JP7176948B2

JP7176948B2 - 空気清浄器

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Publication number: JP7176948B2
Application number: JP2018248701A
Authority: JP
Inventors: 和正大角; 祐幸森戸
Original assignee: Sunstar Giken KK
Current assignee: Sunstar Giken KK
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2018-12-28
Publication date: 2022-11-22
Anticipated expiration: 2038-12-28
Also published as: JP2020109328A

Description

本発明は空気清浄器に関する。詳しくは、紫外線触媒反応を利用した空気清浄器に関する。

従来の紫外線触媒反応を利用した空気清浄器は、紫外線発光体として、水銀ランプが使用されてきた。しかしながら、水銀については、健康、および環境被害を防ぐため、「水銀に関する水俣条約」が締結（2013年）され、大気中への放出等が規制された。水銀ランプの使用もいずれ禁止される流れにある。他方、ＬＥＤ技術が発展し、４００ｍＷの強力な紫外線を発光するＬＥＤが出現した。また、発明者は光触媒となるアナターゼ型酸化チタンを強固に担持させ、光触媒の表面積を大きくしたメッシュ型の光触媒シートを開発した（特許文献１、２参照）。このメッシュ型の光触媒シートを空気の流路に設置し、ＬＥＤからの紫外光を照射することにより、光触媒反応を誘起させて空気の清浄化を促進できる。

また、図１２に示すように、発明者達は、棒状の金属製基板１０Ｇに多数のＬＥＤ２０を配置した光源を検討した。しかしながら、ＬＥＤ数が増すにつれて製造コストがかかるという不具合が生じた。

特開２０１４－０９４３４０号公報国際公開ＷＯ２０１８／１４７４４４号公報

そこで、如何にして少数のＬＥＤからの紫外光を光触媒シートに効率的に導くかが課題であった。

本発明は、光触媒を用いる空気清浄器において、少数のＬＥＤで広範囲に光を発散させ、効率的に光触媒シートで触媒反応を誘起させる、空気清浄器を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様における空気清浄器１は、例えば図１Ａに示すように、
紫外線透過材料で形成された棒状又は筒状の導光部品１０と、
導光部品１０の端面から紫外光を導入する発光ダイオード２０と、
導光部品１０を取り囲む光触媒チタンメッシュフィルタ３０とを備え；
導光部品１０の表面に紫外光を散乱させる散乱層１１（図２参照）を設けることにより、
導光部品１０に導入された紫外光が散乱層１１で散乱されて光触媒チタンメッシュフィルタ３０に照射され、光触媒反応が誘起されて有機物を分解することにより空気を清浄化することを特徴とする。

ここにおいて、棒状は丸棒状、筒状は円筒状であることが導光の損失が小さいので望ましいが、導光部品１０から紫外光が散乱されれば、必ずしも丸棒状、円筒状でなくても良い。導光部品１０の端面も鏡面研磨されているのが紫外光導入の損失が小さいので望ましいが、紫外光が導光部品１０に導入されれば、必ずしも研磨されていなくても良い。また、散乱層１１は散乱光量が多いことが好ましいが、所定量の散乱、例えば光触媒チタンメッシュフィルタ３０上で１２ｍＷ／ｃｍ^２以上あれば散乱層１１とみなして良い。
このように構成すると、光触媒を用いる空気清浄器において、数少ないＬＥＤで広範囲に光を発散させ、効率的に光触媒シートで触媒反応を誘起させる空気清浄器を提供することができる。
従来の棒状又は筒状の導光部品の表面に光触媒を配置する場合に比して、導光部品から離れた光触媒チタンメッシュフィルタに光触媒を配置する場合には、光触媒を配置できる表面積をかなり広くとれるので、触媒反応を促進できる。また、光触媒に触れる空気量も増えるので空気の清浄化を促進できる。

本発明の第２の態様における空気清浄器１は、第１の態様において、例えば図３に示すように、導光部品１０Ｂの側面の散乱層１１の密度は中央部で密、端部近傍で粗であることを特徴とする。
このように構成すると、導光部品１０Ｂの長手方向に、より均一に紫外光を散乱できる。

本発明の第３の態様における空気清浄器は、第１又は第２の態様において、例えば図９に示すように、導光部品１０Ｄは筒状であり、筒状の導光部品１０Ｂの中空部に微小粒を含む樹脂が埋め込まれていることを特徴とする。
このように構成すると、導光部品１０Ｄの内部の微小粒からも光を散乱できるので、散乱光量を増加できる。

本発明の第４の態様における空気清浄器１Ｅは、第１又は第２の態様において、例えば図１０Ａに示すように、導光部品１０Ｅについて、およそ光触媒チタンメッシュフィルタ３０に対向する長さに相当する部分を斜めに切断して、反射鏡２２を挟み込むことを特徴とする。
このように構成すると、反射鏡２２からの反射が加わって光源からの入射光の殆どが光触媒シートの方向に向かって出力される。

本発明によれば、光触媒を用いる空気清浄器において、少数のＬＥＤで広範囲に光を発散させ、効率的に光触媒シートで触媒反応を誘起させる、空気清浄器を提供することができる。

実施例１に係る空気清浄器（導光部品の両端面に発光ダイオードを配置）の構成例を示す図である。実施例１に係る空気清浄器（導光部品の片端面に発光ダイオードを配置）の構成例を示す図である。実施例１に係る紫外線２次光源の構成例を示す図である。導光部品に光散乱微細パターンのグラデーションを付した例を示す図である。光触媒チタンメッシュフィルタの例を示す図である。光触媒チタンメッシュフィルタのメッシュ構造を示す図である。実施例１に係る空気清浄器全体（制御装置をふくむ）の構成例を示す図である。実施例１に係る空気清浄化フローの例を示す図である。実施例２に係る紫外線２次光源の構成例を示す図である。実施例３に係る紫外線２次光源の構成例を示す図である。実施例４に係る紫外線２次光源（導光部品の両端面に発光ダイオードを配置）の構成例を示す図である。実施例４に係る紫外線２次光源の構成例（導光部品の片端面に発光ダイオードを配置）を示す図である。実施例５に係る空気清浄器の概念を示す図である。従来の空気清浄器の紫外線発光体の構成例を示す図である。

以下に、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。同一又は相当する装置・
部分には同じ符号を付して、重複した説明を省略する。

図１Ａに実施例１に係る空気清浄器の構成例を示す。本実施例では光透過部品として、紫外線透過材料としての石英又はガラスで形成された丸棒を使用する例を説明する。まず、発光ダイオードが導光部品の両端面に配置される例について説明する。
図１Ａにおいて、左側に（ａ）断面図、右側に（ｂ）側面図を示す。空気清浄器１は、丸棒状の紫外線２次光源（以下、棒状又は筒状の紫外線２次光源を線状ＵＶランプともいう）２の周りを光触媒チタンメッシュフィルタ（以下、光触媒シートともいう）３０が取り囲む構成をしている。

光触媒チタンメッシュフィルタ３０は、光触媒であるアナターゼ型酸化チタンを強固に担持させたメッシュ型の光触媒シートである。メッシュ型であるため、空気の流路に光触媒シート３０を置けば、光触媒シート３０のメッシュを通過して空気が流れる。紫外線２次光源２から散乱された紫外光がメッシュに固着したアナターゼ型酸化チタンに照射されると触媒反応が誘起され、促進されて、メッシュに触れた空気中の有機ガスが分解され、空気が清浄化される。
光触媒による分解をより効率的に行わせるためには、光触媒と光源との距離及び流路を考慮する必要があるが、光触媒チタンメッシュフィルタ３０は球状や円筒状が効率的である。しかし、球状の場合は製作が困難なので、円筒状が理想的といえる。円筒状フィルタの場合は棒状（円柱状）又は円筒状の２次光源に適合するので、光触媒シート３０は円筒形に加工しやすいことが必要である。

本発明に係る光触媒シート３０は、周期的パターンを有する網状チタンシートの表面に酸化チタン被膜が形成され、当該酸化チタン被膜にアナターゼ型酸化チタン粒子が担持されていることを特徴とする。また、本発明に係る光触媒シート３０の製造方法は、チタンからなる金属基板に複数の傷を形成し、さらに、金属基板の両端を引き延ばして周期的パターンを有する網状のエキスパンドチタンメッシュシートとし、エキスパンドチタンメッシュシートに陽極酸化処理及び／または加熱処理を施して表面に酸化チタン被膜を形成し、酸化チタン皮膜にアナターゼ型酸化チタン粒子を担持させることを特徴とする。この場合、引っ張ってエキスパンドメタルにしたときに、穴が横になるように形成され、空気抵抗が大きくなる。これにより、空気浄化のための接触面積が大きくなり、浄化効率がより向上する。又は、本発明に係る光触媒シート３０の製造方法は、チタンのワイヤーを編み込み周期的パターンを有する網状のチタンワイヤーメッシュシートとし、チタンワイヤーメッシュシートに陽極酸化処理及び／又は加熱処理を施して表面に酸化チタン被膜を形成し、酸化チタン被膜にアナターゼ型酸化チタン粒子を担持させることを特徴とする。

エキスパンドチタンメッシュシートの厚みは、例えば０．０５～３ｍｍが好ましく、０．２～２ｍｍがより好ましい。エキスパンドチタンメッシュシートの開口率は、１０～８０％が好ましく、３０～６０％がより好ましい。また、酸化皮膜の厚みは、例えば７０～１５０ｎｍが好ましい。酸化チタン被膜と光触媒層は、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、光触媒層が剥がれ難くなる。

導光部品１０の長さＷ，光触媒シート３０の長さＬ、導光部品１０と光触媒シート３０間の間隔をｄとすると、Ｗ＝（Ｌ－２ｄ）±２０％が好適である。ただし、導光部品１０と光触媒シート３０間の間隔が大きくなると（例えば、ｄ＞導光部品の半径）、光漏れが生じるので、Ｗ＝（Ｌ－２ｄ）±３０％が好適となる。
また、棒状又は筒状の導光部品の表面に光触媒を配置する場合に比して、導光部品１０から離れた光触媒チタンメッシュフィルタ３０に光触媒を配置する場合には、光触媒を配置できる表面積をかなり広くとれるので、多数の光触媒を配置でき、触媒反応を促進できる。また、光触媒に触れる空気量も増えるので空気の清浄化を促進できる。

図１Ｂに、発光素子が１個の例を示す。図中、空気清浄器を１ｓで示す。発光ダイオード２０が１個でも、発光ダイオード２０からの光が導光部品１０に入射されれば、導光部品１０の表面から光触媒シート３０の方向に散乱されるので、光触媒シート３０で触媒反応を誘起させ、空気を清浄化できる。

図２に本実施例に係る紫外線２次光源２の構成例を示す。左側に（ａ）断面図、右側に（ｂ）側面図を示す。
紫外線２次光源２は、石英又は紫外線透過ガラスで形成された丸棒状の導光部品１０の両端に紫外線を発光する発光ダイオード（ＬＥＤ）２０を配置して構成される。ＬＥＤ２０は発光素子を内包する発光部２０Ａが放熱器２０Ｂに搭載され、放熱器２０Ｂを介して外側（空中）に放熱すると共に、発光部２０Ａから導光部品１０の鏡面研磨された端面に向けて紫外光を出射し、導光部品１０に紫外線を導入する。紫外光の波長は例えば１５０ｎｍないし３７５ｎｍである。現時点では、波長＜１５０ｎｍでは透光に適する材料を適用するのが困難であり、波長＞３７５ｎｍでは光触媒反応が困難だからである。

導光部品１０の側面（外周面）にはブラスト、エッチング等により、紫外光を散乱させる散乱層１１を設ける。側面が滑らかな導光部品１０では屈折率が空気より大きいので紫外線は導光部品１０内に閉じ込められ外に出ない。散乱層１１を設けることにより、散乱層１１から外側に向けて紫外光が発散される。また、長い丸棒状の導光部品１０を用いることにより、数少ない（２個の）ＬＥＤ２０で広範囲に紫外光を発散させられる。
これにより、数少ないＬＥＤで広範囲に光を発散させられ、効率的に光触媒シートで触媒反応を誘起させられる。

図３に導光部品の散乱層１１（外周に設けられた）に微細パターンのグラデーションを付した例を示す。中央部での凹凸の度合いを蜜に、端部近傍での凹凸の度合いを粗とした例である。導入された紫外線は端部近傍で強く、中央部で弱いと考えられるので、中央部での散乱光を多く、端部近傍での散乱光を少なくするように、凹凸の度合いに勾配を付することにより、導光部品１０Ａからの散乱光を長さ方向に均一化するものである。

図４に光触媒チタンメッシュフィルタ３０の例を示す。光触媒チタンメッシュフィルタ３０は円筒状に形成され、フィルタ担持冶具３１を用いて壁面等に取り付けられる。そして、光触媒チタンメッシュフィルタ３０の筒中に紫外線２次光源２の導光部品１０が収納される。導光部品１０側面の散乱層１１から散乱された紫外線が光触媒チタンメッシュフィルタ３０に担持されたアナターゼ型酸化チタンに照射されて、光触媒反応が誘起される。このようにして、空気清浄器１が構成される。

図５に光触媒チタンメッシュフィルタのメッシュ構造を示す。ＳＥＭ写真を模写したものである。チタンの網目構造が形成されていることが解る。

図６に本実施例に係る空気清浄器１全体（制御装置を含む）の構成例を示す。導光部品１０の両端にそれぞれＬＥＤ２０が配置され、導光部品１０表面の散乱層１１から紫外線が発散される。すなわち、導光部品１０と２個のＬＥＤ２０で線状ＵＶランプ２が構成されている。そして、線状ＵＶランプ２の周りを光触媒チタンメッシュフィルタ３０が取り囲んでいる。線状ＵＶランプ２から射出された紫外線が光触媒チタンメッシュフィルタ３０に照射されて、光触媒反応が誘起される。

線状ＵＶランプ２は制御装置４０に接続される。制御装置４０は、例えば、ＵＶランプ安定器又はＬＥＤドライバーを含む。ＵＶランプ安定器またはＬＥＤドライバーは、ＬＥＤ２０の駆動を制御し、発光を安定化させる。制御装置４０は、電源入力部４１を介して外部より電力を供給される。またＩｏＴ（物のインターネット）チップ４２を有し、ＩｏＴチップ４２はスマートフォン４３Ａやパーソナルコンピュータ４３Ｂからの指示により、ワイヤレス通信により遠隔から線状ＵＶランプ２を制御する。例えば、光源情報（玉切れ、運転時間等）を取得して、ＬＥＤの交換を通知し、また、運転時間の設定を行う。また、機器制御（ＯＮ／ＯＦＦ制御、電流調整、光強度調整）を行う。

図７に本実施例に係る空気清浄化フローの例を示す。
まず、ＬＥＤ２０からの紫外光を導光部品１０に導入する（Ｓ１０１）。次に、導光部品１０に導入された紫外光が、表面に形成された散乱層１１から散乱される（Ｓ１０２）。次に、散乱された紫外光が、導光部品１０を取り巻く光触媒チタンメッシュフィルタ３０に照射される（Ｓ１０３）。次に、光触媒チタンによる光触媒反応が誘起、促進される（Ｓ１０４）。これにより、空気が清浄される（Ｓ１０５）。

以上により、本実施例によれば、光触媒を用いる空気清浄器において、数少ないＬＥＤで広範囲に光を発散させ、効率的に光触媒シートで触媒反応を誘起させる空気清浄器を提供できる。

実施例１では光透過部品として石英又は紫外線透過ガラスで形成された丸棒状の部品を使用する例を説明したが、本実施例では。石英又は紫外線透過ガラスで形成された円筒状の部品を使用する例を説明する。

図８に本実施例に係る空気清浄器の紫外線２次光源２Ａの構成例を示す。
紫外線２次光源２Ｃは、石英又は紫外線透過ガラスで形成された円筒状の導光部品１０Ｃの両端に紫外線を発光する発光ダイオード（ＬＥＤ）２０を配置して構成される。ＬＥＤ２０は発光素子を内包する発光部２０Ａが放熱器２０Ｂに搭載され、放熱器２０Ｂを介して外側（空中）に放熱すると共に、発光部２０Ａから導光部品１０の鏡面研磨された端面に向けて紫外光を出射し、導光部品１０Ｃに紫外線を導入する。紫外光の波長は例えば１５０ｎｍないし３７５ｎｍである。導光部品１０Ｃの側面（外周面）にはブラスト、エッチング等により、紫外光を散乱させる散乱層を設ける。側面が滑らかな導光部品１０Ｃでは屈折率が空気より大きいので紫外線は基本的には、導光部品１０Ｃの円筒状の固体部分に閉じ込められ、外側及び中空側に出ない。散乱層を設けることにより、散乱層から外側に向けて紫外光が発散される。また、長い円筒棒状の導光部品１０Ｃを用いることにより、数少ない（２個の）ＬＥＤで広範囲に紫外光を発散させられる。
これにより、数少ないＬＥＤで広範囲に光を発散させられ、効率的に光触媒シートで触媒反応を誘起させられる。ＬＥＤが片側１個に配置の場合も、同様に数少ない（１個の）ＬＥＤで広範囲に紫外光を発散させられる。

実施例２では光透過部品として石英又は紫外線透過ガラスで形成された円筒状の部品を使用する例を説明したが、本実施例では。石英又は紫外線透過ガラスで形成された円筒状の部品の中を樹脂で埋め込む例を説明する。

図９に本実施例に係る空気清浄器の紫外線２次光源２Ｄの構成例を示す。
紫外線２次光源２Ｄは、石英又は紫外線透過ガラスで形成された円筒状の導光部品１０Ｄの中に樹脂で埋め込み、両端に紫外線を発光する発光ダイオード（ＬＥＤ）２０を配置して構成される。ＬＥＤ２０は発光素子を内包する発光部２０Ａが放熱器２０Ｂに搭載され、放熱器２０Ｂを介して外側（空中）に放熱すると共に、発光部２０Ａから導光部品１０Ｄの鏡面研磨された端面に向けて紫外光を出射し、導光部品１０Ｄに紫外線を導入する。紫外光の波長は例えば１５０ｎｍないし３７５ｎｍである。導光部品１０Ｄの側面（外周面）にはブラスト、エッチング等により、紫外光を散乱させる散乱層を設ける。側面が滑らかな導光部品１０Ｄでは屈折率が空気より大きいので紫外線は導光部品１０Ｄ内に閉じ込められ外に出ない。ただし、中空部を樹脂で埋め込むので、中空部にも紫外光が出る。樹脂の屈折率で円筒内部の紫外線の導光の状況が変化するので、樹脂の屈折率で調光可能である。また、樹脂に小ビーズ等を分散させると内部散乱層として使用できる（図９はこの状態を示す）。側面及び内部に散乱層を設けることにより、散乱層から外側に向けて紫外光が発散される。また、長い円筒棒状の導光部品１０Ｄを用いることにより、数少ない（２個の）ＬＥＤで広範囲に紫外光を発散させられる。
これにより、数少ないＬＥＤで広範囲に光を発散させられ、効率的に光触媒シートで触媒反応を誘起させられる。ＬＥＤが片側１個に配置の場合も、同様に数少ない（１個の）ＬＥＤで広範囲に紫外光を発散させられる。

実施例２では光透過部品として石英又は紫外線透過ガラスで形成された円筒状の部品を使用する例を説明したが、本実施例では、その石英又は紫外線透過ガラス層に光反射鏡を挟み込んで、入射光全てを石英又は紫外線透過ガラス層の表面から光触媒シートの方向に向かわせる例を説明する。
図１０Ａに本実施例に係る紫外線２次光源の構成例を示す。空気清浄器を１Ｅで示す。導光部品１０Ｅをおよそ光触媒チタンメッシュフィルタ３０に対向する長さに相当する部分を斜め方向に切断して、両面反射鏡２２を挟み込む。これにより、左側の発光ダイオード２０からの光は全て両面反射鏡２２で上方向に反射されるので、導光部品１０Ｅの表面から上半分の光触媒シート３０の方向に向かって出力され、右側の発光ダイオード２０からの光は全て両面反射鏡２２で下方向に反射されるので、導光部品１０Ｅの表面から下半分の光触媒シート３０の方向に向かって出力される。すなわち、光源からの入射光の全てが光触媒シートの方向に向かって出力される。ここにおいて、光触媒チタンメッシュフィルタ３０に対向する長さに相当する部分の長さは、およそ光触媒チタンメッシュフィルタ３０の長さ±２０％とする。長過ぎるとフィルタに当たらない光が多くなり、短すぎると、光があまり当たらないフィルタ部分が多くなるからである。
その他の構成は実施例１と同様であり、実施例１と同様に、数少ないＬＥＤで広範囲に光を発散させられ、効率的に光触媒シートで触媒反応を誘起させられる。

図１０Ｂに、発光ダイオードが１個の例を示す。空気清浄器を１Ｆ、紫外線２次光源を２Ｆ、導光部品を１０Ｆで示す。両面反射鏡２２に変えて、発光ダイオード２０の反対側の端面に反射板２１を設ける。ＬＥＤ２０が１個でも、反射板２１の形状を凸面鏡や乱反射鏡など適切に設計することにより、ＬＥＤ２０からの光が導光部品１０Ｆに入射されれば、導光部品１０Ｆの表面からより均一な光を取り出せる。この場合でも紫外光が光触媒シート３０の方向に散乱されるので、光触媒シートで触媒反応を誘起させ、空気を清浄化できる。

本実施例では、空気清浄器の近傍にファンを設けて、多くの空気を空気清浄機内を通過させるようにしたものである。
図１１に実施例５に係る空気清浄器（空気清浄器の前にファン２３を設けたもの）の概念を示す。例えば、実施例１の空気清浄器１の近傍にファン２３を設けて、近傍の空気２４を空気清浄器１に吹き付けて、空気清浄器１を通過させる。これにより、室内に空気の循環が起こり、多くの空気が空気清浄器１を通る。これにより、空気清浄器１の利用効率が増加する。ファンに代えて、吸引器を用いても同様の効果を奏する。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、実施の形態は以上の例に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更を加え得ることは明白である。
例えば、以上の実施例では、導光部品が丸棒状、円筒状の例を説明したが、導光可能であれば、多角形棒状、多角形筒状等の他の形状でも良い。また、使用する紫外線の波長スペクトル、散乱光量、空気清浄器の寸法、形状、取り付け位置等を適宜変更可能である。

空気清浄器に利用可能である。

１，１ｓ，１Ｅ，１Ｆ空気清浄器
２，２ｓ，２Ａ～２Ｆ紫外線２次光源（線状ＵＶランプ）
１０，１０Ａ～１０Ｆ導光部品
１０Ｇ金属製基板
１１散乱層
２０発光ダイオード（ＬＥＤ）
２０Ａ発光部
２０Ｂ放熱器
２１反射板
２２両面反射鏡
２３ファン
２４空気
３０光触媒チタンメッシュフィルタ（光触媒シート）
３１フィルタ担持冶具
４０制御装置
４１電源入力部
４２ＩｏＴチップ
４３Ａスマートフォン
４３Ｂパーソナルコンピュータ

Claims

紫外線透過材料で形成された丸棒状又は円筒状の導光部品と、
前記導光部品の端面から紫外光を導入する発光ダイオードと、
前記導光部品を取り囲む光触媒チタンメッシュフィルタとを備え；
前記導光部品の表面に紫外光を散乱させる散乱層を設けることにより、
前記導光部品に導入された紫外光が前記散乱層で散乱されて前記光触媒チタンメッシュフィルタに照射され、光触媒反応が誘起されて有機物を分解することにより空気を清浄化することを特徴とする；
空気清浄器。
前記発光ダイオードからの紫外光を前記導光部品の両側の端面から導入する場合に、前記導光部品の表面の散乱層の密度は中央部で密、端部近傍で粗であることを特徴とする；
請求項１に記載の空気清浄器。
前記導光部品は円筒状であり、前記円筒状の導光部品の中空部に微小粒を含む樹脂が埋め込まれていることを特徴とする；
請求項１又は請求項２に記載の空気清浄器。
前記導光部品について、およそ前記光触媒チタンメッシュフィルタに対向する長さに相当する部分でかつ前記導光部品を横断する部分を斜めに切断して、反射鏡を挟み込むことを特徴とする；
請求項１又は請求項２に記載の空気清浄器。