JP7283842B2 - 紫外線照射装置およびオゾン生成装置、オゾン生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、エキシマランプによって紫外線を照射する紫外線照射装置に関する。

酸化力の強いオゾンを生成する方法として、大気など酸素を含む原料ガスに紫外線を照射することによってオゾンを発生させることが可能であり、紫外線を照射する光源としてエキシマランプが用いられる（特許文献１参照）。そこでは、筐体の上面に吸気口、底面に排気口を設け、吸気口にファンなどを設け、筐体内に空気を流入させる。

エキシマランプでは、発光管の管壁温度が上昇すると、光強度が低下し、また、発生したオゾンの熱分解が発光管付近で生じてしまう。これを防ぐため、エキシマランプを配置した管内に流れる原料ガスの流速を所定値以上に定め、層流状態で流すことによって、オゾン発生の効率を高めることが提案されている（特許文献２参照）。

特開２０１６－１３９４６２号公報 特許第６０７０７９４号公報

エキシマランプを空気など原料ガスの流れる管内に配置する構成では、原料ガスが下流側へ流れていく間、エキシマランプから放射される熱によって加熱される。また、酸素分子に吸収されやすいピーク波長をもつ真空紫外線の場合、効率良く紫外線を原料ガスに照射させるために、エキシマランプを配置した管内壁とエキシマランプの外表面との距離を小さくすると、エキシマランプから放射される熱による原料ガスの昇温が促進される。原料ガスが高温になると、生成されたオゾンの分解が促進され、オゾン生成効率が低下する。

したがって、原料ガスの昇温を抑制する紫外線照射装置およびそれを含むオゾン生成装置を提供することが求められる。

本発明の紫外線照射装置は、オゾン生成装置に装備可能であり、例えば、装置下側から空気を吸入し、装置上側からオゾンを排出するオゾン生成装置、あるいは、オゾンを、装置側面もしくは側面付近から排出するオゾン生成装置に組み込まれる。

本発明の紫外線照射装置は、波長２００ｎｍ以下にピーク波長を有する紫外線を放射するエキシマランプと、エキシマランプを軸方向に沿って収納し、流体が流入口から流出口へ流れる流路が形成された流体管とを備える。例えば、エキシマランプは、１７２ｎｍのピーク波長を有する紫外線を放射可能である。また、流体管の流入口もしくは流出口に配置される軸流ファンを備えることが可能である。

紫外線照射装置（オゾン生成装置）の動作中、エキシマランプの周囲の圧力は０．３ＭＰａ以下であり、流体の流量は５．０ｍ³／ｍｉｎ以下となる。このような動作状態では、大気圧との圧力差によって室内空気が攪拌せず、また、オゾン排出によって室内空気が攪拌されない。

本発明では、エキシマランプ発光管の流入口付近と流出口付近との温度差を２０℃以下にすることによって、オゾン生成装置を設置する空間内におけるオゾン分解促進およびオゾン滞留の抑制を実現できることを導き、そして、流体管内のスペースに占めるエキシマランプ発光管の割合が、流入口付近と流出口付近との温度差に影響を与えるという新たな知見に基づき、エキシマランプ発光管の軸方向長さと流体管の内壁からの離間距離とを、温度差２０℃以下にする値に定めている。特に、流体管の流入口付近と流出口付近との温度差を１０℃以下にする、軸方向長さと流体管の内壁までの離間距離をもつ発光管を構成するのがよい。

大気中で吸収されやすい紫外線を照射する場合、エキシマランプ付近を流れる空気などの原料ガスに対して十分な紫外線強度を持たせることを考慮し、離間距離は、エキシマランプから放射される紫外線の紫外線強度比が２０％になる透過距離よりも短くすればよい。

一方、昇温する原料ガスの割合を抑えることを考慮すると、離間距離は、エキシマランプから放射される紫外線の紫外線強度比が２０％になる透過距離よりも長くすればよい。

本発明の他の態様であるオゾン生成方法は、波長２００ｎｍ以下にピーク波長を有する紫外線を放射するエキシマランプと、エキシマランプを軸方向に沿って収納し、流体が流入口から流出口へ流れる流路が形成された流体管とを備えたオゾン生成装置において、エキシマランプの周囲の圧力が０．３ＭＰａ以下であり、流体管を流れる流量が５．０ｍ^３／ｍｉｎ以下でオゾン生成装置を動作させ、流入口付近と流出口付近との温度差を、２０℃以下にする。

上述したように、本発明は、エキシマランプ発光管の流入口付近と流出口付近との温度差を２０℃以下にすることによって、オゾン生成装置を設置する空間内におけるオゾン分解促進およびオゾン滞留の抑制を実現できることを初めて見出したことに基づくオゾン生成方法であり、オゾン生成装置の構成は上記条件で動作する範囲で任意であり、また、設置場所も様々である。

本発明によれば、原料ガスの昇温を抑制する紫外線照射装置およびそれを含むオゾン生成装置を提供することができる。

本実施形態である紫外線照射装置の概略的構成図である。 オゾン生成装置の配置図である。

以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態である紫外線照射装置の概略的構成図である。図２は、オゾン生成装置の配置図である。

図２に示すように、オゾン生成装置１は、ここでは床置き型として構成され、部屋Ｒの床中央などに設置される。オゾン生成装置１は、装置下側から空気を吸入し、装置上側から生成されたオゾンを排出し、部屋Ｒの空気の脱臭や殺菌などの処理をする。

オゾン生成装置１は、図１に示す紫外線照射装置１０を備える。紫外線照射装置１０は、軸流ファン２０、流体管３０、エキシマランプ４０を備える。エキシマランプ４０は、管状の発光管４０Ａを有し、２００ｎｍ以下のピーク波長をもつ真空紫外線を放射する。ここでは、発光管４０Ａは断面円状であって、１７２ｎｍのピーク波長を有する紫外線が放射される。発光管４０Ａは、図示しない支持部材によって支持されている。

流体管３０は、紫外線照射部を有し、原料ガス（被照射体）の流れる流路を形成し、流入口３０Ａから流出口３０Ｂに向けて原料ガスが流れる。原料ガスは、酸素を含むガスであり、ここでは空気である。流体管３０は、ここでは円筒状に構成され、流体管３０の軸Ｃが鉛直方向を向くように紫外線照射装置１０が設置されている。

軸流ファン２０は、ファンモータ部２２と、ファン羽２４とを備え、流体管３０と実質的に同じ外径であって、流体管３０の流入口３０Ａに対して同軸的に配置されている。エキシマランプ４０は、発光管４０Ａの軸（ランプ軸）が流体管３０の軸Ｃと一致する、すなわち軸流ファン２０の軸上に沿うように、流体管３０内に配置されている。

軸流ファン２０が回転すると、周囲の空気が流体管３０の流入口３０Ａに流れ込み、流体管３０に沿って移動する。エキシマランプ４０は、図示しない電源部による制御によって点灯し、紫外線を放射する。その結果オゾンが生じ、生成されたオゾンは流出口３０Ｂを通って装置外へ排出される。

オゾン生成装置１を動作させる間、エキシマランプ４０への入力電力が、ここでは１．５～１４０Ｗの範囲に定められ、エキシマランプ４０の照度は、１０～１７ｍＷ／ｃｍ^２の範囲に収まる。また、軸流ファン２０が動作している間、エキシマランプ４０の周囲の圧力が０．３ＭＰａ以下、流体管３０を流れる流量が５．０ｍ^３／ｍｉｎ以下となる。

エキシマランプ４０の周囲の圧力が０．３ＭＰａ以下となることで、大気圧との圧力差によって室内空気を攪拌するようにオゾンが排出されない。また、流体管３０を流れる原料ガスの流量が５．０ｍ^３／ｍｉｎ以下となることで、室内空気を攪拌するようにオゾンが排出されない。

上述したように、エキシマランプ４０は、流体管３０内で同軸的に配置されている。エキシマランプ４０は、軸方向長さＫを有し、また、ランプ外表面４０Ｓと流体管の内壁３０Ｃとの間に離間距離ｄをもって配置されている。本実施形態では、上記動作条件の下、流入口３０Ａ付近と流出口３０Ｂ付近の温度差が２０℃以下となるように、軸方向長さＫおよび離間距離ｄのエキシマランプ４０が構成されている。

一般的に、紫外線照射によって生じたオゾンは、温度、相対湿度、流速が高くなると分解が促進され半減期は短くなる。温度によるオゾン分解は約４０℃に達すると始まり、約６０℃になるとオゾン分解が活発になる。空調機が設置されたビルなどでは、常時２０℃前後で室内温度が維持されることが多く、室内の床側と天井側での温度差が２０℃前後となることが多い。そのため、流入口３０Ａ付近と流出口３０Ｂ付近の温度差を２０℃以下とすることで、オゾン生成装置１付近で空気温度が４０℃を超えるのを抑え、天井側に排出されたオゾンが天井側付近で滞留することを抑制することができる。また、空調機による温度調整がされていない場合でも、温度差を２０℃以下に抑えることで、排出口３０Ｂ付近の気温が６０℃に達するのを抑えることができる。さらに、温度差を１０℃以下にするエキシマランプ４０を構成することで、室内温度が３０℃付近に達してもオゾン分解やオゾン滞留を確実に抑制することができる。

ところで、特定のピーク波長の真空紫外線は、大気中で吸収されやすく、エキシマランプ４０から放射される紫外線はすぐに減衰し、紫外線強度が低下する。この減衰の程度は、紫外線の大気中に対する吸収係数の大きさに従う。理想的な測定環境では波長１７２ｎｍの紫外線の場合、約３ｍｍの進行で紫外線強度比が５０％まで減衰し、約６ｍｍで２０％、そして約３０ｍｍで紫外線がすべて吸収されてしまう。以下では、所定の紫外線強度比まで減衰した時の紫外線の進行距離を透過距離Ｌとして表す。実際の測定環境においては、真空紫外線の波長域に感度を有する紫外線照度計を発光管の外表面に近接させた状態からの紫外線強度比の減衰として把握できる距離である。

エキシマランプ４０付近を流れる空気に対してオゾン生成に十分な紫外線強度を有する紫外線を照射するためには、エキシマランプ４０の外表面４０Ｓと流体管３０の内壁３０Ｃとの離間距離ｄを比較的短い距離にすればよい。発光管４０Ａの外径Ｄによって定まる領域の大きさを流体管３０の内径Ｔによって定まる流路空間に占める割合をすなわち、発光管４０Ａの外径Ｄによって定まる領域の大きさを、流体管３０の内径Ｔによって定まる流路空間に占める割合を比較的大きくすることで、離間距離ｄを短くすることできる。例えば、発光管４０Ａの外径Ｄを４ｍｍ以上として、離間距離ｄを、エキシマランプから放射される紫外線の紫外線強度比が２０％になる透過距離よりも短くする。

また、原料ガスが昇温される原因（熱源）に応じて、離間距離ｄが比較的短い場合、軸方向長さＫが比較的短いエキシマランプ４０を構成してもよく、離間距離ｄが比較的長い場合、軸方向長さＫが比較的長いエキシマランプ４０構成することも可能である。離間距離ｄが短いほど軸方向長さＫを短くするようにエキシマランプ４０を構成してもよい。

一方で、エキシマランプ４０の流体管３０内に占める領域の割合が大きくなり過ぎると、空気がエキシマランプ４０を通過するときに流れにくくなり、圧力損失となってしまう。また、エキシマランプから放射された熱によって昇温した原料ガスの割合が多くなり、流出口３０Ｂ付近の空気の温度が高くなる。

したがって、離間距離ｄを、エキシマランプ４０から放射される紫外線の紫外線強度比が２０％に達する透過距離よりも短くする場合には、温度差２０℃以下に抑えるように軸方向長さＫを有するエキシマランプ４０を構成するのが良い。一方、離間距離ｄを、エキシマランプ４０から放射される紫外線の紫外線強度比が２０％になる透過距離よりも長くすることもできる。この場合、エキシマランプから放射された熱によって昇温した原料ガスの割合が少なくなるため、温度差１０℃以下に抑えるように、エキシマランプ４０を構成すればよい。

このように本実施形態では、紫外線照射装置１０を備えたオゾン生成装置１において、紫外線照射装置１０の流体管３０にエキシマランプ４０を同軸配置し、軸流ファン２０を回して装置下側（床側）から吸入した空気を装置上側（天井側）へ流し、オゾンを発生させる。オゾン生成装置１の動作中、流体管３０の入口３０Ａ付近の温度と、流出口３０Ｂ付近の温度差が２０℃以下となる、軸方向長さＫ、離間距離ｄをもつエキシマランプ４０が構成される。

オゾン生成装置１は床置きタイプで構成されているが、空調機のように天井付近に設置し、装置側面あるいは側面付近からオゾンを排出するように構成してもよい（図２の符号１’参照）。この場合、軸流ファンを流体管の流出口に配置してもよい。エキシマランプ４０を複数配置することも可能である。さらに、流体管を冷却するなどにより温度差が２０℃以下となるように構成してもよい。

オゾン生成装置１の紫外線照射部に加えて、オゾン除去部を設けても良い。この場合でも、装置下側からオゾンを含むガスを吸入し、装置上側からオゾンを除去したガスを排出し、部屋Ｒの空気に含まれるオゾンを除去する。さらに、オゾンは空気よりも重いので、紫外線照射部の流入口３０Ａよりも下側に別の流入口を設けて、オゾン除去部へ流すとよい。ここで、オゾンの除去とは、分解や吸着のように流体に含まれるオゾンを減らす機能全般を含む概念であり、オゾンを吸着分解する活性炭や触媒、波長２５４ｎｍの光を放射してオゾンを分解する低圧水銀ランプ等、任意のものをオゾン除去部として選択できる。活性炭や触媒を用いるときは、紫外線照射部よりも下側にオゾン除去部を設けて別の流路を形成するとよい。波長２５４ｎｍの光を放射して分解するときは、紫外線照射部と同じ流路とするとよい。

１０ 紫外線照射装置
２０ 軸流ファン（流体供給部）
３０ 流体管（紫外線照射部）
４０ エキシマランプ
ｄ 離間距離
Ｋ 軸方向長さ

Claims (9)

1. 波長２００ｎｍ以下にピーク波長を有する紫外線を放射するエキシマランプと、
   前記エキシマランプを軸方向に沿って収納し、流体が流入口から流出口へ流れる流路が形成された流体管とを備え、
   前記エキシマランプの周囲の圧力が０．３ＭＰａ以下であり、前記流体の流量が５．０ｍ³／ｍｉｎ以下であり、前記エキシマランプの発光管が、前記流入口付近と前記流出口付近との温度差を２０℃以下にする、軸方向長さと前記流体管の内壁からの離間距離とをもち、
   前記離間距離が、前記エキシマランプから放射される紫外線の紫外線強度比が２０％になる透過距離よりも短いことを特徴とする紫外線照射装置。
2. 前記発光管が、前記流体管の流入口付近と流出口付近との温度差を１０℃以下にする、軸方向長さと前記流体管の内壁までの離間距離とをもつことを特徴とする請求項１に記載の紫外線照射装置。
3. 波長２００ｎｍ以下にピーク波長を有する紫外線を放射するエキシマランプと、
   前記エキシマランプを軸方向に沿って収納し、流体が流入口から流出口へ流れる流路が形成された流体管とを備え、
   前記エキシマランプの周囲の圧力が０．３ＭＰａ以下であり、前記流体の流量が５．０ｍ³／ｍｉｎ以下であり、前記エキシマランプの発光管が、前記流入口付近と前記流出口付近との温度差を２０℃以下にする、軸方向長さと前記流体管の内壁からの離間距離とをもち、
   前記離間距離が、前記エキシマランプから放射される紫外線の紫外線強度比が２０％になる透過距離よりも長いことを特徴とする紫外線照射装置。
4. 前記流体管の流入口もしくは流出口に配置される軸流ファンをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の紫外線照射装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の紫外線照射装置を備えたことを特徴とするオゾン生成装置。
6. 装置下側から空気を吸入し、装置上側からオゾンを排出することを特徴とする請求項５に記載のオゾン生成装置。
7. オゾンを、装置側面もしくは側面付近から排出することを特徴とする請求項５に記載のオゾン生成装置。
8. 波長２００ｎｍ以下にピーク波長を有する紫外線を放射するエキシマランプと、前記エキシマランプを軸方向に沿って収納し、流体が流入口から流出口へ流れる流路が形成された流体管とを備えたオゾン生成装置において、
   前記エキシマランプの周囲の圧力が０．３ＭＰａ以下であり、前記流体管を流れる流量が５．０ｍ³／ｍｉｎ以下で前記オゾン生成装置を動作させ、
   前記エキシマランプの発光管に対し、前記流入口付近と前記流出口付近との温度差を２０℃以下にする、軸方向長さと前記流体管の内壁からの離間距離とをもたせ、
   前記離間距離を、前記エキシマランプから放射される紫外線の紫外線強度比が２０％になる透過距離よりも短くすることを特徴とするオゾン生成方法。
9. 波長２００ｎｍ以下にピーク波長を有する紫外線を放射するエキシマランプと、前記エキシマランプを軸方向に沿って収納し、流体が流入口から流出口へ流れる流路が形成された流体管とを備えたオゾン生成装置において、
   前記エキシマランプの周囲の圧力が０．３ＭＰａ以下であり、前記流体管を流れる流量が５．０ｍ³／ｍｉｎ以下で前記オゾン生成装置を動作させ、
   前記エキシマランプの発光管に対し、前記流入口付近と前記流出口付近との温度差を２０℃以下にする、軸方向長さと前記流体管の内壁からの離間距離とをもたせ、
   前記離間距離を、前記エキシマランプから放射される紫外線の紫外線強度比が２０％になる透過距離よりも長くすることを特徴とするオゾン生成方法。
   
   

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