JP2013169502A

JP2013169502A - 光触媒装置

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Publication number: JP2013169502A
Application number: JP2012034205A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kosugi; 大資小杉; Toshihiro Hatanaka; 登志浩畑中; Tomohiro Mizoguchi; 智宏溝口; Ryuji Tsuchiya; 竜二土屋
Original assignee: Harison Toshiba Lighting Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2012-02-20
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2013-09-02

Abstract

【課題】大面積の光触媒フィルターを用いる光触媒装置において、多量のガスを効率的に処理することができる光触媒装置を提供することである。
【解決手段】実施形態の光触媒装置は、内部にガスを流通可能な筐体１１と、筐体１１内に配置される光触媒フィルター２１ａ（２１ｂ）と、基板Ｐの幅広面に、複数の発光ダイオードＬを実装した構成で、光触媒フィルター２１ａ（２１ｂ）の共通面に対して、異なる２方向から光照射する第１の照射部３１ａ（３１ｂ）と、第２の照射部３２ａ（３２ｂ）とを備え、第１の照射部３１ａ（３１ｂ）と第２の照射部３２ａ（３２ｂ）とが、共通面の面方向に対して、交互に並列配列される光照射ユニット３と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、光触媒装置に関する。

光触媒装置は、例えば、ガスが流通可能な光触媒フィルターに、酸化チタン等の光触媒を担持させて、その光触媒フィルター面に光を照射することで、光触媒フィルターを通過するガス中の有害物質や悪臭等の汚染ガスを分解・除去する装置である。光触媒装置は、冷蔵庫や車載用等の脱臭装置や、家庭、店舗、工場、または医療機関等の空調設備や空気清浄システム等に使用されている。

近年、光触媒装置は、多量の汚染ガスを処理することが求められており、光触媒フィルターの大面積化が進んでいる。光触媒フィルターに光照射する光照射ユニットの光源として、例えば、発光ダイオードを光源とした構成があるが、発光ダイオードから発生する光は指向性を有するため、照射範囲が狭い。大面積の光触媒フィルター全体を照射するには、多数の発光ダイオードが必要となるため、システム全体の消費電力が増加したり、発光ダイオードを実装した基板がガス流路の抵抗成分となったりして、汚染ガスの処理効率を低下させる課題がある。

特開２００４−１６６９９６号公報特開２０１０−２７９４６２号公報特開２００６−２８０４２８号公報

本発明が解決しようとする課題は、大面積の光触媒フィルターを用いる光触媒装置において、ガス処理能力が高い光触媒装置を提供することである。

本実施形態の光触媒装置は、内部にガスを流通可能な筐体と、前記筐体内に配置される光触媒フィルターと、基板の幅広面に、複数の発光ダイオードを実装した構成で、前記光触媒フィルターの共通面に対して、異なる２方向から光照射する第１の照射部と、第２の照射部とを備え、前記第１の照射部と第２の照射部とが、前記共通面の面方向に対して、交互に並列配列される光照射ユニットと、を備える。

光触媒装置に関する第１の実施形態について説明するための分解斜視図である。図１の組み立て状態を説明するための断面図である。発光ダイオードから発生する光の照射範囲を説明するための概略図である。光触媒装置に関する第２の実施形態について説明するための断面図である。光触媒装置に関する第３の実施形態について説明するための断面図である。１枚の光触媒フィルターを配置した場合の一例を説明するための断面図である。１枚の光触媒フィルターを配置し、各照射部を放熱部材で連結した場合の一例を説明するための断面図である。

以下、発明を実施するための実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態の光触媒装置を、図面を参照して説明する。図１は分解斜視図で、図２は図１の組み立て状態を示す断面図である。

図１および図２において、１００は、家庭、店舗、工場、または医療機関等の空調設備や空気清浄システム等に使用される光触媒装置で、空気中に含まれるＮＯｘ、ＳＯｘ、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、アンモニア、アミン、メルカプタン、硫化水素、エチレン、スチレン等の有害ガスや悪臭ガスを分解・除去する装置である。

光触媒装置１００は、内部にガスが流通可能な筐体１１内に、光触媒フィルター２１ａ、２１ｂを配置すると共に、光触媒フィルター２１ａ、２１ｂに光照射する光照射ユニット３を配置することで、光触媒により有害ガスや悪臭ガスを分解・除去する装置である。

筐体１１は、有害ガスや悪臭ガスを含む汚染ガスＡ１を導入するガス流入口１１ａと、光触媒フィルター２１ａ、２１ｂにより有害ガスや悪臭ガスを分解・除去した後の除染ガスＡ２を排出するガス排出口１１ｂとを有する中空で直方体状の筒である。ガスの流通方向１２は、ガス流入口１１ａからガス排出口１１ｂに向けて形成される。筐体１１の大きさは、例えば、開口部となるガス流入口１１ａ及びガス排出口１１ｂが、幅２００ｍｍ〜１０００ｍｍ、長さ２００ｍｍ〜１０００ｍｍで、両者間を結ぶ筐体１１の奥行が２０ｍｍ〜２００ｍｍである。筐体１１の材料は、例えば、ステンレス、アルミニウム等の金属や、ＡＢＳ樹脂、ポリカーボネート樹脂等の樹脂を用いることができる。ただし、汚染ガスＡ１、水蒸気、紫外線等により劣化しない材質が好ましい。

光触媒フィルター２１ａ、２１ｂは、多数の通気孔が設けられており、汚染ガスＡ１や除染ガスＡ２が流通できる構成である。光触媒フィルター２１ａ、２１ｂは、例えば、幅２００ｍｍ〜１０００ｍｍ、長さ２００ｍｍ〜１０００ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ〜２０ｍｍのシート形状であり、汚染ガスＡ１との接触面積を増やすため、幅広面をガスの流通方向１２に対して交差、最適には直交するようにして、筐体１１内に配置される。

光触媒フィルター２１ａ、２１ｂは、多孔質材料、ハニカム状材料、繊維状材料、不織布等を用いることができる。光触媒フィルター２１ａ、２１ｂの材料は、炭化ケイ素、ムライト、アルミナ、シリカ、コージライト等のセラミックや、鉄、ステンレス、アルミ、銅、銀、金等の金属材料や、ガラス、合成繊維、天然繊維等である。通気孔の大きさは、例えば、１ｍｍ〜３０ｍｍである。

光触媒フィルター２１ａ、２１ｂの幅広面の少なくとも表面、好ましくは、多数の通気孔の内部の表面には、光触媒が担持されている。ここで、担持とは、光触媒が光触媒フィルター２１ａ、２１ｂに付着した状態で支持されていることを意味する。光触媒は、ＴｉＯ_２、ＺｎＯ、ＳｎＯ_２、ＳｒＴｉＯ_３、ＷＯ_３、Ｂｉ_２Ｏ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＧａＡｓ、ＭｏＳ_２等を単体、あるいは、これらを２つ以上混合して用いることができる。また、光触媒効果を高めるため、これらの材料に窒素をドープしたものや、ナノサイズのＰｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｖ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ等を混合またはドープしたものを使用することができる。

光触媒を光触媒フィルター２１ａ、２１ｂに担持させる方法としては、例えば、純水や有機溶剤等で微粉状の光触媒を攪拌したバインダーを、ディッピング法、スプレー法、スクリーン印刷法、刷毛塗り法で塗布する方法や、ゾルゲル法や、超臨界ゾルゲル法で塗布する方法がある。その他の方法としては、光触媒を物理蒸着法や化学蒸着法で蒸着させる方法や、光触媒フィルター２１ａ、２１ｂの作成の際に、その原材料に予め光触媒の材料を混合させておき、光触媒フィルター２１ａ、２１ｂを作成する方法がある。

光触媒フィルター２１ａ（２１ｂ）は、その外周部を２枚の固定枠２２ａ（２２ｂ）と２３ａ（２３ｂ）とにより挟持されている。これにより、光触媒フィルター２１ａ（２１ｂ）のガスが流通する幅広面の平坦度を確保すると同時に、光触媒フィルター２１ａ（２１ｂ）の外周部と筐体１１の内壁との隙間を埋めて、汚染ガスＡ１が光触媒フィルター２１ａ（２１ｂ）を介することなく、ガス排出口１１ｂから排出されることを防止する。

光触媒フィルター２１ａと２１ｂの間には、これらに光照射する光照射ユニット３が配置される。光触媒は、光触媒固有のバンドギャップ以上の光エネルギーを照射することで、光触媒が励起され、有害物質や悪臭等の汚染ガスを分解する性質を有するため、これに適する波長を照射する発光ダイオードＬを光照射ユニット３の光源として使用する。例えば、光触媒にＴｉＯ_２を選定する場合は、このバンドギャップエネルギーは３．０ｅＶであり、波長４１３ｎｍ以下の光の照射で汚染ガスＡ１を分解させることが出来るため、例えば、波長３５０ｎｍ〜４００ｎｍを放射する発光ダイオードＬを選定する。最近では、紫外線に加えて、可視光領域の光に反応する光触媒材料も開発されており、この場合、波長３５０ｎｍ〜７５０ｎｍを放射する発光ダイオードＬも選択することが出来る。

発光ダイオードＬから発生する光の照射範囲の概略図を図３に示す。発光ダイオードＬは、発生させる光に指向性を有している。例えば、光の中心方向Ｃ１（Ｃ２）を中心軸として、例えば、円状、または、楕円状の範囲Ｓに光を照射させる。ここで、指向性とは、発生する光の強度が光の発生方向によって異なることを意味する。特には、ある限られた範囲において光強度が強く、その他の範囲においては光強度が弱いか、無いことを意味する。光放射の放射角γは、例えば、３０度〜９０度の範囲の発光ダイオードＬを使用する。

発光ダイオードＬは、例えば、幅５ｍｍ〜２０ｍｍ、長さ２００ｍｍ〜１０００ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ〜２．０ｍｍの直方形状の基板Ｐを用い、その幅広面の両面に実装される。ここで、各発光ダイオードＬは、基板Ｐ上に形成された配線パターンにより、電気的に接続されており、これに接続された点灯電源（図示無）により電力を供給すると、基板Ｐの各幅広面に搭載される複数の発光ダイオードＬを照射部３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂとして、光を発生させる。

光触媒フィルター２１ａのガス排出口１１ｂ側の幅広面を共通面として、２つの異なる方向より光照射を行う第１の照射部３１ａと、第２の照射部３２ａとが配置される。ここで、第１の照射部３１ａに実装される発光ダイオードＬの光放射の中心方向Ｃ１ａと、第２の照射部３２ａに実装される発光ダイオードＬの光放射の中心方向Ｃ２ａとは、共通面の法線方向Ｚａを軸として略対称となる角度で配置される。

一方、光触媒フィルター２１ｂに関しても、同様に、ガス流入口１１ａ側の幅広面を共通面として、２つの異なる方向より光照射を行う第１の照射部３１ｂと、第２の照射部３２ｂが配置される。同様に、第１の照射部３１ｂに実装される発光ダイオードＬの光放射の中心方向Ｃ１ｂと、第２の照射部３２ｂに実装される発光ダイオードＬの光放射の中心方向Ｃ２ｂとは、共通面の法線方向Ｚｂを軸として略対称となる角度で配置される。

ここで、略対称とは、光の中心方向Ｃ１ａ（Ｃ１ｂ）と法線方向Ｚａ（Ｚｂ）との間の角度α１（β１）と、光の中心方向Ｃ２ａ（Ｃ１ｂ）と法線方向Ｚａ（Ｚｂ）との間の角度α２（β２）との差が、±５度以内、好ましくは、±２度以内であることを意味する。第１の実施形態では、角度α１とα２、及び、角度β１とβ２が、共に等しくなるようにして、例えば、５度〜６０度の範囲で設定されている。

第１の照射部３１ａと３１ｂとが形成される基板Ｐと、第２の照射部３２ａと３２ｂとが形成される基板Ｐは、例えば、光触媒フィルター２１ａ（２１ｂ）の外周部を除く中央領域を横断するようにして、光触媒フィルター２１ａ（２１ｂ）の面方向に沿って、交互に並列に配列される。第１の照射部３１ａ（３１ｂ）と、第２の照射部３２ａ（３２ｂ）との離間距離は、例えば、５０ｍｍ〜３００ｍｍである。また、筐体１１の内壁と、内壁に取り合う第１の照射部３１ａ（３１ｂ）または第２の照射部３２ａ（３２ｂ）照射部との離間距離は、例えば、２５ｍｍ〜１５０ｍｍである。各照射部と光触媒フィルター２１ａまたは２１ｂとの間の最短距離は、例えば、１０ｍｍ〜１００ｍｍで配置され、保持部３３で、筐体１１に保持・固定される。

光触媒装置１００の使用方法の一例を以下に説明する。光触媒装置１００のガス流入口１１ａ、または、ガス排出口１１ｂに接続された排気ファン（図示無）を用いて、汚染ガスＡ１を、筐体１１内に導入する。流入するガス量は、例えば、０．００１ｍ^３／秒〜５ｍ^３／秒に設定される。

汚染ガスＡ１は、一方の光触媒フィルター２１ａの多数の通気孔を通過する。その際に、一方の光触媒フィルター２１ａには、第１の照射部３１ａ及び第２の照射部３２ａから直接照射される直接光と、第１の照射部３１ｂ及び第２の照射部３２ｂからの光が他方の光触媒フィルター２１ｂの表面で一旦反射されて照射される間接光が、重畳されて照射される。その結果、大面積の光触媒フィルター２１ａ全体に光照射することができ、光触媒により、有害ガスや悪臭ガスを分解・除去する。

同様に、他方の光触媒フィルター２１ｂに関しても、上述した原理で、大面積の光触媒フィルター２１ｂ全体に光照射させることが出来、光触媒フィルター２１ｂの光触媒により、有害ガスや悪臭ガスが更に分解・除去され、除染ガスＡ２が、筐体１１のガス排出口１１ｂより外部へ排出される。

フィルター２１ａ（２１ｂ）に対して、異なる２方向からからの直接光に加えて、対向する位置の光触媒フィルター２１ｂ（２１ａ）から反射される間接光を照射することで、少ない発光ダイオードＬの個数で、大面積の光触媒フィルター２１ａ（２１ｂ）への照射が可能となる。

第１の照射部３１ａ（３１ｂ）と、第２の照射部３２ａ（３２ｂ）との間を離間させて、その間にガスが流通する流路を確保すると共に、各照射部の基板Ｐの幅広面を、ガスの流通方向に対して傾斜させることで、ガス流路の抵抗成分を減少させることができる。その結果、大量のガスを光触媒装置１００に導入し、処理することが出来る。

第１の実施形態の構成において、幅２００ｍｍ、長さ２００ｍｍ、厚さ２０ｍｍの大きさで、光触媒にＴｉＯ_２を担持させた光触媒フィルターを使用して、アセトアルデヒトのガスの分解試験を実施した。流量０．００１ｍ^３／秒で処理した際に、３０分後の分解率は９５％以上となり、実用上十分な分解能力を有する。

上述したように、第１の実施形態の光触媒装置１００は、大面積の光触媒フィルター２１ａ、２１ｂを用いて、多量のガスを効率的に処理することが可能となる。
（第２の実施形態）
図４は光触媒装置に関する第２の実施形態について説明するためのもので、光触媒装置の断面図である。この第２の実施形態の各部について、第１の実施形態の光触媒装置の各部と同一部分は同一符号で示す
第２の実施形態において、筐体１１と光触媒フィルター２１ａ、２１ｂの構成は、第１の実施形態と同様であるが、光照射ユニット３の構成と配置が異なる。

光照射ユニット３は、一つの基板Ｐの幅広面の両面に発光ダイオードＬを実装した構成で、各幅広面には、第１の照射部３１と第２の照射部３２とが形成される。

第１の照射部３１に実装される発光ダイオードＬの光放射の中心方向Ｃ１と、第２の照射部３２に実装される発光ダイオードＬの光放射の中心方向Ｃ２とは、共に、光触媒フィルター２１ａ、２１ｂの幅広面に沿う方向であり、また、各幅広面の法線方向Ｚａ及びＺｂを軸として、略対称となる配置である。図４に示す角度α１、α２と、角度β１、β２は、約９０度である。ここで、約９０度とは、部材及び製造バラツキを考慮して、９０度に対して±５度、好ましくは、±２度のバラツキを許容するものとする。

発光ダイオードＬから発生する光は、図３に示すように、光放射の中心方向Ｃ１（Ｃ２）を軸として、角度γの範囲に照射されるので、図４において、一つの照射部で、２枚の光触媒フィルター２１ａと２１ｂとを同時に照射することができる。その結果、発光ダイオードの使用個数を更に削減することができる。

また、発光ダイオードＬを実装する基板Ｐの幅広面の面方向を、ガスの流路１２に対して平行に配置することで、ガス流路の抵抗成分を更に減少させることができ、大量のガスを光触媒装置１００に導入し、処理することが出来る。

上述したように、第２の実施形態の光触媒装置１００は、更に、多量のガスを効率的に処理することが可能である。
（第３の実施形態）
図５は光触媒装置に関する第３の実施形態について説明するためのもので、光触媒装置の断面図である。

第３の実施形態において、筐体１１と光触媒フィルター２１ａ、２１ｂの構成は、第１の実施形態と同様であるが、光照射ユニット３の構成と配置が異なる。

光照射ユニット３は、基板Ｐの片面に発光ダイオードＬを実装した構成で、発光ダイオードＬの光放射の中心方向をＣ１ａ、Ｃ１ｂ、Ｃ２ａ、Ｃ２ｂに向けた第１の照射部３１ａ、３１ｂと、第２の照射部３２ａ、３２ｂとの４種類の照射部が形成されている。

第１の照射部３１ａ、３１ｂと第２の照射部３２ａ、３２ｂとは、各々１つずつ、放熱部材５を介して接合され、集合体を形成している。この集合体は、光触媒フィルター２１ａ、２１ｂの外周部を除く中央領域を横断するようにして、光触媒フィルター２１ａ、２１ｂの面方向に沿って、並列に配列される構成である。

放熱部材５は、ステンレス、アルミニウム、銅、セラミック等の熱伝導性のよい金属体で、断面形状が、例えば、正方形や多角形などの棒状体である。放熱部材５と基板Ｐの発光ダイオードＬを実装していない面を接合させ、接着、ネジ止め、テープ等の方法により両者を固定している。

放熱部材５は、各照射部の発光ダイオードＬで発生する熱を、効率良く周辺部材や大気等の外部に伝導させる構成であり、発光ダイオードＬ及び基板Ｐの表面温度を低減させることが出来る。その結果、発光ダイオードＬの表面温度を低減させることで、発光ダイオードＬの発光効率を向上させることができ、光触媒装置の効率を更に向上させることが出来る。また、発光ダイオードＬや、周辺部材の熱劣化を抑制でき、光触媒装置の性能を長期間に亘って維持することができる。

上述したように、第３の実施形態の光触媒装置１００は、更に効率的に処理することが可能であり、また、長寿命化を図ることが出来る。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、筐体１１の形状は、断面形状が四角形の直方形状の例を記載したが、その他、断面形状が多角形、円、または楕円等である筒形状等を採ることができる。また、光触媒フィルター２１ａ、２１ｂの形状も、この筐体１１の断面形状に合わせた形状とすることができる。

光触媒フィルター２１ａ、２１ｂの表面状態は平坦である例を記載したが、表面の少なくとも一部を凹凸化させたり、湾曲させたりする構成も可能である。この場合、光触媒フィルター２１ａ、２１ｂの共通面の凹凸や湾曲等を、共通面全体で平均化処理して、平坦な仮想面を算出し、この仮想面に対して法線方向Ｚを決定するものとする。

光触媒フィルター２１ａ、２１ｂに加えて、ガスを吸着する吸着体を担持させた吸着フィルターと重ね合わせて使用しても良いし、または、光触媒フィルター２１ａ、２１ｂに吸着体を塗布し、吸着機能と光触媒機能を合わせた構成としても良い。物理吸着材としては、例えば、活性炭を用い、また、化学吸着材としては、例えば、ホルムアルデヒトを吸着する過マンガン酸カリウム等を用いることができる。

光触媒フィルター２１ａ、２１ｂは２枚の構成を示したが、簡略化して、例えば、図６や図７に示すように、１枚の光触媒フィルター２１とする構成も採ることができる。この場合、光照射ユニット３は、光触媒フィルター２１の共通の照射面に対して異なる２方向から光照射する第１の照射部３１と第２の照射部３２を設け、各発光ダイオードＬの光放射の中心方向Ｃ１、Ｃ２を共通面の法線方向Ｚを軸として略対照となるように配置する。

光照射ユニット３は、図６と図７では、光触媒フィルター２１のガス流入口１１ａ側に設けたが、ガス排出口１１ｂや、ガス流入口１１ａとガス排出口１１ｂの両側に配置する構成でも良い。また、ガスの分解能力を高くするために、光触媒フィルター２１を３枚以上配置した構成でも良い。

光照射ユニット３は、図２において光触媒フィルター２１ａと２１ｂの間に配置した例を示したが、更に、光触媒フィルター２１ａのガス流入口１１ａ側や、光触媒フィルター２１ｂのガス排出口１１ｂ側に対する第１の照射部３１と第２の照射部３２を追加した構成でも良い。

第１の照射部３１と第２の照射部３２の対数は、２対と３対の構成を示したが、光触媒フィルター２１の大きさと、求められる光照度の均斉度により、増減させることができ、例えば、一対のみとして、光触媒フィルター２１ａ、２１ｂの中央のみに配置する構成としても良い。

また、各照射部を光触媒フィルター２１ａ、２１ｂの端辺部を除く、中央領域に配置した例を示したが、光触媒フィルター２１ａ、２１ｂの端辺部に第１の照射部３１または第２の照射部３２を追加・設置することができる。

また、第１の照射部３１と第２の照射部３２の照射部に加えて、更に、第３、第４の照射部を追加して、光触媒フィルター２１ａ、２１ｂの共通面を照射することも可能である。

筐体１１内に汚染ガスＡ１を導入し、また、除汚ガスＡ２を排出するための排気ファンは、筐体１１の外部に配置した構成を示したが、筐体１１の内部に内蔵した構成でも良い。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００光触媒装置
１１筐体
２１ａ、２１ｂ光触媒フィルター
３光照射ユニット
３１ａ、３１ｂ第１の照射部
３２ａ、３２ｂ第２の照射部
Ｌ発光ダイオード
Ｐ基板
Ｃ１ａ、Ｃ１ｂ、Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ光放射の中心方向
Ｚａ、Ｚｂ光触媒フィルターの共通面の法線方向
Ａ１汚染ガス
Ａ２除染ガス

Claims

内部にガスを流通可能な筐体と、
前記筐体内に配置される光触媒フィルターと、
基板の幅広面に、複数の発光ダイオードを実装した構成で、前記光触媒フィルターの共通面に対して、異なる２方向から光照射する第１の照射部と、第２の照射部とを備え、前記第１の照射部と第２の照射部とが、前記共通面の面方向に対して、交互に並列配列される光照射ユニットと、を備える光触媒装置。
前記第１の照射部及び前記第２の照射部に実装される発光ダイオードの光放射の中心方向が、前記光触媒フィルターの前記共通面の法線方向を軸として、略対称に配置される請求項１に記載の光触媒装置。
前記第１の照射部と、第２の照射部とを連結する放熱部材を、更に備える請求項１または請求項２に記載の光触媒装置。