JP6425347B2 - オゾン発生装置 - Google Patents

Description

この発明は空気清浄器、脱臭装置、減菌装置等のオゾン発生装置（以下、適宜、「空気マネジメント装置」と称する。）に関する。

従来、オゾンを利用して脱臭や減菌を行うものの基本構造は、オゾン発生部と、オゾン発生部から排出された高濃度のオゾンを含有する気体を排出するファン等の排気構造部から構成されている。

このうち、天井部に高濃度のオゾン含有空気を停留させるタイプのものは一旦、温めたオゾン含有空気を天井部に形成される熱停留層と置換するタイプのものである。これらは天井部の空気の温度より高い温度で高温のオゾン含有空気が排出されることにより、天井部の通常気体とすみやかに置換される。これにより天井部全般にオゾンが均等に充満し、そのご部屋全体に自然拡散または、強制循環動作により、オゾンが均等に部屋に充満される構造であった。

しかし、これらの主目的は、濃い濃度のオゾンが直接人体等の生体に触れないための安全対策と、効果の安定のためにオゾンスポットが構成されないように最終的に部屋内のオゾンの拡散を均等にすることであった。このため、天井部や床面表面近傍の構造物や害虫や異臭源をオゾンにより脱臭、減菌、あるいは害虫発生対策等を直接的にターゲットとしたものではなかった。

空気清浄器 特願２０１４−２２７７４０

従来の空気マネジメント装置は特許文献１や図１に示すように、温めた高濃度のオゾン含有空気を天井近傍から排出して天井近傍に高濃度のオゾン含有空気を停留させ、オゾン拡散と安全の対策としたものである。

オゾン拡散は、オゾンを部屋全体に拡散させる前段階として天井近傍全域にオゾン濃度の高い空気を一旦停留させ、次のステップでゆっくりと部屋全体に拡散させることで、部屋中に均等にオゾンを拡散させることにある。

安全については、温めた高濃度のオゾン含有空気は一旦天井近傍に拡散して、濃度が薄まり、時間を経て安全な濃度としてから、ゆっくりと循環装置を回して部屋中に拡散させることで、子供やペット等もふくめて、生体に悪影響を起こさないようにしたものである。

ここで、オゾン利用の空気マネジメントの一般的目的は減菌と脱臭、あるいは害虫等の発錆防止である。

特許文献１の装置は、その動作の過程で高濃度のオゾンが停留する機能がつけられている。しかし、停留層は天井近傍のみであり、床面での停留層はない。また、目的も最終的なオゾン濃度管理による均等拡散と、生体が触れる場所にオゾンスポットが生じることを防止する安全目的である。

このため、天井部では、高濃度のオゾン含有気体が一時的に停留されるため、減菌や脱臭等の効果が期待できる。しかし、床面ではその後の強制循環動作で均等拡散された後となり、床近辺では低濃度のオゾンにしか暴露されない。一方で、最も雑菌や害虫の発生、ほこりの蓄積、腐敗や変質等による異臭源が形成されるのは、むしろ天井面よりも床面である。

さらに、床面は一般的に室温に比して相対的に冷却されており、流体の特性として表面近傍では流体抵抗が高く、これにより床面の表面近傍の空気層が停留し、直接的な吹付等を行わないとオゾンの暴露が困難な傾向も有す。また、強い吹付圧力をかけても、特に絨毯や凹凸のある床材、あるいは家具や什器の隙間、床と家具の隙間等の細部までオゾンを暴露することは困難となる。

一方で、従来装置では天井部は温めた高濃度のイオンに長期間さらされ、天井部の温度より高い高濃度のオゾン含有空気は、液体中の泡が浮上していくのと同じ原理で、天井部に停留していた空気とすみやかに置換される。これは気体の温度により密度が異なるための比重差による置換であり、吹付や拡散と異なり、細部にまで置換が進む。

これにより、従来装置の目的とは異なるが、結果的に、天井面の凹凸部の奥に付着している菌や異臭源や害虫等も高濃度のオゾンにさらされることが可能となる。

しかし、その一方で、床面は、ほこりや雑菌、異臭源が天井面に比してさらに付着しやすく、最もオゾンに暴露させたい部分でもある。たとえば絨毯や凹凸のある床材、さらに、家具や機材と床の狭い隙間には攪拌や吹付や自然拡散による効果だけでは、天井面のように既存の空気層との温度差がつくる比重差による置換作用が働かず、迅速かつ有効に浸透しないという欠点があった。

請求項１は、図２に示す構成である。このうち、天井面は、従来と同様にオゾンを天井面の空気層よりも高い温度に温めて、高温のオゾン含有空気を天井面の限定空間に停留させる機能である。しかし、従来案の目的は安全と均等拡散にある。本案では、主目的が最も減菌や脱臭の対象となる天井と床面の両方について効果的になる手段を対象としており、目的としては天井面の減菌、脱臭を効果的に行うための構造であることも重要である。

このため、本案では新たに、床面に高濃度のオゾンを含む空気の停留層をつくる構造と手段を付加している。具体的には、床面の停留空気層の温度より低い温度に冷却したオゾン含有空気を生成する構造である。これにより、床面の既設の停留空気層を効果的に高濃度のオゾン含有空気層に置換できる機能を提供するものである。

発生するオゾン含有空気の温度制御については、天井側と床側に設けた温度センサにより、天井側の停留空気層の温度と床側の停留空気層の温度を測定し、それらの温度に応じて、排出するオゾン含有気体の適正温度を決定する。このときの温度差は天井側に於いては天井側の空気層の温度よりも高く、床側に於いては床側の空気層の温度よりも低くすることが、置換作用を効果的に行えるための最低条件である。

天井面、床面ともに高温、低温の違いはあるが、いずれも温度差のある気体の比重が異なることから安定した停留空気層をつくり、置換されることを利用するものである。これにより、天井面と床面の両者において、凹凸構造部とその周辺にある既存の空気よりも温度が高い、あるいは、温度が低いオゾン含有の空気を供給することで、小さな隙間や穴に等の内部に至るまでの空気をオゾン含有空気と有効に置換することが可能となる。

なお、高濃度のオゾンを含む気体は有毒でもあり、規定時間の暴露が完了した際には、速やかに強制循環により、温度差のある停留空気層を攪拌して均一化する等の動作を付加してもよい。

また、施設や設備に於いて適用する場合は、人体センサ等を使用して、生体が検出されないときに限定しての動作、あるいは、管理者が操作を行う条件の下での動作等を適用してもよい。

請求項２においては、請求項１の加熱と冷却の手段に関するものである。図３に示すように前記のオゾン含有空気を加熱する部分にペルチェ素子の発熱側を使用し、オゾン含有空気を冷却する部分にペルチェ素子の冷却側を使用する。これにより、加熱と冷却の両方を効率よく行えるものである。

また、このとき、加熱側は補助的にヒーター等を使用して温度制御を正確にする構造としてもよい。さらに、ペルチェ素子の容量を小さくするために、事前に適切な熱蓄積容量を持つ冷却媒体と加熱媒体に蓄熱しておく方法等を採用してもよい。

請求項３においては、請求項１の加熱または冷却したオゾン含有空気を拡散させることなく天井側、あるいは、床側に排出する手段に関するものである。具体的には図４に示すように排出パイプ構造を使用して天井側や床側にオゾン含有空気を周囲の空気と混入させることなく排出するものである。このとき、必要に応じて、外気温の影響で必要目的以外での加熱や冷却が起きないように排出パイプに断熱処理をしたものを使用することもある。

請求項４においては、生成したオゾン含有空気が所定時間の間の拡散を防止するための有効な手段に関するものである。具体的には部屋の対流が一番起きにくい時間帯、つまり、日の出前直前の早朝時間帯に主として動作させることを特徴とする。なお、一般的には、この時間帯には生体の存在もないという意味では、さらに都合がよい時間帯でもある。また、センサ等で対流がほとんどなく、熱区分層が安定的に存在していることが確認できればこの時間帯でなくてもよいのは当然である。

一般的に部屋の内部の対流を含めて、自然対流を起こす原因は日射による熱供給であり、図５に示すように日射の起こす対流がいちばん影響が起きにくく、部屋の温度がいちばん安定するのは日の出前の早朝時間帯に限定されることが知られている。

これを利用したのが早朝の農薬散布等であり、対流による風が凪いでいる時間帯として経験的によく知られている現象でもある。この時間帯であれば、施設や工場等では冷暖房も一般的に止めてあるという条件の下では天井側と床側の温度区分層が明確になり、最も安定する時間帯でもある。

なお、これらの時間帯に限らず、温度層が安定して存在することをセンサ等で確認してから実施することでもよい。たとえば温度を継続して測定してある時間以上安定していれば対流が発生していないといえる。または、風速センサ等を使用して、実際の対流を測定することも一つの方法である。

これらの方法を含めて、それが一番安定するのが早朝の日の出前直前である。具体的にはたとえば日本に於いては早朝の５時前の１時間程度の時間帯が動作に一番効果的となる一般的時間帯となる。このため、早朝の４時〜５時の間に定期的な動作を設定する等の方法をとることができる。

請求項１においては、天井部には既存の天井部温度より高い、床部では床部の既存の床部温度より低い、高濃度のオゾン含有空気を排出する。これらの気体は既設の気体層に比べて、密度が異なり、比重差により速やかに既設の気体と置換される。比重差による置換のため、強制対流や攪拌や自然拡散に比して、細部にわたるまで浸透するものである。このため、脱臭効果、減菌効果、害虫駆除効果、害虫発生効果が段違いに効果的となる。

この場合の前提条件として、部屋内部に安定した温度差の空気層、つまり停留空気層が形成されていることが条件である。このため、エアコンや空気循環器等の強制循環装置が動作していないことも効果的運転の条件となる。これらの条件を検出するために、天井部と床部近傍に設けた上下の温度センサを使用し、温度変化の動向を把握し、微小風速センサを使用して、強制対流の有無を確認してからの動作とすることで、更なる効果的な運用をはかることができる。

請求項２は、加熱したオゾンと、冷却したオゾンの両方を効果的に得るための手段としてペルチェ素子を提案したものである。ペルチェ素子は発熱側と冷却側の両者を有するため、この用途としては適した素子である。しかし、高い冷却性能を得るには適していないため、事前に冷却媒体を冷却しておいて使用する等の熱管理部分をもうけて対応する等を行えば、小さなペルチェ素子でも予熱による大きな冷却性能をえることかできる。また、加熱部分は温度制御を精密にするために補助用の専用ヒーターを付加すれば、さらに温度制御を精密にすることが可能となる。

請求項３は、天井側と床側にむけた専用エアダクトを設けるものである。これにより停留空気層を効果的に得るためのオゾン含有空気が途中で既存空気と混ざり合って温度が低下したり、温度が上がったりせずに、想定の温度の気体を排出可能となる。なお、エアダクトには既存空気の温度の影響をさけるための断熱層をもうけることでさらなる制度で適した温度のオゾン含有空気を排出することが可能となる。
これらの構造により、適切な温度のオゾン含有空気が安定して供給される。

請求項４は、本装置を適用するための環境を最適に選択するための機能である。この装置を効果的に動作させるには、温度差による停留空気層が安定していることが条件となる。このため、事前に天井部や床部の温度変化をモニタして、それらが安定して変化していなければ対流は発生していないとして、本装置を効果的に動作させる環境であること確認される。

一般的に、温度制御をおこい、強制対流を行う場合は、温度のモニタでその存在を知ることができる。たとえばエアコンを入れていると空気の温度は段階的に変化して安定しない現象が観測できる。一方で強制循環は上下の温度センサの温度を測定し、温度差がないときは強制循環があると推測可能である。これらは微小風速センサ等を使用しても観測可能である。

従来の空気マネジメント装置の基本構成である。 請求項１の説明図。 請求項２の説明図。 請求項３の説明図。 一日の対流のイメージ図。

請求項１においては、図２に示すように、オゾン発生源１と加熱部２、冷却部３にオゾンを送出するファン４、ファン５、および、ファンの回転数と加熱冷却を制御する制御部６、天井温度センサ７、床温度センサ８を基本構成とする。温度センサはたとえば赤外線放射温度計等の非接触のものでもよい。温度センサは空気の対流情報を得るためのものなので、風速センサ１２を使用してもよい。

前述している通り、排出するオゾン含有空気の温度は、加熱側では天井部温度よりも高め、冷却側では床温度よりも低目とすることで効果を上げることができる。温度センサはこのための情報をえるものである。

なお、オゾンはあまり温度が高いと空気中の水分等で再結合がはやくなり、速やかに消失してしまうので、一般的には４０℃程度以上あげることはこのましくない。このため、むやみに温度を上げるというのも問題となる場合があり、適切な温度差をもたせて、有効な空気層を提供するために必要なのが温度センサとなる。

また、動作前の温度を測定することで停留する空気層が安定しているかをその温度の時間変化から予想して、効果的に運用するためにも使用することができる。外乱となる不要な対流が存在している場合、たとえばエアコン等が動作している場合はこの停留空気層を利用した機能は当然であるが使用できない、これらを把握するための対流センサとして風速センサ１２等を使用してもよい。

なお、主目的であるオゾンによる減菌や脱臭運転が完了した場合は、オゾン濃度の影響が生体に影響しないように、特に床面において、強制循環等を行い速やかに停留空気を拡散することも行ってよい。さらに、人体等を検出して生体が部屋にいる間は高濃度置換を行わない等の安全措置を採用してもよい。

請求項２においては、図３に示すように、前記の加熱部２としてペルチェ素子９とその発熱側１０、および、冷却部として、ペルチェ素子９の冷却側１１を使用したものである。この構造により、冷却と加熱の両方を効率よく同時に行うことができる。なお、加熱側には天井温度を効果的に制御する補助熱源１３を設けてもよい。

請求項３においては、請求項１で言及して加熱、あるいは冷却したオゾン含有空気を、周囲の空気とまぜて効果が低減されることがないように、図４に示す専用のダクト１４、１５を設けたものである。これには途中で予期しない加熱や冷却が起きないように断熱材１６を設けてもよい。これにより、生成したオゾン含有空気は外乱となる途中の空気層の温度の影響をほとんど受けずに、天井側、あるいは床側に送出することが可能となる。

請求項４においては、請求項１で言及した加熱、あるいは冷却したオゾン含有空気を、周囲の空気とまぜて効果が低減されることがないように、拡散防止と周囲温度の影響防止のための、対流の有無の測定と、特に対流のない時間帯である早朝の日の出前の１時間前後に動作することを、タイマーとセンサ情報の判断によりおこなうものである。

１ オゾン発生源
２ 加熱器
３ 冷却器
４ ファン（加熱部）
５ ファン（冷却部）
６ 制御部
７ 温度センサ（天井部）
８ 温度センサ（床部）
９ ペルチェ素子
１０ ペルチェ素子の発熱部
１１ ペルチェ素子の冷却部
１２ 風速センサ
１３ 補助熱源
１４ ダクト（加熱部）
１５ ダクト（冷却部）
１６ 断熱材

Claims (4)

1. オゾン発生器と、発生したオゾン含有空気を冷却する冷却器と発生したオゾン含有空気を加熱する加熱器と、これらを個別に排出する冷却オゾン排気口と加熱オゾン排気口とを備え、最終的に冷却したオゾン含有空気を床面近傍に、加熱したオゾン含有空気を天井面近傍に供給して天井部と床部の停留空気層を置換させるための構造をもち、加熱温度は天井周囲の空気層温度より高く、冷却温度は床周囲の空気層温度より低いことを特徴としたオゾン発生装置。
2. 請求項１に於いて、冷却装置にペルチェ素子の冷却側、加熱装置にペルチェ素子の加熱側を使用したことを特徴とするオゾン発生装置。
3. 請求項１に於いて、加熱、または冷却したオゾン含有空気が天井面側あるいは床面側に到達する前に拡散せずに有効な高密度オゾン空気層を構成するための上下方向の拡散防止エアダクトを設けたことを特徴とするオゾン発生装置。
4. 請求項１に於いて、動作前に部屋内部の対流がなく、空気層の分離が安定されてなされていることを確認する機能と、定期的に且つ、高濃度での動作を行う場合は特に日の出前の早朝時間帯に集中的にオゾン含有空気を発生する機能とを有することを特徴とするオゾン発生装置。

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