JP2009247546A - 空気浄化フィルターおよび空気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力損失を生じさせることなく、光をフィルターの奥まで到達させることができる空気浄化フィルター及び前記フィルターを備えた空気浄化装置を提供すること。
【解決手段】光触媒により汚染空気中の被除去成分を除去するフィルターであって、該フィルターを構成する基材９２の表面は、前記光触媒によって構成される光触媒領域９０と、光反射部材によって構成される光反射領域９１とを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、光触媒を用いて空気中の汚染物質を除去する空気浄化フィルターと空気浄化装置に関する。

従来より、空気浄化装置は、空気中のタバコの臭い、食品の臭い、体臭、ペット臭、建築物の臭い、揮発性有機化合物（略称ＶＯＣ）等に起因する塗装や塗料の臭い、又は、自動車の排気ガスの臭い（ＮＯx等）などの臭気成分や有害成分を除去する目的で、家庭、店舗、工場、又は、医療機関などで使用されている。

従来の空気浄化装置においては、活性炭やゼオライトなどの吸着剤から成る吸着部材を使用し、空気中の臭気成分や有害成分を吸着除去するものがあるが、これらの装置においては吸着部材が上記の臭気成分や有害成分をほぼ飽和状態になるまで吸着すると空気浄化性能が大幅に低下するため、吸着部材を定期的に交換する必要がある。

そこで、光触媒の持つ強力な酸化力で、空気中の臭気や有害な成分を除去する方法が注目されている。光触媒は、通常所定形状の基板表面あるいは気孔の内部に固定され、空気浄化装置の酸化触媒フィルターとしての役割を果たす。この空気浄化装置においては触媒を担持した充填物から成るフィルターやハニカム型流路構造のフィルターが広く採用されているが、前者は反応効率を高くできるが圧力損失が大きいという課題が、後者は圧力損失小さいが反応効率が低いという課題を有する。

最近、空気浄化装置のフィルターとして３次元網目構造のフィルターが注目されており、材質がプラスチック繊維（例えばポリウレタン、ポリエチレンなどの樹脂）のものからセラミックから成る網目状構造体のものまである（特許文献１又は２参照）。

このような３次元網目構造からなるフィルターでは、光触媒フィルター内部に入った光が内部全体に満遍なく当たるようにするために、フィルター基材に担持されている光触媒以外に反射部材も担持することで内部で光を繰り返し反射・伝播させるといった工夫を凝らしたものが見られる（特許文献３又は４参照）。

さらに、乱反射層を設けて、光触媒層自体の活性化を図ったものが提案されている(特許文献５参照）。
特開２００４−３５１３８１号公報 特開２００３−２４０２９４号公報 特開２００１−７０４１５号公報 特開２００４−１６８３２号公報 特開平１１−２８５６４３号公報

従来の光触媒フィルターを使用した空気浄化装置においては下記のような問題点が内在していた。

前記特許文献１又は２記載の３次元網目構造のフィルターに、特許文献３又は４の技術を適用した場合、光触媒だけでなく微小な反射部材もいっしょに担持することになり、フィルターのコストが新たにかかるといった課題や、微小な反射部材では光が流路の奥に行くうちに繰り返し反射することで大きく減衰してしまい結局フィルター奥側では光触媒活性が得られるはずの想定照度に達しないといった本質的な問題が残っている。

また、光触媒フィルター内部に多数の反射部材を（光触媒が担持されたフィルター基材以外の空き領域に）設けると新たな圧力損失が生じること、反射部材が反って光触媒への光の入射を遮ること、などの問題が新たに生じる。

また、特許文献５に記載の乱反射層の技術では、その反射光はその層内の内部に止まり外部に出るものではなく、その光触媒層自体の活性化を図るものであり、フィルターの奥まで光を万遍なく届けるものではなかった。

そこで、本発明は、圧力損失を生じさせることなく、光をフィルターの奥まで到達させることができる空気浄化フィルター及び前記フィルターを備えた空気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明は前記目的を達成するため次の手段を講じた。すなわち、本発明の特徴とするところは、光触媒により汚染空気中の被除去成分を除去するフィルターであって、該フィルターを構成する基材の表面は、前記光触媒によって構成される光触媒領域と、光反射部材によって構成される光反射領域とを有する点にある。

前記光触媒領域と光反射領域が、断面構造において一層構造とされていることができる。また、前記光触媒領域と光反射領域が、断面構造において二層構造とされていることもできる。

前記二層構造では、前記基材表面に前記光反射部材からなる光反射層が形成され、該光反射層の上に前記光触媒と透光部材との混合からなる光触媒層が形成されていることができる。

また、前記基材表面に前記光反射部材からなる光反射層が形成され、該光反射層の上に前記光触媒からなる光触媒層が形成され、該光触媒層は前記光触媒が散在してなることもできる。

前記基材表面に前記光触媒からなる光触媒層が形成され、該光触媒層の上に前記光反射部材と透光部材との混合からなる光反射層が形成されていることもできる。

前記基材表面に前記光触媒からなる光触媒層が形成され、該光触媒層の上に前記光反射部材からなる光反射層が形成され、該光反射層は前記光反射部材が縞状にパターン形成されてなることもできる。

前記光反射層と光触媒層の間に透光性の絶縁層が介在されているのが好ましい。
前記絶縁層は、シリカもしくはジルコニアであることが好ましい。

光触媒層の上に光反射層が形成されている場合の両者間の絶縁層は、セラミックスとすることができる。

前記光反射領域の反射率が８０％以上であることが好ましい。この場合、前記光反射領域は、金属もしくは金属の化合物からなるのが好ましい。前記金属もしくは金属の化合物は、アルミニウムもしくはアルミニウムの化合物であるのが好ましい。

前記基材が３次元網目構造体からなることができる。
前記基材がハニカムフィルターからなることもできる。

また、本発明の汚染空気を浄化する空気浄化装置の特徴とするところは、前記空気浄化フィルターと光源とを有する点にある。

本発明によれば、圧力損失を生じさせることなく、光をフィルターの奥まで到達させることができ、光触媒の大半に効率的に光を照射して触媒活性を持たせ、浄化作用をもたらしめることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１に示すものは、本発明に係る空気浄化装置の構成図である。

本発明の汚染空気を浄化する装置は、空気浄化フィルター２と光源４とを有する。
前記空気浄化フィルター２は、光触媒により汚染空気を浄化するフィルターであって、その詳細については後述する。

尚、この実施の形態においては、空気浄化フィルター２は、その内部に光触媒機能を有した酸化チタンの層がコーティングされている。本発明の実施例においてはフィルター基材に紫外光で光触媒活性を示すアナターゼ型の結晶構造を有する酸化チタン層をコーティングしている。

なお、実施の形態における空気浄化装置は、主としてアセトアルデヒドを除去するものであるが、本発明はこれに限定されず、ホルムアルデヒド等のアルデヒド類やアンモニア、トリメチルアミン等の窒化物、硫化水素やメチルメルカプタン等の硫化物、トルエン、キシレン等のＶＯＣ（揮発性有機物質）等の汚染物質を除去するものである。

前記空気浄化フィルター２は、空気が流れる流路内に配置されている。この流路はケース１０内に形成されている。このケース１０には、空気の入口１と出口７を有し、この入口１と出口７間に流路が形成されている。さらに、前記流路に空気を送るための送風機５が設けられている。前記送風機５は、空気浄化装置の制御装置６によってＯＮ／ＯＦＦ制御されている。

前記光源４は前記空気浄化フィルター２の近傍に配置された照明部３に設けられている。この照明部３に、複数のＬＥＤから成る光源４が設けられている。

この実施の形態では、光源４としてＬＥＤ（発光ダイオード）を使用したがこれに限定されるものではない。ここで照明部３は本来蛍光灯やブラックライトなどのランプであろうがＬＥＤであろうが光源の代わりになるのであれば何でも構わない。ＬＥＤはエピテックス社の紫外線ＬＥＤ（型番Ｌ３８５−０５）を使用した。使用した紫外線ＬＥＤの仕様は波長３８５ｎｍで、放射角（出力が半分になる広がり角度のこと）が±３度、照度は２５ｍｃｄである。ＬＥＤ照明部３は通気性のある平面基板上全面にこれらの紫外線ＬＥＤを等間隔に実装したものである。ＬＥＤ照明部の基板３にはＬＥＤを駆動する回路が設けられており、送風機と同様に制御装置６で発光のＯＮ／ＯＦＦ制御がなされる。

空気浄化装置１０をＯＮ動作させた場合、送風機５が回転して汚染空気をケースの入口１に吸い込み、次いで汚染空気が空気浄化フィルター２内部の流路に入った後、光源からの発光で照らされた空気浄化フィルター２内部の光触媒表面上で酸化・分解処理される。こうして浄化され空気浄化フィルター２から出てきた空気は通気性のある照明部３を通り抜けるか迂回するかして、送風機５を通って排出口７から排出される。

尚、本発明の空気浄化装置の浄化用空間を構成するケース１０の寸法は縦２２ｃｍ、横２２ｃｍ、奥行き３０ｃｍである。この中に空気浄化フィルター２、ＬＥＤ照明部３、送風機５が収まっている。空気浄化フィルター２はケースとの隙間を埋めるために１ｃｍ幅の樹脂製の外枠がつけられており気流漏れを防いでいる。

本発明に係る空気浄化フィルターの寸法は縦２０ｃｍ、横２０ｃｍ、奥行き５ｃｍである。フィルターの基材は、通常セラミックス（例えばコージェライト；Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ−ＳｉＯ２を含有）を使用する。

なお、金属（特にアルミニウム）をフィルター基材として用いることもできる。
以下、前記本発明に係る空気浄化装置に用いられる、空気浄化フィルター２につき説明する。なお、具体的な実施の形態を説明する前に、模式図を用いて、本発明の概念を説明する。

図２に示すように、本発明の空気浄化フィルターは、該フィルターを構成する基材の表面において、光触媒によって構成される光触媒領域９０と、反射部材によって構成される光反射領域９１とを有するものである。

図３に示すものは、前記基材９２の断面模式図であり、前記光触媒領域９０と光反射領域９１が、断面構造において一層構造とされている。

前記光触媒領域９０は、所定粒径の前記光触媒によって構成され、前記光反射領域９１は、前記光触媒の粒径とほぼ同程度の粒径の光反射部材によって構成されている。前記光触媒の粒径は、１ｎｍ〜１０μｍであるのが好ましい。この実施の形態では、光触媒と光反射部材の粒径は、２μｍとされている。

層厚は０．１〜１００μｍが好ましい。また、前記光反射部材は、金属微粒子であることが好ましい。

光触媒として酸化チタンを用い、光反射部材としてアルミニウムを用いた場合、前記光触媒領域９０と反射領域９１の比率は、１：０．５〜６が有効であった（１が光触媒領域）。

図４に示すものは、前記光触媒領域９０と光反射領域９１が、断面構造において二層構造とされているものである。前記基材９２の表面に前記光反射部材からなる光反射層９１が形成されて光反射領域９１が構成され(なお光反射領域と光反射層は同じ符号を付している)。該光反射層９１の上に前記光触媒９０と透光部材９３との混合からなる光触媒層９４が形成されている(なお光触媒領域と光触媒とは同じ符号を付している)。

前記透光部材９３としては、シリカ（微粒二酸化ケイ素）が例示される。光触媒９０と透光部材９３の混合比率は、TiO2：SiO2＝１：２が好ましい。

図５に示すものは、前記基材９２の表面に前記光反射部材からなる光反射層９１が形成され、該光反射層９１の上に前記光触媒からなる光触媒層９０が散点状に形成されているものである。

なお、前記図４及び図５においては、基材９２の表面に反射層９１を形成したが、基材９２そのものがアルミニウムなどの反射部材で構成されている場合、前記光反射層は不要であり、基材９２の表面に直接光触媒層９０を形成すれば足りる。

図６に示すものは、前記基材９２の表面に前記光触媒からなる光触媒層９０が形成され、該光触媒層９０の上に前記光反射部材９１と透光部材９３との混合からなる光反射層９５が形成されているものである。光反射部材９１としてのアルミニウム微粒子の粒径は０．１〜１００μｍであり、透光部材９３としてのシリカ微粒子の粒径は５〜１００ｎｍで、その光反射層９５の層の厚みは、１〜１００μｍが好ましい。

図７に示すものは、前記基材９２の表面に前記光触媒からなる光触媒層９０が形成され、該光触媒層９０の上に前記光反射部材からなる光反射層９１が散点状に形成されているものである。

以下、更に詳しく本発明の実施の形態を説明する。
本発明の空気浄化フィルター内部形状は、図８に示すような３次元の網目構造、あるいは、図１４に示すようなハニカム型流路構造である。

[第１の実施形態]
図８に示すように、空気浄化フィルター２０の一部である網目２１の断面を見ると、同図（ａ）に示すように、フィルター基材２２の表面に光反射層２３が形成され、該光反射層２３の表面に光触媒層２４が形成されている（前記図４，５に対応するもの）。

前記フィルター基材２２は通常セラミックスから構成される。セラミックの主な成分はコージェライト（Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ−ＳｉＯ２を含有）、アルミナ、シリカ、ムライトなどである。この実施の形態では、セラミックスはコージェライト、アルミナ、炭化珪素等から選ばれるが、コージェライトが一般に多く使用される。

前記光反射層２３は、紫外光あるいは可視光を効率的に反射することができる膜状のものである。この実施の形態では、光反射層２３は金属からなるものである。金属はアルミニウム、もしくはその合金、あるいは銀、もしくはその合金などであり、アルミニウムと銀の合金も該当する。その中でアルミニウムが最も適している。アルミニウムの可視光および紫外光に対する反射特性は他の金属に比べて広帯域にわたって非常に高い。よって、本発明の実施例においては光反射層２３としてアルミニウムの膜を使用した。

この実施の形態では、前記光触媒層２４は透光性を有して前記光反射層２３の上に形成されている。そして、前記光反射層２３は、波長３２０ｎｍ〜５００ｎｍの光を８０％以上反射するものとされている。

フィルター基材２２へのアルミニウムの成膜方法は以下の方法がある。
即ち、液浸法（電解めっき法）、蒸着法、スパッタ法などである。但し、電界めっきで気密性の高いフィルター基材（セラミックス）上に均一にアルミめっきするのは難しい。そこで本発明においては電子線ビーム蒸着法を採用し、蒸着によってフィルター基材表面にアルミニウムの膜を形成した。電子線ビーム蒸着装置の内部で３次元網目構造のフィルターを蒸着源（アルミニウムの塊）に対して垂直な２軸で回転させながら蒸着させることでフィルター内部に満遍なく均一な膜厚のアルミニウム膜が得られた。

こうして得られたアルミニウムの光反射層２３は波長３８５ｎｍの紫外光に対して９０％程度の反射率を示した（島津製作所の分光光度計ＵＶ−２４５０を使用して反射率を測定した。）。また、可視光領域（波長４００〜７００ｎｍ）のほぼ全域に渡って９０％以上の反射率を有している。

尚、成膜したアルミニウム膜は外気に接触し続けることで常温でも次第に酸化され最表面はアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）に変化してしまう。この場合でも８０％以上の反射率を有しており本発明としての効果は十分満たしている。よって、本発明の光反射層は波長３２０ｎｍ〜５００ｎｍの光を８０％以上反射するものとする。なお、アルミニウム以外の他の金属(銀など）であっても、紫外光の高反射特性を有する金属についても同じである。

また、アルミ上に薄いアルミナの膜ができても、８０％以上の反射率を持っている場合があるので、本発明においては、金属のみならずその化合物も本発明の範囲に含まれるものである。

光触媒は波長４００ｎｍ以下の紫外光あるいは波長４００ｎｍ以上の可視光を照射することによって励起され、触媒表面で生成したＯＨラジカルや活性酸素などによって汚染物質は酸化・分解し除去される。通常、光触媒は酸化チタンや酸化亜鉛、あるいはこれらの混合物などで構成される。酸化チタンは紫外光で光触媒活性を持つことが広く知られているが、酸化チタンに窒素ドープしたもの、硫黄ドープしたもの、炭素ドープしたもの、遷移金属をドープしたものなどが波長４００ｎｍ以上の可視光でも光触媒活性を持つことが知られている。特に酸化チタンに窒素ドープしたものは安定な特性を有する。

光触媒として、例えば酸化チタンや窒素ドープした酸化チタンを活性化させるには通常波長３２０ｎｍ〜５００ｎｍの光を照射する必要があるが、前記金属からなる光反射層２３は、この波長域を効率的に反射する。

このことからも可視光で活性化する光触媒（窒素ドープ酸化チタン、遷移金属ドープ酸化チタンなど）にも使えることが容易にわかる。

即ち、前記光触媒層が、窒素、硫黄、炭素又は遷移金属の何れかからなる不純物をドープした酸化チタンを含有することができる。

この実施の形態では、前記光反射層２３の上に形成される光触媒層２４は、遷移金属酸化物からなる。そして、その遷移金属酸化物は、酸化チタンとされている。

さて、ここで実際にフィルター表面に光を照射したとき、光触媒層２４がほぼ完全に酸化チタンで構成されており、光がほとんど吸収されるほど厚い層である場合、光は光触媒層にすべて吸収され下地の光反射層は全く意味をなさなくなる。

そこで光触媒層２４には、透光性を有することが必要になる。透光性を有するためには、以下の２つの条件のうちいずれかが必要となる。

即ち、光触媒層２４が光を透過するほど薄い層であること。この場合、厚さが1μｍ以下であれば該光触媒層２４を多少とも透過し下地の光反射層２３で反射することができる。

もう一つの条件は光触媒層２４が酸化チタン（ＴｉＯ２）と酸化珪素（ＳｉＯ２）の混合層から構成されていることで、酸化珪素（ＳｉＯ２）を混ぜることで光透過性が増す（前記図４に対応する構成）。

２つの条件の後者に関しては下地の光反射層２３の性能を発揮するのに最も重要な要素となる。よって、該光触媒層２４は酸化珪素（ＳｉＯ２）のような透明（透光性）絶縁体を含有する光触媒層であることを特徴としている。透明絶縁体は透光性セラミックが適しており、酸化珪素（シリカ）以外に酸化ジルコニウム（ジルコニア）や酸化トリウム（トリア）などが知られている。

光触媒である酸化チタン微粒子との接着性に関しては酸化珪素（シリカ）が最も好ましくセラミックな膜を形成しやすい。そこでこの実施の形態においては透光性を有する絶縁体として酸化珪素（シリカ）を使用した。

光触媒層２４の成膜方法としては、ゾル-ゲル法、浸漬法（ディップコート法）、スピンコート法、吹き付け法（スプレー法）、スパッタ法、イオンクラスタービーム法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）、溶射法（高温スプレー法）などが知られている。本発明に関連して代表的な成膜方法はゾル-ゲル法であり、酸化チタン微粒子を分散させた有機系溶液（ゾル）を基材上に塗布してゲル化させ、１００℃以上の焼成処理により均一で緻密な酸化チタンの膜（コート層）を形成する。この場合の塗布方法は浸漬法（ディップコート法）、スピンコート法、吹き付け法（スプレー法）のいずれでもよい。

この実施の形態においては、浸漬法（ディップコート法）でフィルター基材に酸化チタン分散溶液を塗布した。塗布した後、乾燥・焼成処理を行なうことでセラミックフィルター基材表面に均一な膜厚の酸化チタンコート層が得られる。

尚、本発明の実施の形態において使用される光触媒コート層の形成方法につき説明する。

≪ケイ酸ナトリウム溶液の調整≫
まず、ビーカに脱イオン化した蒸留水を入れ、これにケイ酸ナトリウム溶液を溶解させ、濃度が０．８〜１．５ｍｏｌ／Ｌのケイ酸ナトリウム水溶液を作製する。この時のケイ酸ナトリウム水溶液の温度は２０〜３０℃であることが好ましい。

≪強酸性イオン交換樹脂の添加≫
次に、ケイ酸ナトリウム水溶液に、ｐＨ1が２．６８〜３．６０になるまで、Ｈ+型強酸性イオン交換樹脂を加える。ここで、ｐＨ1とは、強酸性イオン交換樹脂によるイオン交換終了時の水溶液のｐＨのことをいい、該ｐＨによってナトリウムイオンと交換されたＨ+とＯＨ-との中和反応の進行度、つまりナトリウムイオンの交換度合いを認識することができる。このＨ+型強酸性イオン交換樹脂としては、蒸留水に２４時間以上浸したＨ+型強酸性イオン交換樹脂を使用することが好ましく、蒸留水に浸したＨ+型強酸性イオン交換樹脂を６０メッシュ以下のふるいにかけて分別し、ふるいを通ったものを使用することがより好ましい。

≪強酸性イオン交換樹脂の除去≫
次に、ｐＨ1が２．６８〜３．６０にした時点で、Ｈ+型強酸性イオン交換樹脂を加えるのを止め、ふるいでビーカ中の強酸性イオン交換樹脂を取り除いてケイ酸ナトリウム水溶液を調整する。

≪重合≫
次に、強酸性イオン交換樹脂を取り除くと、重合（ゲル化）が進行し、これに伴いｐＨ1は少しずつ増加する。

≪二酸化チタン粉体の添加≫
次に、該ケイ酸ナトリウム水溶液に二酸化チタン粉体を適量加え、超音波などを用いて二酸化チタン粉体を拡散させる。

≪シリカゾル溶液への浸漬≫
次に、調整した該シリカゾル溶液に、金属製、またはセラミック製のハニカム基体を、５〜２５℃の条件で５〜１０秒間浸漬し、この後該ハニカム基体の水分を乾燥除去する。この浸漬・乾燥サイクルを５〜１０回繰り返す。なおこのとき、ハニカム基体のチャネル径は０．５〜１．５ｍｍであることが好ましい。

≪吸湿性コート層の作製≫
この後、２０℃〜３０℃、湿度３０〜６０％の雰囲気中に０．１〜１時間放置する。放置後、１００〜１３０℃の恒温槽の中に１〜２時間放置してエージングして、金属ハニカム１１の上に多孔質シリカと二酸化チタンとを含む吸湿性コート層を形成する。

上記構成の空気浄化フィルターにおいて、光反射層をアルミニウムとし、光触媒層を酸化チタン：酸化珪素＝１：２の混合層としたものとして、前記図１に示す空気浄化装置に用いれば、ＬＥＤ光源４からの照射された光により該フィルター２の光入射面からフィルター２内部の更に奥まった場所まで照らせるようにすることができ、フィルター内部全体に満遍なく光を当てることができた（「表１」の「例１−Ａ」に対応）。

図８（ｂ）に示すものは別の実施形態である。尚、前記（ａ）に示す実施の形態と同じ部材でも符号は異なるものとしている。符号の付し方については以下同じ。

フィルター基材２５表面は多孔質になっており、孔内部の表面も含めて光反射層２６が形成されている。更にその表面に光触媒層２７が形成されている。これにより光触媒の担持面積が増えるだけでなく反射面積も増え、光の伝播効率は向上し、光の届いていないフィルター内部の領域に光を当てることが可能になる。

光反射層２６及び光触媒層２７は、前記と同じ方法で前記と同じ材質・構造の膜である。

なお、光反射層２６をアルミニウムとし、光触媒層２７を酸化チタン：酸化珪素＝１：２の混合層とした場合が、「表１」の「例１−Ｂ」に対応するものである。

図８（ｃ）に示すものは、更に別の実施形態であり、前記光触媒層と光反射層とは混合された層として形成され、該混合層２９は、光触媒と光反射部材をモル混合比で１：０．５〜４で混合されたものである（前記図３に相当する構成）。

すなわち、フィルター基材２８表面に光反射領域と光触媒領域を一層構造として形成している。フィルター基材２８表面のコート層２９は光触媒（例えば酸化チタン）と反射部材（例えばアルミニウム）の混合層から形成されており、その表面は光触媒活性と光反射特性を共に有している。

当該混合層２９は酸化チタンとアルミニウムの微粒子をモル混合比１：０．５〜４で混合した分散エタノール溶液にフィルター基材を浸漬し乾燥・焼成させることで作製した。

前記混合における、混合層内部では各々の同種微粒子同士が凝集し混合膜構造となる。すなわち、前記「特許文献４」記載のように反射部材が点状に散在しているのではなく、同種の微粒子は、数珠繋ぎに凝集し網目状のパターン（縞状パターン）になる。また更に凝集が進むと多孔質な膜になる。

混合層内部で凝集したアルミニウムが酸化されないよう１００〜２００℃程度で焼成した。なお、本発明でいう「層」は、このような混合層も含むものである。

その結果、光触媒領域よりも倍の広さを持った反射領域が形成された層となり、反射効率が良好となっている（「表１」の「例１−Ｃ−１から１−Ｃ−４」に対応）。

[第２の実施形態]
図９に示すものは、他の実施の形態であり、前記光反射層と光触媒層との間に、透光性の絶縁層が設けられている。

前記絶縁層はセラミックスから構成されている。また、前記絶縁層は、酸化珪素、酸化ジルコニウムのいずれかからなるものである。

即ち、図９（ａ）に示すようにフィルター基材３１表面に光反射層３２を形成し、更に光触媒層３３を形成すると、２層のコート層を有する光触媒フィルターが出来上がる。しかしながら、光触媒層３３の主要な光触媒を成す酸化チタン微粒子は半導体であり、光を照射した際に微粒子表面近傍に電子と正孔のペア（対）を形成する。これにより水や酸素などが光触媒に触れると活性酸素（ヒドロキシラジカル、スーパーオキシドアニオン等）を生成する。この活性酸素が臭気成分や有害成分を分解する。ところが金属が酸化チタン微粒子に接していると半導体微粒子である酸化チタンで形成された電子と正孔がすぐに再結合し活性酸素の速やかな生成を阻害することになる。（あるいは酸化チタン微粒子表面に形成された電子が下地の金属に逃げてしまうのが活性酸素の速やかな生成を阻害することになる。）そこで光触媒と金属である反射層を直接接触しないようにすることが重要になる。

そこで、この実施の形態では、図９（ｂ）に示すように、フィルター基材３１に光反射層３２を形成した後、金属である反射コート層が光触媒層３３に直接触れないよう層間絶縁層３４を形成した。

このとき、絶縁層３４が不透明だと光を反射させることができないため、透光性を有する材料を選ぶ必要がある。透光性材料としては透明なものがある。そこで、絶縁層３４は透明なセラミック（酸化珪素、ジルコニア、トリアなど）により形成した。特に光触媒である酸化チタン微粒子と接着しやすい酸化珪素（シリカ）微粒子が最も好ましい。

即ち、前記光触媒層３３が触媒活性の無いセラミックスと混合されてなる。そして、前記触媒活性の無いセラミックスは酸化珪素から成る。

図９（ｂ）に示すように光反射層（アルミニウム）３２上に透明絶縁層（シリカ）３４を形成した後、光触媒層（酸化チタン：シリカ＝１：２）３３を形成して活性酸素の生成阻害を防いだ光触媒フィルターが出来上がる。

透明な層間絶縁層３４の作製方法は酸化チタンコート層の作製方法と同様にゾルゲル法を用いた。フィルターを浸漬・乾燥・焼成することでアルミニウム膜上にシリカ膜が形成される。焼成温度はアルミニウムが酸化されないよう１００〜２００℃程度が好ましい（「表１」の「例２」に該当）。

[第３の実施形態]
図１０に示す他の実施の形態は、前記光触媒層の上に光反射体を担持して前記光反射層が形成されているものである。この光反射体は、アルミニウムもしくはアルミナの微粒子からなる。

即ち、図１０（ａ）に示すようにフィルター基材４２上に光触媒層４３を形成し、この光触媒層４３上に光を反射・散乱することを特徴とする微粒子４４を分散・担持している。即ち、光触媒層４３の上に光反射層４４が散点状に形成されている。これによりフィルター基材４１に届いた光の一部は微粒子４４によって反射され別のフィルター部分へと散乱されることになる（前記図７に相当）。

即ち、光を反射・散乱させる微粒子をフィルター表面に担持することで上記各実施の形態と同様の効果を得ることが可能になる。

前記微粒子４４は通常金属から成っており、反射特性としてはアルミニウムが好ましい。しかしながら、アルミニウム微粒子はセラミック上では形成しにくくコート層上に接着しにくい。そこでアルミニウム微粒子の代わりにアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）微粒子あるいは銀（Ａｇ）微粒子などを用いるのが良い。また、これらの微粒子は量子サイズ効果などにより優れた触媒能力を有しており、有機物が接触すると常温以上で酸化分解させることができる。

上記のようにアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）微粒子あるいは銀（Ａｇ）微粒子などを用いることで光の反射・散乱により光触媒の反応効率の向上を図ると共に微粒子自体の触媒効果を生かすことが可能になる。

この実施の形態では、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）微粒子を担持した（「表１」の「例３−Ａ」が対応）。

上記の構成から明らかのように、本発明でいうところの「層」とは、一定の厚みが連続したものに限らず、微粒子等による不連続状のものであってもよい。

図１０（ｂ）に示すものは、別の実施の形態であり、前記光反射層は前記光触媒層の上に形成され、該光反射層は光反射体及び透明絶縁体の混合層からなるものである（前記図６に対応）。この混合層は多孔性であることが好ましい。また前記混合層はアルミニウムとシリカからなるのが好ましい。

即ち、光触媒層４３上に微粒子だけを担持する代わりに反射部材（金属等）と透明絶縁体を混合した層４５を形成した。これにより光触媒の表面が別の層で完全に覆われてしまい外気との接触が絶たれてしまうように見えるが、前記混合層４５は多孔性で下地の光触媒コート層まで通じているよう形成されているのも特徴となっている。これにより上記のように微粒子を担持した場合に匹敵する反射性能と浄化性能を得ることができる。

反射部材（金属等）と透明絶縁体の混合層４５の作成方法および多孔質形成方法を以下に述べる。

本実施の形態においては、アルミニウム微粒子とシリカ微粒子をモル混合比１：２で分散させたエタノール溶液にフィルターを浸漬し乾燥・焼成させることで作製した。このとき、アルミニウム微粒子と同程度の量のポリマービーズ（１０〜１００μｍ径）もあらかじめ分散エタノール溶液に混入させておき、混合層内部で凝集したアルミニウムが酸化されないよう２００℃程度で焼成した。アルミニウム微粒子とシリカ微粒子の混合層内部では各々が同種微粒子同士で数珠繋ぎ状に凝集し混合膜構造（縞状パターン）となるが、焼成中にポリマービーズは溶融・蒸発して除去され、除去された領域はそのまま多数の孔となって残る。このようにして多孔質な反射体（金属等）と透明絶縁体の混合層が形成される（「表１」の「例３−Ｂ」が対応）。

なお、光触媒層の上に光反射層が形成されるものにおいて、両者間に形成される絶縁層は、必ずしも透光性を有する必要はない。透光性を有しない絶縁層としてはセラミックを用いることができる。

[第４の実施形態]
図１１に示すものは、本発明の他の実施の形態であり、前記光反射層は、フィルター基材の３次元網目構造体の表面自体により構成され、前記光触媒層は、前記３次元網目構造体の表面に直接形成されているものである。前記フィルター基材はアルミニウムからなるのが好ましい。前記光触媒層は酸化チタン微粒子からなるのが好ましい。

図１１（ａ）に示すように、フィルター基材５２自体を金属にすること、特に光反射特性の良いアルミニウムを用いることで光反射効率（光触媒の反応効率）の向上を図ることができる。

但し、通常のアルミニウムのフィルター基材５２は作製時の加熱処理や常温でも外気に触れると次第に酸化されることで表面がアルミナに変わり反射特性が劣化している。そこで本発明に使用したアルミニウムのフィルター基材は作製した後、酸やアルカリ溶液などで表面処理（エッチング処理）を行い、次の成膜工程前まで表面が酸化されないよう速やかに保護膜（酸化防止膜）をつけるのが良い。保護膜は酸素の含有量が少ないこと、通気性がほとんどないこと、低温でも除去処理可能であること、アルミニウムと常温で反応する成分を含んでいないことなどを満たすならば、アルミニウム以外の金属（例えばニッケル）でもポリマーでも膜質は問わない。ニッケルを成膜する場合、電解めっき処理を使用することができる。フィルター基材表面に成膜した保護膜は次の光触媒担持工程前に除去される。（ニッケルの場合は硝酸などで除去する）。

図１１（ａ）に示すように、フィルター基材５２上には光触媒担持体５３が一定の厚みを持って連続して形成されているのではなく、孤立して形成されており、該担持体を構成する光触媒微粒子と外気との接触面積が増えるよう工夫している（前記図５における反射層が基材自体とされたものに相当）。光触媒層を形成したときに用いた浸漬法（ディッピング）ではなくスプレー法を用いた。酸化チタンの微粒子をエタノールに分散させた溶液を空気中に飛散させることでフィルターに光触媒担持体５３を形成した。

こうして図１１（ａ）に示すように、金属（特にアルミニウム）から成るフィルター基材５２上に酸化チタン微粒子から成る光触媒担持体５３を形成することで光触媒効率の向上を図ることができる（「表１」の「例４−Ａ」に相当）。

次に、フィルター基材が金属であることから接触する光触媒担持体に形成された電子・正孔対が再結合することで活性酸素の生成が抑えられることが懸念される。

本発明の別の実施形態としてフィルター基材５２表面に薄い透明絶縁層を形成しその後光触媒担持体５３を形成することで金属であるフィルター基材と光触媒担持体との接触を防ぎ、光触媒担持体に形成された電子・正孔対の再結合を防ぐことができる（「表１」の「例４−Ｂ」に相当）。

図１１（ｂ）に示すように、本発明の別の実施形態として、微粒子の集まりである光触媒担持体５３の代わりに光触媒の微粒子５４自体を孤立状態（散点状）でフィルター基材５２に多数担持させることで触媒性能を更に向上させることができる。光触媒の微粒子自体の担持は有機溶媒中で分散されたミセル状の光触媒をフィルター内部に付着させ乾燥・焼成することで可能となる（「表１」の「例４−Ｃ」に相当）。

また、図１１（ｃ）に示すように、本発明の別の実施形態としてフィルター基材５２表面に透明絶縁体を含有した光触媒層５５を形成することで反射部分が直接外気に触れなくても光触媒層５５の透明領域を通して光が入射し金属の基材表面で反射できるよう工夫することができる。

該光触媒層５５は例えば酸化チタンと酸化珪素の混合層（モル混合比１：２）である。この場合はスプレー法を使わずに浸漬法で形成するためコート層の膜厚の制御がしやすく、また光触媒領域と透明領域（反射領域）の面積比も制御できる（酸化チタンと酸化珪素のモル混合比から推定可能）という利点がある（「表１」の「例４−Ｄ」参照）。

[第５の実施形態]
図１２に示すものは、本発明の一つの実施形態であり、フィルター基材６１上に光反射層（アルミニウム）６３を形成した後、各々孤立した光触媒担持体６２により光触媒層を形成する（前記図５に相当するもの）。

前記図１２に示す実施形態においてはフィルター基材が金属であったが、３次元の網目状フィルターは通常金属よりもセラミックスであるため、図１２に示すようにフィルター基材６１上に光反射層（アルミニウム）６３を形成した後、光触媒担持体６２を形成する（光触媒層を散点状に形成する）のが好ましい。光触媒担持体６２は光触媒の微粒子自体にも置き換えても効果的である。

微粒子の集まりである光触媒担持体６２の形成は通常スプレー法を用いる。光触媒の微粒子自体の担持は有機溶媒中で分散されたミセル状の光触媒をフィルター内部に付着させ乾燥・焼成することで可能となる（「表１」の「例５」参照）。

[第６の実施形態]
図１３に示すものは、本発明の一つの実施形態としてフィルター基材７１上に光反射層（アルミニウム）７４を形成した後、透明絶縁層（シリカ）７３を形成、更に各々孤立した光触媒担持体７２により光触媒層を形成する。

上記図１２の実施形態においては金属である光反射層が光触媒担持体中の酸化チタン微粒子に接しているため（半導体微粒子である）酸化チタンで形成された電子と正孔がすぐに再結合し活性酸素の速やかな生成を阻害することになる。（あるいは酸化チタン微粒子表面に形成された電子が下地の金属に逃げてしまうのが活性酸素の速やかな生成を阻害することになる）。

そこで光触媒と金属である反射層を直接接触しないようにすることが重要になる。よって反射コート層と光触媒担持体の間に透明絶縁層を設けた（「表１」の「例６」参照）。

[第７の実施形態]
前記第１〜第６の実施形態は主として３次元の網目状フィルターに関するものであった。

ここでは主にハニカム型流路構造のフィルターに光触媒を担持したものに限定して本発明の実施形態を説明する。

本発明の一つの実施形態としてハニカム流路構造の光触媒フィルターの流路内部に反射コート層および光触媒コート層を設ける。

例えば図１４に示すように該フィルター８０の一部である流路８１の断面を見ると、流路８１は（ハニカム状の）流路壁８２と流路開孔部８４から成っており、流路の壁を為すフィルター基材８２表面には反射コート層８５が形成されており、更にその表面に光触媒コート層８３が形成されている。

該フィルター基材８２は通常金属もしくはセラミックスから構成される。基材が金属の場合はＳＵＳなどの鉄製であることが多く、次いでアルミニウムなどが採用されている。基材がセラミックスの場合はコージェライト、アルミナ、炭化珪素等から選ばれるが、コージェライトが一般に多く使用される。その他、該フィルター基材８２が活性炭やゼオライトから成るものが知られている。反射コート層８５は紫外光あるいは可視光を効率的に反射することができる膜状のもので、金属膜から成る。本発明で使用される光触媒、例えば酸化チタンや窒素ドープした酸化チタンを活性化させるには通常波長３２０ｎｍ〜５００ｎｍの光を照射する必要がある。この波長域を効率的に反射する金属はアルミニウム、もしくはその合金、あるいは銀、もしくはその合金などであり、アルミニウムと銀の合金も該当する。その中でアルミニウムが最も適している。よって、本発明の実施例においては反射コート層８５としてアルミニウムの膜を使用した。

さて、ここで実際にフィルター表面に光を照射したとき、光触媒コート層２４がほぼ完全に酸化チタンで構成されている場合、光は光触媒コート層にほとんど吸収され下地の反射コート層は全く意味をなさなくなる。そこで光触媒コート層が酸化チタン（ＴｉＯ２）と酸化珪素（ＳｉＯ２）の混合層から構成されており、酸化珪素（ＳｉＯ２）を混ぜることで光透過性が増すことで下地の反射コート層で入射光を反射できるようにした。このような構成をとったことでＬＥＤ光源からの照射された光により該フィルター流路の光入射面から流路の更に奥まった場所まで照らせるようにすることができ、流路壁全体に満遍なく光が当たる。

図１４において該光触媒コート層８３は酸化珪素（ＳｉＯ２）のような透明絶縁体を含有する光触媒コート層であることを特徴としている。透明絶縁体は透明なセラミックが適しており、酸化珪素（シリカ）以外にジルコニアやトリアなどが知られている。光触媒である酸化チタン微粒子との接着性に関しては酸化珪素（シリカ）が好ましい（「表１」の「例７」参照）。

なお、図１５に示すものは、図３や図８（ｃ）に示す一層構造における光触媒と光反射部材の混合比変えたときのアセトアルデヒド除去率の実験データを示すグラフである。

（実施例）
上記発明の構成を有する空気浄化フィルターおよび該フィルターを搭載した空気浄化装置を用いて、実際に汚染空気中の臭気が光触媒効果によって酸化・分解し浄化されているかどうか確認した。検体はタバコの煙に含まれる有害成分であるアセトアルデヒドを使用し、高純度の空気（濃度比率；窒素：酸素＝１：１）に混入させて濃度５ｐｐｍの汚染空気を作製した。次いで作製した汚染空気を容積が１ｍ３のチャンバーに導入し、本発明の空気浄化フィルターを搭載した空気浄化装置も該チャンバー内に放り込んでおいた。

こうしてチャンバー内のアセトアルデヒドの濃度が５ｐｐｍであることを確認した後、空気浄化装置を起動して各フィルターによる浄化試験を行なった。

使用した流量は毎分１ｍ^３で、通気時間は３０分である。浄化試験に使用した本発明の空気浄化フィルターの体積はいづれも２０００ｃｍ^３である（空気浄化フィルターの寸法は縦２０ｃｍ、横２０ｃｍ、奥行き５ｃｍである。）。

尚、従来のフィルターおよび装置構成ではアセトアルデヒドは３０％程度しか除去できなかった（「表１」の従来例参照）。

表１の例１−Ａ，Ｂ，Ｃ及び２の「光触媒フィルター構成条件」を参照しながら実施結果を示す。

第１の実施形態、第２の実施形態で示した空気浄化フィルターを用いた場合、チャンバー内の汚染空気は各浄化フィルターを搭載した空気浄化装置を通して排出され、３０分後にチャンバー内空気中の検体（アセトアルデヒド）の濃度を検知管で測定したところ、０．５ｐｐｍ以下となっていた。このことから各浄化フィルターが９０％以上の除去率を示していることがわかった。更に浄化試験後のチャンバー内の空気をＤＮＰＨ管に通気させてアセトアルデヒドを捕集（ＤＮＰＨと反応し定着）し、液体クロマトグラフィーで精密に濃度を特定したところ、例１−Ｂおよび例２に関しては０．０５ｐｐｍ以下であることがわかり当該実施形態ともに除去率が９９％程度あることがわかった。

なお、検体の濃度を測定した検知管は、ガステック社のアセトアルデヒド検知管を使用した。また、液体マトグラフィーは島津製作所製ＬＣ−１０ＡＤを使用した。

表１の例３−Ａ及びＢの「光触媒フィルター構成条件」を参照しながら実施結果を示す。

第３の実施形態で示した空気浄化フィルターを用いた場合、チャンバー内の汚染空気は各浄化フィルターを搭載した空気浄化装置を通して排出され、３０分後にチャンバー内空気中の検体（アセトアルデヒド）の濃度を検知管で測定したところ、１ｐｐｍ程度となっていた。このことから各浄化フィルターが８０％程度の除去率を示していることがわかった。このように上記第１および第２の実施形態に比べると第３の実施形態での浄化性能はそれに準ずることがわかる。

表１の例４−Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ、５及び６の「光触媒フィルター構成条件」を参照しながら実施結果を示す。

第４の実施形態、第５の実施形態、第６の実施形態で示した空気浄化フィルターを用いた場合、チャンバー内の汚染空気は各浄化フィルターを搭載した空気浄化装置を通して排出され、３０分後にチャンバー内空気中の検体（アセトアルデヒド）の濃度を検知管で測定したところ、０．５ｐｐｍ以下となっていた。このことから各浄化フィルターが９０％以上の除去率を示していることがわかった。更に浄化試験後のチャンバー内の空気をＤＮＰＨ管に通気させてアセトアルデヒドを捕集（ＤＮＰＨと反応し定着）し、液体クロマトグラフィーで精密に濃度を特定したところ、例４−Ａ，Ｂ，Ｃおよび例５、例６に関しては０．０５ｐｐｍ以下であることがわかり当該実施形態いずれも除去率が９９％程度あることがわかった。

表１の例７の「光触媒フィルター構成条件」を参照しながら実施結果を示す。
第７の実施形態で示した空気浄化フィルターを用いた場合、該浄化フィルターを搭載した浄化装置を通して浄化された空気中の検体の濃度を検知管により測定したところ０．５ｐｐｍ以下を示していた。このことから該浄化フィルターが９０％以上の除去性能を示していることがわかった。更に捕集したアセトアルデヒドに関して液体クロマトグラフィーで精密に濃度を特定したところ、０．５ｐｐｍ程度であることがわかり、該浄化フィルター除去性能は９０％程度であることがわかった。よって、ハニカム型流路構造の光触媒フィルターの浄化性能は前術の３次元網目構造の光触媒フィルターの浄化性能に準じる。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、空気浄化装置産業に利用可能である。

本発明の空気浄化装置を示す概略図である。 本発明の空気浄化フィルターの基材表面形状を示す模式図である。 図２の断面図の一実施形態を示す模式図である。 図２の断面図の一実施形態を示す模式図である。 図２の断面図の一実施形態を示す模式図である。 図２の断面図の一実施形態を示す模式図である。 図２の断面図の一実施形態を示す模式図である。 本発明の空気浄化フィルターの第１の実施形態を示す概略図である。 本発明の空気浄化フィルターの第２の実施形態の特徴を示す説明図である。 本発明の空気浄化フィルターの第３の実施形態を示す概略図である。 本発明の空気浄化フィルターの第４の実施形態を示す概略図である。 本発明の空気浄化フィルターの第５の実施形態を示す概略図である。 本発明の空気浄化フィルターの第６の実施形態を示す概略図である。 本発明の空気浄化フィルターの第７の実施形態を示す概略図である。 光触媒と光反射部材の混合比と除去率の関係を示すグラフである。

符号の説明

２，２０，４０，５０，８０ 空気浄化フィルター、４ 光源、１０ 空気浄化装置、２２，２５，２８，３１，４１，５１，６１，７１，８２ フィルター基材、２３，２６，３２，６３，７４，８５ 光反射層、２４，２７，３３，４３，８３ 光触媒層、２９ 光触媒および反射体の混合層、３４，７３ 透明絶縁層、４４ 反射体微粒子、４５ 反射体および透明絶縁体の混合層（多孔性）、５２ フィルター基材（反射体）、５３ 光触媒担持体、５４ 光触媒微粒子、９０ 光触媒領域（光触媒層）、９１ 光反射領域（光反射層）、９２ 基材。

Claims (17)

1. 光触媒により汚染空気中の被除去成分を除去するフィルターであって、該フィルターを構成する基材の表面は、前記光触媒によって構成される光触媒領域と、光反射部材によって構成される光反射領域とを有することを特徴とする空気浄化フィルター。
2. 前記光触媒領域と光反射領域が、断面構造において一層構造とされていることを特徴とする請求項１記載の空気浄化フィルター。
3. 前記光触媒領域と光反射領域が、断面構造において二層構造とされていることを特徴とする請求項１記載の空気浄化フィルター。
4. 前記基材表面に前記光反射部材からなる光反射層が形成され、該光反射層の上に前記光触媒と透光部材との混合からなる光触媒層が形成されていることを特徴とする請求項３記載の空気浄化フィルター。
5. 前記基材表面に前記光反射部材からなる光反射層が形成され、該光反射層の上に前記光触媒からなる光触媒層が形成され、該光触媒層は前記光触媒が散在してなることを特徴とする請求項３記載の空気浄化フィルター。
6. 前記基材表面に前記光触媒からなる光触媒層が形成され、該光触媒層の上に前記光反射部材と透光部材との混合からなる光反射層が形成されていることを特徴とする請求項３記載の空気浄化フィルター。
7. 前記基材表面に前記光触媒からなる光触媒層が形成され、該光触媒層の上に前記光反射部材からなる光反射層が形成され、該光反射層は前記光反射部材が縞状にパターン形成されてなることを特徴とする請求項３記載の空気浄化フィルター。
8. 前記光反射層と光触媒層の間に透光性の絶縁層が介在されていることを特徴とする請求項４または５記載の空気浄化フィルター。
9. 前記絶縁層は、シリカもしくはジルコニアであることを特徴とする請求項８記載の空気浄化フィルター。
10. 前記光反射層と光触媒層の間に絶縁層が介在されていることを特徴とする請求項６または７記載の空気浄化フィルター。
11. 前記絶縁層は、セラミックスであることを特徴とする請求項１０記載の空気浄化フィルター。
12. 前記光反射領域の反射率が８０％以上であることを特徴とする請求項１〜８の何れか一つに記載の空気浄化フィルター。
13. 前記光反射領域は、金属もしくは金属の化合物からなることを特徴とする請求項１２記載の空気浄化フィルター。
14. 前記金属もしくは金属の化合物は、アルミニウムもしくはアルミニウムの化合物であることを特徴とする請求項１３記載の空気浄化フィルター。
15. 前記基材が３次元網目構造体からなることを特徴とする請求項１〜１４の何れか一つに記載の空気浄化フィルター。
16. 前記基材がハニカムフィルターからなることを特徴とする請求項１〜１４の何れか一つに記載の空気浄化フィルター。
17. 汚染空気を浄化する装置であって、前記請求項１〜１６の何れか一つに記載の空気浄化フィルターと光源とを有することを特徴とする空気浄化装置。

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