JP5614755B2

JP5614755B2 - 空気清浄機

Info

Publication number: JP5614755B2
Application number: JP2011000654A
Authority: JP
Inventors: 戸祐幸森; 江拓尓堀
Original assignee: U Vix Corp
Current assignee: U Vix Corp
Priority date: 2011-01-05
Filing date: 2011-01-05
Publication date: 2014-10-29
Anticipated expiration: 2031-01-05
Also published as: JP2012139452A

Description

空気中の汚染物質を常温大気圧プラズマ放電により分解すると共に、プラズマ放電に伴って生じた紫外光で励起された光触媒により分解するプラズマ／光触媒併用型の空気清浄機に関し、特に、乾電池のような低電圧小容量電源で駆動させることのできる空気清浄機に関する。

従来より、空気などに含まれている汚染物質を分解処理する際に、常温大気圧プラズマにより汚染物質を分解すると共に、プラズマ放電により生じた紫外光で光触媒である酸化チタンを励起させてその光触媒作用により汚染物質を分解するプラズマ／光触媒併用タイプの空気清浄機が提案されている。

図６は、このようなプラズマ／光触媒併用タイプの空気清浄機４１を示し、例えば、プラズマ発生電極となる内筒電極４２と外筒電極４３の間を空気流路とし、外筒電極４２の内面に光触媒層４４を設けている（特許文献１参照）。
しかしながら、これによれば、対向する二つの電極４２及び４３がいずれも面状であるため、高い電圧を印加しなければプラズマ放電を生じさせることができず、流路となる内筒電極４２と外筒電極４３の隙間を近づけても、乾電池の電圧でプラズマを発生させることは困難であるし、仮に発生させることができたとしても、電極間距離が狭すぎて圧力損失が大きすぎ、処理風量を多くすることができない。
特に、自然対流により処理空気を電極間に流通させることを想定すると、圧力損失が置きい場合は空気が流入しないという致命的な欠陥がある。

また、図７に示すように、空気流路となる絶縁筒５１の中心に線状の高圧パルス電極５２を設けると共に、その外周面に接地電極５３を設け、多孔質光触媒シート５４を巻回した光触媒体５５を電極５２，５３間に放電空間を確保するように挿入した空気清浄機も提案されている（特許文献２参照）。
この多孔質光触媒シート５４は、シート状の基材、ガラス繊維、セラミックス繊維、金属繊維、炭素繊維などで形成した不織布状（フェルト状）の基材に、光触媒であるアナターゼ型酸化チタン／フッ素系樹脂のディスパ−ジョンを塗布乾燥後、あるいは、前記基材をディスパージョンに浸漬して引上げ乾燥後、焼成して、基材に光触媒多孔質膜を形成している。

これによれば、線状の高圧パルス電極５２を用いているので、面状対向電極を用いる場合に比して電圧を低くすることができるが、それでも、乾電池などを電源として用いてプラズマ放電を生じさせることはできない。
また、空気流路となる絶縁筒内に多孔質光触媒シート５４が巻回されて配されているので、プラズマ放電を生じさせることができたとしても、その紫外光で励起されるのは、光触媒体５５のパルス電極５２側のみであり、絶縁筒５１側は励起されにくい。

特開２００１−１８７３１９号公報特開平１１−４７５５８号公報

そこで本発明は、電源として乾電池のような低電圧小容量電源を用いた小型の空気清浄機においても、空気中の汚染物質を分解するプラズマ放電を確実に生じさせることができ、また、そのプラズマ放電に伴って生じた紫外光により光触媒を確実に励起させ、光触媒作用による浄化処理効率を格段に向上させ、十分な処理効率が得られるようにすることを技術的課題としている。

この課題を解決するために、本発明は、空気流路中にプラズマ励起光触媒ユニットが配され、空気中の汚染物質を常温大気圧プラズマ放電により分解すると共に、プラズマ放電に伴って生じた紫外光で励起された光触媒により分解するプラズマ／光触媒併用型の空気清浄機において、
前記プラズマ励起光触媒ユニットは、平板電極に形成された装着孔に筒状の多孔質光触媒エレメントが取り付けられると共に、当該光触媒エレメントの内側空間が空気の流通する浄化処理空間として形成され、
前記平板電極との間でプラズマ放電を生じさせる針状電極が、前記多孔質光触媒エレメントの一方の開口部から浄化処理空間内に突出するように設けられたことを特徴としている。

本発明によれば、プラズマ放電を起こす一方の電極が針状電極であるので、絶縁破壊電圧が低く、電池のような低電圧小容量電源を使用しても、これを昇圧することにより簡単に常温大気圧プラズマ放電を生じさせることができる。
ここで、常温大気圧プラズマは雰囲気空気中に窒素及び酸素を含むため、酸化チタン光触媒を励起可能な波長３００〜３８０ｎｍにいくつかのピークを有する紫外光を発する。
また、針状電極は、平板電極の装着孔に取り付けられた筒状の多孔質光触媒エレメントの開口部から浄化処理空間内に突出するように設けられており、針状電極の先端は多孔質光触媒エレメントにより囲まれているので、プラズマ放電により針状電極先端で生じた紫外光が多孔質光触媒エレメントに照射され、多孔質光触媒エレメントがその紫外光により励起された状態になる。

したがって、プラズマ励起光触媒ユニットを対流する空気中に置けば、その空気は筒状の多孔質光触媒エレメントの一端側開口部から浄化処理空間に流入する。
そして、針状電極と平板電極の間で生じているプラズマ放電により汚染物質が浄化処理されると共に、紫外光により励起された多孔質光触媒エレメントに接触してその光触媒作用により浄化処理され、他端側開口部から流出される。

本発明に係る空気清浄機の要部を示す拡大図。本発明に係る空気清浄機の全体図。多孔質光触媒エレメントの拡大図。多孔質光触媒エレメントの製造工程を示す説明図。多孔質光触媒エレメントの製造工程を示す説明図。従来装置を示す説明図。従来装置を示す説明図。

本発明は、空気流路中にプラズマ励起光触媒ユニットが配され、空気中の汚染物質を常温大気圧プラズマ放電により分解すると共に、プラズマ放電に伴って生じた紫外光で励起された光触媒により分解するプラズマ／光触媒併用型の空気清浄機を、乾電池のような低電圧小容量電源を用いて駆動する場合であっても、プラズマ放電と光触媒作用により浄化処理効率を格段に向上させるという目的を達成するために、プラズマ励起光触媒ユニットは、平板電極に形成された装着孔に筒状の多孔質光触媒エレメントが取り付けられると共に、当該光触媒エレメントの内側空間が空気の流通する浄化処理空間として形成され、前記平板電極との間でプラズマ放電を生じさせる針状電極が、前記多孔質光触媒エレメントの一方の開口部から浄化処理空間内に突出するように設けられて成る。

図１及び図２に示すように、本発明に係るプラズマ／光触媒併用型の空気清浄機１は、空気中の汚染物質を常温大気圧プラズマ放電により分解すると共に、プラズマ放電に伴って生じた紫外光で励起された光触媒により分解するプラズマ励起光触媒ユニット２が、上下に空気流入流出用の開口部３及び４を形成したハウジング５内に設けられている。

プラズマ励起光触媒ユニット２は、内側が浄化処理空間６となる筒状の多孔質光触媒エレメント７が平板電極８に形成された装着孔９に取り付けられて、前記浄化処理空間６が平板電極８を貫通して形成されている。
多孔質光触媒エレメント７は両端に開口部１１及び１２が形成されて、空気の対流中に置かれたときに、浄化処理空間６内に空気が流通し、その方向によって、一方が処理空気流入口となり、他方が浄化空気流出口となる。

また、本例では、長方形の平板電極８の長手方向に沿って三個の装着孔９が穿設され、それぞれの装着孔９に多孔質光触媒エレメント７が、平板電極８の下方に向かって延設されるように取り付けられている。

そして、平板電極８はハウジング５内を上下に仕切る隔壁１３に支持されているので、その隔壁１３で隔たられたハウジング５内は、浄化処理空間６を介して上下が連通されることになり、例えば、ハウジング５を下から上へ流れる対流中に置けば、底部の開口部３からハウジング５に取り入れられた空気は、浄化処理空間６を通って上方の開口部４からハウジング５外へ流出することになる。
すなわち、ハウジング５には、外部から取り入れられた空気がプラズマ励起光触媒ユニット２の浄化処理空間６を通って外部に流出される空気流路が形成されることとなる。

また、平板電極８との間でプラズマ放電を生じさせる針状電極１４が、多孔質光触媒エレメント７の一方の開口部から浄化処理空間６内に突出するように設けられている。
本例では、平板電極８の下方に向かって延設されたそれぞれの光触媒エレメント９の延設側開口部すなわち下端側の開口部６から浄化処理空間６内に向けて針状電極１４が設けられている。

多孔質光触媒エレメント７は、図３に示すように、通気孔となる多数の微細流路２１が形成されたチタン箔２２を筒状にし、その表面に陽極酸化皮膜による酸化チタンベース層２３が形成され、さらに、その表層に光触媒層２４となるアナターゼ型酸化チタン粒子が焼き付けられてなる。

図４は多孔質光触媒エレメント７の製造工程を示す説明図である。
まず、フラットなチタン箔２２に通気孔となる微細流路２１を形成するエッチング処理を行う。
エッチング処理は、純チタンを圧延して形成したチタン箔２２の表裏両面にフォトレジスト剤２５を塗布する塗布工程（図４（ａ））と、レジスト剤２５の上から非周期的パターンが形成されたマスキングフィルム２６、２６を重ねて露光する露光工程（図４（ｂ））と、露光後、レジスト剤の感光していない部分を洗浄して感光した部分をチタン箔表面に残す洗浄工程（図４（ｃ））と、レジスト剤２５で非周期網目パターンがマスキングされたチタン箔２２をエッチング液に浸漬し、表裏両面からチタン箔２２の厚さの半分まで浸食させることにより表裏を貫通する多数の微細流路２１…を形成する浸漬工程（図４（ｄ））からなる。

このように、チタン箔２２の両面からエッチング処理を施せば、そのマスキングパターンに周期性がないことから、チタン箔の表側と裏側から異なるパターンの孔が形成され、その結果、図３に示すように、チタン箔２２の厚さ方向に複雑なラビリンス状の微細流路２１が形成され、単純なメッシュ構造よりも比表面積が著しく大きくなる。
このように形成されたメッシュ状のチタン箔２２の空隙率（エッチング処理後の重量／エッチング処理前の重量）は２０％程度である。
また、その表面を拡大観察すると、この時点では、図５（ａ）に示すように、概ねフラットな状態となっている。

次いで、その表面に酸化チタンベース層２３を形成する陽極酸化処理を行う。
陽極酸化処理は、リン酸浴（例えばリン酸３％水溶液）中で、陽極となるチタン箔２２と陰極との間に所定電圧を印加して行われ、その結果、図５（ｂ）に示すように、チタン箔２２の表面が酸化されて陽極酸化皮膜が形成される。
このとき、酸化皮膜は、チタン箔２２の表裏両面だけでなく、微細流路２１の内壁面などリン酸浴に曝されている全表面に形成される。

その後、目標とする筒状体を展開した長方形の形状にチタン箔２２を切断し、これを筒状に丸めた後、このチタン箔２２を大気中で５５０℃、３時間加熱する加熱処理を施し、陽極酸化皮膜が加熱された酸化チタンベース層２３が形成される。
その表面を拡大観察すると、エッチング処理した時点でフラットだった表面に、陽極酸化処理及び加熱処理によるひび割れ２７が多数出現する。
なお、チタンを陽極酸化処理した場合、その酸化皮膜の厚さに応じて光の干渉により異なる色が発色し、厚さ７０ｎｍ程度で紫色、１５０ｎｍ程度で緑色、２００ｎｍ程度でピンク色を呈することが知られている。本例では、厚さ７０ｎｍの皮膜を形成した。

そして最後に、アナターゼ型酸化チタン粒子を担持させて光触媒層２４を形成する焼き付け処理を行う。
表面に酸化チタンベース層２３が形成されたチタン箔２２をアナターゼ型酸化チタン粒子２６を分散したスラリー中にディッピングした後、これを５５０℃で焼き付けると、図５（ｃ）に示すように、チタン箔２２の表裏両面及び微細流路２１の内壁面に光触媒層２４が形成される。

このように製造された光触媒エレメント９の酸化チタンベース層２３と光触媒層２４は、酸化チタン同士が結合することになるので、その結合性が極めて強くなり、その結果、光触媒層２４が剥がれ難くなる。
さらに、エッチング処理により微細流路２１を形成したことにより表面が複雑な凹凸形状をなし、陽極酸化皮膜でなる酸化チタンベース層２３はミクロンオーダーの微細なひび割れ２８を生ずるため、その上に光触媒層２４が強固に結合するだけでなく、表面積が増え、処理効率が格段に向上する。また、ＵＶ光を照射したときに光触媒層２４の表面及び酸化チタンベース層２３との界面で乱反射／光散乱が起き、ＵＶ光を効率よく利用できる。
さらにまた、チタン箔を使用したことで、耐熱性、耐薬品にも優れるため、過酷な使用条件の下でも使用に耐え得る。

なお、ハウジング５の正面側には駆動回路１５が配され、スイッチボタン１６及びモニタランプとなるＬＥＤ１７が正面に露出するように取り付けられ、底部には電源となる単４型乾電池２本を収容する電池ケース１８が取り付けられている。

以上が本発明の一構成例であって、次に、その作用を説明する。
空気清浄機１は、スイッチボタン１６をオンすると、例えば、３０分連続運転した後、２時間停止して、再び３０分間連続運転するというように自動的に断続運転されている。
運転中は、平板電極８と針状電極１４が反対極性のプラズマ発生電極として機能する。

ここで、プラズマ放電を起こす一方の電極が針状電極１４であるので、絶縁破壊電圧が低く、電池のような低電圧小容量電源を使用しても、これを昇圧することにより簡単に常温大気圧プラズマ放電を生じさせることができる。
ここで、常温大気圧プラズマは雰囲気空気中に窒素及び酸素を含むため、酸化チタン光触媒を励起可能な波長３００〜３８０ｎｍにいくつかのピークを有する紫外光を発する。
また、針状電極１４は、平板電極８の装着孔９に取り付けられた筒状の多孔質光触媒エレメント７の下端開口部１２から浄化処理空間６内に突出するように設けられており、針状電極１４の先端は多孔質光触媒エレメント７により囲まれているので、プラズマ放電により針状電極１４の先端で生じた紫外光は多孔質光触媒エレメント７に照射され、多孔質光触媒エレメント７がその紫外光により励起された状態になる。

この空気清浄機１を家庭用大型冷蔵庫の庫内背面側に置く。
すなわち、家庭用大型冷蔵庫は、一般に、庫内背面側上方から手前に向かって冷気が噴出され、扉面側に沿って上方から下方へ降下しながら周囲を冷却し、これによって温度上昇した空気が背面側の壁面に沿って下方から上方へ上昇する循環対流が形成されている。
したがって、空気清浄機１を冷蔵庫内背面側に置けば、ハウジング５の下方開口部４から上方開口部３へ抜ける空気流が形成される。

そして、ハウジング５の底面側開口部４からハウジング５内に流入した空気は、プラズマ励起光触媒ユニット２の筒状の多孔質光触媒エレメント７の下端開口部１２から浄化処理空間６に流入する。
また、多孔質光触媒エレメント７は、多数のラビリンス流路により網状に形成されているので、このエレメント7を透過して浄化処理空間６の外側から内側に流入した空気も浄化されるので、滞留が起こりにくく処理効率に優れる。
浄化処理空間６では、針状電極１４と平板電極８との間でプラズマ放電を生じているので、空気中に含まれる臭気成分等の汚染物質が、そのプラズマの作用により浄化処理されると共に、紫外光により励起された多孔質光触媒エレメント７に接触してその光触媒作用により二重に浄化処理される。

このように浄化処理された空気が、冷蔵庫内の対流に流されて、多孔質光触媒エレメント７の上端開口部１１からハウジング５の上方開口部３を通って冷蔵庫内に送り出されるので、冷蔵庫内の臭気成分やその他の汚染物質が除去されて清浄な状態に維持される。
出願人の実験によれば、従来の冷蔵庫用脱臭剤などに比して、庫内環境の改善が顕著であった。

本発明は、冷蔵庫、下駄箱、クローゼット、自動車などの内部空気を浄化する空気清浄機に用いて好適である。

１空気清浄機
２プラズマ励起光触媒ユニット
３、４開口部
５ハウジング
６浄化処理空間
７多孔質光触媒エレメント
８平板電極
９装着孔
１１、１２開口部
１３隔壁
１４針状電極

Claims

空気流路中にプラズマ励起光触媒ユニットが配され、空気中の汚染物質を常温大気圧プラズマ放電により分解すると共に、プラズマ放電に伴って生じた紫外光で励起された光触媒により分解するプラズマ／光触媒併用型の空気清浄機において、
前記プラズマ励起光触媒ユニットは、平板電極に形成された装着孔に筒状の多孔質光触媒エレメントが取り付けられると共に、当該光触媒エレメントの内側空間が空気の流通する浄化処理空間として形成され、
前記平板電極との間でプラズマ放電を生じさせる針状電極が、前記多孔質光触媒エレメントの一方の開口部から浄化処理空間内に突出するように設けられたことを特徴とする空気清浄機。
前記多孔質光触媒エレメントは、通気孔となる多数の微細流路が形成されたチタン箔を筒状にし、その表面に陽極酸化皮膜による酸化チタンベース層が形成され、さらに、その表層に光触媒層となるアナターゼ型酸化チタン粒子が焼き付けられてなる請求項１記載の空気清浄機。
前記プラズマ励起光触媒ユニットは、平板電極に形成された複数の装着孔のそれぞれに筒状の多孔質光触媒エレメントが取り付けられると共に、針状電極がそれぞれの浄化処理空間内に向けて設けられてなる請求項１又は２記載の空気清浄機。
前記多孔質光触媒エレメントが、平板電極の片側に延設され、その延設側開口部から浄化処理空間内に向けて針状電極が設けられて成る請求項１乃至３いずれか記載の空気清浄機。
前記プラズマ励起光触媒ユニットが、上下に空気流入流出用の開口部を形成したハウジング内に設けられ、当該ハウジングには、外部から取り入れられた空気が前記プラズマ励起光触媒ユニットの浄化処理空間を通って外部に流出される空気流路が形成されて成る請求項１乃至４いずれか記載の空気清浄機。