜間の場合は内側に配置した励起発光管のみを使用す
るようにすることができる。また、小型の装置として自動車搭載用としても利用できる。

本発明の空気浄化装置によれば、有害ガスを含有する汚染空気をスリットに流しながら
連続的に有害ガスの除去処理が行えるので、通気抵抗が少なく、小型の装置で時間当たり
の空気の処理を大幅に増加させることができる。なお、空気中の有害ガスであるＮＯｘ等
は光触媒により分解されて硝酸等となりプレートの表面の光触媒層に捕捉されるが、プレ
ートを水等により洗浄することによって簡単に回収でき、プレートを乾燥すれば再び空気
中の有害ガスを繰り返し連続して除去処理することができる。

本発明の空気浄化装置において利用する拡散スクラバの原理とは、管内をガスと粒子を
含む気流が層流で流れる場合に、ガスと粒子の拡散係数の大きな違いによって、ガスが粒
子と分離されて管壁面に捕集されるという乾式のガスの捕集・除去法の原理である。狭い
流路を有する２枚の平行板は管の直径を無限大とした場合に相当し、平行板の内壁面へガ
スが拡散し、内壁面へ到達したガスが内壁表面で吸着除去される。したがって、本明細書
で言う拡散スクラバの原理は、水などの溶液にガスを拡散させるいわゆる湿式拡散スクラ
バ法とは異なる。

図１２に、Gormley及びKennedy理論式(1938年)に基づく大気中のガス成分の除去効率の
算出式のための平行板による拡散スクラバの寸法の取り方を示す。図１２において、ａ：
平行板の間隔（ｃｍ）、ｂ：平行板の幅（ｃｍ）、Ｌ：平行板の長さ（ｃｍ）、Ｄ：対象
とするガスの拡散係数（ｃｍ²／秒）、Ｑ：通気流量（ｃｍ³／秒）である。拡散スクラバ
法において、平行板による大気中のガス成分の除去パラメータ（μ）及び除去効率（ｆ）
は、下記のGormley−Kennedy理論式(1938年)に基づいて算出できる。
ｆ＝１−［０．９１０ｅｘｐ（−３．７７μ）＋０．０５３１ｅｘｐ（−４２．８μ）］
、μ＝ｂＤＬ／ａＱ

本発明の空気浄化装置においては、円筒状体内の個々のスリットを空気が層流で流れる
１個の管とみなすことができる。よって、この拡散スクラバの原理に基づいて、空気中の
有害ガスと粒子は分離され、光触媒層に拡散した有害ガスのみを選択的に光触媒によって
分解させることにより空気中から除去することができる。

本発明の空気浄化装置は、
（１）通気抵抗が少なく、また光触媒層へ有害ガスが拡散するので小型の装置で数ｐｐｍ
のＮＯｘ等の有害ガスを含む汚染空気を毎秒数十ｃｍから数ｍの早い速度で流しても高効
率で分解除去できること、
（２）実用的に適切な長さ、例えば、５０ｃｍ程度の長さの筒状体とする場合に、管状構
造体を１段とせずに、長さの短い筒状体を直列につないで多段に配置することによって除
去効率を高めることができること、
（３）拡散スクラバの隙間を形成する平面状のプレート両面の全面に光触媒層を設けるこ
とができ、かつプレート両面の全面における励起光の照射効率が高いこと、
（４）光触媒層に粒子が捕捉されることがなく、励起光の照射効率の低下が少なく、また
光触媒層の機能が長時間続くこと、
（５）光触媒層の形成に特別な工夫をせずに、一般的な酸化チタンなどの光触媒を塗布し
ただけの平面状のプレートを用いた単純な筒状体構造であり、製作コストが小さいこと、
（６）太陽の自然光のみでも有害ガスを分解除去できること、
などの特長を有している。

図１は、本発明の空気浄化装置の管状構造体の一実施形態を示す模式図であり、図２は
、図１に示す管状構造体の中心軸方向と直角方向の断面図である。この実施形態では、管
状構造体は外管１と内管２との２重管となっており、内管２内にブラックライトや蛍光管
などの励起発光管３を設ける。光触媒は可視光反応型のものも開発されており、励起光と
して可視光を用いてもよい。内管２を設けない場合は、空気は励起発光管３と接触して流
れることになる。管の材料としては、内管は励起発光管３からの励起光の透過性が良好な
ものであればよく、外管は太陽光の透過性が良好なものであればよく、好ましくは、パイ
レックス（登録商標）ガラスやアクリル透明樹脂が用いられる。

汚染空気を通気する間隙となる多数のスリット形成用のプレートを励起発光管の外面と
筒状体の内面との間の空間に筒状体の中心軸から半径方向に放射状に配置する。内管を用
いる場合は、外管１と内管２との空間にスリット形成用プレート４を半径方向に配置する
。外管１と内管２との空間には外管１と内管２の共通の中心軸から放射状に多数のスリッ
ト形成用プレート４を半径方向に配置して通気流路有効長（Ｌ）を有する汚染空気通過部
分となる多数のスリットＳを形成する。スリットＳ内には励起発光管３からの励起光が外
管１方向へ照射される。

プレート４の両面には酸化チタン等の光触媒層５が形成されている。プレート４の素材
は、特に限定されず、金属板、プラスチック板、ガラス板、不織布などが使用できるが、
耐久性、耐食性の点からはステンレス鋼板が好ましい。光触媒層５の形成方法は種々の方
法が公知であり、通常は光触媒粒子をプレートの表面に塗布したものや練り込んだものに
よって形成されている。

光触媒物質は特に限定されないが、光触媒として代表的な酸化チタンが望ましい。酸化
チタン粒子をプレートの表面に塗布する場合は、バインダーとしては、二酸化ケイ素又は
過酸化ケイ素等のケイ素化合物を主成分とするもの、シリコーン樹脂、弗素樹脂等が挙げ
られるが、特に、耐酸化性に優れ、かつ透光性を有するポリテトラフルオロエチレンが好
ましい。ＴｉＯ₂光触媒の量に対するバインダーの割合が多くなるとＮＯｘ等の有害ガス
の除去効率は低下するのでバインダーの量は、ＴｉＯ₂光触媒の量に対して１：１より少
ないことが望ましい。少なすぎると十分な接着力が得られないので、１：０．１程度以上
が好ましい。

プレートの表面に光触媒層を塗布するには、光触媒微粒子とバインダーの水分散体から
なる塗布液を浸漬法又はロールコーターやスプレー法等の塗布法で塗布し、乾燥するか、
又はポリテトラフルオロエチレンの融点の２２０℃より低い温度で１〜１０分間加熱する
。ただし、粗な塗布層を形成できるスプレー法が好ましい。

図３に、隣接する２枚のスリット形成用プレート４，４で形成されるスリットＳの部分
の拡大図を示す。内管２の外周面_ｉから外管１の内周面までのプレート４の幅は、外管１
の内径ｄ_Ｏの半分（ｄ_Ｏ／２）から内管の外径ｄ_ｉの半分（ｄ_ｉ／２）を差し引いた長さ
である。内管の内径は、励起発光管を収容できる最小限の大きさであればよい。筒状体の
中心軸方向と直角方向のスリット部の断面積（Ｓ:通気流路断面積）は、隣接する１対の
プレート４，４の平面を内管２と外管１の共通の中心軸まで延長した場合に交差する角度
θに依存する。また、角度θにより３６０度を分割した数により筒状体１個当りのスリッ
トの総数が決まる。図４（Ａ）に、角度θとスリット数の関係についての具体例を示す。
例えば、角度θを１０度とすればスリットの数は３６となる。このような構造において、
該スリットの励起発光管側の端部の隙間を１〜１０ｍｍ程度とすることが装置の規模や効
率等から実用上は好ましい。筒状体側の端部の隙間はこの値に応じて、プレートの幅と３
６０度の分割数により定まるが、その１０倍程度、すなわち、１０〜１００ｍｍ程度とす
ることが好ましい。

２枚のスリット形成用プレートで構成されるスリット内に、図４（Ｂ）に示すように、
外管１の内周面側から内管２の外周面側方向に、スリットを等間隔で2分割するように、
補助プレート４Ａを設けることにより光触媒層の面積を増やすことができる。この場合、
補助プレート４Ａの内管側端部が内管２の外周面に近づきすぎると励起発光管３からの照
射光が遮られるようになるので、補助プレート４Ａの幅はスリット形成用プレート４の幅
の０．８〜０．３倍程度、より好ましくは０．４〜０．６倍程度がよい。また、一つのス
リット内の補助プレート４Ａは１枚に限らず、プレート４と補助プレート４Ａとの間に補
助プレートをさらに設けてもよい。補助プレートの幅を大きくしたり、数を増加させたり
することにより光触媒層の面積は増加するが、照射される励起光が遮られることによる照
射強度分布パターンが悪くなるので、両者のバランスを考慮する必要がある。

上記の筒状体の構造において、Gormley-Kennedy理論式による理論除去効率（ｆ）が、
空気浄化装置を構成する筒状体を通過する汚染空気の１パス当りで５０％以上となるよう
に、除去パラメータ（μ）を構成するスリットの総数（３６０度の分割数；ｎ）、スリッ
ト形成用プレートの幅及び補助プレートの幅の合計（通気流路断面での吸着面の周囲長；
ｌ）、スリット形成用プレートの長さ（通気流路有効長；Ｌ）、通気流量（Ｑ）を設定す
る。

図１３に、本発明者らが先に開発した平行板型拡散スクラバを用いた空気浄化装置の原
理を示す。光触媒層としてＴｉＯ₂ ／ＨＡＰ（１）を表面に塗布した平行板（２）を２枚
向き合わせ、２枚の平行板（２）の隙間にはＵＶランプ（５）等により励起光を照射して
光触媒を活性化させる。一端側を汚染空気の入り口として、２枚の平行板（２）の隙間に
汚染空気（３）を通気すると、拡散係数の大きいＮＯｘガス（４）は、ＴｉＯ₂ ／ＨＡ
Ｐ（１）が塗布された平行板（２）の内壁面へ拡散する。内壁表面へ到達したＮＯｘガ
ス（４）は、ＴｉＯ₂により生じたＨＯ₂、ＯＨラジカルによりＮＯ₂、ＨＮＯ₃に酸化され
、ＴｉＯ₂／ＨＡＰ（１）の表面に吸着され、汚染空気中から除去され、清浄空気（７）
が出口側から排出される。ＴｉＯ₂は、吸着したＮＯ、ＮＯ₂を保持する能力が低いために
、ＮＯ₂がＨＮＯ₃になる前に脱着してしまう可能性が高い。この脱着したＮＯ₂を確実に
除去するために、ＮＯ₂の吸着剤としてＨＡＰをＴｉＯ₂に混合して使用することが好まし
い。

一方、汚染空気が流れる層流条件下では拡散係数の小さい粒子（６）は壁面へ拡散しな
い内に一対の平行板（２）の隙間をそのまま通過してしまう。そして、一対の平行板（２
）の出口側から排出される。したがって、原理的に空気中の粒子は平行板表面に付着しな
いので、空気を処理する際の粒子による除去装置への汚れの影響は極めて少ない。本件発
明の筒状構造体を用いる空気浄化装置においてもＮＯ_Xガスの除去のメカニズムはこれと
同じである。

図１４は、平行板２、２を向かい合わせて用いた実施形態を示すものであり、平行板の
内壁表面に光触媒層が塗布されている。平行板２の場合は、正面から見て平行板２の長方
形の上辺、下辺が有害ガス吸着面である。

平行板の間隔は、平行板の内壁表面が有害ガスに対して理想的な完全吸着面であると仮
定すると、平行板による拡散スクラバ法におけるGormley-Kennedy理論式(1938年)により
設定することができる。この小型平行板型装置の大きさは、本体が４４０×１５０×３８
ｍｍとし、ＴｉＯ₂光触媒層を塗布した通気流路面が３５０×１００ｍｍ（面積、３５０
ｃｍ²）の２面とした基本ユニットの場合、通気流量１０リットル／分（風速０．３３ｍ
／秒）の条件で、０．５ｃｍ程度の平行板の間隔にすれば、ほぼ１００％近く有害ガス成
分を除去できる。

本発明の空気浄化装置において、管状構造体のスリットを空気流路として使用した場合
、M.Possanziniらが導き出した( 出典；M.Possanzini et al. , Atmospheric Environme
nt,17(2),2605-2610(1983))様に、円管を対象としたGormley及びKennedyの下記式（１）
で示される理論除去式（Gormley P., Kennedy M.：Proc. R. Ir. Acad., 52A, 163-169 (
1949)）に、下記式（３）で示される相当直径δの概念を用いて求めた下記式（２）の除
去パラメータ（μ）を代入して算出される。

したがって、図３に示す１スリットの相当直径δは、下記式（４）、（５）から式（６
）で示される。

よって、除去パラメータ（μ）は、下記式（７）で示される。

この式（７）で示される除去パラメータ（μ）を式（１）に代入することで理論除去効
率を算出することができる。図５に、除去パラメータ（μ）と理論除去効率との関係を図
示する。

上記各式は、本発明の空気浄化装置の筒状構造体に適用した場合、図３及び図４に示さ
れるように、Ｌ：通気流路有効長（ｃｍ）は、スリット形成用プレートの長さ、Ｓ：通気
流路の断面積（ｃｍ^２）は、スリットの断面積、ｌ：通気流路断面での吸着面の周囲長（
ｃｍ）は、（スリット形成用プレートの幅＋補助プレートの幅）×２に相当し、ｎ：分割
数は、３６０度をθで除した数である。Ｄ：拡散係数（ｃｍ^２／ｓ）は、各ガス成分によ
って固有な数値となるが、ＮＯの場合０．１９８８ｃｍ^２／ｓである。

本発明の空気浄化装置を使用する際には、管状構造体に空気を１回（１パス）だけ、又
は繰り返し数回循環させて流して処理する方法を採用することができるので、上記の理論
式において求められる除去効率は空気を１回（ワンパス）流して５０％程度以上でよい。
本装置を用いて１回で有害ガスを５０％以上除去するには、図５から明らかのように式（
７）で表せる除去パラメーター（μ）を０．０３５以上に設定すればよいことになる。外
管の内径(do)、内管の外径(di)、通気流路有効長（L）、通気流量（Q）、３６０度の分割
数（ｎ）はそれに合わせて設定できる。

なお、筒状体に汚染空気を１回流して５０％の除去効率でも３回通過させれば約９０％
の有害ガスを除去できる。よって、この式に基づいて理論除去効率がワンパスで５０％以
上、望ましくは７０％以上、さらに好ましくは９０％以上となるように装置を設計するこ
とにより、汚染空気中から有害ガス成分を高効率で除去できる。

また、同じ通気流路有効長（L）であれば、筒状体を短く分割し、多段に直列に複数個
を接続して使用する方が除去効率は高くなる。図５から明らかなように、除去パラメータ
ー（μ）が０．１の場合、理論除去効率は８１．０３％となる。式（７）で、他のパラメ
ータを一切変えずに、通気流路有効長（L）のみを１/４に短くすると、除去パラメーター
（μ）は、単純に１/４の０．０２５となるが、理論除去効率は４２．１３％と小さくな
るものの、単純には１/４にはならない。通気流路有効長（L）を１/４に短くしたものを
４個直列につなぎ、同じ通気流路有効長（L）にすると、下記の（８）式で表される複数
直列に使用した場合の除去効率の算出式から、除去効率（ｆ）は８８．６２％となり、分
割しない場合(81.03％)より除去効率は高くなる。
ｆ（％）＝｛1−（1−α／１００）⁴｝×１００（８）
α（％）：短く分割した筒状体１個における除去効率

上記の除去効率の観点から、筒状体は、複数個多段に直列に配置された筒状体からなる
ようにしてもよい。１個の筒状体の除去効率が５０％の場合では、除去パラメータ（μ）
は０．０３５であるが、これを4個に短く分割した筒状体1個を使用する場合の除去パラメ
ーター（μ）は０．００８７５となり、そのときの除去効率は２３．４７％となり、（8
）式より短く分割した筒状体を４個直列に接続した場合の除去効率は６５．７０％となる
。したがって、短く分割しないで使用する場合に比べて１５．７％も除去効率が高くなる
。短く分割して、４個直列に接続した場合には、ワンパスで５０％以上の除去効率を得る
には、（８）式より、短く分割した筒状体１個の除去効率（α）を１５．９１％以上とし
、除去パラメータ（μ）を０．００４に設定すればよい。したがって、実用的には直列に
接続して２〜６段程度の多段構造とすることが好ましい。

＜ＮＯの理論除去効率の比較＞
以下に具体的な除去効率の算出例を示す。全通気量は、１０ｍ^３／ｈ〜３００ｍ^３／ｈ
（線速度５．９０ｃｍ／ｓ〜１７６．９ｃｍ／ｓ）とした。表１に示す１スリットの寸法
におけるＮＯの理論除去効率を図４に示す３６/７２混合スリット型（補助プレート使用
）と３６スリット型（補助プレートなし）についてそれぞれ求め、結果を表２に記した。
なお、管状構造体を１段とした場合と４段とした場合の比較も示す。

３６／７２混合スリット型（補助プレート使用）の場合は、通気流路の断面積（S）、
通気流路断面での吸着面の周囲長（ｌ）、相当直径（δ）は下記の（９）式でそれぞれ示
される。

３６スリット型（補助プレートなし）の場合は、通気流路の断面積（S）、通気流路断
面での吸着面の周囲長（ｌ）、相当直径（δ）は下記の（１０）式でそれぞれ示される。

式（９）及び式（１０）より相当直径δが３６/７２混合スリット型の場合は、３６ス
リット型の場合と比較して２/３小さくなる。したがって、式（２）から除去パラメータ
（μ）は、９/４＝２．２５倍大きくなる。したがって、同じＮＯ除去効率の場合、空気
処理量は、２．２５倍大きくできる。

表２から分かるように、毎秒５．９ｃｍ（全通気量１０ｍ^３／ｈ）の線速度で通気させ
た場合の理論除去効率は、３６／７２混合スリット型（1段）で９１．５％であり、３６
型スリット（1段）で７０．２％であり、いずれも高効率でＮＯ除去が可能である。更に
４段にすれば線速度を５〜６倍に高めても同等の除去効率が得られることがわかる。

＜紫外線照射強度の分布パターン＞
本発明の空気浄化装置において、筒状構造体の仕様を上記のように設定した場合にプレ
ートの光触媒層上の紫外線照射強度の分布が好ましいパターンになることを下記の実験に
より確認した。なお、本発明者らが先に開発した小型平行板片面拡散スクラバ（不織布（
TiO₂(ST-01):高疎水性バインダー＝3.5:0.5））を用いて導入ガス：１ｐｐｍのＮＯを通
気流量:５Ｌ/ｍｉｎ,ＴｉＯ_２コーティング面積３５０ｃｍ^２の条件で流したときの紫外
線照射強度とＮＯｘの除去効率の測定結果から、１ｐｐｍのＮＯを８０％の除去効率で除
去するには、最低３２μW/cm²の紫外線照射強度が必要であることが判明している。

実験１
励起光としてブラックライトのみを用いた場合
図４の断面図及び図６の側面模式図に示すように、外管の内径（ｄ_ｏ）２５ｃｍ、内管
の外径（ｄ_ｉ）５ｃｍ、通気流路有効長（Ｌ)５６ｃｍ(14cm×4段)、スリット数３６、３
６／７２混合、７２の３種類の同寸大の模型を各１スリットずつ作製し、ブラックライト
（ナショナル製FL20S/BL-B)からのプレート表面の紫外線照射強度の分布パターン（紫外
線波長領域：３００〜４００ｎｍ）を測定した。紫外線照射強度分布パターンの測定には
住田光学ガラス製のUV-200とマキ製作所のSS-01を用いた。測定結果を図７に示す。

図７において、横軸は円筒体の内管の外周面（中心軸から2.5cm）から筒状体の内周面
への奥行き（ｘ軸、ｃｍ）を示し、縦軸は円筒体の４個の合計高さ（ｙ軸、ｃｍ)を示し
、（Ａ）図が、スリット数３６の場合、（Ｂ）図が補助プレートを用いたスリット数３６
／７２混合の場合、（Ｃ）図がスリット数７２の場合をそれぞれ示している。

３６スリット型については、６０〜８０μw/ｃｍ^２以上の紫外線が装置全体に届いてい
ることが確認された。一方、紫外線の入る内側の開口幅が半分と狭くなった７２スリット
型においては、ブラックライトから離れた装置の外側ではUV強度が弱く、４０μw/ｃｍ^２
以下であり、酸化チタン光触媒が必要とするUV強度（32μw/ｃｍ²）に充分達していない
ことが確認された。また、３６/７２混合スリット型は、３６スリット型と同じく、６０
〜８０μw/ｃｍ^２以上の紫外線が装置全体に届いていることが確認された。

実験２
励起光として太陽光のみを用いた場合
実験１と同じ模型のスリットを使用し、太陽光からの紫外線によるプレート表面の紫外
線照射強度分布パターンを測定するために、模型を紫外線照射強度が安定している直射日
光が当たらない日陰で実験１と同様の測定手段で測定した。太陽光の紫外線照射強度は７
２１μW/cm²であった。測定結果を図８に示す。

３６スリット型は、３６/７２混合スリット型と比較して、太陽光の入る外側の開口幅
が２倍と広く、明らかにUV強度は高くなったが、３６/７２混合スリット型でも、酸化チ
タン光触媒が必要とするUV強度（32μw/ｃｍ²）以上の紫外線（80-100μw/ｃｍ²）が装置
全体に届いていることが確認された。

実験３
励起光としてブラックライトと太陽光を併用した場合
実験１と同じ模型のスリットを使用し、ブラックライトと太陽光からの紫外線によるプ
レート表面の紫外線照射強度分布パターンを測定するために、模型を紫外線照射強度が安
定している直射日光が当たらない日陰でブラックライトを併用しながら実験１と同様の測
定手段で測定した。太陽光からの紫外線照射強度は７２１μW/cm²であった。測定結果を
図９に示す。

３６スリット型、３６/７２混合スリット型ともに、UV強度 100μw/ｃｍ²以上の紫外線
が装置全体に届き、両者の差がないことが確認された。

以下に本発明の実施例を示す。
図１０に、筒状構造体のプレート支持用フレームの概略斜視図を示す。幅５ｍｍ、厚み
２ｍｍの鋼材を用いて、内側リング５Ａと外側リング５Ｂとからなる２重リングを作製し
た。内側リング５Ａは幅５ｍｍ、厚み２ｍｍの鋼材からなる支持板６で内側リング５Ａと
外側リング５Ｂが同心状になるように固定した。外側リング５Ｂ同士をφ３ｍｍの鋼棒か
らなる支柱７を３本用いてネジ止め固定し、筒状構造体の長さを１４ｃｍとした。内側リ
ング５Ａの外径は５０ｍｍ、内径は４０ｍｍとした。外側リング５Ｂの外径は２３６ｍｍ
、内径は２２６ｍｍとした。

内側リング５Ａの外側及び外側リング５Ｂの内側には表面に光触媒層を形成したプレー
ト（図示せず）を固定する溝幅０．７ｍｍ、深さ１．５ｍｍの溝を３６ヶ所、等間隔に形
成した。また、外側リング５Ｂの内側には、３６ヶ所の溝の他に、表面に光触媒層を形成
した補助プレート（図示せず）を固定する溝幅０．７ｍｍ、深さ１．５ｍｍの溝を３６ヶ
所の溝の中央に等間隔に３６ヶ所形成した。２重リングの下方の外側リング５Ｂの下部に
はプレートが下に抜けないように外側リング部５Ｂと同寸法で溝を設けていない下リング
８を設けた。

図１１は、本発明の空気浄化装置の概略側面図である。図１１に示すように、上板リン
グ円板９（23×30cmφ)と下板リング円板１０（23×30cmφ)とでＵＶ透過ガラスの円筒１
１(24×25cmφ)を挟み、支柱１２を４本用いてネジ止め固定した。下板リング円板１０を
支持台１３に固定し、下板リング円板１０の下部に空気流入口１４を設け下板リング円板
１０と空気流入口１４との間には整流板１５を設けた。空気流入口１４と粒子フィルタを
取り付けた流量調整可能なファン（図示せず）とをエアホース１６で接続した。

プレートは厚さ０．５ｍｍ×幅８．８ｃｍ×長さ１３．８ｃｍ、補助プレートには、厚
さ０．５ｍｍ×幅４．４ｃｍ×長さ１３．８ｃｍのステンレス鋼板をそれぞれ用い、その
表面に下記の方法で光触媒層を形成した。光触媒粒子として、アナターゼ型二酸化チタン
粒子（粒径：7nm、比表面積：約300m²/g）を使用した。

この光触媒粉体を、含フッ素共重合体樹脂（フッ素含有量約45重量％）を有機溶剤で希
釈して調製されたフッ素樹脂ワニスに混合し、攪拌し、この光触媒粒子含有含フッ素樹脂
ワニスをステンレス鋼板表面に、二酸化チタン付着量が約１２０ｇ／ｃｍ^２となるようス
プレーガンで塗布し、この塗布層を１００℃で６０分間乾燥させた。

ＵＶ透過ガラス円筒１１の内側に図１０に示す構造の表面に光触媒層を形成したプレー
ト（補助プレートも含む）を装着したプレート支持用フレーム（３６/７２混合スリット
型）４個を直列に挿入した。フレームの内側リング内には、ブラックライト１７（ナショ
ナル製（FL20S/BL-B）20W，32.5mmφ，長さ60cm）を１本配置した。

この装置を用いて下記の表３に示す空気処理量２５ｍ^３/ｈ（毎秒18.2cmの線速度）、
５０ｍ^３/ｈ（毎秒36.4cmの線速度）又は１００ｍ^３/ｈ（毎秒72.8cmの線速度）で汚染空
気を流した。なお、ＮＯの濃度は１ｐｐｍとした。ＮＯｘ除去効率は、開始時でそれぞれ
９６．２％（空気処理量25ｍ^３/ｈ）、８７．０％（空気処理量50ｍ^３/ｈ）、６８．４％
（空気処理量100ｍ^３/ｈ）であった。

本発明の拡散スクラバの原理を利用した管状構造の空気浄化装置の構造は根本的に簡便
であり、既存の空調施設等に簡単に組み込むことができ、また、建物の壁、屋根、屋外に
設置して太陽光を利用することができ、したがって、温度・湿度の調整の為に行ってきた
ビル等における空調と同時に本装置により有害ガス成分を除去処理し、質の高い生活環境
を提供することができる。また、本装置はビルの空調設備に用いるばかりでなく、自動車
トンネル、地下駐車場、工事・特殊車両からの窒素酸化物、ＶＯＣの効率的な除去処理が
行える。更に、装置自体は簡単に小型化できるので、一般家庭での可搬型空気浄化装置や
車載用の装置としても使用できること等極めて応用範囲が多岐に亘る。

本発明の空気浄化装置の筒状体構造の外観模式図である。図１に示す筒状体構造の中心軸方向と直角方向の断面図である。図２に示す筒状体構造の断面図のスリット一個を示す拡大図である。筒状体構造のスリットの形状を示す図である。拡散スクラバ法による除去パラメータ（μ）と理論除去効率との関係を示すグラフである。ブラックライト及び太陽光からの紫外線照射強度分布パターン測定用の模型の概略図である。ブラックライトからの紫外線照射強度分布パターンの測定結果を示す図である。太陽光からの紫外線照射強度分布パターンの測定結果を示す図である。ブラックライトと太陽光からの紫外線照射強度分布パターンの測定結果を示す図である。実施例の空気浄化装置の筒状体構造のフレームの一実施形態の概略斜視図である。実施例の空気浄化装置の概略側面図である。 Gormley及びKennedy理論式に基づく大気中のガス成分の除去効率の算出式のための平行板による拡散スクラバの寸法の取り方を示す図である。平行板型拡散スクラバ装置の原理を示す模式図である。従来の平行板型拡散スクラバ装置の平行板ユニットの概念斜視図である。

Claims

筒状体の中心軸線上に筒状体と同心状に励起発光管を設置し、有害ガス及び粒子を含む汚
染空気を筒状体の一方の端面側の入口から他方の端面側の出口へ通気する構造の空気浄化
装置において、
下記のGormley及びKennedyの拡散スクラバの原理を表す理論式（１）(1949年)において、
１パスで５０％以上の有害ガス除去効率を得る様に、M. Possanziniらが導き出した相当
直径δの概念を用いる（式２）及び（３）（１９８３年）で求められる気流中のガス成分
の除去パラメータ（μ）を、０．０３５以上とし、かつ、
筒状体は太陽光透過素材から形成され、
汚染空気を通気する間隙となり、通気流路有効長を有するスリット形成用のプレートが励
起発光管の外周面と筒状体の内周面との間の空間に筒状体の中心軸から半径方向に放射状
に配置され、
該プレートの表面に光触媒層が形成され、該光触媒層に拡散係数の相違により粒子と分離
された有害ガスを拡散させるとともに、
スリットの励起発光管側の端部の隙間及び／又は筒状体側の端部の隙間から励起光を光触
媒層に照射するようにしたことを特徴とする空気浄化装置。
筒状体の中心軸線上に筒状体と同心状に励起発光管を設置し、有害ガス及び粒子を含む汚
染空気を筒状体の一方の端面側の入口から他方の端面側の出口へ通気する構造の空気浄化
装置において、
汚染空気を通気する間隙となるスリット形成用のプレートが励起発光管の外周面と筒状体
の内周面との間の空間に筒状体の中心軸から半径方向に放射状に配置され、
該スリット内に、筒状体の内周面から中心軸方向に１枚又は2枚以上の補助プレートが配
置され、かつ、該スリット形成用のプレート及び補助プレートの表面に光触媒層が形成さ
れ、
該光触媒層に拡散係数の相違により粒子と分離された有害ガスを拡散させるとともに、
スリットの励起発光管側端の端部の隙間及び／又は筒状体側の端部の隙間から励起光を光
触媒層に照射するようにしたことを特徴とする空気浄化装置。
補助プレートの幅はスリット形成用のプレートの幅の０．８〜０．３倍であることを特徴
とする請求項２記載の空気浄化装置。
該スリットは励起発光管側の端部の隙間が１〜１０ｍｍであることを特徴とする請求項１
ないし３のいずれかに記載の空気浄化装置。
筒状体は、内管と外管とからなる２重管とし、内管を励起光透過素材から形成し、内管の
内側に励起発光管を設けたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の空気浄
化装置。
前記筒状体は、多段に直列に配置された複数個の筒状体からなることを特徴とする請求項
１ないし５のいずれかに記載の空気浄化装置。
励起発光管により励起光を照射するとともに外管の外側から太陽光を照射させることを特
徴とする、請求項１ないし７のいずれかの空気浄化装置の使用方法。