JPWO2012023319A1 - 浄化ユニットおよび脱臭装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】少ない光源によって光触媒反応を効率良く生じさせることができる浄化ユニットおよび脱臭装置を提供する。【解決手段】浄化ユニット100は、LED21と、LED21から出射された光を反射して浄化板10に略垂直に入射させる曲面形状の反射板30と、反射板30によって反射された光が照射されることにより光触媒反応を起こす浄化板10と、を備えている。浄化板10の光触媒膜13は、X軸負方向において厚みが大きくなるよう構成されている。LED21の配置と反射板30の曲面形状は、浄化板10に照射される光の強度がX軸負方向側に偏るよう設定される。これにより、浄化板10のX軸負方向側の面は、浄化板10のX軸正方向側の面に比べて、光触媒反応が促進され得る。また、浄化板10の広い範囲に亘って光触媒反応が生じ得る。【選択図】図6

Description

本発明は、光触媒構造体を用いて空気中に含まれる浄化対象物質を浄化する浄化ユニットおよび脱臭装置に関するものである。
近年、光触媒活性物質を含む光触媒構造体を用いて、大気浄化、脱臭、浄水、抗菌、防汚、水分解を行う光触媒装置の開発が進められている。光触媒構造体は、所定波長の光が照射されることにより膜面で酸化還元反応(光触媒反応)を起こし、膜面に付着した物質を浄化する。この種の光触媒構造体は、一般に、基板上に、酸化チタン(TiO2)等からなる光触媒膜が積層されることにより生成される(特許文献1)。
特許3809347
上記光触媒構造体を用いた浄化ユニットおよび脱臭装置では、装置周辺の空気を吸気口から取り込み、取り込まれた空気に含まれる浄化対象物質を光触媒膜上で浄化し、浄化後の空気を排気口から送出する。このとき、光触媒反応を効率良く生じさせるために、たとえば、複数の光源が用いられる。
しかしながら、用いられる光源の数が増加すると、コストが上昇し、光源の制御が複雑になるとの問題を生じる。
本発明は、かかる問題を解消するためになされたものであり、少ない光源によって光触媒反応を効率良く生じさせることができる浄化ユニットおよび脱臭装置を提供することを目的とする。
本発明の第1の態様は、光触媒反応により空気を浄化する浄化ユニットに関する。この態様に係る浄化ユニットは、光を出射する光源と、前記光が照射されることにより前記光触媒反応を起こす浄化板と、前記光源から出射された前記光を反射して前記浄化板に導く曲面形状の反射板と、を備える。ここで、前記浄化板に照射される前記光の強度が前記浄化ユニット内の空気の流路の上流側に偏るように、前記光源の配置および前記反射板の曲面形状が設定される。
本発明の第2の態様は、脱臭装置に関する。この態様に係る脱臭装置は、上記第1の態様に係る浄化ユニットと、前記脱臭装置内に空気を流すためのファンと、前記ファンおよび前記浄化ユニット内の前記光源を制御するための制御部と、を備える。
本発明によれば、少ない光源によって光触媒反応を効率良く生じさせることができる浄化ユニットおよび脱臭装置を提供することができる。
本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施の形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下に示す実施の形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施の形態に記載されたものに何ら制限されるものではない。
光が照射されることにより光触媒反応を起こす浄化板の構成例を説明する図である。 光が照射されることにより光触媒反応を起こす浄化板の構成例を説明する図である。 浄化ユニットの構成例を説明する図である。 実施例に係る浄化ユニットの分解斜視図である。 実施例に係る浄化ユニットの浄化板の構成を示す斜視図である。 実施例に係る浄化ユニットの斜視図である。 変更例1に係る浄化ユニットの構成およびシミュレーション結果を示す図である。 変更例2に係る浄化ユニットの構成およびシミュレーション結果を示す図である。 変更例2に係る浄化ユニットの斜視図である。 実施例に係る脱臭装置の構成を示す図である。 実施例に係る脱臭装置の制御回路による制御を示す図である。 他の変更例に係る浄化ユニットをY軸方向に見た場合の側面図である。
以下、本発明の実施の形態につき図面を参照して説明する。
<浄化板の構成例>
まず、図1、2を参照して、光が照射されることにより光触媒反応を起こす浄化板の構成例について説明する。
図1(a)は、浄化板C10の積層構造を示す図であり、図1(b)は、浄化板C10の基板C11の凹凸構造C11aを示す図であり、図1(c)は、凹凸構造C11aの二次電子写真像を示す図である。
同図(a)を参照して、浄化板C10は、基板C11と、透過膜C12と、光触媒膜C13と、吸着膜C14を有する。
基板C11は、ポリカーボネート等の透光性材料から形成されており、屈折率は1.6に設定されている。基板C11の透過膜C12側の面には、同図(b)、(c)に示す如く、縦横均等に一定ピッチにて円柱状の突起が並ぶようにして、凹凸構造C11aが形成されている。凹凸構造C11aのピッチ(円柱状突起の幅)は、縦横ともに250nmであり、円柱状突起の高さは、175nmとなっている。
なお、同図(c)の写真像は、凹凸構造C11a上に合金膜をスパッタによって20nm形成した後、電子写真撮像のためにPt−Pdを10Å蒸着した状態で撮像を行ったときのものである。
ここで、図2を参照して基板C11の形成手順について説明する。
まず、シリコン原盤上にスピンコートによりレジストを塗布する(工程1)。次に、EB描画(電子ビームカッティング)にて、上記ピッチの凹凸構造を形成する(工程2)。この描画後、現像処理を行い(工程3)、RIE加工を行う(工程4)。さらに、酸素プラズマアッシングを行って、残存するレジストを除去する(工程5)。これにより、シリコン原盤上に凹凸構造が形成される(Si原基)。
続いて、このSi原基に対し、Niメッキを行って(工程6)、Niを堆積させる。そして、堆積したNi層をSi原基から剥離して、スタンパを作製する(工程7)。このスタンパに対し、射出成形を行って(工程8)、基板11を作製する(工程9)。これにより、凹凸構造が転写された基板C11が形成される。
なお、基板C11の材料として、ポリカーボネート以外に、ポリオレフィンといった透光性材料を用いることもできる。また、これ以外に、ポリ乳酸等の生分解性材料を用いることもできる。生分解性材料を用いると、廃棄時における環境負荷等を小さくすることができる。
また、EB描画の替わりに、レーザビームカッティングを用いることもできる。この場合、シリコン原盤上には、フォトレジスト層が塗布される。また、カッティングビームとしては、波長400nm程度のレーザ光が用いられる。
図1(a)に戻り、透過膜C12は、上記手順によって形成された基板C11の凹凸構造C11a上に、スパッタ法によって積層される。透過膜C12は、Al23からなり、屈折率は基板C11と略同じとなるよう1.6に設定されている。また、透過膜C12の上面と下面は、基板C11の凹凸構造C11aを反映して凹凸構造となっている。なお、透過膜C12は、非電解質な無機材料からなるため、後述する光触媒膜C13の光触媒反応により浸食されない。また、透過膜C12と基板C11の屈折率は略同じとしたため、屈折率差による界面での反射が生じ難いという利点がある。
ここで、透過膜C12の膜厚およびRa(表面粗さ)は、基板C11が光触媒膜C13によって浸食されないように設定されている。また、透過膜C12の膜厚およびRaは、基板C11側から入射する光が光触媒膜C13に十分に届くように、且つ、光触媒膜C13側から入射する光が基板C11に十分に届くように設定されている。なお、透過膜C12のRaの制御は、スパッタ時のガス圧を調節することによって行われる。
光触媒膜C13は、透過膜C12の上面にスパッタ法によって積層される。光触媒膜C13は、TiO2からなり、屈折率は2.5に設定されている。また、光触媒膜C13の上面と下面は、透過膜C12の上面に形成された凹凸構造を反映して凹凸構造となっている。これにより、基板C11の表面の凹凸構造C11aを反映した構造が、光触媒膜C13の上面(吸着膜C14側の面)に形成され、光触媒膜C13上面の表面積が大きくなり、光触媒反応が起こりやすくなる。また、これら凹凸構造は、照射される光の波長よりも短いピッチにて構成されるため、界面での見かけ上の屈折率は徐々に変化することになり、反射が生じ難くなるという利点がある。
なお、成膜後の光触媒膜C13自体の表面は、積層される際にガス圧の調整によって多孔質状とすることができる。これにより、光触媒膜C13自体が多孔質状となるため、光触媒膜C13の表面積を大きくすることができ、さらに基板C11の凹凸構造C11aより光触媒膜C13の表面積を増やすことができる。光触媒膜C13の膜厚が小さいと、透過膜C12の上面は光触媒膜C13により完全に覆われなくなる。他方、光触媒膜C13の膜厚が大きいと、透過膜C12の上面に形成された凹凸構造が光触媒膜C13の上面(吸着膜C14側の面)に反映しなくなることに加えて、透過膜C12側および吸着膜C14側から入射する光が、光触媒膜13による吸収により、それぞれ、光触媒膜C13の上面および下面まで透過し難くなる。これらを考慮して、透過膜C12の上面が十分に被覆され、且つ、光が光触媒膜C13を十分透過するように、光触媒膜C13の膜厚が設定される。
光触媒膜C13を形成するTiO2は、アナターゼ結晶微粒子を含んでいる。アナターゼ結晶は、バンドギャップから波長388nm以下の紫外光を吸収し、光触媒反応を起こす。また、アナターゼ結晶は、微粒子状で光触媒膜13内に存在するため、基板C11の形状が複雑であっても基板C11に対して均一に分布する。これにより、光触媒膜C13上で広範囲に亘って効率的に光触媒反応が起き易くなる。
また、TiO2は、アナターゼ結晶構造以外に、ルチル構造、アモルファス構造、ブルカイト構造を形成することが分かっており、構造により光触媒反応が異なる。すなわち、反応の活性や反応する波長が構造毎に異なっている。光触媒膜C13を形成するTiO2には、複数の構造が含まれている。具体的には、TiO2からなる光触媒膜13は、アナターゼ結晶構造を持ち、アモルファス状のものおよびアナターゼ結晶欠陥や、スパッタ時に含まれる微量の窒素を含む微粒子、ルチル微粒子が含まれた複合膜である。これにより、光触媒膜C13の光触媒反応は、前述した388nm以下だけでなく、400〜500nmの可視光領域の波長の光によっても促進されることとなる。よって、光触媒反応を起こす光源としてLEDや半導体レーザが用いられる場合に、これら光源から出射される光が温度や個体差などにより可視光(388nm以上の光)を含む場合でも、光の利用効率が高められる。なお、LEDや半導体レーザ光源等は、出力される光の波長が短くなるに従って、製造上のコストが高く、可視光に近いほど低コストで光源を構成できる。よって、紫外光を光源とする場合、TiO2により形成される構造として、アナターゼ結晶構造以外に、上記に記述した全ての構造が含まれる必要はなく、TiO2からなる光触媒膜13は、可視光(388nm以上の光)で活性を得られる微粒子が含まれる複合膜であれば良い。光触媒膜C13が完全なアナターゼ結晶膜であってもよいが、その場合、388nm以下の波長でしか活性が生じない。よって、効果的に活性を生じさせるために光源を厳選する必要があるため、光源を低コストで構成できなくなる。
なお、光触媒膜C13は、光触媒膜C13に付着した物質に対して光触媒作用を及ぼす。光触媒作用を受ける物質として、アンモニア、アセトアルデヒド、硫化水素、メチルメルカプタン、ホルムアルデヒド、酢酸、トルエン、菌、油分、などが挙げられる。これら物質は、光触媒作用を受けて二酸化炭素や水等に分解される。
吸着膜C14は、光触媒膜C13の上面にスパッタ法によって積層される。吸着膜C14は、透光性のSiO2からなり、屈折率は、1.45である。SiO2は吸湿性があり、空気中の水分子や気相ガスを取り込み易い性質を有する。これにより、吸着膜C14の上面にある空気中の物質が、吸着膜C14に付着し易くなる。また、吸着膜C14に吸着した物質は、吸着膜C14上に留まり、光触媒膜C13による光触媒作用を受け易くなる。
なお、吸着膜C14は、光触媒膜C13の上面を完全にコートしてしまわないよう、光触媒膜C13上に積層される。また、光触媒膜C13上の凹凸構造を反映する厚さで、吸着膜C14が構成されれば、吸着膜C14の凹凸構造が光の波長より短いピッチのため、屈折率が徐々に変化する。これにより、反射が生じ難くなるため、吸着膜C14も光が透過しやすくなる。また、光触媒膜C13上に凹凸構造が形成されれば、表面積増大効果による吸着率増加を見込むことができる。この場合、吸着膜C13がさらに多孔構造であればなお良い。すなわち、スパッタ時のガス圧を低くしたり(具体的には0.8〜1Pa以上)、スパッタレートを早くしたりする(70Å/min以上)ことにより、吸着膜C14に無数の微細孔が形成される。これにより、吸着膜C14の上面に付着した物質が、微細孔を介して、光触媒膜C13と接するようになる。また、吸着膜C14に入射する光が、吸着膜C14を透過して、光触媒膜C13に透過し易くなる。吸着膜C14の膜厚は、吸着膜C14に付着した物質が光触媒膜C13と効率的に接し、光を透過し易い厚みに設定されるのが望ましい。
このように構成された浄化板C10に対して、基板C11の下面または吸着膜C14の上面から、波長375nmの紫外光が照射されると、かかる紫外光は光触媒膜13に到達する。これにより、吸着膜14側から入って光触媒膜13に接している物質が光触媒作用を受け得る。
なお、浄化板C10の下面にも、図1(a)に示す透過膜C12、光触媒膜C13および吸着膜C14が積み重なるように形成されても良い。こうすると、1枚の浄化板C10による浄化能力を高めることができる。追って説明する“浄化ユニットの実施例”では、図5に示すように、さらに、光触媒膜13の厚みが同図のX軸方向に変化するよう浄化板10が構成されている。これについては、追って詳述する。
<浄化ユニットの構成例>
次に、上記浄化板C10を用いた浄化ユニットの構成例について説明する。
図3(a)は、屈折率の異なる層に光が入射するときの反射効率を示す模式図である。
図示の如く、n=1.5の層(中央層)が、n=1の媒質(たとえば空気)内に配置されている。中央層の上面に入射する光の入射角が48.6度であるとき、この光が中央層の下面に入射する入射角は29度となる。このとき、中央層の下面に入射する光のうち、5%は中央層の下面で反射する。すなわち、中央層の上面に入射角が48.6度となるよう入射した光は、中央層の下面において5%が損失することなる。
図3(b)は、同図(a)において、中央層の下面に入射する光の入射角と、中央層の下面で損失する光の割合の関係を示す図である。
図示の如く、中央層の下面に入射する光の入射角が約29度以下であるとき、損失割合は略一定(5%)であるが、かかる入射角が約29度を超えて増加すると、損失割合は5%を超えて急激に増加する。このことから、空気層から屈折率が1よりも大きい媒質(たとえば同図(a)の中央層)に光を入射させるとき、この媒質に入射する光の入射角を小さくして、この媒質の下面における入射角をできるだけ小さくすることが光の損失を少なくする上で望ましいと分かる。
ここで、上記浄化板C10を用いて浄化ユニットを構成する場合、たとえば、図1(a)の浄化板C10が、上下方向(Z軸方向)に複数配置され、最も上に配置された浄化板C10の上側から光が照射される。このとき、図3(a)、(b)に示した結果によると、上記浄化板C10において光触媒作用を効率良く生じさせるためには、浄化板C10に入射させる光の入射角が、なるべく低く抑えられることが望ましい。具体的に、図3(a)では、中央層の上面への入射角は48.6度以下が望ましい。
図3(c)は、浄化板C10に入射する光の入射角が小さく抑えられるよう光源が配置された浄化ユニットの比較例を示す模式図である。
図示の如く、浄化板C10が、上下方向(Z軸方向)に隙間を開けて4枚積層されている。最も光源から遠い浄化板C10の下側には、ミラーが配置されている。浄化対象物質を含む空気は、浄化板C10の左側から、各浄化板C10の上下方向の隙間を通って、浄化板C10の右側に送られる。
最も光源に近い浄化板C10の上側には、浄化板C10のX軸方向の幅に合わせて、3つの光源が、X軸方向に所定の間隔を開けて配置されている。なお、これら3つの光源のY軸方向にも、浄化板C10のY軸方向の幅に合わせて、複数の光源(図示せず)が配置されている。光源からは、広がり角の小さい光(たとえば、LEDや半導体レーザ)が出射される。各光源は、出射する光の光軸が浄化板C10と垂直に交わるように配置されている。なお、光源から出射される光は広がり角が小さいため、浄化板C10の面全体に光が照射されるよう、このように複数の光源が配置される。
このように浄化板C10と光源が設置されると、各光源から出射された光は、4枚の浄化板C10を透過し、ミラーによって反射される。ミラーによって反射された光は、再び上向きに4枚の浄化板C10に入射する。これにより、各浄化板C10の光触媒膜C13に接触している浄化対象物質が、光触媒反応により浄化される。
しかしながら、浄化ユニット内に図3(c)のように光源を配置すると、浄化板C10のX軸方向の長さに合わせて、X軸方向に複数の光源を配置する必要がある。これにより、コストが上昇し、光源の制御が複雑になるとの問題が生じてしまう。
図3(d)は、かかる問題を解消可能な浄化ユニットの構成例を示す図である。
図3(d)の構成では、X軸方向には1つの光源のみが配置され、最も光源に近い浄化板C10の上側には、曲面形状を有する反射板が配置されている。なお、この光源のY軸方向には、浄化板C10のY軸方向の幅に合わせて、複数の光源(図示せず)が配置されている。
ここで、光源は、光源の光束中心軸が、反射板のX軸方向のセンター位置よりもX軸方向のX軸負方向に偏った位置に入射するよう、Y軸回りに所定の角度だけ傾けられている。よって、光源から出射される光の最も強度が高い部分は、反射板のX軸方向のセンター位置からX軸方向のX軸負方向に偏った位置に入射する。また、反射板は、Y軸方向に見て放物線形状となっており、X−Z平面内において、光源はこの放物線の焦点位置に配置されている。
このように光源と反射板が配置されると、光源から出射された光は、反射板のどの位置においても、反射板によってZ軸負方向に反射され、浄化板C10に対して垂直に入射する。これにより、光が浄化板C10に対して斜め方向から入射し難くなるため、図3(c)に比べて、光の損失がさらに抑制され得る。
また、X軸方向には1つの光源のみが配置され、この光源により浄化板C10上の広い範囲を照射することができるため、図3(c)に比べて、コストを低く抑えることが可能となり、且つ、光源の制御が簡素になる。
また、このように光源と反射板が配置されると、光源と反射板の配置関係から、反射板で反射された光線は、X軸負方向に向かうほど密になり、このため、浄化板C10上の光の強度分布は、図示の如く、浄化板C10上の照射範囲の中でX軸負方向側に偏ることとなる。さらに、光強度の高い部分の光が、浄化板C10のX軸方向の中心位置よりもX軸負方向側に入射するよう、光源が傾けられているため、浄化板10上の最も光強度の高い位置が、浄化板C10のX軸方向のセンター位置からX軸負方向側に移動される。これにより、浄化ユニット100の浄化能力は、空気が取り込まれる側、すなわち、浄化板C10のX軸負方向側で大きくなる。よって、取り込まれた空気に浄化対象物質が多く含まれる場合でも、迅速に浄化作用が促進され得る。
また、浄化板C10のX軸正方向側の光強度は、X軸負方向側に比べて、弱くなるため、浄化板C10のX軸正方向側の光吸収による温度上昇が抑制される。これにより、浄化板C10のX軸負方向側で浄化され、浄化対象物質を多く含まない空気であっても、浄化板C10のX軸正方向側に付着し易くなり、効率的に浄化作用が促進され得る。
なお、図3の構成において、反射板の上端よりも左側に光源からの光が向かうような場合には、この光を反射板の方向に向けるためのミラーを光源の上部に設けても良い。
<浄化ユニットの実施例>
以下、図3(d)に示した光源と反射板の配置例に基づく浄化ユニットの実施例について説明する。
図4は、本実施例の浄化ユニット100の分解斜視図である。
浄化ユニット100は、4枚の浄化板10と、発光ユニット20と、曲面形状を有する反射板30と、ベース40と、前面板50と、背面板60とを備えている。なお、同図における浄化板10と、発光ユニット20(LED21)と、反射板30と、ベース40(ミラー41)は、それぞれ、図3(d)における浄化板C10と、光源と、反射板に対応している。
図5は、本実施例で用いる浄化板10の構成を示す斜視図である。図示の如く、浄化板10は、基板11を中心として、上下方向に透過膜12と、光触媒膜13と、吸着膜14が積層されている。なお、同図において、上側の吸着膜14の上面と、下側の吸着膜14の下面は、便宜上、平坦な面として図示されているが、実際には、これらの面は、基板11の凹凸構造を反映して、凹凸構造となっている。
光触媒膜13は、図示の如く、X軸負方向側の厚さがX軸正方向側の厚さよりも大きくなるよう構成されている。このように、X軸方向に厚みの異なる光触媒膜13を積層させる場合、基板11に透過膜12が積層されたものを、スパッタ装置の回転軸に対して傾けるようにしてスパッタリングが行われる。これにより、光触媒膜13が、回転軸からの距離に応じて異なる厚さで積層される。
なお、各層の厚さは、たとえば図示の通りに設定される。すなわち、基板11の厚さは0.5mm、透過膜12の厚さは7nm、光触媒膜13のX軸正方向の端の厚さは7nm、光触媒膜13のX軸負方向側の端の厚さは7〜15nm、吸着膜14の厚さは7nmに設定される。
このように、光触媒膜13のX軸負方向側の厚みが大きく設定されると、光触媒膜13の浄化能力も、X軸負方向側において大きくなる。すなわち、光触媒膜13は上述したように多孔質状であるため、X軸負方向側の光触媒膜13は、より多くの浄化対象物質と接することが可能となる。このため、浄化板10近傍の空気に含まれる浄化対象物質は、X軸負方向側において、より光触媒膜13と接して浄化され易くなる。よって、図5のように浄化板10が構成されると、この浄化板10の浄化能力は、X軸正方向側よりもX軸負方向側で大きくなる。
図4に戻り、浄化板10は、図示の如く、X軸方向の長さがY軸方向の長さに比べて小さく、各浄化板10は、図3(d)の浄化板C10と同様、所定の間隔を開けて積層されている。
発光ユニット20は、Y軸方向に23個のLED21を有している。発光ユニット20は、発光ユニット20に入力される制御信号に基づいて、各LED21を発光させる。LED21は、反射板30に向けて波長375nmの光を出射する。なお、発光ユニット20にはY軸方向に23個のLED21が配されたが、これに限らず、適宜、設置するLED21の数が調整されても良い。
反射板30は、曲面形状のミラーであり、各LED21から出射された光を浄化板10に向けて反射する。ベース40の上面には、平板状のミラー41が配されている。反射板30およびミラー41は、照射波長の光(本実施例では375nm)を反射する反射膜が形成されている。具体的には、AgおよびAg+Alの合金類であり、反射率は80%以上である。また、反射率は高いほど良い。
前面板50には、浄化板10の配置位置に対応する位置に、X軸方向に貫通する複数の通気口51が形成されている。背面板60には、浄化板10の配置位置に対応する位置に、X軸方向に貫通する複数の通気口61が形成されている。なお、前面板50の通気口51に替えて、前面板50に開口が形成され、この開口にほこり等を取り除くフィルターが設置されるようにしても良い。同様に、背面板60の通気口61に替えて、背面板60に開口が形成され、この開口にフィルターが設置されるようにしても良い。蓋70は、X−Y平面に平行な上面と、X−Z平面に平行な2つの側面を有している。
図4に示す各部品がそれぞれ組み立てられることにより、図6に示す如く、浄化ユニット100が完成する。なお、図6において、蓋70と背面板60は、便宜上、図示が省略されている。また、反射板30は、便宜上、透明に描かれている。
このように浄化ユニット100が構成されると、前面板50の通気口51からX軸正方向に空気が送られると、この空気は、4枚の浄化板10の間をX軸正方向に進む。このとき、空気中の浄化対象物質は浄化板10の吸着膜14に付着する。すなわち、浄化板10の近傍の空気中の浄化対象物質は、上述したように、吸着膜14に留められ、光触媒膜13と接することとなる。この状態で、発光ユニット20のLED21から出射された光が、光触媒膜13に照射されると光触媒反応が起こり、光触媒膜13と接している浄化対象物質が分解される。浄化対象物質が分解されて浄化された空気は、背面板60の通気口61から排気される。
以上、本実施例の浄化ユニット100によれば、X軸方向に1つのみ配置したLED21から出射された光が、曲面形状の反射板30により、浄化板10上の広範囲に亘って照射される。これにより、X軸方向に複数のLEDを配置する必要がなくなるため、X軸方向に複数のLEDを配置する場合に比べて、コストの上昇が抑制され、且つ、LEDの制御が簡素になる。また、反射板30によって反射された光は、浄化板10に略垂直に入射するため、浄化板10に斜めに入射することによって生じる光の損失割合を抑制することができる。
なお、多くの光を略垂直に照射するには、LED21の中心から出る光が反射板30に照射される方が望ましい。具体的には、LED21から出射される光の50%以上が反射板30に照射されるのが望ましい。このように、できる限り多くの光が反射板30に照射されれば、より多くの光が反射板30により反射されて光触媒膜13に照射される。
また、本実施例の浄化ユニット100によれば、LED21から出射された光は、図3(d)で述べたように、浄化板10のX軸正方向側よりもX軸負方向側に、より強く照射される。また、図6に示したように、浄化板10の光触媒膜13は、X軸負方向側の厚みがX軸正方向側の厚みより大きくなるよう構成されている。これにより、浄化ユニット100の浄化能力は、空気が取り込まれる側、すなわち、前面板50側に近いほど大きくなる。よって、前面板50から取り込まれた空気に浄化対象物質が多く含まれる場合でも、迅速に浄化作用が促進され得る。
また、本実施例の浄化ユニット100によれば、LED21から出射された光は、浄化板10のX軸負方向側よりもX軸正方向側に対してより弱く照射される。また、浄化板10の光触媒膜13は、X軸正方向側の厚みがX軸負方向側の厚みより小さくなるよう構成されている。これにより、浄化板10のX軸正方向側の温度上昇が抑制され得る。よって、前面板50近傍で浄化され、浄化対象物質を多く含まない空気であっても、X軸正方向側の浄化板10に付着し易くなり、効率的に浄化作用が促進され得る。
<浄化ユニットの変更例1>
ところで、図3(d)に示した配置に基づいて、LED21と、反射板30と、浄化板10と、ミラー41が配置されると、上記効果が得られるものの、浄化ユニット100が大型化してしまう可能性がある。
そこで、本件発明者は、図3(d)に基づいて構成された浄化ユニット100を、要求されるサイズに小型化できるよう、LED21と、反射板30と、浄化板10と、ミラー41の配置を調整した。
図7は、LED21と、反射板30と、浄化板10と、ミラー41の配置を調整して、浄化ユニット100を小型化した場合に、浄化板10上の光強度がどのように分布するかをシミュレーションした結果を示す図である。
図7(a)は、シミュレーションの条件を示す図である。このシミュレーションでは、浄化板10の替わりに、屈折率が1.5であり、且つ、透過率が80%である板が用いられている。
反射板の曲面形状は、X−Z平面内において、最も上側の点を原点Oとすると、z=−0.014x2の放物線によって表される。光源から出射される光の広がり角は120度であり、光源は、板の上面に対して75度傾けられている。また、このように傾けられた光源は、Y軸方向に3つ配置されている。反射板の右端と、最も光源に近い板の上面との間には、0.32725mmの隙間が設けられている。その他のシミュレーション条件は、図示の通りである。
この場合、光源の上下方向(Z軸方向)の位置は、X−Z平面内における反射板の形状を表す放物線の焦点位置から、僅かに上側に位置付けられている。これにより、反射板によって反射した光は、板に対して垂直に入射しなくなるものの、入射角は0に近づけられているため、光の利用効率は維持され得る。
また、反射板によって反射した光は、板に対して垂直に入射せず、板上の光強度は僅かにX軸正方向に移動する。しかしながら、板上の光源に近い領域には、光源から出射された光が直接入射するため、板上の光強度はX軸負方向側に位置付けられ得る。
また、この構成では、反射板の右端は、板の右端よりも左側に位置付けられているため、反射板によって反射された光は、板の右端領域に入射し難い。しかしながら、板には、反射板によって反射した光に加えて、光源から直接入射される光と、光源から直接入射されミラーによって反射された光とが入射する。これにより、板の右端領域においても、光が照射され得る。
図7(b)および(c)は、同図(a)に示す条件のもとで、それぞれ、最も光源に近い上の板および最も光源から遠い下の板に照射される光の強度分布を示すシミュレーション結果である。なお、同図(b)、(c)は、カラーで示されていた図を白黒変換したものである。
同図(b)、(c)から、板上においてX軸方向に光が広がって照射されていることが分かる。また、板の中心からX軸負方向側で光強度が大きくなっていることが分かる。これにより、図3(d)に示した配置から、LED21と、反射板30と、浄化板10と、ミラー41の配置を調整して、浄化ユニット100を小型化した場合でも、上記浄化ユニット100の実施例で説明したような効果が奏され得る。
なお、図3(d)に示した配置では、反射板によって反射された光はZ軸負方向に進むため、板のX軸方向の幅全体に光を照射するためには、図7(a)の破線のように反射板を配置する必要がある。この場合、浄化ユニット100は、本変更例に比べて、Z軸方向に大きくなる。このように、本変更例では、図3(d)の構成に比べ、浄化ユニット100を小型化することができる。
<浄化ユニットの変更例2>
図7(a)に基づいて、LED21と、反射板30と、浄化板10と、ミラー41が配置された状態から、さらに、浄化板10の右端領域における光強度を高めたい場合、反射板30に替えて、3枚の反射板を設置しても良い。
図8は、3枚の反射板を配置した場合に、浄化板10上の光強度がどのように分布するかをシミュレーションした結果である。
図8(a)は、シミュレーションの条件を示す図である。
原点O1〜O3は、それぞれ、左側の反射板と、中央の反射板と、右側の反射板をY軸方向に見たときの曲面形状の最も上側の点である。左側の反射板と、中央の反射板と、右側の反射板の曲面形状は、X−Z平面内に置いて、それぞれ、z=−0.014x2と、z=−0.0113x2と、z=−0.011x2と表される。また、3枚の反射板は、図示の如く、原点O1の位置よりも下側に位置する部分のみとされる。光源は、板の上面に対して70度傾けられている。その他のシミュレーション条件は、図示の通りである。
図8(b)および(c)は、同図(a)に示す条件のもとで、それぞれ、最も光源に近い上の板および最も光源から遠い下の板に照射される光の強度分布を示すシミュレーション結果である。
図8(b)、(c)から、図7(b)、(c)の場合と同様、板上においてX軸方向に光が広がって照射されていることが分かり、板の中心からX軸負方向側で光強度が大きくなっていることが分かる。また、図7(b)、(c)の場合と比べて、板の中心からX軸正方向側の領域においても、より光が照射されていることが分かる。すなわち、この変更例では、光源から中央および右側の反射板に入射した光が、これら反射板により反射されて板に導かれる。よって、図7(b)、(c)の場合と比べて、板のX軸正方向側の領域により多くの光を照射することができる。
図9は、図8(a)に示すように、3枚の反射板が浄化ユニット100内に設置されている場合の、浄化ユニット100の斜視図である。なお、同図において、蓋70と背面板60は、便宜上、図示が省略されている。また、反射板31〜33は、透視可能な状態で描かれている。
図示の如く、図8(a)の3枚の反射板に対応する反射板31〜33は、支持体80の下面側に形成された傾斜面に、下側から設置されている。このように浄化ユニット100が構成されると、図7(a)に基づいて構成された浄化ユニット100に比べて、浄化板10のX軸正方向側の領域においても、より光が照射され得る。これにより、浄化ユニット100の背面板60側においても、浄化能力が高められ得る。
<脱臭装置の実施例>
以下は、上記浄化ユニット100を脱臭装置に適用した例である。
図10は、脱臭装置1の構成を示す図である。
脱臭装置1は、浄化ユニット100と、送風経路110と、ファン121、122と、フィルター131、132と、臭気センサ140と、LED駆動回路150と、ファン駆動回路161、162と、制御回路170と、を備える。なお、本実施例で用いられる浄化ユニット100は、図3(d)、図7(a)、図8(a)の何れに基づいて構成された浄化ユニットであっても良い。図10では、便宜上、図3(d)に基づいて構成された浄化ユニット100が図示されている。
送風経路110は、中空の筒体からなっており、その中を空気がX軸方向に流通できるよう構成されている。送風経路110の入口と出口には、それぞれ吸気口110aと排気口110bが形成されている。また、送風経路110の中心付近には、浄化ユニット100が配置されるための浄化領域110cが形成されている。
浄化ユニット100は、上述したように、4枚の浄化板10と、Y軸方向に複数のLED21を有する発光ユニット20と、曲面形状の反射板30と、ミラー41を上面に有するベース40を備えている。
ファン121、122は、吸気口110aから排気口110bに向けて、空気を流通させる。これにより、吸気口110a付近にある空気は、ファン121によって吸気口110aから吸い込まれ、浄化領域110cを通り、ファン122によって排気口110bから送出される。
フィルター131は、吸気口110aから吸い込まれた空気に含まれる大きな埃を取り除き、フィルター132は、フィルター131側から送出される空気に含まれる小さい埃を取り除く。臭気センサ140は、ファン121から浄化領域110cに向けて送出される空気に含まれる臭い成分を検出する。臭気センサ140の検出信号は、制御回路170に出力される。
LED駆動回路150は、制御回路170からの指令に応じて、発光ユニット20に配された各LED21を駆動する。ファン駆動回路161、162は、制御回路170からの指令に応じて、それぞれ、ファン121、122を駆動する。ファン121、122の回転数は、制御回路170によって制御される。制御回路170は、臭気センサ140の出力信号に基づき、LED駆動回路150と、ファン駆動回路161、162を制御する。
このように脱臭装置1が構成されると、ファン121が駆動されることにより吸気口110aから取り込まれた空気が、フィルター131、132で埃を取り除かれ、浄化領域110cに送出される。浄化領域110cに送出された空気は、浄化ユニット100内に取り込まれ、上述したように、浄化ユニット100内で浄化対象物質が分解される。
浄化ユニット100内で浄化された空気は、背面板60の通気口61(図5参照)を通って浄化ユニット100から排気され、ファン122に向けて送られる。浄化領域110cの空気は、ファン121、122が駆動されることにより、排気口110bへ向けて送出され、排気口110bから送出される。こうして、脱臭装置1の近傍の空気中に含まれる空気が浄化される。
図11は、制御回路170による制御を示す図である。
同図(a)は、脱臭装置1のモード切り替えを示すフローチャートである。
脱臭装置1の動作中に、制御回路170により、臭気センサ140の検出信号が所定値以下であるかが判定される(S1)。臭気センサ140の検出信号が所定値以下であると判定されると(S1:YES)、制御回路170は、LED21の点灯制御パターンを“ON/OFFモード”に設定する(S2)。臭気センサ140の検出信号が所定値よりも大きいと判定されると(S1:NO)、制御回路170は、LED21の点灯制御パターンを“ONモード”に設定する(S3)。S2、S3の処理の後、再び処理がS1に戻されて繰り返される。
なお、S1でNOと判定される場合には、浄化対象物質が微量ではなく十分に存在するため、浄化対象物質の拡散により光触媒膜13と浄化対象物質の接触が頻繁に生じる状態にある。よって、この場合には、点灯制御パターンが“ONモード”に設定されて、光触媒膜13における浄化能力が高められる。
同図(b)は、“ON/OFFモード”のときの点灯制御パターンを示す図である。
LED21の点灯制御パターンが“ON/OFFモード”に設定されると、制御回路170は、図示の如く、点灯時間がt1、消灯時間がt2、周期がT1となるようにLED21を制御する。なお、消灯時間t2は、LED21の点灯によって上昇した光触媒膜13の温度が十分抑制される時間に設定されている。
同図(c)は、“ONモード”のときの点灯制御パターンを示す図である。
LED21の点灯制御パターンが“ONモード”に設定されると、制御回路170は、図示の如く、LED21を一定レベルで連続的に点灯させる。
同図(a)〜(c)に示すようにLED21が制御されると、脱臭装置1の動作時に、浄化領域110cに送出される空気に浄化対象となる物質が微量しか存在しない場合にも、確実に浄化対象物質を浄化することが可能となる。
すなわち、空気中に浄化対象物質が微量しか存在しないときにLED21が点灯されると、光触媒膜13の温度が上昇する。これにより、浄化板10近傍の空気の温度が上昇するため、浄化領域110c内の空気に含まれる浄化対象物質が吸着膜14に付着し難くなる。しかしながら、この場合に、LED21の点灯制御パターンが“ON/OFFモード”に設定されて、LED21が所定時間ごとに点灯と消灯に切り替えられれば、光触媒膜13の温度上昇が抑制されるため、浄化対象物質が吸着膜14に付着し易くなり、浄化対象物質が浄化され易くなる。
以上、本実施例の脱臭装置1によれば、吸気口110aから吸い込まれた空気に含まれる浄化対象物質は、浄化ユニット100内に取り込まれて、浄化板10の光触媒膜13の光触媒作用により分解される。浄化ユニット100内で浄化された空気は、浄化ユニット100から出て、排気口110bから送出される。これにより、脱臭装置1の近傍の空気が浄化され得る。
また、本実施例の脱臭装置1によれば、脱臭装置1の動作時に、浄化対象物質が微量であると、LED21の点灯制御パターンが“ON/OFFモード”に設定されて、光触媒膜13の温度上昇が抑制される。これにより、微量の浄化対象物質を効率的に浄化板10に吸着させることができ、浄化対象物質をより確実に浄化することができる。
また、このようにLED21の点灯制御パターンが何れに設定されている場合でも、上記浄化ユニット100の実施例で説明したように、浄化ユニット100の前面板50付近と背面板60付近の浄化板10の浄化能力が異なるため、さらに確実に浄化対象物質を浄化することができる。
なお、図11に示したLED21の点灯制御パターンは、“ON/OFFモード”と“ONモード”に切り替えられたが、これに限らず、異なるデューティ比を有するパルス発光が行われる点灯制御パターンが複数用意され、これらが適宜切り替えられるようにしても良い。
また、浄化ユニット100において、LED21の替わりに半導体レーザが用いられた場合も、上記のように制御回路170により半導体レーザの点灯制御パターンが切り替えられる。この場合、異なるパワーで出射されるレーザ光の点灯制御パターンが複数用意され、これらが適宜切り替えられるようにしても良い。
また、本実施例の脱臭装置1では、臭気センサ140の検出信号に基づいて、自動的にLED21の点灯制御パターンが切り替えられたが、これに限らず、脱臭装置1にモード切替スイッチを設置して、ユーザにより手動で点灯制御パターンが切り替えられるようにしても良い。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の実施の形態はこれらに限定されるものではない。
たとえば、上記実施例の浄化ユニットには、紫外光活性型の光触媒を用いたが、これに替えて従来の可視光反応型の光触媒を用いても良い。なお、上記実施例の浄化ユニットに、紫外光活性型の光触媒を用いた理由は、浄化能力が高いためである。従来の可視光反応型の材料による浄化能力は、紫外光活性型のTiO2(アナターゼ結晶)に比べ1/10程度しか無い。ただし、可視光反応型の材料でも、紫外光活性型の膜を超える能力を有する材料であれば良く、このときの材料に最も適した十分な活性が生じる光源を選択することも可能である。
また、上記実施例において、浄化板10の光触媒膜13は、図5に示すように、X軸方向において異なる厚みを有するように設定されたが、一定の厚みを有するように設定されても良い。この場合も、浄化板10の中心に対しX軸負方向側の光強度が大きいため、浄化板10のX軸負方向側での浄化能力が向上され得る。
また、上記実施例において、浄化板10の基板11には、図5に示すように、上下方向に、透過膜12と、光触媒膜13と、吸着膜14が積層された。しかしながら、これに限らず、図1に示すように、浄化板10の基板11の片面側に、透過膜12と、光触媒膜13と、吸着膜14が積層されても良い。
また、浄化ユニット100の実施例において、光触媒反応を起こさせる光源としてLED21が用いられたが、LED21の替わりに半導体レーザが用いられても良い。半導体レーザはコヒーレントな光源であり、特定の結晶面に対し有効である。
また、上記実施例において、反射板30〜33の曲面形状は、X−Z平面内において放物線によって表されたが、これに限らず、楕円など、他の曲線によって表されるようにしても良い。この場合、浄化板10上の光強度が、浄化板10のX軸負方向側で大きくなるようLED21と反射板30〜33が調整される。
また、上記実施例において、浄化ユニット100の反射板の曲面形状は、1つまたは3つの放物線により表されたが、これに限らず、2つまたは4つ以上の放物線により表されても良い。すなわち、浄化ユニット100に2つまたは4つ以上の反射板が設置されても良い。
また、図7(a)に基づいて構成される浄化ユニット100において、以下のように、さらにLEDが設置されても良い。
図12は、LEDが追加された場合の浄化ユニット100をY軸方向に見た場合の側面図である。
図示の如く、浄化ユニット100の最も光源に近い浄化板10の右端領域の上側に、発光ユニット90が設置されている。発光ユニット90には、発光ユニット20と同様、Y軸方向に複数のLED91が設置されている。発光ユニット90は、発光ユニット20と同様、発光ユニット90に入力される制御信号に基づいて、各LED91を発光させる。LED91は、浄化板10に向けて波長375nmの光を出射する。LED91は、出射する光の光軸が浄化板10と垂直に交わるように配置されている。
こうすると、LED21とLED91の発光を個別に制御することが可能となるため、浄化板10のX軸負方向側の領域とX軸正方向側の領域における光強度を、別々に制御することが可能となる。
なお、図12のように構成された浄化ユニット100が、脱臭装置1に適用される場合、LED91は、LED21と同様、図11(a)〜(c)に示したように、臭気センサ140の検出信号により点灯制御パターンが切り替えられる。または、LED21が常時“ONモード”に設定され、LED91で、図11(a)〜(c)に示したように、点灯制御パターンが切り替えられるようにしても良い。
この他、本発明の実施の形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。
1 … 脱臭装置
10 … 浄化板
30〜33 … 反射板
21 … LED(光源)
121、122 … ファン
170 … 制御回路(制御部)

Claims (6)

  1. 光触媒反応により空気を浄化する浄化ユニットにおいて、
    光を出射する光源と、
    前記光が照射されることにより前記光触媒反応を起こす浄化板と、
    前記光源から出射された前記光を反射して前記浄化板に導く曲面形状の反射板と、を備え、
    前記浄化板に照射される前記光の強度が前記浄化ユニット内の空気の流路の上流側に偏るように、前記光源の配置および前記反射板の曲面形状が設定される、
    ことを特徴とする浄化ユニット。
  2. 請求項1に記載の浄化ユニットにおいて、
    前記反射板の曲面形状は、前記浄化板に対して垂直且つ前記浄化ユニット内の空気の流れ方向に対して平行な平面上において1つ以上の放物線により表される、
    ことを特徴とする浄化ユニット。
  3. 請求項1または2に記載の浄化ユニットにおいて、
    前記浄化板は、光触媒膜を有し、
    前記浄化ユニット内の空気の流路の上流における前記光触媒膜の厚みは、前記浄化ユニット内の空気の流路の下流における当該光触媒膜の厚みよりも大きくなるよう構成されている、
    ことを特徴とする浄化ユニット。
  4. 請求項3に記載の浄化ユニットにおいて、
    前記浄化板の光触媒膜は、当該浄化板の上面側および下面側に積層されている、
    ことを特徴とする浄化ユニット。
  5. 請求項1ないし4の何れか一項に記載の浄化ユニットにおいて、
    光透過可能な前記浄化板が、板面に垂直な方向に所定の間隔で複数配置される、
    ことを特徴とする浄化ユニット。
  6. 請求項1ないし5の何れか一項に記載の浄化ユニットと、
    前記脱臭装置内に空気を流すためのファンと、
    前記ファンおよび前記浄化ユニット内の前記光源を制御するための制御部と、を備える、
    ことを特徴とする脱臭装置。
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