JP2022096078A - 光触媒反応を利用した空気清浄器 - Google Patents

Abstract

【課題】光触媒を用いる空気清浄機において、光触媒担持体フィルターの空気通過抵抗をできるだけ低減しつつも表面積の大きな多孔質体を使用し、装置内部に乱流を起こさせ、空気の衝突部の壁面にも反射板に多孔質体を使用し、紫外線（C波長）を至近距離から照射することで、光触媒反応の効率性を高めて有機物分解と空気の除菌が可能な空気清浄機を提供すること。【解決手段】本発明の空気清浄機は、空気の吸入部に気流を発生させる送風手段と、気体流路に設けられた不定形な多孔質体の光触媒担持体をパンチングメタル製のケースに積層・敷設した3次元構造のフィルターと、不定形な間隙を気体が通過する途中で乱流を発生させ、その空気が衝突する壁面にも反射板に光触媒を担持させた多孔質体を備え、それらの光触媒担持体に紫外線を照射する装置と、処理した空気の吐出部を備える事で空気を清浄化することを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、被処理気体が通過時に乱流を発生させる光触媒担持フィルター及び気体衝突部に設けた光触媒担持タイルに、紫外線(C波長)を照射して起こる接触気体の清浄化および気体の除菌が行える空気清浄器に関する。

有機物分解能を有する光触媒は、環境浄化への利用が期待されており、これまでにも低濃度の汚染物質を分解する光触媒を利用した空気清浄機が開発されてきた。これは、酸化チタンなどの光触媒に400ｎｍ以下の紫外線が照射された際に発生する反応性の高い活性酸素を利用して有機物を分解するものである

光触媒は優れた有機物分解特性を有するが、量子収率が悪いため、光触媒部には至近距離から強力に紫外線の照射と、十分な効果を発揮させるために表面積の広い光触媒担持体が必要であるが、それには次の問題がある。

光触媒は接触反応なので気孔構造の大きいフィルターでは反応量が減り、気孔構造の小さなフィルターでは圧力損失が大きくなるといった点ではろ過用フィルターと同じであり、ガス透過性を良くしながらも反応量を増加させるのが難しいという問題がある。

また、紫外線および光触媒には有機物を劣化・分解させるため、樹脂製のフィルターでは長持ちせず、劣化・分解が起こらない又は起こり難い素材を使用する必要がある。

上記の問題を解決するために、特許文献１では光触媒の第一領域と吸着材の第二領域からなる層状の空気清浄用フィルターで、光触媒は酸化チタンとパラジウムの複合触媒からなり、表層部に酸化チタンとなり、次層がパラジウム、３層目が吸着剤に活性炭を使用する構造のものが開示されている。

また、特許文献2では厚さ方向に貫通する複数の貫通孔を設けた貫通孔基材で、その貫通孔基材はグラファイト状炭素材を含む内装と炭化ケイ素などからなる外装を有する固形状基材でできており、貫通孔内部に光触媒層を有するフィルターについて開示されている。

また、特許文献3では表面が粗面化されたチタンシートに切り込みを入れ曲げ加工して開口された流通口と、その流通口を流通する被処理流体とが衝突する位置に曲げ加工した衝突片とを備えた衝突流路を備えることで、圧力損失を軽減化し、光触媒に対する衝突確立を向上させた光触媒体が開示されている。

また、特許文献4では紫外線透過材料で形成された棒状又は筒状の導光部品の端面からUV-LEDで紫外線を照射し、導光部品内部に紫外線を散乱させる散乱層を有することで数少ないLEDで広範囲に光を発散させ、その導光部品を取り囲むように開口部を有する光触媒チタンメッシュフィルターを備え、光触媒反応を誘起させて空気浄化を行う装置が開示されている。

また、特許文献5では光触媒和紙で形成された螺旋状のフィルターを、アクリルなどの透光性の円筒型ケースに入れ回転自在に軸承し、一端から送風し、他端から排風し、この円筒形ケースに紫外線を照射して空気浄化を行う装置が開示されている。

また、特許文献6ではＵＶ－ＬＥＤ基盤から発せられる紫外線（340～380ｎｍ）にピーク波長をもつ紫外線を光触媒フィルターに照射し、脱臭、集塵及び殺菌が行える車両カップホルダーに嵌めて使用できる小型空気清浄器が開示されている。
特開２００８－１３６８７８公報 特開２０１８－８６２６３公報 特開２０１４－９４３４０公報 特開２０２０－１０９３２８公報 特開２００４－３３００８８公報 特開２０２０－１７１７３９公報

しかしながら、特許文献1のような構造で表層部を酸化チタンにするだけでは光触媒の分解効率の低さを改善することは難しく、圧力損失を防ぐ工夫も感じられない。また、特許文献２の方式では圧力損失を減らすため貫通孔を増やすと光触媒反応量が減り、多孔質体を使うよりも浄化効率が低くなるように考えられる。また、特許文献３の方式では圧力損失の軽減化は図れても、光触媒反応は被処理流体が通過する際に、切れ込みを入れ曲げ加工した平面部分においてのみ起こり、反応の効率化が図れているとは考えにくい。

また、特許文献４の装置では、ファンから送られてくる空気を円筒形の浄化装置で受ける事になり、さらに開口部から中に入る空気しか浄化できないと考えられる。仮にこの円筒形装置をはめ込むような構造の装置にして、ファンから送られてくる空気を100％円筒形装置で受ける構造にすると大きな圧力損失が生じるものと考えられる。一方、特許文献５の装置では、光触媒は有機物分解を分解する為、和紙フィルターでは劣化・分解が起こり、アクリルの筒では紫外線は殆んど透過できず、仮に石英を使うと非常に高価なものとなり現実的ではない。

また、特許文献６の小型空気清浄器は、殺菌可能とあるが使用する紫外線の波長が（340～380ｎｍ）であり、殺菌力はあまり期待できない。その他にも、特に殺菌するための工夫はないので通常の光触媒反応において殺菌可能と言っているに過ぎない。

本発明が解決しようとする課題は、上記の問題点を鑑みて考案したものであり、圧力損失を出来るだけ抑えた光触媒担持体フィルターでありながらも強い光触媒反応を誘起することができ、かつエネルギー量が大きく殺菌力の強い紫外線（Ｃ波長）を光源に使用することで、被処理気体への殺菌力が強い空気清浄器を提供することである。

本発明者は、新型コロナウィルスのパンデミックを受け、人々が密集し、密閉空間となる場所において空間除菌ができるよう、また製造コストを抑制し多くの人々の暮らしを守れるようにと考え、産業廃棄物品の再利用品を使用し、以下のような空気清浄器を発明するに至った。

本発明による空気清浄機は、光触媒を担持した一次フィルターに廃ガラスを焼成してつくられた小型の軽石を使用する。これをステンレス製のパンチングメタルのケースに入れ、１層～２層に積層・敷設した３次元構造のフィルターである。軽石は非常に多孔質であり紫外線分解等も生じず、不定形であるため、このフィルターを通過する気体には自然と乱流が生じる。装置前面にあるファンから送風された気体は、一次フィルターを通過する間に光触媒の接触反応にさらされる。しかし、圧損を抑える理由から空気の通りを良くしているため、無反応の気体も多く通過する。装置内の紫外線殺菌灯前面部では乱流が発生しているため、その多くの気体が装置の傾斜している前面部壁面に取り付けた反射板（フライアッシュを成型してつくられた多孔質体のタイルに光触媒をコーティングしたもの）に衝突する、ここでも多くの気体が光触媒反応にさらされることになる。これらの光触媒担持体と紫外線ランプの距離は短く、距離減衰が殆ど起こらないため、効率良く光触媒反応が起こる。それでも通過気体の全てが光触媒反応を起こすわけではないが、紫外線（Ｃ波長）による殺菌作用も併せて起こるため、強い殺菌力を発揮できる構造となっている。このようにして浄化された気体は吐出部から吐き出され密閉された室内であれば循環を続けることになる。また、この装置は有機物分解装置としても機能する。光触媒反応は全ての有機物を分解できるため、脱臭やアレルゲン物質対策としても利用することができる空気清浄器であることを特徴としている。

上記構成によれば、一次フィルターによる圧力損失を軽減できるため、送風用のファンに送風能力が強力なものを使用せずに済み、静音・省エネルギー化が図れる。

また、光触媒担持体と紫外線光源体との距離が近い上、光触媒担持体には極めて表面積が大きい多孔質体を使用しているため、無駄のない強力な光触媒反応により気体の浄化を行う事ができる。

前記本体部は、紫外線と光触媒反応による劣化を防ぐため、金属製であることが好ましい。

前記本体部に使用する送気用ファンには、静音タイプを使用することが好ましい。

前記本体部の電源部材には、耐紫外線樹脂の使用、あるいは遮光対策をすることが好ましい。

前記本体部の紫外線灯には、殺菌灯（含水銀）を使用するが、同等性能のLED紫外線灯を使用することが好ましい。

前記光触媒の担持体には、二酸化チタンをコーティングすることが好ましい。

前記光触媒の担持体のコーティング方式は、焼き付け方式とスプレー方式を使い分けるのが好ましい。

前記本体内部の紫外線があたる箇所には、できるだけ光触媒をコーティングする方が好ましい。

前記空気清浄器を設置する位置は、テーブルなどの上に置き、床置きにしない事が好ましい。

前記空気清浄器を設置する場所には、空気の動きを阻害する物が無い方が好ましい。

前記空気清浄器を同一空間に多数設置する場合、空気の流動を考えて設置することが好ましい。

換気は必要に応じて行うべきなので、目安として二酸化炭素計を設置することが好ましい。

本発明による空気清浄器は、殺菌灯による殺菌と光触媒反応による殺菌の作用が併さることで、より強力に空気中のウィルス・細菌・カビなどを死滅・分解させることができる。

また、本発明による空気清浄器は、化学物質を分解できるのでシックハウス対策としても利用できる。

また、本発明による空気清浄器は、臭気物質を分解できるので、臭気対策としても利用する事ができる。

また、本発明による空気清浄器は、フィルター前面のホコリを掃除する程度で、多くのメンテナンスを必要としない。

また、本発明による空気清浄器は、一次フィルターに産業廃棄物の廃ガラス加工品を使用しているので、SDGsへの取り組みにつながる。

また、本発明による空気清浄器は、傾斜壁面に取り付けた反射板の光触媒多孔質タイルに産業廃棄物のフライアッシュ（石炭灰）加工品を使用しているので、SDGsへの取り組みにつながる。

本発明による空気清浄器は、人々が密集しやすい公共の場における利用が可能である。様々な匂いを分解し、衛生的な空気を提供することができる。

本発明による空気清浄器は、公共の乗り物における利用が可能である。バスや電車、フェーリーの客室に衛生的な空気を提供することができる

また、本発明による空気清浄器は、換気の頻度を少なくすることができ、経済的効果が大きい。

また、本発明による空気清浄器は、将来発生することが危惧される新型鳥インフルエンザによるパンデミックや新種の呼吸器系ウィルス対策としても利用できる。

以上のように、本発明による空気清浄器は、メンテナンスが容易に行え、かつ静音ファンの使用により音も静かな上、呼吸器系感染症対策から臭気対策、シックハウス対策までを幅広く利用できる。

本発明における空気清浄器の全体正面図 本発明における空気清浄器の全体側面図 本発明における一次フィルターの全体図 本発明における光触媒多孔質壁面タイルの概要図 クリーンベンチ内で行った細菌汚染気体の制御試験 実空間における落下細菌の制御試験

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態について説明する。

最初に、本発明の空気清浄器の構成を説明する。図１は、本発明における空気清浄機１を正面からみた図を示している。装置の下側に被処理気体を吸入する静音ファン2を備え、その前面にはホコリなどを捕集するスクリーンフィルター３と、処理後の気体を放出するルーバー空気孔４を装着する構成となっている。

内部の構造は空気清浄機内部を側面からみた図2で説明する。静音ファン２から取り込まれた被処理気体は、一次フィルター８を通過して上部に向かう。ここには紫外線殺菌装置８が配置されており、前記の一次フィルター８と壁面に配置された反射板（光触媒多孔質タイル）９に紫外線が照射される構成となっている。本体1の部材をはじめ一次フィルターのケースや遮光板は、アルミやステンレスなどの金属で構成される。

前記の通過気体は、遮光板１０の開口部を通過して、上部のルーバー空気孔から放出される構成となっている。

ここで遮光板10には、紫外線光側に光触媒をコーティングしておくのも良い。

一次フィルター８は図３に示すように、パンチングメタルケース１２の内部に光触媒の担持体である廃ガラス製軽石１１を積層・敷設した３次元構造となっている。多孔質構造により表面積を広くとることができ、形が不定形であるため間隙が比較的多く存在するため、圧力損失を抑制して気体を通過できる構造になっている。

傾斜壁面に取り付ける反射板（光触媒多孔質タイル）は図４の構成になっている。このタイルはフライアッシュを固めてつくられており、多孔質な上に軽量である。アングル１３にボルト１４で固定して本体に装着する。アングルに固定する際に衝撃吸収用の緩衝材を使用するのもよい。

紫外線ランプには殺菌灯を使用しているが、C波長で同等性能のものがあればＬＥＤ紫外線を使用するのが好ましい。

図５は、密閉されたクリーンベンチ内で行った試験データである。クリーンベンチ内の空気を
３４２，５００CFU／0.25ｍ³と高濃度に雑菌で汚染し、当該装置の効果を追跡した結果、１０分後には９５％以上が除菌される結果が得られている。

図６は、６０畳ほどの実空間で行った試験データである。室内の５箇所において落下細菌量を追跡調査した結果、当該装置を稼働した室内では３０分後に落下細菌が０CFUとなる結果が得られている。

本発明の実施形態による空気清浄器は、家庭用はもとより業務用として、更には公共の場など広く利用することができる。

本発明の実施形態による空気清浄器は、ウィルス、カビ、細菌汚染対策として有効である。

本発明の実施形態による空気清浄器は、密閉空間の換気頻度を少なくするのに効果的である。

本発明の実施形態による空気清浄器は、臭気対策としても利用できる。

本発明の実施形態による空気清浄器は、ＶＯＣ対策としても利用できる。

本発明の実施形態による空気清浄器は、日本国内のみならず海外においても利用できるため、産業上の利用可能性は大きい。

１ 空気清浄器本体
２ 送風ファン
３ 送風ファン用フィルター
４ ルーバー空気孔
５ 送風ファンコントローラー
６ アジャスター
７ 紫外線殺菌装置
８ 一次フィルター
９ 反射板（光触媒多孔質タイル）
10 遮光板
11 廃ガラス製軽石（光触媒担持体）
12 パンチングメタルケース
13 アングル
14 ボルト

Claims (3)

1. 気体流路に設けられた不定形な多孔質の光触媒担持体を積層・敷設した3次元構造のフィルターと、気体流路途中の気体が衝突する壁面にも気体の反射板としての光触媒を担持させた多孔質タイルを設け、それらの光触媒担持体に紫外線を至近距離から照射する装置とを備える事で、被処理気体が前記の気体流路を通過する間に光触媒反応と紫外線の作用により空気清浄化が行えることを特徴とする空気清浄器。
2. 前記3次元構造フィルターには、パンチングメタルケースに廃ガラスを高温焼成した不定形の軽石を1～2層に積層・敷設したものであることを特徴とする請求項1記載の空気清浄器。
3. 前記の空気衝突部の壁面に設置する反射板には、光触媒を担持させたフライアッシュを固めて成型された多孔質体のタイルであることを特徴とする請求項1記載の空気清浄器。

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