JP2022076047A - 光化学反応処理構造及び光化学反応処理方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】流体に対して光化学反応の作用を効率的に及ぼすことができる光化学反応処理構造を提供する。【解決手段】光化学反応処理構造は、流体内に設けられる。光化学反応処理構造は、側方に光を発する光拡散部分１２０ａを有する光拡散ファイバ１２０と、光拡散ファイバ１２０の光拡散部分１２０ａの長さ方向に沿って設けられ、光拡散部分１２０ａからの光により光化学反応する光化学反応媒体２１０とを備える。【選択図】図５Ｂ
Description
本発明は、光化学反応処理構造及び光化学反応処理方法に関する。
光化学反応により殺菌等を行うことが知られている。例えば、特許文献１には、洗濯機の水槽の内面に紫外線を照射して光化学反応によりカビ等の細菌の増殖を防止することが開示されている。特許文献２には、手術台の表面を光透過性媒体で形成するとともに、その下の通路に光拡散ファイバを設け、光拡散ファイバから光を出射して光化学反応により手術台の表面を殺菌することが開示されている。
酸化チタンや酸化タングステン等の光触媒を含んだフィルタに、ランプやＬＥＤ等の光源から光を照射すると、光触媒反応により活性酸素が生成され、それによってフィルタに捕獲されたウィルス等の不活性化や殺菌の処理が行われる。このとき、通常、光源には点光源が用いられるが、フィルタの面積を大きくするためには、多数の点光源を縦横に配列させる必要がある。
しかしながら、この場合、フィルタの面積に対する点光源や配線の占有面積が大きくなるので、空気や水等の流体が透過する際の抵抗を低く抑えることが困難である。そのためフィルタの大面積化を図っても、単位時間及び単位面積当たりの殺菌等の処理能力の向上を期待することができないという問題がある。
本発明の課題は、光化学反応媒体の光化学反応を効率的に生じさせることができる光化学反応処理構造を提供することである。
本発明は、流体内に設けられる光化学反応処理構造であって、側方に光を発する光拡散部分を有する光拡散ファイバと、前記光拡散ファイバの前記光拡散部分の長さ方向に沿って設けられ、前記光拡散部分からの光により光化学反応する光化学反応媒体とを備える。
本発明は、側方に光を発する光拡散部分を有する光拡散ファイバを、光化学反応媒体を含む流体内に配置し、前記光拡散ファイバの前記光拡散部分から光を発して前記光化学反応媒体を光化学反応させる光化学反応処理方法である。
本発明によれば、占有面積の小さい光拡散ファイバの光拡散部分の長さ方向に沿って光化学反応媒体が設けられているので、光化学反応媒体の光化学反応を効率的に生じさせることができる。
以下、実施形態について詳細に説明する。
（実施形態１）
図１Ａ及びＢは、実施形態１に係るフィルタ１００を示す。このフィルタ１００は、例えば、エアコン、空気清浄機、浄水器等において、空気等の気体や水等の液体といった流体Ｆ内に設けられて用いられる。
図１Ａ及びＢは、実施形態１に係るフィルタ１００を示す。このフィルタ１００は、例えば、エアコン、空気清浄機、浄水器等において、空気等の気体や水等の液体といった流体Ｆ内に設けられて用いられる。
実施形態１に係るフィルタ１００は、基材となるフィルタ本体１１０と、光拡散ファイバ１２０とを備える。
フィルタ本体１１０としては、例えば、流体Ｆ（気体、液体）の透過性を有する織布、編布、不織布等の繊維シートが挙げられる。フィルタ本体１１０は、光化学反応媒体を有する。
フィルタ本体１１０を形成する繊維材料としては、無機繊維及び有機繊維が挙げられる。無機繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、セラミックス繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、金属繊維等が挙げられる。金属繊維としては、例えば、アルミニウム繊維、銅繊維、黄銅繊維、ステンレス繊維、スチール繊維等が挙げられる。有機繊維としては、例えば、ポリエステル繊維、アクリル繊維、ポリアミド繊維、ポリオレフィン繊維、ポリビニルアルコール繊維、アラミド繊維、天然繊維等が挙げられる。天然繊維としては、例えば、綿や麻などのセルロース系繊維、羊毛等が挙げられる。フィルタ本体１１０を形成する繊維材料は、これらのうちの１種又は２種以上を含むことが好ましい。
光化学反応媒体としては、例えば、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、金属リン化物等が挙げられる。金属酸化物としては、例えば、酸化チタン、酸化タングステン、酸化鉄、酸化スズ、酸化ビスマス、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化銅（Ｉ）、酸化銅（ＩＩ）、酸化亜鉛、チタン酸ストロンチウム、ニオブ酸ストロンチウム、バナジン酸ビスマス等が挙げられる。金属硫化物としては、例えば、硫化カドミウム、硫化亜鉛、硫化モリブデン等が挙げられる。金属窒化物としては、例えば、窒化ガリウム、窒化炭素等が挙げられる。金属リン化物としては、例えば、リン化インジウム、リン化ガリウム等が挙げられる。光化学反応媒体としては、これらの物質に窒素、硫黄、リン、炭素、フッ素等のアニオンがドープされたもの、これらの物質にロジウム、クロム等のカチオンがドープされたものも挙げられる。光化学反応媒体は、これらのうちの１種又は２種以上を含むことが好ましく、可視レーザ光により光化学反応を生じやすいという観点から、酸化タングステンを含むことがより好ましい。
光化学反応媒体は、フィルタ本体１１０を形成する繊維材料に混入されていてもよい。光化学反応媒体は、フィルタ本体１１０を形成する繊維材料の表面に担持されていてもよい。光化学反応媒体は、フィルタ本体１１０を形成する繊維材料自体を構成していてもよい。
図２Ａ及びＢは、光拡散ファイバ１２０を示す。光拡散ファイバ１２０は、コア１２１と、クラッド１２２と、被覆層１２３とを備える。光拡散ファイバ１２０は、その中間部に、側方に光を発するための所定長の光拡散部分１２０ａを有する。
光拡散部分１２０ａでは、コア１２１、クラッド１２２、及び被覆層１２３のうちの少なくとも１つが光散乱体１２４を分散して含む。光拡散部分１２０ａでは、図２Ｂに示すように、クラッド１２２が光散乱体１２４を含むことが好ましいが、コア１２１又は被覆層１２３が光散乱体１２４を含んでいてもよい。また、コア１２１及びクラッド１２２、クラッド１２２及び被覆層１２３、又は、コア１２１、クラッド１２２、及び被覆層１２３のように複数の層が光散乱体１２４を含んでいてもよい。複数の層が光散乱体１２４を含む場合、それらの層が含む光散乱体１２４は、同一であっても、異なっていても、どちらでもよい。
コア１２１は、ファイバ中心に１個設けられている。コア１２１の直径は、例えば５０μｍ以上１ｍｍ以下である。なお、コア１２１は、偏心して設けられていてもよく、また、複数設けられていてもよい。コア１２１は、相対的に屈折率が高い材料で形成されている。コア１２１の形成材料としては、例えば、石英などのガラス材料、アクリル系樹脂やフッ素系樹脂などの有機材料等が挙げられる。コア１２１は、ゲルマニウム等の屈折率を高めるドーパントがドープされて屈折率調整が図られていてもよい。
クラッド１２２は、コア１２１を被覆するように設けられている。クラッド１２２の外径は、例えば１２５μｍ以上５ｍｍ以下である。クラッド１２２は、相対的に屈折率が低い材料で形成されている。クラッド１２２の形成材料としては、例えば、シリコーン系樹脂やアクリル系樹脂やフッ素系樹脂などの有機材料、石英などのガラス材料等が挙げられる。クラッド１２２は、フッ素等の屈折率を下げるドーパントがドープされて屈折率調整が図られていてもよい。
クラッド１２２は、光拡散部分１２０ａに光散乱体１２４を含む場合、有機材料で形成されていることが好ましく、シリコーン系樹脂で形成されていることがより好ましい。シリコーン系樹脂製のクラッド１２２は、光散乱体１２４との親和性が高い。そのため、光散乱体１２４が長さ方向にも厚さ方向にも均一に分散して含まれることとなるので、クラッド１２２全体で均一な光散乱を得ることができる。また、シリコーン系樹脂製のクラッド１２２に均一に分散した光散乱体１２４は、コア１２１とクラッド１２２との境界面に、コア伝搬光をクラッド伝搬光にモード変換するための構造的で且つ屈折率差を生じる光学的な凹凸を長さ方向に沿って均一に形成する。そのため、コア伝搬光のクラッド伝搬光へのモード変換が長さ方向に沿って均一に起こるので、長さ方向に沿った側面発光の明暗ムラを抑制することができる。さらに、シリコーン系樹脂製のクラッド１２２は、放熱性が高いので、光散乱体１２４が耐熱性の低い有機材料の場合、その劣化を抑制することができる。加えて、シリコーン系樹脂製のクラッド１２２は、コア１２１がガラス材料で形成されている場合、コア１２１との高い密着性を得ることができる。このシリコーン系樹脂は、量産性及び再現性の観点から、熱硬化型又は紫外線硬化型であることが好ましい。
被覆層１２３は、クラッド１２２を被覆するように設けられている。被覆層１２３の外径、すなわち、光拡散ファイバ１２０の外径は、例えば２００μｍ以上１０ｍｍ以下である。被覆層１２３の形成材料としては、例えば、シリコーン系樹脂、アクリル系樹脂等の光透過性の樹脂が挙げられる。
光散乱体１２４としては、例えば、粉状のポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）やポリスチレン樹脂（ＰＳ）などの粉状有機材料、粉状の光透過性のセラミックス（ＴｉＯ２）や金属（ＡｌやＡｕ）や石英などの粉状無機材料、気泡等が挙げられる。光散乱体１２４は、これらのうちの１種又は２種以上を含むことが好ましい。光散乱体１２４の平均粒径は、例えば１μｍ以上１０μｍ以下である。光散乱体１２４の平均粒径は、例えば、コールター法を用いた精密粒度分布測定装置、気泡に関してＸ線観察や各種顕微鏡観察により計測される。各層における光散乱体１２４の含有量は、例えば０．０１質量％以上１０質量％以下である。
なお、光拡散ファイバ１２０は、クラッド１２２と被覆層１２３との間に、クラッド１２２を被覆するように設けられたサポート層を備えていてもよく、そのサポート層が光散乱体１２４を分散して含んでいてもよい。
光拡散ファイバ１２０は、母材を線引きした後に樹脂で被覆することにより製造することができる。このとき、母材のコア１２１を形成する部分及びクラッド１２２を形成する部分、並びに被覆層１２３を形成する樹脂材料に、予め光散乱体１２４を含有させておけばよい。
光拡散ファイバ１２０は、フィルタ本体１１０に、光拡散部分１２０ａが、フィルタ本体１１０内の糸間又は繊維間を縫うとともに、フィルタ本体１１０の平面視において、九十九折り状に繰り返し往復するように配索されて取り付けられ、それによりフィルタ本体１１０内に二次元的な発光面を形成している。これにより、光拡散ファイバ１２０の光拡散部分１２０ａの長さ方向に沿って光化学反応媒体が設けられた光化学反応処理構造が構成されている。光拡散ファイバ１２０の両端部分のそれぞれは、フィルタ本体１１０の外部に引き出されている。
実施形態１に係るフィルタ１００は、空気等の気体や水等の液体といった流体Ｆ内に設けられる。このとき、フィルタ１００は、複数枚が積層等されて用いられてもよい。そして、光拡散ファイバ１２０の一端に光源ＬＤが接続される。光源ＬＤとしては、例えば、半導体レーザ、ＬＥＤ等が挙げられる。光源ＬＤは、光拡散ファイバ１２０への接続が容易であるという観点から、半導体レーザであることが好ましい。光源ＬＤが発する光の波長は、光化学反応媒体による光化学反応が有効に起こるものであって、例えば３００ｎｍ以上９００ｎｍ以下である。光源ＬＤの出力パワーは、光拡散ファイバ１２０の長さや光化学反応にもよるが、例えば数ｍＷ乃至数１０Ｗである。なお、フィルタ１００への流体Ｆの接触を促進させる観点からは、流体Ｆを一方向又は双方向に輸送するための送風機やポンプが設けられていてもよい。
実施形態１に係るフィルタ１００は、光源ＬＤから光が出力されると、その光を光拡散ファイバ１２０が伝送する。光拡散ファイバ１２０は、その伝送する光を、光拡散部分１２０ａにおいて、コア１２１、クラッド１２２、及び被覆層１２３のうちの少なくとも１つに含まれた光散乱体１２４により散乱させて側方に発する。フィルタ本体１１０は、光拡散ファイバ１２０の光拡散部分１２０ａからの光が照射され、その光によりフィルタ本体１１０が有する光化学反応媒体が光化学反応して例えば活性酸素等を生成し、その滅菌、殺菌、消毒等の作用を流体Ｆに対して及ぼす。
以上の構成の実施形態１に係るフィルタ１００によれば、占有面積の小さい光拡散ファイバ１２０の光拡散部分１２０ａの長さ方向に沿って光化学反応媒体が設けられているので、流体Ｆが透過できる開口面積を広く確保でき、そのため光化学反応媒体の光化学反応を効率的に生じさせることができる。そして、その結果、流体Ｆに対して光化学反応の作用を効率的に及ぼすことができる。また、流体Ｆが透過する際の抵抗を低く抑えることができるので、単位時間及び単位面積当たりの高い処理能力を得ることができる。したがって、フィルタ１００を大面積化して用いた場合には、それ相応の効果を得ることができる。さらに、流体Ｆに対して光化学反応の作用を効率的に及ぼすことができるので、省電力化を図ることもできる。
その一方、実施形態１に係るフィルタ１００は、光化学反応媒体が光化学反応するための光を発する光拡散ファイバ１２０が、光化学反応媒体を有するフィルタ本体１１０自体に取り付けられているので、これを含む装置の薄型化を図ることができ、それを、例えば室内の壁パネルやパーティション、或いは、既設の空調設備の吹き出し口や吸い込み口に取り付けることができる。また、このフィルタ１００は、小型化した場合でも高い処理能力を得ることができるので、例えばウェアラブルな装置に用いることができる。
なお、実施形態１に係るフィルタ１００では、光拡散ファイバ１２０が、フィルタ本体１１０に、九十九折り状に繰り返し往復するように配索されて取り付けられ、それによって二次元的な発光面を形成した構成としたが、特にこれに限定されるものではない。細径の光拡散ファイバ１２０は自由に配置することができるので、例えば、図３に示すように、光拡散ファイバ１２０が、フィルタ本体１１０に、その厚さ方向にも折り返すように配索されて取り付けられ、それによって三次元的な発光体を形成した構成であってもよい。図４Ａ及びＢに示すように、複数本の光拡散ファイバ１２０がフィルタ本体１１０に配索されて取り付けられた構成であってもよい。
（実施形態２）
図５Ａ及びＢは、実施形態２に係る光化学反応材２００を示す。なお、実施形態１と同一名称の部分は、実施形態１と同一符号で示す。
図５Ａ及びＢは、実施形態２に係る光化学反応材２００を示す。なお、実施形態１と同一名称の部分は、実施形態１と同一符号で示す。
実施形態２に係る光化学反応材２００は、実施形態１に係るフィルタ１００と同様の構成の光拡散ファイバ１２０と、その光拡散ファイバ１２０を被覆するように設けられた光化学反応媒体で形成された光化学反応媒体層２１０とを備える。これにより、光拡散ファイバ１２０の光拡散部分１２０ａの長さ方向に沿って光化学反応媒体が設けられた光化学反応処理構造が構成されている。
実施形態２に係る光化学反応材２００は、そのまま二次元的又は三次元的に配置して用いることができる。また、実施形態２に係る光化学反応材２００は、図６Ａに示すように、織布等の基材２２０に取り付けられたシート状のフィルタを構成して用いることができる。さらに、実施形態２に係る光化学反応材２００は、図６Ｂに示すように、それ自体を織製等したシート状のフィルタを構成して用いることもできる。
実施形態２に係る光化学反応材２００は、空気等の気体や水等の液体といった流体Ｆ内に設けられる。そして、光拡散ファイバ１２０の一端に光源ＬＤが接続される。実施形態２に係る光化学反応材２００は、光源ＬＤから光が出力されると、その光を光拡散ファイバ１２０が伝送する。光拡散ファイバ１２０は、その伝送する光を、光拡散部分１２０ａにおいて、コア１２１、クラッド１２２、及び被覆層１２３のうちの少なくとも１つに含まれた光散乱体１２４により散乱させて側方に発する。光化学反応媒体層２１０は、光拡散ファイバ１２０の光拡散部分１２０ａからの光が照射され、その光により光化学反応媒体層２１０を形成する光化学反応媒体が光化学反応して例えば活性酸素等を生成し、その滅菌、殺菌、消毒等の作用を流体Ｆに対して及ぼす。
その他の構成及び作用効果は実施形態１と同一である。
（実施形態３）
実施形態３に係る光化学反応処理方法では、図２Ａ及びＢに示す光拡散ファイバ１２０を、藻やプランクトン等の生物系光化学反応媒体を含む海水（流体）内に、二次元的又は三次元的な拡がりを有して配索されるように配置する。そして、光拡散ファイバ１２０の光拡散部分１２０ａから可視光を発して生物系光化学反応媒体を光化学反応（例えば光合成）させる。このような実施形態３に係る光化学反応処理方法によれば、生物系光化学反応媒体の育成を早めたり、栄養成分を高めることができる。
実施形態３に係る光化学反応処理方法では、図２Ａ及びＢに示す光拡散ファイバ１２０を、藻やプランクトン等の生物系光化学反応媒体を含む海水（流体）内に、二次元的又は三次元的な拡がりを有して配索されるように配置する。そして、光拡散ファイバ１２０の光拡散部分１２０ａから可視光を発して生物系光化学反応媒体を光化学反応（例えば光合成）させる。このような実施形態３に係る光化学反応処理方法によれば、生物系光化学反応媒体の育成を早めたり、栄養成分を高めることができる。
海は深くて広い面積を有するので、その深さに面積を乗じた体積に十分に光を照射することは難しく、ＬＥＤ等の点光源では非常に効率が悪いことが考えられる。また、海水中では可視光の吸収が大きいため、海上乃至海面から光を照射しても、深部まで均一な光量を届かせることは困難である。しかしながら、実施形態３に係る光化学反応処理方法のように光拡散ファイバ１２０を用いれば、海中深く且つ広い面積に渡って光を照射することが可能となり、また、ＬＥＤ等と異なり、電気配線が不要であるので、メンテナンス性にも非常に優れる。
本発明は、光化学反応処理構造及び光化学反応処理方法の技術分野について有用である。
１００ フィルタ
１１０ フィルタ本体
１２０ 光拡散ファイバ
１２０ａ 光拡散部分
１２１ コア
１２２ クラッド
１２３ 被覆層
１２４ 光散乱体
２００ 光化学反応材
２１０ 光化学反応媒体層
２２０ 基材
Ｆ 流体
ＬＤ 光源
１１０ フィルタ本体
１２０ 光拡散ファイバ
１２０ａ 光拡散部分
１２１ コア
１２２ クラッド
１２３ 被覆層
１２４ 光散乱体
２００ 光化学反応材
２１０ 光化学反応媒体層
２２０ 基材
Ｆ 流体
ＬＤ 光源
Claims (7)
- 流体内に設けられる光化学反応処理構造であって、
側方に光を発する光拡散部分を有する光拡散ファイバと、
前記光拡散ファイバの前記光拡散部分の長さ方向に沿って設けられ、前記光拡散部分からの光により光化学反応する光化学反応媒体と、
を備えた光化学反応処理構造。 - 請求項１に記載された光化学反応処理構造において、
前記光化学反応媒体を有するフィルタ本体を備え、前記光拡散ファイバが前記フィルタ本体に取り付けられたフィルタを構成している光化学反応処理構造。 - 請求項２に記載された光化学反応処理構造において、
前記フィルタ本体が織布、編布、又は不織布で構成され、前記光拡散ファイバが、前記フィルタ本体に、前記フィルタ本体内の糸間又は繊維間を縫うように配索されて取り付けられている光化学反応処理構造。 - 請求項１に記載された光化学反応処理構造において、
前記光拡散ファイバを被覆するように設けられた前記光化学反応媒体で形成された光化学反応媒体層を備えた光化学反応材を構成している光化学反応処理構造。 - 請求項４に記載された光化学反応処理構造において、
前記光化学反応材がシート状のフィルタを構成している光化学反応処理構造。 - 請求項１乃至５のいずれかに記載された光化学反応処理構造において、
前記光拡散ファイバは、コアと、クラッドと、被覆層とを備え、前記光拡散部分では、前記コア、前記クラッド、及び被覆層のうちの少なくとも１つが光散乱体を分散して含む光化学反応処理構造。 - 側方に光を発する光拡散部分を有する光拡散ファイバを、光化学反応媒体を含む流体内に配置し、前記光拡散ファイバの前記光拡散部分から光を発して前記光化学反応媒体を光化学反応させる光化学反応処理方法。
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-
2020
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