JP2022132263A - Air purification device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、誘電体バリア放電を利用した空気浄化装置に関する。 The present invention relates to an air purifier using dielectric barrier discharge.
従来より誘電体バリア放電を利用した空気浄化装置が知られている。誘電体バリア放電は大気圧下で形成可能であり、酸素を含む空気で大気圧プラズマを発生させると、生成される各種の活性種やオゾンによって、空気中に浮遊する細菌を殺菌し、ウイルスを不活化し、空気に含まれる揮発性有機化合物(VOC)を分解することができる。このうち、ヒドロキシルラジカル等の活性種は、オゾンより反応性が高く浄化作用が強いが寿命が短く、例えばヒドロキシルラジカルの寿命は1μs秒程度であることから、生成した部位のごく近くでしか反応しないことが知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, air purifiers using dielectric barrier discharge have been known. Dielectric barrier discharge can be formed under atmospheric pressure, and when atmospheric pressure plasma is generated with oxygen-containing air, various active species and ozone are generated to sterilize bacteria floating in the air and kill viruses. It can inactivate and decompose volatile organic compounds (VOCs) in the air. Of these, active species such as hydroxyl radicals are more reactive than ozone and have a strong purifying action, but have a short lifespan. It is known.
特許文献1には、空気流路を形成する筐体内部にプラズマ発生手段を備え、プラズマ発生手段が柱状の接地電極に誘電体膜を介して非接地電極を螺旋状に巻き付けて構成され、両電極間で誘電体バリア放電ナローギャッププラズマを発生させる空気清浄装置が記載されている。 In Patent Document 1, a plasma generating means is provided inside a housing that forms an air flow path, and the plasma generating means is configured by spirally winding a non-grounded electrode around a columnar grounded electrode via a dielectric film. An air cleaning device is described that generates a dielectric barrier discharge narrow gap plasma between electrodes.
特許文献2には、放電電極の少なくとも一部が誘電体で覆われた電極パネルを積層し、隣接する電極パネル間の隙間に気体を流して電圧を印加することにより、誘電体バリア放電によるプラズマを発生させるプラズマパネル積層体を備える空気清浄器が記載されている。
In
特許文献3には、内部を空気が流れる細長い反応器と、反応器の内部に略同心関係に位置し、絶縁層に覆われた内側電極と、反応器の内面に位置し、絶縁層に覆われた外側電極とを有し、両電極間で放電を励起してプラズマが生成される空気清浄・滅菌装置が記載されている。 Patent Document 3 discloses an elongated reactor in which air flows, an inner electrode positioned substantially concentrically within the reactor and covered with an insulating layer, and an inner electrode positioned on the inner surface of the reactor and covered with the insulating layer. An air cleaning and sterilizing device is described which has an outer electrode separated from the outer electrode and in which an electrical discharge is excited between the electrodes to create a plasma.
特許文献1に記載された空気清浄装置では、生成するオゾンによる浄化効果が期待できる。その一方で、空気はプラズマの近傍を通過するが、プラズマ中を通過する空気の割合が限られるため、寿命の短いヒドロキシルラジカル等による浄化作用はほとんど利用できない。 In the air purifying device described in Patent Document 1, the generated ozone is expected to have a purifying effect. On the other hand, air passes near the plasma, but since the proportion of air passing through the plasma is limited, the purifying action of short-lived hydroxyl radicals and the like can hardly be used.
特許文献2に記載された空気清浄機では、電極パネル間のプラズマが発生する領域を気体が通過するので、寿命の短いヒドロキシルラジカル等による浄化作用を利用することができる。しかし、面積の大きい板状の電極パネル間で誘電体バリア放電を形成するため、プラズマの発生する位置が一定せず、また一旦発生したプラズマが不安定になりやすく、ある時点で存在するプラズマの数も一定しない。そのため、気体がプラズマ中を通過する距離が一定しない。
In the air purifier described in
特許文献3に記載された空気清浄・滅菌装置では、細長い反応器内のプラズマが発生する領域を空気が通過するため、特許文献2と比較して、空気の全量がより確実にプラズマ中を通過するものと思われる。しかし、電極が長いため、特許文献2と同様に、プラズマの発生する位置が一定せず、また一旦発生したプラズマが不安定になりやすく、ある時点で存在するプラズマの数も一定しないため、気体がプラズマ中を通過する距離が一定しない。
In the air cleaning and sterilizing apparatus described in Patent Document 3, the air passes through the region where the plasma is generated in the elongated reactor, so compared to
処理対象である空気がプラズマ中を通過する距離が一定しないと、所要の浄化効果に対して装置の能力に余裕を持たせる必要があり、装置を大型化せざるを得ず、消費電力も大きくなる。このことは空気浄化装置を家庭で用いる場合に特に問題となる。本発明は上記を考慮してなされたものであり、空気がプラズマ中を通過する距離が一定する空気浄化装置を提供することを目的とする。 If the distance through which the air to be treated passes through the plasma is not constant, it is necessary to provide a margin in the capacity of the device for the required purification effect, which inevitably increases the size of the device and consumes a large amount of power. Become. This is a particular problem when the air purifier is used at home. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an air purifier in which the distance through which air passes through plasma is constant.
本発明の空気浄化装置は、大気圧プラズマ発生部とその下流に配置されたオゾン除去部とを有する。そして、前記大気圧プラズマ発生部は、誘電体からなり、処理対象である空気が内部を通過可能な円筒形のプラズマ容器と、前記プラズマ容器の中心に該プラズマ容器と同軸に配置された円筒形または円柱形の内部電極と、前記プラズマ容器の外側面に該プラズマ容器と同軸に配置された円環形の外部電極と、前記内部電極と前記外部電極の間に交流電圧またはパルス電圧を印加する電源とを有する。 The air purifier of the present invention has an atmospheric pressure plasma generating section and an ozone removing section arranged downstream thereof. The atmospheric pressure plasma generation unit is made of a dielectric material, and includes a cylindrical plasma container through which air to be processed can pass, and a cylindrical plasma container arranged coaxially with the plasma container at the center of the plasma container. Alternatively, a cylindrical internal electrode, an annular external electrode arranged coaxially with the plasma container on the outer surface of the plasma container, and a power source for applying an AC voltage or a pulse voltage between the internal electrode and the external electrode and
ここで、下流とは、処理対象である空気の流れの下流であることを意味する。この構造によって、円環形の外部電極と内部電極の間に、プラズマ容器の軸に垂直な円盤状の大気圧プラズマが発生して定在し、処理対象である空気がプラズマ中を通過する距離が一定となる。また、浄化された空気は、人体に有害なオゾンがオゾン除去部で除去された後に装置外に排出される。 Here, downstream means downstream of the flow of air to be treated. With this structure, a disc-shaped atmospheric pressure plasma perpendicular to the axis of the plasma chamber is generated between the ring-shaped outer electrode and the inner electrode, and remains there. becomes constant. In addition, the purified air is discharged outside the apparatus after ozone that is harmful to the human body is removed by the ozone removal section.
好ましくは、前記外部電極がトーラス形である。これにより、電気力線が集中するので、より小さなエネルギー(電流値)でプラズマを発生させられるからである。 Preferably, said external electrode is torus-shaped. This is because the lines of electric force are concentrated, so that plasma can be generated with less energy (current value).
好ましくは、前記外部電極が前記プラズマ容器の軸方向に間隔を開けて複数設けられている。この構造によって、円盤状のプラズマがより多く発生し、処理対象である空気がプラズマ中を通過する距離を長くできる。 Preferably, a plurality of the external electrodes are provided at intervals in the axial direction of the plasma container. With this structure, more disk-shaped plasma is generated, and the distance through which the air to be processed passes through the plasma can be increased.
好ましくは、上記空気浄化装置は、前記大気圧プラズマ発生部と前記オゾン除去部との間に、空気を滞留させる反応槽をさらに有する。これにより、オゾンが空気中の汚染物質等と反応できる時間を長くして、オゾンによる浄化効果を高めることができる。 Preferably, the air purifying device further includes a reaction tank for retaining air between the atmospheric pressure plasma generating section and the ozone removing section. As a result, the time during which ozone can react with contaminants in the air can be lengthened, and the purification effect of ozone can be enhanced.
好ましくは、前記オゾン除去部がオゾン分解触媒の流動層を有する。これにより、オゾン分解反応速度を上げ、装置を小型化できる。 Preferably, the ozone removal section has a fluidized bed of an ozone decomposition catalyst. As a result, the ozone decomposition reaction rate can be increased and the size of the apparatus can be reduced.
より好ましくは、前記オゾン除去部は、前記流動層内に交流電界を発生させる第2電源をさらに有する。これにより、極性分子であるオゾンを回転させることで、オゾンの分解速度をさらに上げることができる。 More preferably, the ozone removing unit further includes a second power source for generating an AC electric field within the fluidized bed. As a result, by rotating ozone, which is a polar molecule, the decomposition rate of ozone can be further increased.
誘電体バリア放電は電気力線密度の高い部分に形成される。本発明の空気浄化装置によれば、円環形の外部電極と内部電極の間に、常に一定の位置に誘電体バリア放電が形成され、プラズマ容器の軸に垂直な円盤状の大気圧プラズマが発生して定在するので、プラズマ容器内を流通する空気がプラズマ中を通過する距離が一定となる。これにより、所要の浄化効果に対して装置の能力に大きな余裕をみる必要がなく、装置をより小型で消費電力の小さいものとすることができる。 A dielectric barrier discharge is formed in a portion with a high density of lines of electric force. According to the air purifier of the present invention, a dielectric barrier discharge is always formed at a fixed position between the annular outer electrode and the inner electrode, and a disk-shaped atmospheric pressure plasma perpendicular to the axis of the plasma container is generated. Therefore, the distance that the air passing through the plasma chamber passes through the plasma becomes constant. As a result, there is no need to allow a large margin in the capacity of the device for the required purification effect, and the device can be made smaller and consume less power.
図1を参照して、本実施形態の空気浄化装置10は、誘電体バリア放電を形成して大気圧プラズマを発生する大気圧プラズマ発生部20と、反応槽42と、オゾン除去部30と集塵フィルター46とを有する。各部は内部を空気が流通する通気管40で接続されており、処理対象である空気Aは取入口41から装置10内に取り入れられ、汚染物質等が除去され、排出口47から装置外に排出される。なお、本明細書において汚染物質等の除去とは、細菌の殺菌、ウイルスの不活化、VOCの分解をすべて含む意味で用いられる。
Referring to FIG. 1, an
図2を参照して、大気圧プラズマ発生部20は、空気Aが内部を通過する円筒形のプラズマ容器21と、プラズマ容器の中心にプラズマ容器と同軸に配置された内部電極22と、プラズマ容器の外側面にプラズマ容器と同軸に配置された円環形の外部電極23と、内部電極と外部電極の間に交流電圧を印加する電源25とを有する。
Referring to FIG. 2, atmospheric pressure
プラズマ容器21は円筒形で、誘電体からなる。誘電体の種類は特に限定されず、各種ガラス、セラミックなどを用いることができる。
The
内部電極22は、プラズマ容器21の中心に挿通され、スペーサー24に支持されてプラズマ容器21と同軸に配置される。内部電極の形状は、円筒形または円柱形である。
The
外部電極23は、プラズマ容器21の外側面に、プラズマ容器21と同軸に配置される。外部電極の形状は、プラズマ容器の外側面を周方向に一周する円環形である。外部電極の形状は、例えば、トーラス形(ドーナツ形)であってもよいし、帯状の導電体をプラズマ容器に巻き付けた短い円筒形であってもよい。
The
内部電極22と外部電極23の間に電圧が印加されると、電気力線密度の高い部分で誘電体バリア放電が形成される。外部電極がトーラス形である場合は、外部電極のうち内部電極との距離が最も近いトーラスの内周円と内部電極との間で誘電体バリア放電が形成されるので、トーラスの中心を通り、プラズマ容器21の軸に垂直な断面となる1枚の円盤状のプラズマPが発生する。また、外部電極がトーラス形である場合は、トーラスの内周円と内部電極との間に電気力線が集中するので、より小さなエネルギー(電流値)でプラズマが発生する。このことから、プラズマ発生時の消費電力を抑えるためには、外部電極をトーラス形とすることが好ましい。
When a voltage is applied between the
外部電極がトーラス形である場合、電極を形成する金属線の太さは、トーラスの小直径(軸を含む断面に現れる2つの円の直径)が、好ましくは0.3mm以上、より好ましくは0.5mm以上である。金属線が細すぎると電極寿命が短くなるからである。一方、トーラスの小直径(軸を含む断面に現れる2つの円の直径)は、好ましくは5mm以下、より好ましくは3mm以下である。金属線がこれ以上に太くても特にメリットはなく、電極部の小型化の障害となるからである。 When the external electrode has a torus shape, the thickness of the metal wire forming the electrode is such that the minor diameter of the torus (diameter of two circles appearing in the cross section including the axis) is preferably 0.3 mm or more, more preferably 0.3 mm. .5 mm or more. This is because if the metal wire is too thin, the life of the electrode will be shortened. On the other hand, the small diameter of the torus (the diameter of the two circles appearing in the cross section containing the axis) is preferably 5 mm or less, more preferably 3 mm or less. This is because even if the metal wire is thicker than this, there is no particular merit, and it becomes an obstacle to miniaturization of the electrode portion.
図3に示すように外部電極29が短い円筒形である場合は、円筒の2つの開口端近傍で電気力線の密度が高くなるので、2つの開口端を通り、プラズマ容器21の軸に垂直な断面となる2枚の円盤状のプラズマPが発生する(図3A)。
When the
外部電極が円筒形である場合、その長さ(プラズマ容器の軸方向の長さ)は、好ましくは3~20mm、より好ましくは5~10mmである。円筒形が長くなりすぎると、外部電極と内部電極を結ぶ電気力線が全体に疎になり、プラズマが円盤状に形成されないことがあるからである。一方、円筒形が短すぎると、製造時の加工が難しくなるからである。また、電極の厚さは、好ましくは0.2mm以上、より好ましくは0.5mm以上である。電極が薄すぎると電極寿命が短くなるからである。一方、電極の厚さは、好ましくは3mm以下、より好ましくは1mm以下である。金属線がこれ以上に厚くても特にメリットがないからである。 When the external electrode is cylindrical, its length (length in the axial direction of the plasma chamber) is preferably 3-20 mm, more preferably 5-10 mm. This is because if the cylindrical shape becomes too long, the lines of electric force connecting the external electrode and the internal electrode become sparse throughout, and the plasma may not be formed in a disk shape. On the other hand, if the cylindrical shape is too short, it becomes difficult to process during manufacturing. Also, the thickness of the electrode is preferably 0.2 mm or more, more preferably 0.5 mm or more. This is because if the electrode is too thin, the life of the electrode will be shortened. On the other hand, the thickness of the electrode is preferably 3 mm or less, more preferably 1 mm or less. This is because there is no particular merit even if the metal wire is thicker than this.
以下の説明は、外部電極がトーラス形(図2の23)であるものとして続けるが、外部電極が短い円筒形(図3の29)であっても同様に当てはまる。 The following description continues assuming that the outer electrode is torus-shaped (23 in FIG. 2), but equally applies if the outer electrode is short cylindrical (29 in FIG. 3).
図2に戻って、外部電極23は、好ましくは、プラズマ容器21の軸方向に間隔を開けて複数設けられる。これにより、各外部電極毎に1枚または2枚の円盤状のプラズマPが発生するので、プラズマ容器内に発生する円盤状のプラズマの枚数が増え、空気がプラズマ中を通過する距離が長くなる。
Returning to FIG. 2, preferably, a plurality of
電源25は、内部電極22と外部電極23の間に交流電圧を印加する。例えば、内部電極22を接地して、外部電極23に交流電圧を印加する。電圧の大きさは、誘電体バリア放電形成に十分な大きさとして、両電極間の電界強度が空気の絶縁破壊電界強度である約35kV/cmを超える大きさとする。交流電圧の周波数は、好ましくは約3kHz~約5kHz、特に好ましくは約4kHzとする。このような周波数とすることによって、イオンが拡散しにくく誘電体バリア放電が安定して形成されるからである。また、両電極間に交流電圧に代えて直流のパルス電圧を印加してもよい。
A
電源25によって交流電圧を印加することで、内部電極22と外部電極23の間に誘電体バリア放電が形成され、大気圧プラズマが発生し、ヒドロキシルラジカル等の活性種やオゾンが生成する。また、プラズマ容器21内を流通する空気が窒素を含む場合は、殺菌力の高い短波長の紫外線発光が生じる。
By applying an AC voltage from the
外部電極23を複数設けた場合は、好ましくは、電源25と各外部電極23の間にスイッチ26を介在させ、電圧を印加する外部電極の数を調整可能とする。これにより、使用状況に応じて作動させる外部電極の数を増減でき、所望の浄化効果に対して消費電力を極力抑えることができる。例えば、就寝時に終夜運転する場合は作動させる外部電極を減らして消費電力を抑えたり、臭気が強い場合は作動させる外部電極を増やして浄化効果を上げたりすることができる。
When a plurality of
図1に戻って、好ましくは、反応槽42が大気圧プラズマ発生部20とオゾン除去部30の間に配置される。大気圧プラズマ発生部から出た空気が反応槽内で滞留することによって、オゾンと汚染物質等とが接触する時間を長くして、汚染物質等の分解を促進できる。オゾンはヒドロキシルラジカル等の活性種と比べて寿命が長い反面、汚染物質等との反応速度が遅いが、反応槽を設けることによって、大気圧プラズマ発生部で生成したオゾンをより有効に利用することができる。反応槽には槽内の空気を撹拌する撹拌手段を設けてもよい。
Returning to FIG. 1, preferably, the
図4を参照して、オゾン除去部30には、筒状の容器31の内部にオゾン分解触媒32が封入されている。
Referring to FIG. 4 , in
オゾン分解触媒32としては、活性炭、マンガン触媒、銀・コバルト触媒、カロライトなど、種々の公知の触媒を用いることができる。オゾンは人体に対しても有害であるため、装置10から排出されないようにオゾン除去部を設けて分解する必要がある。なお、ヒドロキシルラジカル等の活性種は寿命が短いため、大気圧プラズマ発生部20内で消滅し、下流に流れることはない。
As the
オゾン分解触媒32は、担体に担持させてフィルターの形態で用いてもよいが、好ましくはオゾン分解触媒の流動層を形成して用いる。図4では、容器31の内部に粒子状のオゾン分解触媒32が封入されている。空気Aが下方から流入して上方から抜けることによって、オゾン分解触媒の流動層が形成される。オゾン分解触媒の流動層を用いることにより、オゾン分解反応速度を上げ、装置を小型化できる。また、触媒の投入量を調整して触媒とオゾンが接触する時間を変えることで、オゾン除去部の処理能力を容易に調整することができるし、流動層の厚さを増しても圧力損失はあまり増大しない。流動層を形成するオゾン分解触媒としては、好ましくは活性炭を用いる。比重が軽く、流動層を形成しやすいからである。
The
オゾン除去部30に流入する空気Aは、オゾン除去部の入口手前に設けられたヒーター34によって40℃以上に加温される。これにより、オゾン分解触媒32の活性を低下させる空気中の水蒸気の吸着を抑えることができる。また、酸化マンガンなどの金属酸化物触媒を用いる場合には、触媒活性低下の要因となる過酸化物の蓄積を防ぐことができる。
The air A flowing into the
オゾン除去部30は、好ましくは、オゾン分解触媒の流動層に交流電界を発生させるための電極35と第2電源36を有する。オゾンは極性分子であるため、交流電界によってオゾン分子を回転させることができ、分解速度を上げることができる。交流電界の強さは、放電が生じない強さとする。交流電界の周波数は、好ましくは、約2kHz以上とする。
The
図1に戻って、オゾン除去部30の出口にはオゾンセンサー45が設けられ、オゾン濃度が所定の濃度より高い場合は、バルブ44を操作することにより、空気は還流管43を経由してオゾン除去部に戻される。オゾンを除去された空気は、集塵フィルターで各種の不純物やオゾン分解触媒32の粉を除去されて、排出口47から装置10外に排出される。
Returning to FIG. 1, an
本実施形態の空気浄化装置10の作用を改めて説明する。
The operation of the
処理対象である空気Aは、まず大気圧プラズマ発生部20に進入する。大気圧プラズマPによって生成するヒドロキシルラジカル等の活性種、オゾン、および紫外線発光によって汚染物質等の除去反応が進行する。
The air A to be treated first enters the atmospheric pressure
大気圧プラズマ発生部のプラズマ容器21内には軸に垂直な円盤状のプラズマPが発生するので、プラズマ容器を流通する空気は必ずプラズマ中を通過し、寿命の短いヒドロキシルラジカル等の活性種によっても強力に浄化される。発生するプラズマは常に、外部電極の形状に応じて外部電極のうち軸方向の中央部や両端部などの一定の位置にのみ発生し、ある時点で存在するプラズマの数も常に一定であるため、空気がプラズマ中を通過する距離は常に一定となる。外部電極を軸方向に複数設ければ、円盤状のプラズマPの枚数を増やし、空気がプラズマ中を通過する距離が長くなる。
Since a disc-shaped plasma P perpendicular to the axis is generated in the
大気圧プラズマ発生部20を抜けた空気Aは、大気圧プラズマ発生部で生成したオゾンを含み、オゾンによってさらに浄化される。オゾンはオゾン除去部30で分解され、浄化され無害化された空気Aが装置10から排出される。
The air A that has passed through the atmospheric pressure
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the technical scope of the invention.
本発明の空気浄化装置は、人の居住空間の他、冷蔵室や冷蔵庫内の空気の殺菌、脱臭などに好適に用いることができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The air purifier of the present invention can be suitably used for sterilization and deodorization of the air in refrigerators and refrigerating rooms as well as in human living spaces.
10 空気浄化装置
20 大気圧プラズマ発生部
21 プラズマ容器
22 内部電極
23 外部電極
24 スペーサー
25 電源
26 スイッチ
29 外部電極
30 オゾン除去部
31 容器
32 オゾン分解触媒
34 ヒーター
35 電極
36 第2電源
40 通気管
41 取入口
42 反応槽
43 還流管
44 バルブ
45 オゾンセンサー
46 集塵フィルター
47 排出口
A 空気
P 大気圧プラズマ
REFERENCE SIGNS LIST 10
Claims (6)
前記大気圧プラズマ発生部は、
誘電体からなり、処理対象である空気が内部を通過可能な円筒形のプラズマ容器と、
前記プラズマ容器の中心に該プラズマ容器と同軸に配置された円筒形または円柱形の内部電極と、
前記プラズマ容器の外側面に該プラズマ容器と同軸に配置された円環形の外部電極と、
前記内部電極と前記外部電極の間に交流電圧またはパルス電圧を印加する電源とを有する、
空気浄化装置。 Having an atmospheric pressure plasma generation unit and an ozone removal unit arranged downstream thereof,
The atmospheric pressure plasma generation unit is
A cylindrical plasma container made of a dielectric and through which the air to be processed can pass;
a cylindrical or cylindrical internal electrode arranged coaxially with the plasma container at the center of the plasma container;
an annular external electrode arranged coaxially with the plasma container on the outer surface of the plasma container;
a power supply that applies an alternating voltage or a pulse voltage between the internal electrode and the external electrode;
air purifier.
請求項1に記載の空気浄化装置。 wherein the external electrode is torus-shaped;
The air cleaning device according to claim 1.
請求項1または2に記載の空気浄化装置。 A plurality of the external electrodes are provided at intervals in the axial direction of the plasma container,
The air cleaner according to claim 1 or 2.
請求項1~3のいずれか一項に記載の空気浄化装置。 further comprising a reaction tank for retaining air between the atmospheric pressure plasma generation unit and the ozone removal unit;
The air purification device according to any one of claims 1-3.
請求項1~4のいずれか一項に記載の空気浄化装置。 wherein the ozone removal unit has a fluidized bed of an ozone decomposition catalyst;
The air purification device according to any one of claims 1-4.
請求項5に記載の空気浄化装置。 The ozone removal unit further has a second power supply for generating an AC electric field in the fluidized bed,
The air cleaning device according to claim 5.
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