JP2020186152A - Ozone generator - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書が開示する技術は、オゾン発生装置に関する。 The techniques disclosed herein relate to ozone generators.
車等の排気ガスを浄化するために、オゾン発生装置で発生させたオゾンを用いる技術が知られている。例えば特許文献1には、関連する技術が開示されている。
A technique using ozone generated by an ozone generator is known to purify the exhaust gas of a car or the like. For example,
オゾン発生装置でオゾンを生成するために用いる原料ガス中に水分が含まれる場合、水分によりオゾンの生成が阻害されたり、生成されたオゾンが分解されたりするため、オゾン生成量が低下してしまう。特に車載環境で外気を原料ガスとして利用する場合には、原料ガスに水分が含まれてしまうため問題である。本明細書は、オゾンを効率的に供給可能な技術を提供する。 If the raw material gas used to generate ozone in the ozone generator contains water, the water will inhibit the production of ozone or decompose the generated ozone, resulting in a decrease in the amount of ozone produced. .. In particular, when the outside air is used as the raw material gas in an in-vehicle environment, the raw material gas contains water, which is a problem. The present specification provides a technique capable of efficiently supplying ozone.
本明細書が開示するオゾン発生装置の一実施形態は、排気ガスの浄化に用いられるオゾンを発生させるオゾン発生装置である。オゾン発生装置は、原料ガスに含まれる水分の少なくとも一部を分解する分解部を備える。オゾン発生装置は、分解部で水分が分解された原料ガスを用いてオゾンを生成するオゾン生成部を備える。分解部は、原料ガスの流路であって、少なくとも一部に光触媒が配置されている流路を備える。分解部は、光触媒に光を照射する光源部を備える。 One embodiment of the ozone generator disclosed in the present specification is an ozone generator that generates ozone used for purifying exhaust gas. The ozone generator includes a decomposition unit that decomposes at least a part of the water contained in the raw material gas. The ozone generator includes an ozone generating unit that generates ozone using a raw material gas in which water is decomposed in the decomposition unit. The decomposition section is a flow path for the raw material gas, and includes a flow path in which a photocatalyst is arranged at least in part. The decomposition unit includes a light source unit that irradiates the photocatalyst with light.
光触媒によって、原料ガスに含まれる水分を、OHや水素、酸素、あるいはそれらのイオン種・ラジカルなどに分解することができる。これらの分解物が原料ガスに含まれていても、オゾン生成量の低下を抑制できる。よって、触媒作用により原料ガスに含まれる水分の分解を促すことで、オゾン生成能力の低下を抑制することができる。 The photocatalyst can decompose the water contained in the raw material gas into OH, hydrogen, oxygen, or their ionic species / radicals. Even if these decomposition products are contained in the raw material gas, the decrease in ozone production can be suppressed. Therefore, it is possible to suppress a decrease in ozone generation ability by promoting decomposition of water contained in the raw material gas by catalytic action.
流路の少なくとも一部は凹凸部を備えていてもよい。光触媒は凹凸部の表面に配置されていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。 At least a part of the flow path may be provided with uneven portions. The photocatalyst may be arranged on the surface of the uneven portion. Details of the effect will be described in Examples.
光源部は発光ダイオードであってもよい。光源部は、光触媒の吸収ピーク波長の近傍に偏った波長の強度分布を備えた光を発生してもよい。効果の詳細は実施例で説明する。 The light source unit may be a light emitting diode. The light source unit may generate light having an intensity distribution having a wavelength biased in the vicinity of the absorption peak wavelength of the photocatalyst. Details of the effect will be described in Examples.
分解部は、光源部から照射される光を光触媒の全体に面照射するための導光板をさらに備えていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。 The decomposition unit may further include a light guide plate for surface-irradiating the entire photocatalyst with the light emitted from the light source unit. Details of the effect will be described in Examples.
光触媒は、酸化チタン(TiO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化鉄(Fe2O3)、酸化タングステン(WO3)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、窒化タンタル(Ta3N5)、酸窒化タンタル(TaON)のうち、少なくとも1つを含んでいてもよい。 Photocatalysts are titanium oxide (TIO 2 ), zinc oxide (ZnO), iron oxide (Fe 2 O 3 ), tungsten oxide (WO 3 ), strontium titanate (SrTiO 3 ), tantalum nitride (Ta 3 N 5 ), acid At least one of tantalum nitride (TaON) may be contained.
オゾン生成部が生成するオゾンの濃度は100ppm以上であってもよい。 The concentration of ozone generated by the ozone generation unit may be 100 ppm or more.
(排気ガス浄化システム1の構成)
図1に、本実施例の排気ガス浄化システム1のブロック図を示す。排気ガス浄化システム1は、空気吸入口2、オゾン発生装置3、NOx吸蔵還元触媒4を備える。オゾン発生装置3は、光触媒リアクタ100およびオゾン生成リアクタ200を備える。
(Configuration of exhaust gas purification system 1)
FIG. 1 shows a block diagram of the exhaust
光触媒リアクタ100には、空気吸入口2から空気が供給される(矢印Y1)。空気は、オゾン生成用の原料ガスである。光触媒リアクタ100は、空気に含まれる水分の少なくとも一部を分解する部位である。光触媒リアクタ100からオゾン生成リアクタ200には、水分が分解された空気が供給される(矢印Y2)。オゾン生成リアクタ200は、水分が分解された空気を用いてオゾンを生成する部位である。オゾン生成リアクタ200からNOx吸蔵還元触媒4へは、高濃度のオゾンを含んだ空気が供給される(矢印Y3)。NOx吸蔵還元触媒4は、供給されたオゾンを用いて、排気ガス中のNO2もしくはNO3を吸蔵する。
Air is supplied to the
(光触媒リアクタ100の構成)
図2に、光触媒リアクタ100の鳥観模式図を示す。光触媒リアクタ100は、基体110、導光板120、複数の発光ダイオード130を備える。基体110の左側から空気が供給され(矢印Y1)、右側へ空気が排気される(矢印Y2)。従って点線の矢印で示すように、空気の流路P0が形成されている。空気は、オゾン生成の原料ガスである。基体110の上面には、複数のフィン111が配置されている。フィン111により、空気の流路P0に凹凸部を形成することができるため、空気と接触する表面積を大きくすることができる。基体110およびフィン111は誘電体である。
(Structure of Photocatalyst Reactor 100)
FIG. 2 shows a schematic diagram of the bird view of the
なお図2では、分かりやすさのために、導光板120が基体110から上方へ分離している状態を記載している。実際には、導光板120の下面はフィン111の上面に接触している。そして、フィン111の間のスリット部が、流路P0として機能する。
Note that FIG. 2 shows a state in which the
光触媒112が、基体110の上面およびフィン111の表面に塗布されている。図2では、光触媒112をグレーの領域で示している。これにより、流路P0の少なくとも一部に、光触媒112が配置されている。光触媒112は、酸化チタン(TiO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化鉄(Fe2O3)、酸化タングステン(WO3)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、窒化タンタル(Ta3N5)、酸窒化タンタル(TaON)のうち、少なくとも1つを含む物質である。本実施例では、アナターゼ型の酸化チタンを用いた。
The
発光ダイオード130は、光触媒112に光を当てて触媒作用を発現させるための部位である。発光ダイオード130は、紫外〜可視域の波長の光源である。発光ダイオード130は、触媒作用が発生する特定の波長の光を発生する。すなわち発光ダイオード130は、光触媒の吸収ピーク波長の近傍に偏った波長の強度分布(スペクトル)を備えた光を発生する。光触媒がアナターゼ型の酸化チタンである場合には、吸収ピーク波長は380ナノメートル近傍である。
The
導光板120は、上面から入れた光を均一に面発光させる板である。これにより、発光ダイオード130から照射される光を、光触媒112の全体に均一に面照射することができる。なお、導光板120の端面から光を入れてもよい。
The
光触媒112である半導体にバンドギャップ以上のエネルギーの光を照射すると、価電子帯の電子が伝導帯へと励起される。励起された電子は、水を還元し水素を生成する。一方、価電子帯に形成されたホールは、水を酸化し酸素を生成する。このような分解反応によって、空気に含まれる水分を、OHや水素、酸素、あるいはそれらのイオン種・ラジカルなどに分解することができる。
When the semiconductor, which is the
(オゾン生成リアクタ200の構成)
図3に、オゾン生成リアクタ200の鳥観模式図を示す。オゾン生成リアクタ200は、放電型のオゾン生成装置である。オゾン生成リアクタ200は、第1誘電体11および第2誘電体12を備えている。第1誘電体11は、下面に第1面31を備えた板状の部材である。第1誘電体11は、複数の第1電極21を内部に備えている。第2誘電体12は、上面に第2面32を備えた板状の部材である。第2誘電体12は、第2面32の近傍に配置されている複数の第2電極22を内部に備えている。第1面31と第2面32とが対向するように、第1誘電体11、第2誘電体12が配置されている。第1面31と第2面32との隙間によって、放電空間E1が形成される。第1誘電体11と第2誘電体12との距離Dは、0.5〜1.0[mm]である。
(Structure of ozone generation reactor 200)
FIG. 3 shows a schematic diagram of the view of birds of the
流入口41は、放電空間E1への原料ガスの流入口である。光触媒リアクタ100から排気される原料ガス(水分が分解された空気)が、流入口41に供給される(矢印Y2)。排出口42は、放電空間E1からの原料ガスの排出口である。従って、流入口41、放電空間E1、排出口42によって、オゾンの原料ガスのガス流路P1が形成される。図3では、ガス流路P1を点線の矢印で示している。原料ガスの流速は、100[m/sec]以下であることが望ましい。なお、原料ガスの流速の下限値は1.0[m/sec]程度である。その程度の流速があれば、発生したオゾンが誘電体の表面近傍から掃気される。
The
またオゾン発生装置3は、不図示の電圧印加部を備えている。電圧印加部は、第1電極21と第2電極22との間に第1電圧を印加する。第1電極21が正極、第2電極22が負極となる。第1電圧は、交流電圧あるいはパルス電圧である。第1電圧は、例えば5[kV]である。これにより、対向する第1電極21と第2電極22との間で、ストリーマ状放電柱が発生する。放電柱が発生した箇所でオゾンが発生する。発生したオゾンは原料ガスが継続的に供給されることで掃気され、外部に供給される。
Further, the ozone generator 3 includes a voltage application unit (not shown). The voltage application unit applies a first voltage between the
(シミュレーション結果)
本実施例に係るオゾン発生装置3のオゾン発生量をシミュレーション実験した。実験例1は、光触媒リアクタ100を用いない比較例である。実験例1では、気温35℃、相対湿度85%の空気を原料ガスとして用いた。実験例2は、光触媒リアクタ100を用いる例である。気温35℃、相対湿度85%の空気の水分を、光触媒リアクタ100で分解した。これにより、相対湿度が85%から8%へ、約1/10に低下した。そして、気温35℃、相対湿度8%の空気を原料ガスとして用いた。その結果、実験例1に対して実験例2では、オゾン生成量を約3倍にすることができた。
(simulation result)
A simulation experiment was conducted on the amount of ozone generated by the ozone generator 3 according to this embodiment. Experimental Example 1 is a comparative example in which the
(効果)
工業的に使用されるオゾン発生装置(例:水質浄化や洗浄)は、原料ガスとして水分を含まない純酸素などのボンベガスが用いられる場合が多い。しかし排気ガスの浄化に使用されるオゾン発生装置は、車両に搭載される場合があるため、原料ガスとして外気(空気)を利用せざるを得ない場合がある。空気には水分が含まれてしまうため、この水分によりオゾンの生成が阻害されたり、生成されたオゾンが分解されてしまう。その結果、オゾン生成量が低下してしまう。本明細書の技術では、原料ガスである空気に含まれる水分を、光触媒によって、OHや水素、酸素、あるいはそれらのイオン種・ラジカルなどに分解することができる。水分の分解物のオゾン生成およびオゾン分解への影響は少ない。よって、触媒作用により原料ガスに含まれる水分の分解を促すことで、オゾン生成能力の低下を抑制することができる。
(effect)
Industrially used ozone generators (eg, water purification and cleaning) often use bomb gas such as pure oxygen that does not contain water as a raw material gas. However, since the ozone generator used for purifying exhaust gas may be mounted on a vehicle, it may be necessary to use outside air (air) as a raw material gas. Since air contains water, this water inhibits the production of ozone and decomposes the generated ozone. As a result, the amount of ozone produced is reduced. In the technique of the present specification, water contained in air, which is a raw material gas, can be decomposed into OH, hydrogen, oxygen, or their ionic species / radicals by a photocatalyst. The effect of water decomposition products on ozone generation and ozone decomposition is small. Therefore, it is possible to suppress a decrease in ozone generation ability by promoting decomposition of water contained in the raw material gas by catalytic action.
本明細書の技術では、発光ダイオード130で光を照射する。発光ダイオードは、半導体が電気エネルギーを直接光に変換するため、変換効率が非常に高い。これにより、例えばプラズマ発光で光を照射する場合に比して、消費電力を数十分の一まで低減することができる。また発光ダイオードの波長の強度分布(スペクトル)は、化合物半導体の種類や不純物濃度によって調整することができる。よって、例えばプラズマ発光による光に比して、波長の強度分布を自由に設計することができる。これにより、光触媒の吸収ピーク波長の近傍に偏った波長の強度分布を備えた光を、光触媒に照射することができる。光触媒の触媒作用の発生効率を高めることができるため、省電力化が可能となる。
In the technique of the present specification, the
本明細書の技術では、導光板120を用いることで、発光ダイオード130から照射される光を光触媒112の全体に均一に照射することができる。これにより、光触媒の触媒作用の発生効率を高めることができるため、省電力化が可能となる。
In the technique of the present specification, by using the
空気から水分を除去または分解する装置を車載する場合には、メンテナンスフリーであること、低消費エネルギーであること、即時起動性を有すること、の3要件を全て備える必要がある。空気に含まれる水分を除去する方法としては、吸着方式、吸収方式、冷却方式、圧縮方式などが知られている。しかしこれらの方式は、上述した3要件の全てを満たさない。すなわち、吸着方式は、水分が吸着した固体を高温乾燥させるメンテナンスが必要である。吸収方式は、水分が吸着した液体を加熱濃縮させるメンテナンスが必要である。冷却方式は、冷凍機が必要であり消費エネルギーが高い。圧縮方式は、圧縮機が必要であり消費エネルギーが高い。そこで本明細書に記載の技術では、空気に含まれる水分を分解する方法として、光触媒方式を用いている。これにより、上述した3要件の全てを満たすことができる。すなわち、光触媒は自身が汚れを分解する機能を備えるため、メンテナンスフリーにすることができる。また、発光ダイオードで光を照射するため、前述したように低消費エネルギーである。そして、電子の励起により水分の分解を行うため、即時起動性を有している。これにより、車載に適したオゾン発生装置を構成することが可能となる。 When a device that removes or decomposes moisture from air is mounted on a vehicle, it is necessary to meet all three requirements of being maintenance-free, having low energy consumption, and having immediate startability. As a method for removing the moisture contained in the air, an adsorption method, an absorption method, a cooling method, a compression method and the like are known. However, these methods do not meet all of the above three requirements. That is, the adsorption method requires maintenance to dry the solid on which moisture is adsorbed at a high temperature. The absorption method requires maintenance to heat and concentrate the liquid on which water is adsorbed. The cooling method requires a refrigerator and consumes a lot of energy. The compression method requires a compressor and consumes a large amount of energy. Therefore, in the technique described in the present specification, a photocatalytic method is used as a method for decomposing the moisture contained in the air. As a result, all of the above three requirements can be satisfied. That is, since the photocatalyst has a function of decomposing dirt by itself, it can be made maintenance-free. Further, since the light is irradiated by the light emitting diode, the energy consumption is low as described above. And since the water is decomposed by the excitation of electrons, it has immediate startability. This makes it possible to configure an ozone generator suitable for in-vehicle use.
本明細書に記載のオゾン発生装置3では、オゾン生成能力の低下を抑制できるため、100ppm以上という高濃度のオゾンを生成することができる。よって、NOx吸蔵還元触媒4での排気ガスの浄化作用を高めることが可能となる。 Since the ozone generator 3 described in the present specification can suppress a decrease in ozone generation ability, it can generate ozone having a high concentration of 100 ppm or more. Therefore, it is possible to enhance the purifying action of the exhaust gas in the NOx storage reduction catalyst 4.
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of claims. The techniques described in the claims include various modifications and modifications of the specific examples illustrated above. The technical elements described in the present specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the techniques illustrated in the present specification or drawings can achieve a plurality of purposes at the same time, and achieving one of the purposes itself has technical usefulness.
(変形例)
光触媒リアクタ100において、空気の流路P0に凹凸部を形成する形態は、様々であって良い。例えば、光触媒リアクタ100上面に細かい突起を形成してもよい。
(Modification example)
In the
オゾン生成リアクタ200は、放電型に限られず、様々な態様であってよい。例えば、EUV照射型であってもよい。
The
光触媒に光を照射する光源部は、発光ダイオードに限らず、様々な光源を用いることができる。例えば、光触媒にドーピング等を行うことにより、可視光で触媒作用を発揮させることも可能である。この場合、自然光を用いて光触媒を作用させることができる。 The light source unit that irradiates the photocatalyst with light is not limited to the light emitting diode, and various light sources can be used. For example, it is possible to exert a catalytic action with visible light by doping the photocatalyst. In this case, natural light can be used to act on the photocatalyst.
光触媒リアクタ100の形状は、図2に示す形態に限られない。例えば円筒形状であってもよい。また流路P0は、直線形状に限らず、屈曲させてもよい。
The shape of the
光触媒リアクタ100は、分解部の一例である。オゾン生成リアクタ200は、オゾン生成部の一例である。発光ダイオード130は、光源部の一例である。フィン111は、凹凸部の一例である。
The
1:排気ガス浄化システム 2:空気吸入口 3:オゾン発生装置 4:NOx吸蔵還元触媒 100:光触媒リアクタ 110:基体 111:フィン 112:光触媒 120:導光板 130:発光ダイオード 200:オゾン生成リアクタ P0:流路 1: Exhaust gas purification system 2: Air intake port 3: Ozone generator 4: NOx storage reduction catalyst 100: Photocatalyst reactor 110: Base 111: Fin 112: Photocatalyst 120: Light guide plate 130: Light emitting diode 200: Ozone generation reactor P0: Channel
Claims (6)
前記オゾン発生装置は、
原料ガスに含まれる水分の少なくとも一部を分解する分解部と、
前記分解部で水分が分解された前記原料ガスを用いてオゾンを生成するオゾン生成部と、
を備え、
前記分解部は、
前記原料ガスの流路であって、少なくとも一部に光触媒が配置されている前記流路と、
前記光触媒に光を照射する光源部と、
を備える、オゾン発生装置。 An ozone generator that generates ozone used to purify exhaust gas.
The ozone generator
A decomposition part that decomposes at least a part of the water contained in the raw material gas,
An ozone generation unit that generates ozone using the raw material gas whose water is decomposed in the decomposition unit,
With
The disassembled part
The flow path of the raw material gas, wherein the photocatalyst is arranged at least in a part thereof.
A light source unit that irradiates the photocatalyst with light,
Equipped with an ozone generator.
前記光触媒は前記凹凸部の表面に配置されている、請求項1に記載のオゾン発生装置。 At least a part of the flow path is provided with an uneven portion.
The ozone generator according to claim 1, wherein the photocatalyst is arranged on the surface of the uneven portion.
前記光源部は、前記光触媒の吸収ピーク波長の近傍に偏った波長の強度分布を備えた光を発生する、請求項1または2に記載のオゾン発生装置。 The light source unit is a light emitting diode.
The ozone generator according to claim 1 or 2, wherein the light source unit generates light having an intensity distribution having a wavelength biased in the vicinity of the absorption peak wavelength of the photocatalyst.
The ozone generator according to any one of claims 1 to 5, wherein the concentration of ozone generated by the ozone generating unit is 100 ppm or more.
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