JP2013169408A - 光触媒脱臭装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 光触媒シートを構成するガラス繊維織物に通気孔を形成して、圧力損失を低減し、より広い範囲への適用を可能とした光触媒脱臭装置を提供する。
【解決手段】 互いに対向する面に複数のLEDチップ13が搭載されて平行に配設されるとともに複数の通風孔5aが形成されている2枚のLED実装基板5の間に2枚の光触媒シート3を平行に配設し、この2枚の光触媒シート3をそれぞれ光触媒微粒子を坦持するとともに通気孔31の形成された第1のガラス繊維織物21と、この第1のガラス繊維織物21の両方の面に密接して設けられ、通気孔31の形成された光触媒微粒子のない第2のガラス繊維織物23とで構成する。
【選択図】 図2

Description

本発明は、光触媒を利用して空気中の脱臭を行う光触媒脱臭装置に関する。
近年、居住空間や車内などの所謂、準閉鎖空間における空気の清浄化改善の要望が高まっており、食物から発生したり、あるいはタバコ副流煙として発生するアンモニアや、建材などから発生するVOC(揮発性有機物質、例えば、アセトアルデヒド)などを除去する脱臭装置が特に望まれている。
従来、この種の脱臭装置は、臭気成分を吸収する吸着材料と臭気成分を分解する光触媒材料とを多孔質セラミックス表面層や無機基板に担持したものをハニカム状に形成し、このハニカム孔に通風しながら光源から励起光を照射することにより、空気の浄化を行っている。
更に詳しくは、臭気ガスの吸着機能を有する活性炭の上に光触媒の微粒子が形成されたものをハニカム状に加工した光触媒ユニットに対して光触媒励起源である例えば蛍光管ランプなどのランプからの放射光を照射して、光触媒の微粒子を活性化するとともに、臭気を含む空気を通風させることにより臭気ガスの分解を行っている。
特許第257480号公報 特開2003−339839号公報
上述した従来の脱臭装置は、吸着剤としての活性炭上に光触媒の微粒子が担持されているハニカム構造となっているため、光触媒の触媒性能、すなわち脱臭性能が低いという問題がある(特許文献1参照)。
また、ハニカム構造となっているために、光触媒ユニットの正面に配置された光触媒励起源のランプから照射される光がハニカム構造の壁に遮られてしまい、ハニカム孔の内部における光照射強度が低く、従って光触媒活性の低い領域の発生が不可避となり、脱臭性能の低下を招くという問題もある。
更に、活性炭は、それ自体光を伝播しないので、励起光を照射した場合、活性炭と接触している光触媒の微粒子の部分が光触媒の微粒子自体の影となってしまい、光触媒微粒子の表面積を増加させ、光触媒能を向上させようにも、その効果が半減されてしまい、事実上、脱臭能力が制約されてしまうという問題がある。
上述したハニカム構造の壁に遮られて発生する影の領域を減らすために、複数の励起光源を設けることも可能であるが、複数の励起光源を設けると、これらの複数の励起光源が空気が流れる時の流路抵抗となってしまい、圧力損失が増大するという問題がある。
また、ハニカム構造の壁の厚みを小さくすると、形状安定性の低下や光触媒担持量の低下が発生し、脱臭性能が低下するという問題がある。
更に、励起光源の短寿命と環境負荷について考察すると、光源として蛍光管ランプを使用する場合が多いが、蛍光管ランプは寿命が短く、例えば耐久消費財などに利用される場合、通常5年から10年の寿命が必要とされるが、かかる長寿命の蛍光管ランプはコストが非常に高く非現実的である。また、製造段階で蛍光管ランプ内に水銀の使用が余儀なくされており、昨今の厳しい環境事情を背景に製品廃棄の段階での環境負荷に対する課題への対応が困難となっている。
これに対して、蛍光管ランプを使用せずに、例えば高電圧放電によってオゾンや紫外線を発生させ、この紫外線により活性化された光触媒モジュールで空気中に含まれる臭気成分や有害物質などの分解を行い、併せて高電圧放電手段によって発生させたオゾンをオゾン分解手段で分解するようにした脱臭装置が提案されている(特許文献2参照)。
しかしながら、アセトアルデヒトのような臭気ガスを分解するためには、酸化電位のより深い、従って価電子帯の上限電位のより大きい触媒反応が必要であり、オゾンによる分解では水と炭酸ガスまでの最終的な完全分解は困難であって、酢酸などの中間酸化物が生成され易く、この生成された酢酸が光触媒材料を覆ってしまい、分解速度を著しく低下させるという問題がある上に、またオゾンそのものの有害性から残留臭気ガスの分解後も、オゾン除去のために二酸化マンガン層などのオゾン分解触媒層を設置する必要があり、コストが高くなるという問題がある。
更に、LEDを複数使用し、ガラス繊維を束ね縦横方向に織込んで加工したものに光触媒微粒子を担持したものも考えられる。この場合、高い脱臭性能を維持し、圧力損失が少なく、長寿命の光触媒脱臭装置が可能であるが、風速の高い(例えば、3.0m/s以上)使用状況下になると、光触媒微粒子の担持材(ガラス繊維)への密着力が大きくないことから、光触媒微粒子の脱落が激しくなり、風速が比較的小さな(例えば、3.0m/s以下)用途に制限されてしまうという問題がある。
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、光触媒シートを構成するガラス繊維織物に通気孔を形成して、圧力損失を低減し、より広い範囲への適用を可能とした光触媒脱臭装置を提供することにある。
上記課題を達成するため、請求項1記載の光触媒脱臭装置は、一方の面上に複数のLEDチップが搭載されるとともに複数の通風孔が形成されたLED実装基板の一方の面に対向して光触媒粒子を担持したガラス繊維織物を有する光触媒シートが前記LED実装基板に平行に配設され、前記通風孔から送入される空気が光触媒シートを通過するように構成された光触媒脱臭装置であって、前記光触媒シートを構成するガラス繊維織物はガラス繊維を束ねた横糸群と縦糸群から構成される織物であって、当該ガラス繊維織物に通気孔が形成されていることを要旨とする。
請求項1記載の光触媒脱臭装置では、光触媒シートを構成するガラス繊維織物に通気孔が形成されているため、脱臭すべき臭気を含む空気が流れる時の流路抵抗が低減し、圧力損失が低減し、風速が高い使用状況にも適用でき、広い範囲での使用が可能となる。
請求項2記載の光触媒脱臭装置は、前記光触媒シートが、当該光触媒シートの一方の面側または両方の面側に密接して設けられ、ガラス繊維を束ねた横糸群と縦糸群から構成されるガラス繊維織物を有することを要旨とする。
請求項2記載の光触媒脱臭装置では、光触媒シートの面に密接してガラス繊維織物が設けられているため、光触媒シートのガラス繊維織物に担持されている光触媒微粒子が脱落したとしても、当該ガラス繊維織物で捕捉でき、光触媒微粒子が低減することを抑制することができる。
請求項3記載の光触媒脱臭装置は、前記ガラス繊維織物は、通気孔が形成されていることを要旨とする。
請求項3記載の光触媒脱臭装置では、ガラス繊維織物に通気孔が形成されているため、空気の流路抵抗が低減し、圧力損失が低減し、風速が高い使用状況にも適用でき、広い範囲での使用が可能となる。
請求項4記載の光触媒脱臭装置は、互いに対向する面に複数のLEDチップが搭載されて平行に配設されるとともに複数の通風孔が形成されている2枚のLED実装基板と、この2枚のLED実装基板の間に平行に配設されている2枚の光触媒シートとを有し、この2枚の光触媒シートはそれぞれ光触媒微粒子を坦持している第1のガラス繊維織物と、この第1のガラス繊維織物の一方または他方の面または両方の面に密接して設けられ、光触媒微粒子を坦持していない第2のガラス繊維織物とを有する光触媒脱臭装置であって、前記第1および第2のガラス繊維織物に複数の通気孔が形成されていることを要旨とする。
請求項4記載の光触媒脱臭装置では、第1および第2のガラス繊維織物に複数の通気孔が形成されているため、空気の流路抵抗が低減し、圧力損失が低減し、風速が高い使用状況にも適用でき、広い範囲での使用が可能となる。
請求項5記載の光触媒脱臭装置は、前記2枚の光触媒シートのうち、空気の流入側に配設される一方の光触媒シートを構成する第1のガラス繊維織物が担持する光触媒微粒子は、酸化チタン光触微媒粒子であり、空気の流出側に配設される他方の光触媒シートを構成する第1のガラス繊維織物が担持する光触媒微粒子は、酸化タングステン光触媒微粒子であることを要旨とする。
請求項5記載の光触媒脱臭装置では、空気の流入側の光触媒シートの第1のガラス繊維織物が担持する光触媒微粒子は酸化チタン光触微媒粒子であり、空気の流出側の光触媒シートの第1のガラス繊維織物が担持する光触媒微粒子は酸化タングステン光触媒微粒子であるため、弱アルカリ成分となるアンモニアが酸化チタン(TiO2)によって効率的に吸着・分解されるとともに、また残留中性ガスも除去することができる。
本発明によれば、光触媒シートを構成するガラス繊維織物に通気孔が形成されているので、脱臭すべき臭気を含む空気が流れる時の流路抵抗が低減し、圧力損失が低減し、風速が高い使用状況にも適用でき、広い範囲での使用が可能となる。
また、本発明によれば、光触媒シートの面に密接してガラス繊維織物が設けられているので、光触媒シートのガラス繊維織物に担持されている光触媒微粒子が脱落したとしても、当該ガラス繊維織物で捕捉でき、光触媒微粒子が低減を抑制することができる。
更に、本発明によれば、ガラス繊維織物に通気孔が形成されているので、空気の流路抵抗が低減し、圧力損失が低減し、風速が高い使用状況にも適用でき、広い範囲での使用が可能となる。
本発明によれば、空気の流入側の光触媒シートの第1のガラス繊維織物が担持する光触媒微粒子は酸化チタン光触微媒粒子であり、空気の流出側の光触媒シートの第1のガラス繊維織物が担持する光触媒微粒子は酸化タングステン光触媒微粒子であるので、弱アルカリ成分となるアンモニアが酸化チタン(TiO2)によって効率的に吸着・分解されるとともに、また残留中性ガスも除去することができる。
本発明の一実施形態に係わる光触媒脱臭装置の部分解斜視図である。 図1に示す光触媒脱臭装置の側方から見た断面図である。 図1および図2に示した光触媒脱臭装置に使用されている光触媒シートの分解斜視図および該光触媒シートの完成斜視図である。 図1および図2に示した光触媒脱臭装置に使用されている光触媒シートの取付フレームを取り外した状態を示す断面図である。 図3に示した第2のガラス繊維織物を示す平面図である。 図5に示した第2のガラス繊維織物の写真である。 第1のガラス繊維織物および第2のガラス繊維織物を構成しているガラス繊維織物を拡大した顕微鏡写真である。 光触媒微粒子が坦持されている第1のガラス繊維織物を更に拡大した顕微鏡写真である。 第1のガラス繊維織物および第2のガラス繊維織物を構成しているガラス繊維織物を通気孔が形成された部分について拡大して示す顕微鏡写真である。 図1に示した光触媒脱臭装置に使用されているLED実装基板を示す正面図である。 図10に示したLED実装基板に搭載されているLEDチップの拡大正面図である。 光触媒微粒子の風速による影響を示すグラフである。 圧力損失の風速による影響を示すグラフである。 アセトアルデヒドの分解例を示すグラフである。 本発明の光触媒脱臭装置の変形例を示す図である。 本発明の光触媒脱臭装置の他の変形例を示す図である。 本発明の光触媒脱臭装置の別の変形例を示す図である。 本発明の光触媒脱臭装置の更に他の変形例を示す図である。 本発明の光触媒脱臭装置の更に別の変形例を示す図である。 本発明の他の実施形態に係わる光触媒脱臭装置においてLED実装基板上に搭載されるLEDチップの回路図である。
以下、図面を用いて、本発明を実施するための形態(以下、実施形態と称する)を説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係わる光触媒脱臭装置の部分分解斜視図である。同図に示光触媒脱臭装置10は、全体が直方体状であって、上部が開口した筺体1内に収納されて構成され、この直方体状の筺体1の内部に上部の開口部から複数の、本実施形態では2枚の光触媒シート3がスライド式に挿入されるとともに、この2枚の光触媒シート3を挟むように2枚の光触媒シート3の両側にそれぞれ2枚のLED実装基板5が光触媒シート3に対して平行に配設され、同様に筺体1内に上方からスライド式に挿入されて収納されるようになっている。なお、2枚のLED実装基板5には、後述するように、多数の通風孔5aが形成されている。
なお、筺体1は、例えば紫外線に対する高い耐候性と臭気ガスに対する変色が少ない観点から、アクリル樹脂(ポリメタクリル酸メチル樹脂)で構成されるか、更には前記樹脂であって発臭を抑え重合度を10,000〜15,000程度に高めた材料で構成されてもよい。また更には、筺体1は、比較的コストが安価で成形性の良好なABS樹脂(アクリルニトリルーブタジエンースチレン共重合合成樹脂)で構成されてもよいし、強度向上のためABS樹脂にガラス繊維を混錬させてコンパウンドした強化ABS樹脂で構成されてもよい。なお、上記材料は、金型を用いて所定の形状になるように成形される。
直方体の筺体1の前面側、すなわち図1で手前側には、複数の、本実施形態では4個の大きな開口部1aが形成され、この開口部1aから臭気を含む空気が筺体1内に送入されるようになっている。なお、筺体1の前面側と反対の背面側にも図示しないが、同様に複数の開口部が形成され、上述したように、筺体1の前面側の開口部1aから送入された空気は、筺体1内を通過した後、背面側の開口部を通って外部に流出するようになっている。
また、図1では、2枚の光触媒シート3と2枚のLED実装基板5は、筺体1に上部の開口部から挿入される途中の段階を示しているが、これらの光触媒シート3およびLED実装基板5が筺体1内に完全に送入されて収納された後には、図1において上方に示す天板7が筺体1の上部の開口部の上に取り付けられ、筺体1の上部の開口部を天板7で閉塞するようになっている。
更に、LED実装基板5は、後述するように、光触媒の励起光源となるLEDチップが搭載されているが、このLEDチップに対して電源ケーブル9の一端が接続され、この電源ケーブル9の他端には、コネクタ11が接続され、この電源ケーブル9を介してLEDチップに電圧が供給され、これによりLEDが点灯し、励起光を放射するようになっている。
図2は、図1に示す光触媒脱臭装置10の側方から見た断面図である。なお、図2において、当該光触媒脱臭装置10の左側に示す矢印101が上述したように筺体1内に送入される空気の流れを示すものである。この矢印101で示すように、光触媒脱臭装置10の左側から筺体1内に送入された空気が図2で左端のLED実装基板5を通過してから、2枚の光触媒シート3を順に通過し、最後に右端のLED実装基板5を通過してから、筺体1の右側から矢印102で示すように外部に流出するようになっている。
また、図2から分かるように、光触媒シート3を挟んだ両側の2枚のLED実装基板5の表面上には、それぞれ上述したLEDチップ13が複数搭載されているが、これらのLEDチップ13は、それぞれ光触媒シート3に対向するLED実装基板5の面上に搭載され、各LEDチップ13から放射された光は、光触媒シート3の対向する面に直接照射するようになっている。なお、LEDチップ13は、面光源を構成するものであり、このLEDチップ13の面光源は光触媒シート3に対して平行になっている。
更に、図2から分かるように、2枚の光触媒シート3の各々は、以下に説明するガラス繊維織物からなる3層構造に構成されているが、この3層構造は、後述するように、光触媒粒子を担持した1枚の第1のガラス繊維織物21と光触媒粒子を担持していない2枚の第2のガラス繊維織物23とで構成され、1枚の第1のガラス繊維織物21を挟むように2枚の第2のガラス繊維織物23が両側に設けられて構成されている。また、ここでは総称して織物と記載するが、編み物、不織布等であってもよいのは言うまでもない。
なお、上述した2枚の光触媒シート3のうち、図2において矢印101で示す風上側、すなわち空気の流入側に配設される一方の光触媒シート3、すなわち図2で左側の光触媒シート3を構成する第1のガラス繊維織物21が担持する光触媒微粒子33(図3(a)参照)は、酸化チタン(TiO2)光触微媒粒子であり、空気の流出側に配設される他方の光触媒シート3、すなわち図2で右側の光触媒シート3を構成する第1のガラス繊維織物21が担持する光触媒微粒子33(図3(a)参照)は、酸化タングステン(WO3)光触媒微粒子である。
また、本実施形態の光触媒脱臭装置10では、基質ガスがアンモニアのような弱アルカリ性ガスとアセトアルデヒドのような中性ガス並びにNOXのような酸性ガスから構成される混合ガスを分解する場合、上述したように光触媒微粒子33として酸化チタン(アナタースを主相)光触媒微粒子を第1のガラス繊維織物21に担持した光触媒シート3を矢印101で示す空気の流入側に配設することによって、まず弱アルカリ成分となるアンモニアが酸化チタン(TiO2)によって吸着・分解される。そして、十分にアンモニア濃度が低下した状況下で、光触媒微粒子33として酸化タングステン(WO3)を主成分とした酸化タングステン光触媒微粒子を第1のガラス繊維織物21に担持した光触媒シート3を前記空気の流出側に配設することによって、残留中性ガスを除去することができる。酸性ガスの場合は、どちらの光触媒微粒子33の触媒活性を損なうものではなく除去される。
図3(a)および図3(b)は、それぞれ図1および図2に示した前記光触媒シート3の分解斜視図および該光触媒シート3の組み立てられた完成斜視図である。
図3(a)に示すように、光触媒シート3は、中央に前記第1のガラス繊維織物21が設けられ、この第1のガラス繊維織物21を挟むように2枚の第2のガラス繊維織物23が第1のガラス繊維織物21の両側に配設され、この2枚の第2のガラス繊維織物23を更に両側から挟むように第2のガラス繊維織物23のそれぞれの外側に取付フレーム25が2枚取り付けられるように構成されている。そして、第1のガラス繊維織物21を挟むように第1のガラス繊維織物21の両側に2枚の第2のガラス繊維織物23を重ねた後、この第2のガラス繊維織物23の両外側に対して取付フレーム25を重ねるように固定的に取り付けることにより図3(b)に示すような光触媒シート3が構成される。なお、取付フレーム25は、耐光性の高い樹脂で構成されている。
なお、この光触媒シート3を構成する1枚の第1のガラス繊維織物21と2枚の第2のガラス繊維織物23からなる3層構造を固定すべく両側から取り付けられる2枚の取付フレーム25は、例えば一方の取付フレーム25の周辺部などに突起部があり、他方の取付フレーム25の周辺部などに凹部があって、突起部を凹部に嵌合させることにより3層構造を一体的に固定する嵌め合い構造などで構成されてもよいものである。
図3(a)に示すとともに、また後述するように、第1のガラス繊維織物21は、例えば透明なガラス繊維を束ねた横糸群と縦糸群から構成されるガラス繊維織物で構成されるが、このガラス繊維織物には、複数の通気孔31が形成されるとともに、またガラス繊維織物を構成するガラス繊維の間には、多数の光触媒微粒子33がガラス繊維の間に挟まれて担持されている。なお、光触媒微粒子33は、非常に微細なものであるが、同図では、誇張して図示されている。
また、図3(a)に示すように、第2のガラス繊維織物23も、同様に、例えば透明なガラス繊維を束ねた横糸群と縦糸群から構成されるガラス繊維織物で構成され、このガラス繊維織物には、複数の通気孔31が同様に形成されているが、光触媒微粒子33は担持されていない。なお、前記通気孔31は、図2で説明したように、光触媒脱臭装置10の左側の流入側から矢印101で示したように筺体1内に送入された空気が左端のLED実装基板5を通過してから、2枚の光触媒シート3の第1および第2のガラス繊維織物21、23のガラス繊維の間およびその通気孔31を通過し、右端のLED実装基板5を通過してから、筺体1の外部に矢印102で示したように流出する場合の空気の流れを円滑にし、ガラス繊維織物による圧力損失を低減するために形成されているものである。
図4は、図3において両外側の2枚の取付フレーム25を取り外した状態の図3(b)に示した光触媒シート3を側方から見た断面図である。同図に示すように、光触媒シート3は、第1のガラス繊維織物21の両側にそれぞれ2枚の第2のガラス繊維織物23が設けられて、サンドウィッチ状の3層構造に構成されている。そして、第1のガラス繊維織物21および第2のガラス繊維織物23には、複数の前記通気孔31が形成されている。また、第1のガラス繊維織物21を構成するガラス繊維の間には、多数の光触媒微粒子33がガラス繊維の間に挟まれて担持されている。
なお、光触媒シート3の第1のガラス繊維織物21に担持されている光触媒微粒子33の材料は、アナタース型構造の酸化チタン80体積%とルチル型構造の酸化チタン20体積%からなる酸化チタンで構成され、約50m2/gの表面積を有し、結晶子径が20nm(粉体の凝集前の粒子径)のものと、窒素をドーピングし可視光域(紫色、λ=400〜450nm)で触媒活性が知られている可視光型光触媒材料(平均粒度は約40mm)の2つの材料を用いている。
また、アナタースとルチル型の構成相の相分率と結晶子径は、CuのKα線を用いたX線回折法を用い、アナタース型構造とルチル型構造酸化チタンの反射X線の強度比および反射X線の強度をデバイーシェーラーの式に代入してそれぞれ求めた。表面積は、BET法に基づく窒素の単分子吸着率特性より割り出している。
なお、励起光源波長は、前者の酸化チタンの場合には、LED波長を375nmに対応させ、また後者の可視光型光触媒材料には、LED波長を対応させている。
光触媒微粒子33の担持は、純水に燐酸を加えて、PH(水素イオン濃度)を2〜7に調整した水溶液に前記光触媒材料を加えたエマルジョン溶液に、後述する図7で説明するように、ガラス繊維を整然と束ねた横糸用ガラス繊維とガラス繊維を乱雑に不揃いで束ねた縦糸用ガラス繊維とを織り込んだ開口率5%のガラス繊維織物を10分間、浸漬して行っている。
なお、光触媒微粒子33を坦持した第1のガラス繊維織物21は、上述した状態では安定性に欠けるので、耐光性の高い樹脂からなる取付フレーム25で端部を上述したように押えて、光触媒シート3を構成している。
また、上述したように、光触媒微粒子33を坦持した第1のガラス繊維織物21における通気孔31は、直径1mmの孔開け機を用いて形成している。なお、通気孔31の数は、第1のガラス繊維織物21の面積に占める通気孔31の面積が概ね5〜10%になるように設定されている。光触媒微粒子33を坦持している第1のガラス繊維織物21を両側から挟んでいる光触媒微粒子を坦持していない第2のガラス繊維織物23の開口率は10%である。
図5は、図3に示した第2のガラス繊維織物23を単体で示す平面図である。同図に示すように、第2のガラス繊維織物23に形成されている通気孔31は、左右に3個ずつ均等に配列されて、6個形成されていることが分かる。また、第2のガラス繊維織物23の4隅と上下辺の中央部には、貫通孔23aが全体で6個形成されているが、この貫通孔23aは、上述したように、2枚の取付フレーム25を合わせて固定する場合に、取付フレーム25に設けられている突起部が貫通する孔である。また、図6は、図5に示した第2のガラス繊維織物23の実際の写真を示す図である。
図7は、前記第1のガラス繊維織物21を構成しているガラス繊維織物、すなわちガラス繊維を束ねた横糸群と縦糸群から構成されるガラス繊維織物を拡大した顕微鏡写真である。同図に示すように、ガラス繊維織物の縦糸群を構成する縦糸用ガラス繊維51vは整然と束ねてあるが、横糸用ガラス繊維51hは乱雑にほぐして不揃いな並びになっている。これは、光触媒微粒子33をガラス繊維の間に担持し易くし、これにより光触媒微粒子33がガラス繊維の間から脱落しにくくして機械的に強固に担持するためである。また、ガラス繊維の整然さと不揃いな並びは、縦糸群と横糸群とで逆にしてもよい。なお、横糸用ガラス繊維51hおよび縦糸用ガラス繊維51vを総称して記載する場合には、単にガラス繊維51と記載することにする。
なお、第2のガラス繊維織物23も図7と同様に、ガラス繊維を束ねた横糸群と縦糸群から構成されるガラス繊維織物で構成されていることは、先に説明した通りであり、第2のガラス繊維織物23の場合も、図7に示した第1のガラス繊維織物21と同様に縦糸群を構成する縦糸用ガラス繊維51vを整然と束ねて構成し、また横糸群を構成する横糸用ガラス繊維51をほぐして不揃いな並びで構成してもよいものであるが、これに限定されるものでなく、縦糸群を構成する縦糸用ガラス繊維51vも横糸群を構成する横糸用ガラス繊維51も両方とも整然と束ねて構成したり、または両方ともほぐして不揃いな並びで構成してもよい。
図8は、図7に示した前記第1のガラス繊維織物21を構成しているガラス繊維織物の一部を図7よりも更に拡大した顕微鏡写真である。同図から分かるように、第1のガラス繊維織物21の横糸群と縦糸群を構成する細いガラス繊維51v、51hの間に酸化チタン光触媒粒子または酸化タングステン光触媒粒子からなる光触媒微粒子33が多数挟まれて担持されている。
図9は、前記第1のガラス繊維織物21および第2のガラス繊維織物23を構成しているガラス繊維織物を前記通気孔31が形成された部分について拡大した顕微鏡写真である。同図に示すように、ガラス繊維を束ねた横糸用ガラス繊維51hと縦糸用ガラス繊維51vから構成される第1および第2のガラス繊維織物21、23には、図3〜図5でも示したように、複数の通気孔31が形成されていることが分かる。
これらの通気孔31は、図2で説明したように、光触媒脱臭装置10の左側の流入側から矢印101で示したように筺体1内に送入された空気が左端のLED実装基板5を通過してから、2枚の光触媒シート3の第1および第2のガラス繊維織物21、23のガラス繊維の間およびその通気孔31を通過し、右端のLED実装基板5を通過し、筺体1の外部に矢印102で示すように流出する場合の空気の流れを円滑にし、ガラス繊維織物による圧力損失を低減するために形成されているものである。
図10は、図1に示した光触媒脱臭装置10に使用されているLED実装基板5を示す正面図である。同図に示すLED実装基板5は、例えばガラスエポキシ基板で構成されるが、このLED実装基板5上には、複数個、本実施形態では4個のLEDチップ13が実装され、これらのLEDチップ13の周囲を含むLED実装基板5のほぼ全体には、当該光触媒脱臭装置10の設置場所の環境に合わせ適切な分布密度で分布するように多数の大きな通風孔5aおよび少数の小さい通風孔5bが形成されている。また、当該LED実装基板5の上には、銅箔などからなる負電極パターン67と正電極パターン69が両者の間に間隙をあけて形成され、これらの負電極パターン67と正電極パターン69の間に前記4個のLEDチップ13が図示しない抵抗を介して直列に接続されて配設されている。
なお、上述したようにLED実装基板5上に搭載されるLEDチップ13の数は、1個のLEDチップ13当たりの光量Poと、光触媒微粒子33を坦持している第1のガラス繊維織物21のガラス繊維51の面積と、ガラス繊維51とLEDチップ13の発光面間の距離から割り出し、複数のガラス繊維51のいずれの場合も、ガラス繊維51上での光照射強度が1mW/cm2以上となるようにして、4個としている。
更に詳しくは、負電極パターン67は、LED実装基板5の右上寄りの部分のほぼ半分を占有するように形成され、正電極パターン69は、LED実装基板5の左下寄りの部分のほぼ半分を占有するように形成され、当該負電極パターン67と正電極パターン69との境界部分には両者の電気的絶縁を向上させるためにレジストパターン68が形成されている。このレジストパターン68上の負電極パターン67と正電極パターン69の間に4個のLEDチップ13が直列接続されて搭載されている。
更に具体的には、抵抗を介して直列接続された4個のLEDチップ13からなる直列接続回路は、その一端が負電極パターン67に接続され、他端が正電極パターン69に接続され、図1に示したように前記電源ケーブル9を介して負電極パターン67と正電極パターン69との間に電源が供給されると、この電源から負電極パターン67および正電極パターン69を介して前記直列接続回路の各LEDチップ13に電流が供給されるようになっている。そして、各LEDチップ13に電流が流されて、各LEDチップ13が点灯すると、各LEDチップ13から光が対向する光触媒シート3に向けて放射され、この光が第1のガラス繊維織物21の光触媒微粒子33に当たって励起し、強力な酸化力を発生し、これにより第1のガラス繊維織物21の周囲の臭気を分解して、脱臭作用を行うようになっている。図1および図2でも説明したように、LED実装基板5に搭載された各LEDチップ13の発光面は、対向する光触媒シート3に向くように設定され、各LEDチップ13からの光は、対向する光触媒シート3に向かって放射される。なお、LEDチップ13は、後述するように、樹脂の流出を防止する堰堤である楕円環71で囲まれてLED実装基板5上に実装されている。
なお、図10において、LED実装基板5の左上隅部には、負電極パターン67および正電極パターン69をそれぞれ外部の電源に接続する前記電源ケーブル9を接続するための電源ケーブル接続部56a、56bが形成されている。すなわち、外部からの電源ケーブル9の負電極用電線と正電極用電線のそれぞれの一端は、当該電源ケーブル接続部56a、56bに接続されて負電極パターン67および正電極パターン69に接続され、これにより外部からの電源が負電極パターン67および正電極パターン69に供給されるようになっている。
上述したように、LED実装基板5に通風孔5aおよび5bを形成したのは、構造上、励起光源であるLEDチップ13を実装すると同時に、空気の流路抵抗を低減する効果を最大限としたためであり、これにより事実上、励起光源の圧力損失を最小化することが可能となる。
図11は、図10に示したLED実装基板5に搭載されている前記LEDチップ13の拡大正面図である。LEDチップ13は、マウンターでLED実装基板5の負電極パターン67と正電極パターン69の間のレジストパターン68上の所定の箇所に低融点リフロー炉で240℃、10秒でLED実装基板5に融着させている。LEDチップ13の融着後、各LEDチップ13のカソードおよびアノードを抵抗を介して直列接続するように30μmの金線52,53で負電極パターン67および正電極パターン69の間に接続している。なお、LEDチップ13のカソードを負電極パターン67に接続するための金線52はレジストパターン68の幅狭なブリッジ部54をまたぐようにして接続している。
更に、上述したように結線後のLED実装基板5は、LEDチップ13のP−Nジャンクション保護のため、シリコン樹脂でLEDチップ13を構成するLEDダイヘポッディングを行っている。なお、前記楕円環71は、このポッディングで使用されるシリコン樹脂の流出を防止するための堰堤である。
なお、本実施形態において、光触媒シート3とLED実装基板5が平行に配設されているのは、光触媒微粒子33を担持している第1のガラス繊維織物21とLED実装基板5とを平行に設けた時がLEDチップ13からの励起光が最大限に光触媒微粒子33に吸収されるからであり、この時、2枚の光触媒シート3を挟んでLED実装基板5を2枚設けたのは、光源であるLEDチップ13に近い光触媒シート3で励起光が吸収された後、漸次、LEDチップ13からの放射光が減衰するため、LEDチップ13の励起光から最も遠く配置された光触媒シート3に対して光量を十分に確保できなくなる恐れを防止するためである。
更に、本実施形態においては、光触媒シート3の第1のガラス繊維織物21および第2のガラス繊維織物23を構成するガラス繊維51の組成をSiO2が例えば50%以上の成分としているが、これにより光の透過性が高まり、光がガラス繊維51の中を十分伝播することができ、第1のガラス繊維織物21の微細なガラス繊維51間に担持された光触媒微粒子33がLEDチップ13の放射光から直接照射されるのと同時に、ガラス繊維51中を伝播またはガラス繊維51の表面によって反射および散乱された光が光触媒微粒子33の裏側まで到達できるので、LEDチップ13からの励起光を十分に活用することが可能である。
また、ガラス繊維51の組成をSiO2が50%以上の成分とすることで、シリコンと酸素の二重結合が非常に大きくなって化学的に安定しているので、例えばバンドギャップが3.2eVのアナタース型TiO2光触媒微粒子が励起光を吸収した時に発生する強力な酸化還元電位を有する還元電子または酸化正孔による担持材料の劣化への影響を事実上使用するのに問題ないレベルにすることができる。
なお、光触媒微粒子は、その粒子サイズが小さくなるとともに、比表面積が増大し、かつ粒子内部の電界増大に起因する励起電荷(正孔と励起電子)の再結合防止により量子効率が改善され、光触媒活性が増大することから、通常、粒子サイズがナノメートル程度の微粒子が用いられる。光触媒微粒子のままでなんらコーティングなどによる固着、担持しない状態、所謂、束縛のない状態であれば、理論上、最も光触媒活性が高い。しかしながら、光触媒微粒子を何らかの方法により固着、担持するために、一般的には、光触媒微粒子を樹脂や液体ガラスなどに練り込んで基板などにコーティングして利用されている。しかし、これでは、光触媒微粒子の表面がコーティング材で被覆されてしまうので、光触媒微粒子の表面での酸化反応による基質ガスの分解がされ難くなる。
そこで、本実施形態では、光触媒微粒子33を第1のガラス繊維織物21のガラス繊維51の間にそのまま固着し、光触媒活性を高いまま利用している。なお、光触媒微粒子をガラス繊維織物に固着する力としては、光触媒微粒子がナノメートルサイズの結晶子径であるので、ガラス繊維との分子間引力(ファンデルワースル力)と、ガラス繊維間に挟まれる物理的な力と、光触媒微粒子の表面には、その前駆水溶液中はPHが酸性であるので、ゼータ電位発生による光触媒微粒子の界面には電気二重層が形成され、ガラス繊維とのクーロン力による結合力などが考えられるが、それらの結合力では、風速が比較的大きな(3m/s以上)場合、僅かながら光触媒微粒子の脱落現象が発生する。逆に、光触媒微粒子の脱落を防止するために、開口率の小さな、所謂、目の詰まったガラス繊維織物を利用すると、圧力損失が大きくなり、十分な風量を確保できない。
そこで、本実施形態では、光触媒微粒子33を何らコーティング材なしにガラス繊維51間に固着することにより大きな光触媒活性を確保しつつ、光触媒微粒子33の脱落を抑え、十分小さな圧力損失(風の透り易さ)を実現しているものである。
また、本実施形態において、光触媒シート3を構成するガラス繊維織物21に通気孔31を形成することにより、脱臭性能は若干低下するが、図2で矢印101で示すように、流入する風が通気孔31を通過することにより、圧力損失が小さくなるとともに、また通気孔31のない部分のガラス繊維織物面上の風圧を低減でき、光触媒微粒子33の脱落を抑えることができる。
更に、本実施形態では、光触媒微粒子33を坦持している第1のガラス繊維織物21を光触媒微粒子33のない第2のガラス繊維織物23で挟んで構成しているが、このように構成することにより、光触媒微粒子33を坦持している第1のガラス繊維織物21から光触媒微粒子33が脱落しても、この脱落した光触媒微粒子33を第2のガラス繊維織物23で捕捉することができる。
なお、本実施形態において、前記LED実装基板5は、ガラスエポキシ基板上に負電極パターン67と正電極パターン69を形成するとともに、当該LED実装基板5上に搭載されるLEDチップ13は、波長λ=375nm、光量Po=5.8mW(順方向電流30mA)のLEDダイと波長λ=405nm、光量Po=6.2mW(順方向電流30mA)のLEDダイの2種類のLEDダイを使用し、これらのLEDダイをLED実装基板5上にマウンターで配置した後、低融点リフロー炉で240゜C、10秒でLED実装基板5に融着させて実装されている。また、融着後のLED実装基板5上へのLEDダイの負電極パターン67および正電極パターン69からなる電極への結線は、ワイヤーボンダー機を使用して、LEDチップ13のアノード側とカソード側の2本を30μmの金線52,53で行っている。
なお、本実施形態では、2枚の光触媒シート3を挟むように両側に設けられている2枚のLED実装基板5の光触媒シート3に対向するそれぞれの面にLEDチップ13を設けたが、これに限定されるものでなく、2枚のLED実装基板5のうちの一方のLED実装基板5のみにLEDチップ13を設けていてもよいし、また2枚のLED実装基板5のうち、空気の流出側である図2で右側のLED実装基板5は設けなくてもよいし、更に2枚の光触媒シート3は1枚でもよいし、または3枚以上の複数枚あってもよいし、また更に光触媒シート3は、光触媒微粒子33を坦持した第1のガラス繊維織物21を挟むように両側に2枚の第2のガラス繊維織物23が設けられているが、この2枚の第2のガラス繊維織物23のうち、いずれか一方の第2のガラス繊維織物23を取り除いて、他方の1枚の第2のガラス繊維織物23と1枚の第1のガラス繊維織物21の2枚のみで構成されてもよいし、またはこの他方の第2のガラス繊維織物23と第1のガラス繊維織物21の2枚のみで構成される光触媒シートを1枚のみ、または複数枚設けてもよいし、更に光触媒シート3は、2枚の第2のガラス繊維織物23を取り除いて、1枚の第1のガラス繊維織物21のみで構成されてもよいし、またはこの1枚の第1のガラス繊維織物21のみで構成される光触媒シートを1枚または複数枚設けてもよいものである。
次に、図12〜図14に示すグラフを用いて、光触媒脱臭装置の性能について説明する。
まず、図12は、光触媒微粒子の風速による影響、すなわち第1のガラス繊維織物21に担持されている光触媒微粒子33の風速による脱落量を示すグラフであり、横軸に風速(m/s)を示し、縦軸にLog(脱落量)ppmを示す。
また、このグラフは、従来の光触媒脱臭装置Aと、図1乃至図11で説明した本実施形態の光触媒脱臭装置10において2枚の第2のガラス繊維織物23を取り除いて、光触媒シート3を光触媒微粒子33を坦持した1枚の第1のガラス繊維織物21のみで構成するとともに、2枚のLED実装基板5のうちの少なくとも1枚のLED実装基板5にのみLEDチップ13を実装した状態の本発明の光触媒脱臭装置Bと、この光触媒脱臭装置Bにおいて光触媒微粒子33を坦持した第1のガラス繊維織物21を光触媒微粒子のない第2のガラス繊維織物23で挟んで構成された状態の本発明の光触媒脱臭装置Cとの3種類の光触媒脱臭装置A、B、Cの性能を示すが、この光触媒脱臭装置A、B、Cの構成及び条件は図13および図14に示すグラフでも同じである。また、各グラフでは、従来の光触媒脱臭装置Aの性能を「X」で示し、本発明の光触媒脱臭装置Bの性能を「□」で示し、本発明の光触媒脱臭装置Cの性能を「○」で示している。
なお、上記光触媒微粒子の風速による脱落量の性能は、所定の冶具に光触媒シートとLEDチップを実装した基板を挿入し、風速0.5〜5m/sの範囲で空気の流入側に設定したファンモータを300時間駆動し、冶具に背後で捕獲されるナノパーティクルを精密天秤を用いて、その重量を測定し、重量変化量(ppm)を対数でプロットしたものである。
図12から分かるように、ガラス繊維織物に担持されている光触媒微粒子の風速による脱落量は、「○」で示す本発明の光触媒脱臭装置Cが最も小さく良好であり、風速が上がっても脱落量はそれほど上昇していない。また、「□」で示す本発明の光触媒脱臭装置Bは、従来の光触媒脱臭装置Aに比較して、脱落量は小さいが、光触媒脱臭装置Cほどでなく、風速の上昇とともに若干大きくなっている。更に、「X」で示す従来の光触媒脱臭装置Aは、脱落量がかなり大きく、風速の上昇とともに大きくなっている。
次に、図13に示すグラフを参照して、圧力損失の風速による影響について説明する。なお、この図13のグラフでは、横軸に風速(m/s)を示し、縦軸に圧力損失/kPaを示す。この図13に示すグラフの圧力損失は、上述した所定の冶具の前後の圧力差を測定したものである。
また、図13に示すグラフでも、図12に示したと同様に、従来の光触媒脱臭装置Aの性能を「X」で示し、本発明の光触媒脱臭装置Bを「□」で示し、本発明の光触媒脱臭装置Cを「○」で示す。
図13から分かるように、「□」および「○」で示す本発明の光触媒脱臭装置Bおよび光触媒脱臭装置Cは、風速の上昇に対して、圧力損失は低く抑えられていて、あまり上昇していないことが分かる。これに対して、「X」で示す従来の光触媒脱臭装置Aは、風速の上昇とともに、圧力損失が急激に上昇していることが分かる。
次に、図14に示すグラフを参照して、脱臭性能、すなわちアセトアルデヒドの分解例について説明する。なお、この図14のグラフでは、横軸に照射時間(分)を示し、縦軸にアセトアルデヒド残存率(%)を示す。この図14のグラフにおいてアセトアルデヒドの分解例として示す脱臭性能の評価は、アセトアルデヒド10ppmの基質ガスを用いて行った。
また、図14に示すグラフでも、図12および図13に示したと同様に、従来の光触媒脱臭装置Aの性能を「X」で示し、本発明の光触媒脱臭装置Bを「□」で示し、本発明の光触媒脱臭装置Cを「○」で示す。
図14に示すように、「□」および「○」で示す本発明の光触媒脱臭装置Bおよび光触媒脱臭装置Cも、また「X」で示す従来の光触媒脱臭装置Aも照射時間に対してアセトアルデヒド残存率はあまり変わらない。
次に、図15〜図19を参照して、本発明の光触媒脱臭装置の種々の変形例について説明する。
まず、図15に示す変形例の光触媒脱臭装置201は、図2に示した光触媒脱臭装置10において光触媒シート3が2枚であったのに対して、この光触媒シート3を3枚以上複数n枚設けた点が異なるのみであり、その他の構成は同じであり、同じ構成要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。この光触媒脱臭装置201は、3枚以上複数n枚の光触媒シート3を有するものであるため、その分、脱臭作用を増大することができる。
図16に示す変形例の光触媒脱臭装置203は、図2に示す光触媒脱臭装置10において1枚の第1のガラス繊維織物21を2枚の第2のガラス繊維織物23で両側から挟んで3枚のガラス繊維織物でそれぞれ構成される2枚の光触媒シート3の代わりに、1枚の第1のガラス繊維織物21と1枚の第2のガラス繊維織物23とを互いに貼り合わせて、2枚のガラス繊維織物で構成される光触媒シート3aを2枚用いるとともに、この2枚の光触媒シート3aのそれぞれの第1のガラス繊維織物21、すなわち光触媒微粒子33を坦持した第1のガラス繊維織物21を両側に設けられたLED実装基板5に対向させるように配設した点が異なるのみであり、その他の構成は同じであり、同じ構成要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。
すなわち、この変形例の光触媒脱臭装置203は、2枚の光触媒シート3aを互いに逆向きに配設して、同図において左側の光触媒シート3aの第1のガラス繊維織物21は、符号101で示す空気の流入側である左側のLED実装基板5に対向し、右側の光触媒シート3aの第1のガラス繊維織物21は、符号102で示す空気の流出側である右側のLED実装基板5に対向するように設定され、両2枚の光触媒シート3aの第2のガラス繊維織物23は、互いに対向するようになっている。
この光触媒脱臭装置203は、光触媒シート3aが第1のガラス繊維織物21と第2のガラス繊維織物23の2枚で構成されているため、経済化、小型化をはかることができるとともに、光触媒シート3aを構成している第1のガラス繊維織物21、すなわち光触媒微粒子を坦持している第1のガラス繊維織物21が外側に配設されて、LED実装基板5のLEDチップ13に対向しているため、LEDチップ13からの励起光を直接効率的に受けることができる。
図17に示す変形例の光触媒脱臭装置205は、図16に示す光触媒脱臭装置203において光触媒シート3aが2枚であったのに対して、この光触媒シート3aを3枚以上複数n枚設けた点が異なるのみであり、その他の構成は同じであり、同じ構成要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。この光触媒脱臭装置205は、複数n枚の光触媒シート3aを有するものであるため、その分、脱臭作用を増大することができる。
図18に示す変形例の光触媒脱臭装置207は、図16に示す光触媒脱臭装置203において2枚の光触媒シート3aを左側の1枚のみにするとともに、両側に設けられている2枚のLED実装基板5のうち、右側のLED実装基板5をLEDチップ13が実装されていない基板50に変更した点が異なるのみであり、その他の構成は同じであり、同じ構成要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。
なお、基板50は、図10に示したLED実装基板5において4個のLEDチップ13を取り除くとともに、このLEDチップ13に関連する負電極パターン67、正電極パターン69、レジストパターン68、電源ケーブル接続孔56a、56b、楕円環71も不要であるので、取り除いてあるが、その他の構造、すなわち通風孔5a、5bの構造は同じである。
図19に示す変形例の光触媒脱臭装置209は、図16に示す光触媒脱臭装置203において2枚の光触媒シート3aを3枚以上の複数n枚設けるとともに、この複数n枚の光触媒シート3aの向きを当該複数n枚のすべての光触媒シート3aの第1のガラス繊維織物21が同図で左側、すなわち空気の流入側である左側のLED実装基板5に対向するように設定して設けられている点が異なるのみであり、その他の構成は同じであり、同じ構成要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。
図20は、本発明の他の実施形態に係わる光触媒脱臭装置に使用されるLED実装基板に搭載される複数のLEDチップの接続状態を示す回路図である。図20に示す複数のLEDチップ55は、全体で4個設けられているが、これらのLEDチップ55は、図1乃至図19に示した前記実施形態の光触媒脱臭装置10に使用されている2枚のLED実装基板5に搭載されるものである。
更に詳しくは、図20において点線81で囲んで示すように電源の正電極(+)と負電極(−)との間で抵抗57に直列接続された2個のLEDチップ55が前記実施形態において空気の流入側である左側のLED実装基板5に搭載されるものであり、点線83で囲んで示すように電源の正電極(+)と負電極(−)との間で抵抗57に直列接続された2個のLEDチップ55が前記実施形態において空気の流出側である右側のLED実装基板5に搭載されるものである。このように、本実施形態では、各LED実装基板5に搭載されるLEDチップ55は、2個ずつとなっていることが前記実施形態と異なるものであり、その他の構成および作用は、前記実施形態と同じである。
以上、実施形態を挙げて本発明を説明したが、各実施形態は一例であり、特許請求の範囲に記載される発明の範囲は、発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更できるものである。
1 筺体
1a 開口部
3、3a 光触媒シート
5 LED実装基板
5a 通気孔
7 天板
9 電源ケーブル
11 コネクタ
13 LEDチップ
21 第1のガラス繊維織物
23 第2のガラス繊維織物
23a 貫通孔
25 取付フレーム
31 通気孔
33 光触媒微粒子
50 基板
51h 横糸用ガラス繊維
51v 縦糸用ガラス繊維
52、53 金線
54 ブリッジ部
55 LEDチップ
56a 電源ケーブル接続孔
56b 電源ケーブル接続孔
57 抵抗
61、63 通風孔
67 負電極パターン
68 レジストパターン
69 正電極パターン
71 楕円環

Claims (3)

  1. 一方の面上に複数のLEDチップが搭載されるとともに複数の通風孔が形成されたLED実装基板と、このLED実装基板に平行に配設され、光触媒粒子を担持したガラス繊維織物を有する光触媒シートとを有し、前記通風孔から送入される空気が光触媒シートを通過するように構成された光触媒脱臭装置であって、
    当該ガラス繊維織物に通気孔が形成されていることを特徴とする光触媒脱臭装置。
  2. 互いに対向する面に複数のLEDチップが搭載されて平行に配設されるとともに複数の通風孔が形成されている2枚のLED実装基板と、この2枚のLED実装基板の間に平行に配設され、光触媒微粒子を坦持する第1のガラス繊維織物と、この第1のガラス繊維織物の一方または他方の面または両方の面に光触媒微粒子を坦持しない第2のガラス繊維織物を密接させた光触媒シートとを有する光触媒脱臭装置であって、
    前記第1および第2のガラス繊維織物に複数の通気孔が形成されていることを特徴とする光触媒脱臭装置。
  3. 前記2枚の光触媒シートのうち、空気の流入側に配設される一方の光触媒シートを構成する第1のガラス繊維織物が担持する光触媒微粒子は、酸化チタン光触微媒粒子であり、空気の流出側に配設される他方の光触媒シートを構成する第1のガラス繊維織物が担持する光触媒微粒子は、酸化タングステン光触媒微粒子であることを特徴とする請求項2記載の光触媒脱臭装置。
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