(57)【要約】【課題】オゾンを効率よく発生することのできるオゾン発生装置を提供する。【解決手段】排気ガスの浄化に用いられるオゾンを発生させるオゾン発生装置は、原料ガスに含まれる水分の少なくとも一部を分解する分解部を備える。オゾン発生装置は、分解部で水分が分解された原料ガスを用いてオゾンを生成するオゾン生成部を備える。分解部は、原料ガスの流路であって、少なくとも一部に光触媒が配置されている流路を備える。分解部は、光触媒に光を照射する光源部を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスの浄化に用いられるオゾンを発生させるオゾン発生装置であって、
前記オゾン発生装置は、
原料ガスに含まれる水分の少なくとも一部を分解する分解部と、
前記分解部で水分が分解された前記原料ガスを用いてオゾンを生成するオゾン生成部と、
を備え、
前記分解部は、
前記原料ガスの流路であって、少なくとも一部に光触媒が配置されている前記流路と、
前記光触媒に光を照射する光源部と、
を備える、オゾン発生装置。
【請求項２】
前記流路の少なくとも一部は凹凸部を備えており、
前記光触媒は前記凹凸部の表面に配置されている、請求項１に記載のオゾン発生装置。
【請求項３】
前記光源部は発光ダイオードであり、
前記光源部は、前記光触媒の吸収ピーク波長の近傍に偏った波長の強度分布を備えた光を発生する、請求項１または２に記載のオゾン発生装置。
【請求項４】
前記分解部は、前記光源部から照射される光を前記光触媒の全体に面照射するための導光板をさらに備える、請求項１〜３の何れか１項に記載のオゾン発生装置。
【請求項５】
前記光触媒は、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）、酸化タングステン（ＷＯ３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、窒化タンタル（Ｔａ３Ｎ５）、酸窒化タンタル（ＴａＯＮ）のうち、少なくとも１つを含む、請求項１〜４の何れか１項に記載のオゾン発生装置。
【請求項６】
前記オゾン生成部が生成するオゾンの濃度は１００ｐｐｍ以上である、請求項１〜５の何れか１項に記載のオゾン発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、オゾン発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車等の排気ガスを浄化するために、オゾン発生装置で発生させたオゾンを用いる技術が知られている。例えば特許文献１には、関連する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１０５８１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
オゾン発生装置でオゾンを生成するために用いる原料ガス中に水分が含まれる場合、水分によりオゾンの生成が阻害されたり、生成されたオゾンが分解されたりするため、オゾン生成量が低下してしまう。特に車載環境で外気を原料ガスとして利用する場合には、原料ガスに水分が含まれてしまうため問題である。本明細書は、オゾンを効率的に供給可能な技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示するオゾン発生装置の一実施形態は、排気ガスの浄化に用いられるオゾンを発生させるオゾン発生装置である。オゾン発生装置は、原料ガスに含まれる水分の少なくとも一部を分解する分解部を備える。オゾン発生装置は、分解部で水分が分解された原料ガスを用いてオゾンを生成するオゾン生成部を備える。分解部は、原料ガスの流路であって、少なくとも一部に光触媒が配置されている流路を備える。分解部は、光触媒に光を照射する光源部を備える。
【０００６】
光触媒によって、原料ガスに含まれる水分を、ＯＨや水素、酸素、あるいはそれらのイオン種・ラジカルなどに分解することができる。これらの分解物が原料ガスに含まれていても、オゾン生成量の低下を抑制できる。よって、触媒作用により原料ガスに含まれる水分の分解を促すことで、オゾン生成能力の低下を抑制することができる。
【０００７】
流路の少なくとも一部は凹凸部を備えていてもよい。光触媒は凹凸部の表面に配置されていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。
【０００８】
光源部は発光ダイオードであってもよい。光源部は、光触媒の吸収ピーク波長の近傍に偏った波長の強度分布を備えた光を発生してもよい。効果の詳細は実施例で説明する。
【０００９】
分解部は、光源部から照射される光を光触媒の全体に面照射するための導光板をさらに備えていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。
【００１０】
光触媒は、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）、酸化タングステン（ＷＯ３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、窒化タンタル（Ｔａ３Ｎ５）、酸窒化タンタル（ＴａＯＮ）のうち、少なくとも１つを含んでいてもよい。
【００１１】
オゾン生成部が生成するオゾンの濃度は１００ｐｐｍ以上であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】排気ガス浄化システム１のブロック図である。
【図２】光触媒リアクタ１００の鳥観模式図である。
【図３】オゾン生成リアクタ２００の鳥観模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（排気ガス浄化システム１の構成）
図１に、本実施例の排気ガス浄化システム１のブロック図を示す。排気ガス浄化システム１は、空気吸入口２、オゾン発生装置３、ＮＯｘ吸蔵還元触媒４を備える。オゾン発生装置３は、光触媒リアクタ１００およびオゾン生成リアクタ２００を備える。
【００１４】
光触媒リアクタ１００には、空気吸入口２から空気が供給される（矢印Ｙ１）。空気は、オゾン生成用の原料ガスである。光触媒リアクタ１００は、空気に含まれる水分の少なくとも一部を分解する部位である。光触媒リアクタ１００からオゾン生成リアクタ２００には、水分が分解された空気が供給される（矢印Ｙ２）。オゾン生成リアクタ２００は、水分が分解された空気を用いてオゾンを生成する部位である。オゾン生成リアクタ２００からＮＯｘ吸蔵還元触媒４へは、高濃度のオゾンを含んだ空気が供給される（矢印Ｙ３）。ＮＯｘ吸蔵還元触媒４は、供給されたオゾンを用いて、排気ガス中のＮＯ２もしくはＮＯ３を吸蔵する。
【００１５】
（光触媒リアクタ１００の構成）
図２に、光触媒リアクタ１００の鳥観模式図を示す。光触媒リアクタ１００は、基体１１０、導光板１２０、複数の発光ダイオード１３０を備える。基体１１０の左側から空気が供給され（矢印Ｙ１）、右側へ空気が排気される（矢印Ｙ２）。従って点線の矢印で示すように、空気の流路Ｐ０が形成されている。空気は、オゾン生成の原料ガスである。基体１１０の上面には、複数のフィン１１１が配置されている。フィン１１１により、空気の流路Ｐ０に凹凸部を形成することができるため、空気と接触する表面積を大きくすることができる。基体１１０およびフィン１１１は誘電体である。
【００１６】
なお図２では、分かりやすさのために、導光板１２０が基体１１０から上方へ分離している状態を記載している。実際には、導光板１２０の下面はフィン１１１の上面に接触している。そして、フィン１１１の間のスリット部が、流路Ｐ０として機能する。
【００１７】
光触媒１１２が、基体１１０の上面およびフィン１１１の表面に塗布されている。図２では、光触媒１１２をグレーの領域で示している。これにより、流路Ｐ０の少なくとも一部に、光触媒１１２が配置されている。光触媒１１２は、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）、酸化タングステン（ＷＯ３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、窒化タンタル（Ｔａ３Ｎ５）、酸窒化タンタル（ＴａＯＮ）のうち、少なくとも１つを含む物質である。本実施例では、アナターゼ型の酸化チタンを用いた。
【００１８】
発光ダイオード１３０は、光触媒１１２に光を当てて触媒作用を発現させるための部位である。発光ダイオード１３０は、紫外〜可視域の波長の光源である。発光ダイオード１３０は、触媒作用が発生する特定の波長の光を発生する。すなわち発光ダイオード１３０は、光触媒の吸収ピーク波長の近傍に偏った波長の強度分布（スペクトル）を備えた光を発生する。光触媒がアナターゼ型の酸化チタンである場合には、吸収ピーク波長は３８０ナノメートル近傍である。
【００１９】
導光板１２０は、上面から入れた光を均一に面発光させる板である。これにより、発光ダイオード１３０から照射される光を、光触媒１１２の全体に均一に面照射することができる。なお、導光板１２０の端面から光を入れてもよい。
【００２０】
光触媒１１２である半導体にバンドギャップ以上のエネルギーの光を照射すると、価電子帯の電子が伝導帯へと励起される。励起された電子は、水を還元し水素を生成する。一方、価電子帯に形成されたホールは、水を酸化し酸素を生成する。このような分解反応によって、空気に含まれる水分を、ＯＨや水素、酸素、あるいはそれらのイオン種・ラジカルなどに分解することができる。
【００２１】
（オゾン生成リアクタ２００の構成）
図３に、オゾン生成リアクタ２００の鳥観模式図を示す。オゾン生成リアクタ２００は、放電型のオゾン生成装置である。オゾン生成リアクタ２００は、第１誘電体１１および第２誘電体１２を備えている。第１誘電体１１は、下面に第１面３１を備えた板状の部材である。第１誘電体１１は、複数の第１電極２１を内部に備えている。第２誘電体１２は、上面に第２面３２を備えた板状の部材である。第２誘電体１２は、第２面３２の近傍に配置されている複数の第２電極２２を内部に備えている。第１面３１と第２面３２とが対向するように、第１誘電体１１、第２誘電体１２が配置されている。第１面３１と第２面３２との隙間によって、放電空間Ｅ１が形成される。第１誘電体１１と第２誘電体１２との距離Ｄは、０．５〜１．０［ｍｍ］である。
【００２２】
流入口４１は、放電空間Ｅ１への原料ガスの流入口である。光触媒リアクタ１００から排気される原料ガス（水分が分解された空気）が、流入口４１に供給される（矢印Ｙ２）。排出口４２は、放電空間Ｅ１からの原料ガスの排出口である。従って、流入口４１、放電空間Ｅ１、排出口４２によって、オゾンの原料ガスのガス流路Ｐ１が形成される。図３では、ガス流路Ｐ１を点線の矢印で示している。原料ガスの流速は、１００［ｍ／ｓｅｃ］以下であることが望ましい。なお、原料ガスの流速の下限値は１．０［ｍ／ｓｅｃ］程度である。その程度の流速があれば、発生したオゾンが誘電体の表面近傍から掃気される。
【００２３】
またオゾン発生装置３は、不図示の電圧印加部を備えている。電圧印加部は、第１電極２１と第２電極２２との間に第１電圧を印加する。第１電極２１が正極、第２電極２２が負極となる。第１電圧は、交流電圧あるいはパルス電圧である。第１電圧は、例えば５［ｋＶ］である。これにより、対向する第１電極２１と第２電極２２との間で、ストリーマ状放電柱が発生する。放電柱が発生した箇所でオゾンが発生する。発生したオゾンは原料ガスが継続的に供給されることで掃気され、外部に供給される。
【００２４】
（シミュレーション結果）
本実施例に係るオゾン発生装置３のオゾン発生量をシミュレーション実験した。実験例１は、光触媒リアクタ１００を用いない比較例である。実験例１では、気温３５℃、相対湿度８５％の空気を原料ガスとして用いた。実験例２は、光触媒リアクタ１００を用いる例である。気温３５℃、相対湿度８５％の空気の水分を、光触媒リアクタ１００で分解した。これにより、相対湿度が８５％から８％へ、約１／１０に低下した。そして、気温３５℃、相対湿度８％の空気を原料ガスとして用いた。その結果、実験例１に対して実験例２では、オゾン生成量を約３倍にすることができた。
【００２５】
（効果）
工業的に使用されるオゾン発生装置（例：水質浄化や洗浄）は、原料ガスとして水分を含まない純酸素などのボンベガスが用いられる場合が多い。しかし排気ガスの浄化に使用されるオゾン発生装置は、車両に搭載される場合があるため、原料ガスとして外気（空気）を利用せざるを得ない場合がある。空気には水分が含まれてしまうため、この水分によりオゾンの生成が阻害されたり、生成されたオゾンが分解されてしまう。その結果、オゾン生成量が低下してしまう。本明細書の技術では、原料ガスである空気に含まれる水分を、光触媒によって、ＯＨや水素、酸素、あるいはそれらのイオン種・ラジカルなどに分解することができる。水分の分解物のオゾン生成およびオゾン分解への影響は少ない。よって、触媒作用により原料ガスに含まれる水分の分解を促すことで、オゾン生成能力の低下を抑制することができる。
【００２６】
本明細書の技術では、発光ダイオード１３０で光を照射する。発光ダイオードは、半導体が電気エネルギーを直接光に変換するため、変換効率が非常に高い。これにより、例えばプラズマ発光で光を照射する場合に比して、消費電力を数十分の一まで低減することができる。また発光ダイオードの波長の強度分布（スペクトル）は、化合物半導体の種類や不純物濃度によって調整することができる。よって、例えばプラズマ発光による光に比して、波長の強度分布を自由に設計することができる。これにより、光触媒の吸収ピーク波長の近傍に偏った波長の強度分布を備えた光を、光触媒に照射することができる。光触媒の触媒作用の発生効率を高めることができるため、省電力化が可能となる。
【００２７】
本明細書の技術では、導光板１２０を用いることで、発光ダイオード１３０から照射される光を光触媒１１２の全体に均一に照射することができる。これにより、光触媒の触媒作用の発生効率を高めることができるため、省電力化が可能となる。
【００２８】
空気から水分を除去または分解する装置を車載する場合には、メンテナンスフリーであること、低消費エネルギーであること、即時起動性を有すること、の３要件を全て備える必要がある。空気に含まれる水分を除去する方法としては、吸着方式、吸収方式、冷却方式、圧縮方式などが知られている。しかしこれらの方式は、上述した３要件の全てを満たさない。すなわち、吸着方式は、水分が吸着した固体を高温乾燥させるメンテナンスが必要である。吸収方式は、水分が吸着した液体を加熱濃縮させるメンテナンスが必要である。冷却方式は、冷凍機が必要であり消費エネルギーが高い。圧縮方式は、圧縮機が必要であり消費エネルギーが高い。そこで本明細書に記載の技術では、空気に含まれる水分を分解する方法として、光触媒方式を用いている。これにより、上述した３要件の全てを満たすことができる。すなわち、光触媒は自身が汚れを分解する機能を備えるため、メンテナンスフリーにすることができる。また、発光ダイオードで光を照射するため、前述したように低消費エネルギーである。そして、電子の励起により水分の分解を行うため、即時起動性を有している。これにより、車載に適したオゾン発生装置を構成することが可能となる。
【００２９】
本明細書に記載のオゾン発生装置３では、オゾン生成能力の低下を抑制できるため、１００ｐｐｍ以上という高濃度のオゾンを生成することができる。よって、ＮＯｘ吸蔵還元触媒４での排気ガスの浄化作用を高めることが可能となる。
【００３０】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【００３１】
（変形例）
光触媒リアクタ１００において、空気の流路Ｐ０に凹凸部を形成する形態は、様々であって良い。例えば、光触媒リアクタ１００上面に細かい突起を形成してもよい。
【００３２】
オゾン生成リアクタ２００は、放電型に限られず、様々な態様であってよい。例えば、ＥＵＶ照射型であってもよい。
【００３３】
光触媒に光を照射する光源部は、発光ダイオードに限らず、様々な光源を用いることができる。例えば、光触媒にドーピング等を行うことにより、可視光で触媒作用を発揮させることも可能である。この場合、自然光を用いて光触媒を作用させることができる。
【００３４】
光触媒リアクタ１００の形状は、図２に示す形態に限られない。例えば円筒形状であってもよい。また流路Ｐ０は、直線形状に限らず、屈曲させてもよい。
【００３５】
光触媒リアクタ１００は、分解部の一例である。オゾン生成リアクタ２００は、オゾン生成部の一例である。発光ダイオード１３０は、光源部の一例である。フィン１１１は、凹凸部の一例である。
【符号の説明】
【００３６】
１：排気ガス浄化システム    ２：空気吸入口    ３：オゾン発生装置    ４：ＮＯｘ吸蔵還元触媒    １００：光触媒リアクタ    １１０：基体    １１１：フィン    １１２：光触媒    １２０：導光板    １３０：発光ダイオード    ２００：オゾン生成リアクタ    Ｐ０：流路
【図１】
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【図２】
2020186152.tif 000004
【図３】
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