JP2018083171A - 触媒装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】光が届かない箇所においても、光触媒の触媒機能を発揮させる。【解決手段】触媒装置１００は、表面１１２ａに光触媒１１４が配され、光触媒１１４が触媒機能を発揮する所定の波長の電磁波（例えば、紫外線）を透過させる第１層１１０と、第１層１１０の裏面１１２ｂに配され、所定の波長の電磁波を放出する第２層１２０と、を備える。第２層１２０を備えることにより、光触媒１１４に電磁波を照射することができる。このため、触媒装置１００を光が届かない箇所に設置しても、光触媒１１４の触媒機能が発揮される。【選択図】図１
Description
本開示は、光触媒を用いた触媒装置に関する。
近年、光の照射により触媒機能を発揮する光触媒が様々な分野で利用されている。例えば、エンジンの燃焼室に堆積するデポジット（燃料の不完全燃焼生成物）を分解するために、燃焼室に光触媒を設ける技術が開発されている（例えば、特許文献１）。この技術では、燃料が着火することによって生じる火炎の光により光触媒の触媒機能を発揮させている。
上記したように、光触媒が触媒機能を発揮するためには、光の照射が必要である。このため、光が届かない箇所においては、光触媒を利用できないという課題がある。
本開示は、このような課題に鑑み、光が届かない箇所においても、光触媒の触媒機能を発揮させることが可能な触媒装置を提供することを目的としている。
上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る触媒装置は、表面に光触媒が配され、電磁波を透過させる第１層と、前記第１層の裏面に配され、前記電磁波を放出する第２層と、を備える。
また、前記第２層は、内部空間を有するガス収容部と、前記ガス収容部内に設けられ、電極本体が誘電体で囲繞された給電側電極と、を備えてもよい。
また、前記第２層は、内部空間を有するガス収容部と、前記ガス収容部の外周面に設けられた電極対と、を備えてもよい。
また、前記第２層は、内部空間を有するガス収容部と、前記ガス収容部内に設けられた基準電極と、前記基準電極と対向して設けられた発光層と、前記基準電極と前記発光層との間に設けられた放電用電極と、前記発光層と前記放電用電極との間に設けられた引き出し電極と、を備えてもよい。
本開示の触媒装置は、光が届かない箇所においても、光触媒の触媒機能を発揮させることが可能となる。
以下に添付図面を参照しながら、本開示の一実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。
（第１の実施形態：触媒装置１００）
図１（ａ）は、第１の実施形態にかかる触媒装置１００の概略図を示す。図１（ｂ）は、第２層１２０の断面図を示す。図１（ｃ）は、図１（ｂ）におけるＩｃ−Ｉｃ線断面図を示す。なお、図１中、理解を容易にするために光触媒１１４を相対的に大きく表す。また、本実施形態の図１を含む以下の図では、垂直に交わるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を図示の通り定義している。触媒装置１００は、デポジットが生じ得る箇所に設置される。デポジットが生じ得る箇所は、例えば、エンジンの燃料噴射弁、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）配管内、ＥＧＲバルブの摺動部、ガスエンジンの吸気配管内、過給機等である。
図１（ａ）は、第１の実施形態にかかる触媒装置１００の概略図を示す。図１（ｂ）は、第２層１２０の断面図を示す。図１（ｃ）は、図１（ｂ）におけるＩｃ−Ｉｃ線断面図を示す。なお、図１中、理解を容易にするために光触媒１１４を相対的に大きく表す。また、本実施形態の図１を含む以下の図では、垂直に交わるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を図示の通り定義している。触媒装置１００は、デポジットが生じ得る箇所に設置される。デポジットが生じ得る箇所は、例えば、エンジンの燃料噴射弁、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）配管内、ＥＧＲバルブの摺動部、ガスエンジンの吸気配管内、過給機等である。
図１（ａ）に示すように、触媒装置１００は、シート形状（平面形状）であり、第１層１１０と、第２層１２０とを含んで構成される。
第１層１１０は、本体１１２を備える。本体１１２の表面１１２ａには、光触媒１１４が配される。光触媒１１４は、例えば、酸化チタンや酸化タングステンで構成される。本体１１２は、所定の波長の電磁波（図１（ａ）中、白抜き矢印で示す）を透過する部材、例えば、ガラス、プラスチック等で構成される。所定の波長は、光触媒１１４に電磁波が照射された際に、光触媒１１４が触媒機能を発揮する波長である。本実施形態において、所定の波長の電磁波は、紫外線である。
第２層１２０は、第１層１１０の裏面１１２ｂに配され、紫外線を放出する。図１（ｂ）に示すように、本実施形態にかかる第２層１２０は、ガス収容部１５０を備える。触媒装置１００は、ガス収容部１５０の第１の面１５０ａに、第１層１１０の裏面１１２ｂが対向（当接）するように構成される。
ガス収容部１５０は、金属で構成された中空部材であり、接地されている。また、ガス収容部１５０の第１の面１５０ａには、紫外線を透過する窓１５２が形成されている。窓１５２は、ガラス、プラスチック等の紫外線を透過する部材で構成される。ガス収容部１５０の内部空間１５０ｂには、ガスが収容される。ガス収容部１５０は、例えば、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ａｒ、Ｈ２、Ｄ２（重水素）、Ｎ２、ＸｅＣｌ２、および、ＡｒＦの群から選択される１または複数のガスを収容する。
ガス収容部１５０内には、複数の給電側電極１６０が設けられている。給電側電極１６０は、円柱形状（棒形状）であり、金属で構成された電極本体１６２（図１（ｂ）、図１（ｃ）中、黒色で示す）を備える。また、給電側電極１６０は、円筒形状であり、電極本体１６２の外周を囲繞する外筒１６４（囲繞部）を備える。外筒１６４は、セラミック、樹脂（例えば、テフロン（登録商標））などの誘電体（絶縁体）で構成される。
図１（ｃ）に示すように、複数の給電側電極１６０は、長手方向に直交する方向に所定の間隔を維持して配置される。また、給電側電極１６０は、電極本体１６２と、ガス収容部１５０（金属の部分）とが非接触な状態（電気的に非接触な状態）を維持するように、ガス収容部１５０内に配される。具体的に説明すると、本実施形態において、ガス収容部１５０は、図１（ｂ）に示すように、外部に突出した挿通管１５０ｃが接続されており、挿通管１５０ｃを通じて、給電側電極１６０がガス収容部１５０内に挿通される。なお、給電側電極１６０のうち、外筒１６４が挿通管１５０ｃ、ガス収容部１５０と接触する。上記したように外筒１６４は誘電体で構成される。このため、外筒１６４が挿通管１５０ｃ、ガス収容部１５０に接触しても、電極本体１６２と、ガス収容部１５０とが非接触な状態を維持したまま、給電側電極１６０がガス収容部１５０内に配される。
高周波電源１７０は、給電側電極１６０の電極本体１６２に接続され、電極本体１６２に高周波電力を供給する。高周波電源１７０が高周波電力を供給することにより、ガス収容部１５０が接地側電極として機能する。これにより、給電側電極１６０の周囲にガスのプラズマが形成される（誘電バリア放電）。そして、ガスのプラズマによって紫外線が放出される。放出された紫外線は、窓１５２を通じて第１層１１０の光触媒１１４に照射される。
以上説明したように、本実施形態にかかる触媒装置１００によれば、第２層１２０を備えることにより、光触媒１１４に紫外線を照射することができる。このため、触媒装置１００を光が届かない箇所に設置しても、光触媒１１４の触媒機能が発揮される。
（第２の実施形態：触媒装置２００）
上記第１の実施形態では、誘電バリア放電を利用して紫外線を放出する第２層１２０を説明した。しかし、第２層は、光触媒１１４が触媒機能を発揮する波長の電磁波を放出できれば構成に限定はない。第２の実施形態では、プラズマチューブアレイを利用した第２層を備えた触媒装置について説明する。
上記第１の実施形態では、誘電バリア放電を利用して紫外線を放出する第２層１２０を説明した。しかし、第２層は、光触媒１１４が触媒機能を発揮する波長の電磁波を放出できれば構成に限定はない。第２の実施形態では、プラズマチューブアレイを利用した第２層を備えた触媒装置について説明する。
図２（ａ）は、第２の実施形態にかかる触媒装置２００の概略図を示す。図２（ｂ）は、第２層２２０の平面図を示す。図２（ｃ）は、図２（ｂ）のＩＩｃ−ＩＩｃ線断面の部分拡大図を示す。図２（ｄ）は、図２（ｂ）のＩＩｄ−ＩＩｄ線断面の部分拡大図を示す。なお、図２（ｃ）、図２（ｄ）中、電極対２６６（電極２６６ａ、２６６ｂ）を黒色で示す。
図２（ａ）に示すように、触媒装置２００は、第１層１１０と、第２層２２０とを備える。なお、上述した触媒装置１００と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。第２層２２０は、複数のガス収容部２５０と、電極フィルム２６０と、パルス電源２７０とを含んで構成される。触媒装置２００は、ガス収容部２５０の第１の面２５０ａに第１層１１０の裏面１１２ｂが対向（当接）するように構成される。
図２（ｂ）に示すように、複数のガス収容部２５０は、長手方向に直交する方向（図２中、Ｘ軸方向）に互いに隣接して配置される。また、図２（ｃ）、図２（ｄ）に示すように、ガス収容部２５０は、管体２５２と、封止部２５４とを含んで構成される。管体２５２は、円筒形状（詳細には、短手方向（図２中、Ｘ軸方向）の断面が、平坦部と湾曲部とを有するオーバル（長円、角丸長方形）の筒形状）であり、ガラス、プラスチック等の紫外線を透過する部材で構成される。封止部２５４は、管体２５２の両端を封止する。ガス収容部２５０の内部空間２５０ｂには、ガスが収容される。ガス収容部２５０は、例えば、Ｎｅ、および、Ｘｅのうちいずれか一方または両方のガスを収容する。
また、ガス収容部２５０における第１の面２５０ａと対向する第２の面２５０ｃには、電極フィルム２６０が積層される。電極フィルム２６０は、電極支持シート２６２と、反射層２６４と、複数の電極対２６６とを含んで構成される。電極支持シート２６２は、可撓性を有するシート（フレキシブルシート）であり、例えば、ポリカーボネートフィルム、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルム等で構成される。電極支持シート２６２の表面には、反射層２６４が設けられる。反射層２６４は、ガス収容部２５０を透過した紫外線を反射する絶縁体で構成される。
複数の電極対２６６は、ＩＴＯ（酸化スズドープ酸化インジウム）、ＳｎＯ２等の透明な導電性材料や、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ等の金属の導電性材料で構成される。複数の電極対２６６は、ガス収容部２５０の短手方向（図２中、Ｘ軸方向）に延在するように反射層２６４上に設けられ、ガス収容部２５０の第２の面２５０ｃ（外周面）に当接される。
パルス電源２７０は、電極対２６６を構成する電極２６６ａと、電極２６６ｂとの間にパルス電圧を交互に印加する。パルス電源２７０が電極対２６６に印加する電圧は、ガス収容部２５０の内部空間２５０ｂにおいて放電を発生させることができる電圧以上の電圧である。パルス電源２７０が電極２６６ａ、電極２６６ｂにパルス電圧を交互に印加することにより、ガス収容部２５０の内部空間２５０ｂにガスのプラズマを形成させることができる（面放電）。そして、ガスのプラズマによって紫外線が放出される。放出された紫外線は、管体２５２の第１の面２５０ａを通じて第１層１１０の光触媒１１４に照射されることとなる。
なお、管体２５２における第２の面２５０ｃの内壁に、紫外線蛍光体層２５６を備えるとしてもよい。紫外線蛍光体層２５６は、例えば、Ｇｄ（ガドリニウム）を含んで構成される。紫外線蛍光体層２５６を備える構成により、第２層２２０は、プラズマによって放出される紫外線とは異なる波長の紫外線を放出させることができる。したがって、紫外線蛍光体層２５６の厚み等を適宜設計することで、第２層２２０は、光触媒１１４が触媒機能を効率よく発揮する波長の紫外線を放出させることが可能となる。
以上説明したように、本実施形態にかかる触媒装置２００によれば、第２層２２０を備えることにより、光触媒１１４に紫外線を照射することができる。このため、触媒装置２００を光が届かない箇所に設置しても、光触媒１１４の触媒機能が発揮される。
（第３の実施形態：触媒装置３００）
図３（ａ）は、第３の実施形態にかかる触媒装置３００の概略図を示す。図３（ｂ）は、第２層３２０の断面図を示す。なお、図３（ｂ）中、電極（加速電極３５４、基準電極３６０、放電用電極３６２、引き出し電極３６４）を黒色で示す。
図３（ａ）は、第３の実施形態にかかる触媒装置３００の概略図を示す。図３（ｂ）は、第２層３２０の断面図を示す。なお、図３（ｂ）中、電極（加速電極３５４、基準電極３６０、放電用電極３６２、引き出し電極３６４）を黒色で示す。
図３（ａ）に示すように、触媒装置３００は、第１層１１０と、第２層３２０とを備える。なお、上述した触媒装置１００と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。第２層３２０は、ガス収容部３５０を備える。本実施形態において、触媒装置３００は、ガス収容部３５０の第１の面３５０ａに第１層１１０の裏面１１２ｂが対向（当接）するように構成される。
ガス収容部３５０は、例えば、サファイア基板で構成された中空部材である。ガス収容部３５０の内部空間３５０ｂには、ガスが収容される。ガス収容部３５０は、例えば、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ａｒ、Ｈ２、Ｄ２、Ｎ２、ＸｅＣｌ２、および、ＡｒＦの群から選択される１または複数のガスを収容する。
ガス収容部３５０における第１の面３５０ａの内壁側には、二次電子放出材料層３５２が設けられている。二次電子放出材料層３５２は、ＭｇＯまたはＢＮを含んで構成される。
また、ガス収容部３５０における第１の面３５０ａと対向する第２の面３５０ｃの内壁側には、加速電極３５４が設けられている。加速電極３５４には、発光層３５６が積層されている。二次電子放出材料層３５２と発光層３５６との離隔距離は、例えば、０．１５ｍｍ〜５ｍｍ程度である。発光層３５６は、電子または正イオン（陽イオン）が衝突することにより励起されて発光する材料で構成されている。発光層３５６は、例えば、ＭｇＯ、ＺｎＭｇＯ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＭｇＦ２、ＢＮ、ＢＡｌＮ、ＣａＦ２、ダイアモンド、および、サファイアの群から選択される１または複数である。なお、発光層３５６の厚みは、例えば１０〜２０ｎｍである。
また、内部空間３５０ｂにおける、二次電子放出材料層３５２と発光層３５６との間には、二次電子放出材料層３５２側から順に、基準電極３６０、放電用電極３６２、引き出し電極３６４が設けられている。加速電極３５４、基準電極３６０、放電用電極３６２、引き出し電極３６４は、Ｆｅ、Ｎｉ、ステンレス、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、および、Ｃｒの群から選択される１または複数（合金）で構成される。
本実施形態において、基準電極３６０は接地されている。ただし、基準電極３６０の電位に制限はない。放電用電極３６２、引き出し電極３６４、加速電極３５４には、パルス電源３７０が接続されている。
パルス電源３７０は、放電用電極３６２に所定のタイミングでパルス電圧Ｐ１（第１のパルス電圧）を印加する。パルス電圧Ｐ１は、基準電極３６０の電位よりもプラスまたはマイナスに大きい。パルス電源３７０が、放電用電極３６２にパルス電圧Ｐ１を印加することにより、基準電極３６０と放電用電極３６２との間に、変動する電磁場が形成される。そして、内部空間３５０ｂ内において、ガスが電磁場によってプラズマを形成する。
また、パルス電源３７０は、引き出し電極３６４にパルス電圧Ｐ２（第２のパルス電圧）を印加する。パルス電源３７０は、加速電極３５４にパルス電圧Ｐ３を印加する。なお、パルス電源３７０は、放電用電極３６２、引き出し電極３６４および加速電極３５４の順にパルス電圧を順次印加する。具体的に説明すると、パルス電源３７０は、時刻Ｔ１〜時刻Ｔ２において放電用電極３６２にパルス電圧Ｐ１を印加する。パルス電源３７０は、時刻Ｔ２後の時刻Ｔ３〜時刻Ｔ４において引き出し電極３６４にパルス電圧Ｐ２を印加する。パルス電源３７０は、時刻Ｔ４後の時刻Ｔ５〜時刻Ｔ６に加速電極３５４にパルス電圧Ｐ３を印加する。そして、パルス電源３７０は、以降このサイクルを所定の周期で繰り返す。サイクルの周波数、すなわち、各パルス電圧Ｐ１〜Ｐ３の周波数は、例えば５０Ｈｚ〜１００ＭＨｚである。また、パルス電圧Ｐ１〜Ｐ３は、例えば１００〜５０００Ｖであるが、少なくともパルス電圧Ｐ２、Ｐ３はパルス電圧Ｐ１よりも高く設定される。また、パルス電圧Ｐ１〜Ｐ３のパルス幅は、例えば１０〜５０μｓである。
これにより、引き出し電極３６４および加速電極３５４によって、プラズマから電子または正イオンが引き出されて、発光層３５６に衝突させることが可能となる。具体的に説明すると、時刻Ｔ１〜Ｔ２において、放電用電極３６２にパルス電圧Ｐ１が印加されると、基準電極３６０と放電用電極３６２との間に、変動する電磁場が形成される。これにより、内部空間３５０ｂ内においてガスのプラズマが形成される。このとき、プラズマには、電子と正イオンとが等量含まれており、電荷中性状態となっている。
そして、時刻Ｔ３〜Ｔ４において、引き出し電極３６４にパルス電圧Ｐ２が印加されると、プラズマ中の電子の一部が発光層３５６側に引っ張られる。これに伴って、プラズマ中のイオンの一部が基準電極３６０側に引き出される。
そして、時刻Ｔ５〜Ｔ６において、加速電極３５４にパルス電圧Ｐ３が印加されると、引き出し電極３６４によって引っ張られた電子が加速されて、発光層３５６に衝突する。これにより、発光層３５６が励起されて深紫外線が放出される。放出された深紫外線は、二次電子放出材料層３５２および第１の面３５０ａを通って、光触媒１１４に照射される。
以上説明したように、本実施形態にかかる触媒装置３００によれば、第２層３２０を備えることにより、光触媒１１４に紫外線を照射することができる。このため、触媒装置３００を光が届かない箇所に設置しても、光触媒１１４の触媒機能が発揮される。
以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に技術的範囲に属するものと了解される。
例えば、上記第１の実施形態において、複数の給電側電極１６０が１のガス収容部１５０に収容される構成を例に挙げて説明した。しかし、１の給電側電極１６０が１のガス収容部１５０に収容されてもよい。
また、上記第１の実施形態において、複数の給電側電極１６０が、長手方向に直交する方向に所定の間隔を維持して配置される構成を例に挙げて説明した。しかし、給電側電極１６０の配列に限定はない。例えば、複数の給電側電極１６０を網状に配置してもよい。具体的には、複数の給電側電極１６０を長手方向に直交する方向に所定の間隔を維持して配置した第１の給電側電極１６０群と、長手方向が第１の給電側電極１６０群と交差して配される複数の給電側電極１６０で構成される第２の給電側電極１６０群とで構成されてもよい。
また、上記第１の実施形態において、ガス収容部１５０が金属で構成される場合を例に挙げて説明した。しかし、ガス収容部１５０は、紫外線を透過する部材のみで構成されてもよい。この場合、ガス収容部１５０内に接地側電極を設けるとよい。
また、上記実施形態において、紫外線が照射されると触媒機能を発揮する光触媒１１４を例に挙げて説明した。しかし、触媒装置１００、２００、３００は、紫外線以外の波長の電磁波で触媒機能を発揮する光触媒を備えてもよい。例えば、可視光が照射されることにより触媒機能を発揮する光触媒を備えてもよい。この場合、第２層１２０、２２０、３２０は、可視光を放出するとよい。例えば、ガス収容部１５０、２５０、３５０内に、紫外線を可視光に変換する発光層を備えるとよい。なお、この発光層は、紫外線により励起されて可視光を発する蛍光体材料を含んで構成される。
本開示は、光触媒を用いた触媒装置に利用することができる。
１００ 触媒装置
１１０ 第１層
１２０ 第２層
１５０ ガス収容部
１５０ａ 第１の面
１６０ 給電側電極
２００ 触媒装置
２２０ 第２層
２５０ ガス収容部
２６６ 電極対
３００ 触媒装置
３２０ 第２層
３５０ ガス収容部
３５６ 発光層
３６０ 基準電極
３６２ 放電用電極
３６４ 引き出し電極
１１０ 第１層
１２０ 第２層
１５０ ガス収容部
１５０ａ 第１の面
１６０ 給電側電極
２００ 触媒装置
２２０ 第２層
２５０ ガス収容部
２６６ 電極対
３００ 触媒装置
３２０ 第２層
３５０ ガス収容部
３５６ 発光層
３６０ 基準電極
３６２ 放電用電極
３６４ 引き出し電極
Claims (4)
- 表面に光触媒が配され、電磁波を透過させる第１層と、
前記第１層の裏面に配され、前記電磁波を放出する第２層と、
を備える触媒装置。 - 前記第２層は、
内部空間を有するガス収容部と、
前記ガス収容部内に設けられ、電極本体が誘電体で囲繞された給電側電極と、
を備える請求項１に記載の触媒装置。 - 前記第２層は、
内部空間を有するガス収容部と、
前記ガス収容部の外周面に設けられた電極対と、
を備える請求項１に記載の触媒装置。 - 前記第２層は、
内部空間を有するガス収容部と、
前記ガス収容部内に設けられた基準電極と、
前記基準電極と対向して設けられた発光層と、
前記基準電極と前記発光層との間に設けられた放電用電極と、
前記発光層と前記放電用電極との間に設けられた引き出し電極と、
を備える請求項１に記載の触媒装置。
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