(57)【要約】【課題】過剰な酸素を含む排ガス中のＮＯｘを安全かつ安価な手法を用いて除去するとともに、振動等に対する耐久性を向上させる。【解決手段】処理対象となる流体が流れる流体経路５中に、表面にＺｎＯが設けられたＺｎＯ光触媒１６と、ＺｎＯ光触媒１６に対して紫外領域の波長を有する光を照射する紫外光発光ＬＥＤ１７と、を設けた。これにより、紫外光発光ＬＥＤ１７から発光される光を無駄なく吸収させて排ガス等に対する光触媒反応を効果的に進行させるとともに、消費電力を低減することができる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理対象となる流体が流れる流体経路と、
前記流体経路中に設けられ少なくとも表面にＺｎＯが設けられたＺｎＯ光触媒と、
前記流体経路中に設けられ前記ＺｎＯ光触媒に対して紫外領域の波長を有する光を照射する紫外光発光ＬＥＤと、
を具備する光触媒装置。
【請求項２】
前記紫外光発光ＬＥＤは、３４０ｎｍから３９０ｎｍの波長範囲内にピークを有する光を照射する請求項１記載の光触媒装置。
【請求項３】
前記紫外光発光ＬＥＤは、前記流体経路の一部を構成する管路部材の内壁に設けられており、
前記管路部材の外面には、前記管路部材の外面積を拡大する面積拡大部が設けられている請求項１または２記載の光触媒装置。
【請求項４】
前記紫外光発光ＬＥＤは、前記管路部材の内周側に位置づけられる部分が、１または複数種類の材料によって構成されて１．４以上２．９以下の屈折率を有し、３４０ｎｍから３９０ｎｍの波長範囲内の光に対する吸収がない光学的に透明な封止コーティング材によって封止されている請求項３記載の光触媒装置。
【請求項５】
前記ＺｎＯ光触媒は、前記管路部材に対して着脱自在に設けられている請求項３または４記載の光触媒装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光触媒装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、窒素酸化物（以降、ＮＯｘとする）の発生源のうち、最も大きなＮＯｘ発生源の１つである火力発電所などの大型固定発生源から排気されるＮＯｘの除去に関しては、アンモニアを還元剤に用いる選択接触還元法が効果を上げている。また、ＮＯｘの発生源のうち、ガソリン自動車から排気されるＮＯｘの除去に関しては、三元触媒法が実用化されており、広く利用されている。ガソリン自動車のうち、リーンバーンガソリンエンジンから排気されるＮＯｘの除去に関しては、新三元触媒法が用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、自動車やコジェネレーション用のディーゼルエンジンから排出されるＮＯｘは、深刻な大気汚染を引き起こしているとの指摘がなされている。しかしながら、ディーゼルエンジンの排ガス中には過剰の酸素が含まれているため、ガソリン自動車用の三元触媒を使用することができず、有効なＮＯｘ除去法はないのが現状である。
【０００４】
この対策として、例えば、コジェネレーション用の固定型のディーゼルエンジンから排気されるＮＯｘの除去に関しては、アンモニア還元触媒を用いてアンモニア水や尿素水を選択還元する方法が試みられているが、還元剤の扱い難さやシステム全体のコストが問題となり、この手法は自動車用には向いていないとされている。
【０００５】
このため、過剰な酸素を含む排ガス中のＮＯｘを、アンモニア以外の安全かつ安価な手法を用いて除去できる方法を緊急に開発することが重要な課題となっている。
【０００６】
ＮＯｘの除去に関しては、例えば、酸化チタン（以降、ＴｉＯ２）を光触媒として用いてＮＯｘを分解する方法が考えられている。しかしながら、ＴｉＯ２を光触媒として用いてＮＯｘを分解する手法は、ＮＯｘの分解能力が低く、およそ実用的といえる代物ではない。
【０００７】
また、ＮＯｘを分解する手法として、例えば、酸化亜鉛（以降、ＺｎＯ）を光触媒として用いる方法が考えられている。この方法では、光を照射して活性化させたＺｎＯ光触媒の表面で排ガス中に含まれるＮＯｘガスを酸化させることによってＮＯｘを分解する。ＺｎＯを光触媒とすることにより、ＴｉＯ２を光触媒とする場合と比較して、光を無駄なく効果的に吸収させることができる。ＺｎＯ光触媒に対して照射する光を発光する光源として、従来では、例えば、紫外領域の光を発光するランプが用いられる。
【０００８】
しかしながら、このような手法でも、自動車用のディーゼルエンジンから排気される排ガス中のＮＯｘを分解するために自動車に搭載した場合に、自動車の振動によってフィラメントが切れ易くなり、実用に耐えうる耐久性を得ることが困難である。
【０００９】
本発明の目的は、過剰な酸素を含む排ガス中のＮＯｘを安全かつ安価な手法を用いて除去するとともに、振動等に対する耐久性を向上させることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明の光触媒装置は、処理対象となる流体が流れる流体経路と、前記流体経路中に設けられ少なくとも表面にＺｎＯが設けられたＺｎＯ光触媒と、前記流体経路中に設けられ前記ＺｎＯ光触媒に対して紫外領域の波長を有する光を照射する紫外光発光ＬＥＤと、を具備する。
【００１１】
したがって、過剰な酸素を含む排ガス中から安全かつ安価な方法でＮＯｘを除去することができ、例えば、自動車に搭載した場合にも、ランプを用いてＺｎＯ光触媒反応を進行させた場合に懸念されるフィラメント切れ等の恐れをなくすことができる。また、紫外光発光ＬＥＤを用いてＺｎＯ光触媒を活性化させることにより、ランプを用いた場合に必要とされる昇圧回路が不要となる。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の光触媒装置において、前記紫外光発光ＬＥＤは、３４０ｎｍから３９０ｎｍの波長範囲内にピークを有する光を照射する。
【００１３】
したがって、光触媒を効果的に活性化させることができる。
【００１４】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の光触媒装置において、前記紫外光発光ＬＥＤは、前記流体経路の一部を構成する管路部材の内壁に設けられており、前記管路部材の外面には、前記管路部材の外面積を拡大する面積拡大部が設けられている。
【００１５】
したがって、面積拡大部を利用して放熱することで、紫外光発光ＬＥＤを発光させることにより発生した熱を電力消費を伴うことなく外部に放熱することができる。
【００１６】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の光触媒装置において、前記紫外光発光ＬＥＤは、前記管路部材の内周側に位置づけられる部分が、１または複数種類の材料によって構成されて１．４以上２．９以下の屈折率を有し、３４０ｎｍから３９０ｎｍの波長範囲内の光に対する吸収がない光学的に透明な封止コーティング材によって封止されている。
【００１７】
したがって、紫外光発光ＬＥＤのチップにおける屈折率に近い屈折率を有する封止コーティング材によって紫外光発光ＬＥＤを封止することにより、紫外光発光ＬＥＤから発光された光を効率よく伝播させ、紫外光発光ＬＥＤから発光した紫外光強度を減衰させることなく光触媒に対して照射させるとともに、流体経路中を流れる排ガスに紫外光発光ＬＥＤが直接曝されることを防止することができる。
【００１８】
請求項５記載の発明は、請求項３または４記載の光触媒装置において、前記光触媒は、前記管路部材に対して着脱自在に設けられている。
【００１９】
したがって、管路部材内での光触媒反応により、光触媒表面に副次的な生産物が付着する等して、光触媒反応の効率が低下した場合には、光触媒を管路部材から取り外し、別の光触媒に交換したり、取り外した光触媒を洗浄して再度取り付けたりすることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態について図１を参照して説明する。本実施の形態は、光触媒装置として、排ガス処理用の光触媒装置への適用例を示す。
【００２１】
図１は、本実施の形態の排ガス処理用の光触媒装置を示す縦断面図である。本実施の形態の光触媒装置１は、排ガス吸入口２から吸入した排ガスを、排ガス処理部３で処理して、排気口４から外部へ排気する流体経路５を備えている。
【００２２】
この流体経路５は、排ガス吸入口２を有する吸入部６、吸入部６に連通された拡散部７、拡散部７に連通されて排気口４を有する排ガス処理部３によって形成されている。
【００２３】
吸入部６は、円筒形状を有しており、円筒の一端側で開口する開口部分が排ガス吸入口２とされている。なお、本実施の形態では、円筒形状を有する吸入部６としたが、吸入部６の形状はこれに限るものではなく、例えば、内側に空洞が形成された角材のように、吸入部６に流入した排ガスの漏れを生じさせることなく、排ガス吸入口２から拡散部７に連通する流体経路５の一部を形成可能な形状を有していればよい。
【００２４】
拡散部７は、吸入部６よりも外径の大きい円筒形状を有しており、円筒の一端側で開口する開口部分８を介して、吸入部６の他端側の開口部分９に連通されている。なお、本実施の形態では、円筒形状を有する拡散部７としたが、拡散部７の形状はこれに限るものではなく、拡散部７に流入した排ガスの漏れを生じさせることなく、開口部分８から排ガス処理部３に連通する流体経路５の一部を形成可能な形状を有していればよい。
【００２５】
拡散部７において、吸入部６に連通される開口部分８は、開口部分８以外の部分が密閉状態となるように、例えば、板１０等によって閉塞されている。また、拡散部７において、排ガス処理部３に連通される他端側の開口部分１１も、排ガス処理部３に連通する開口部分１１以外の部分が密閉状態となるように、例えば、板１２等によって閉塞されている。
【００２６】
拡散部７内には、板状の拡散板１３が設けられている。拡散板１３は、面方向が開口部分８に正対するように配置されている。本実施の形態の拡散板１３は、外径が、拡散部７の内径よりも小さく設定された円板形状を有している。拡散板１３は、拡散板１３の外周面と拡散部７の内周面との間に所定寸法の隙間１４が確保されるように、拡散部７内のほぼ中央に配置されている。なお、本実施の形態では、円板形状の拡散板１３としたが、これに限るものではなく、例えば、拡散部７内の形状に応じて四角形状等の形状としてもよい。
【００２７】
排ガス処理部３は、吸入部６よりも外径が大きく拡散部７よりも外径が小さい円筒形状を有しており、円筒の一端側で開口する開口部分１５を介して拡散部７に連通されている。なお、本実施の形態では、円筒形状を有する排ガス処理部としたが、排ガス処理部の形状はこれに限るものではなく排ガス処理部３に流入した排ガスの漏れを生じさせることなく、開口部分１５から排気口４に連通する流体経路５の一部を形成可能な形状を有していればよい。排気口４は、排ガス処理部３において開口部分１５とは反対側で開口し、排ガス処理部３の内部と外部とを連通している。
【００２８】
排ガス処理部３内には、板状のＺｎＯ光触媒１６が設けられている。ＺｎＯ光触媒１６は、長手方向が排ガス処理部３の軸心方向となるように配置されている。なお、本実施の形態では、板状のＺｎＯ光触媒１６としたが、ＺｎＯ光触媒１６の形状はこれに限るものではなく、例えば、円柱や角柱等のように柱状（棒状）であってもよい。
【００２９】
ＺｎＯ光触媒１６は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）によって形成されている。ＺｎＯ光触媒１６は、全体がＺｎＯによって形成されているものに限るものではなく、例えば、ＺｎＯ以外の材料によって形成された図示しない基材表面をＺｎＯによって被覆することによって形成された光触媒であってもよい。すなわち、本実施の形態の光触媒は、表面がＺｎＯによって形成されているものであればよい。
【００３０】
なお、基材を形成する材料としては、例えば、ステンレス、金メッキニッケル合金、銅合金、チタンメッキニッケル、シリコン等が挙げられる。
【００３１】
ＺｎＯ光触媒１６は、排ガス処理部３に対して着脱自在に設けられている。着脱自在とする構造は、公知の各種技術を適用することが可能であり、ここでは、図示および説明を省略する。
【００３２】
排ガス処理部３内には、ＺｎＯ光触媒１６の板面に両側から対向するように配置された複数の紫外光発光ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）１７が設けられている。なお、本実施の形態では、ＺｎＯ光触媒１６を間にして紫外光発光ＬＥＤ１７が対向するように配置したが、紫外光発光ＬＥＤ１７の配置状態はこれに限るものではなく、例えば、ＺｎＯ光触媒１６が円柱形状である場合には、ＺｎＯ光触媒１６の全周を取り囲むように、紫外光発光ＬＥＤ１７を排ガス処理部３の内周面全域に亘って配置してもよい。紫外光発光ＬＥＤ１７は、電圧が供給される図示しない電極を備えており、この電極には図示しない電源からの電力を供給する図示しない配線が接続されている。
【００３３】
紫外光発光ＬＥＤ１７は、紫外領域の波長の光を発光するＬＥＤであり、例えば、図２（ａ），（ｂ）あるいは（ｃ）に示すように、３４０ｎｍから３９０ｎｍの波長範囲内にピークを有する発光波形の紫外光を発光する。
【００３４】
公知の技術であるためＬＥＤの発光メカニズムについては説明を省略するが、本実施の形態において紫外光発光ＬＥＤ１７が発光する紫外領域の波長とは、４００ｎｍ以下の波長を有する光を意味する。
【００３５】
紫外光発光ＬＥＤ１７は、封止コーティング材１８によって、排ガス処理部３の内周側に位置づけられる部分全体に亘って被覆されている。封止コーティング材１８は、また、紫外光発光ＬＥＤ１７の電極および配線のうち排ガス処理部３の内周側に位置づけられる部分を被覆している。封止コーティング材１８は、紫外光発光ＬＥＤ１７およびこれに対応する電極、配線を、密閉するように被覆しており、これにより、紫外光発光ＬＥＤ１７およびこれに対応する電極、配線は、排ガス処理部３の内周側において直接露出することはなく、封止コーティング材１８を介して間接的に臨むようになっている。
【００３６】
封止コーティング材１８は、１または複数種類の材料用いて構成されており、１．４以上２．９以下に設定された屈折率を有している。本実施の形態のコーティング材１８は、約２．５に設定された屈折率を有している。封止コーティング材１８は、３４０ｎｍから３９０ｎｍの波長範囲内の光に対する吸収がなく、光学的に透明な材料である。さらに、封止コーティング材１８は、電気的な絶縁性を有する材料である。封止コーティング材１８としては、例えば、透明なエポキシ樹脂を用いることが可能である。
【００３７】
ここで、表１は、封止コーティング材１８として使用可能なエポキシ樹脂の、各種波長の光に対する透過率を示している。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
なお、本実施の形態の封止コーティング材１８を実現する材料としては、表１に示す特性を有するエポキシ樹脂に限るものではない。
【００４０】
排ガス処理部３の外周側には、放熱部１９が設けられている。放熱部１９は、排ガス処理部３の外径と同等程度の内径を有する円筒形状の吸熱部材２０と、吸熱部材２０の外周側に設けられた面積拡大部としての複数のフィン２１とを備えている。フィン２１は、各紫外光発光ＬＥＤ１７の背面側にそれぞれ対応するように設けられている。放熱部１９は、例えば、アルミニウムや銅等の材料によって形成されている。
【００４１】
吸熱部材２０とフィン２１とは、一体に形成されている。吸熱部材２０の内周面２２は、全体に亘って排ガス処理部３の外周面２３に接触している。本実施の形態では、排ガス処理部３と吸熱部材２０とによって管路部材が実現されている。なお、本実施の形態では、排ガス処理部３と吸熱部材２０とによって管路部材を実現するようにしたが、これに限るものではなく、例えば、排ガス処理部３と吸熱部材２０とが一体に形成された管状の部材（図示せず）によって管路部材を実現するようにしてもよい。フィン２１は、紫外光発光ＬＥＤ１７の発光面とは反対側（背面側）となる位置よりも紫外光発光ＬＥＤ１７から離反するように、吸熱部材２０の外周面から突出している。フィン２１の形状としては、例えば、吸熱部材２０の外径と同じ内径を有するドーナツ状の円板形状とすることが可能である。また、面積拡大部は、フィン２１に限るものではなく、例えば、吸熱部材２０の外周面を凹凸させることによって外部と接触する表面積を広げる面積拡大部としてもよい。
【００４２】
このような光触媒装置１においては、排ガス処理に際して、排ガス吸入口２から処理対象となる排ガスを拡散部７内に吸入する。排ガス吸入口２から拡散部７内に吸入された排ガスは、拡散板１３に衝突して拡散され、隙間１４を介して排ガス処理部３へ流入する。排ガス吸入口２から拡散部７内に吸入された排ガスを拡散板１３に衝突させることにより、排ガス処理部３へ流入する排ガスの流入速度を抑えることができる。
【００４３】
また、排ガス処理に際しては、紫外光発光ＬＥＤ１７を点灯させ、ＺｎＯ光触媒１６に紫外領域の波長の光を照射する。
【００４４】
ＺｎＯ光触媒１６は、紫外領域の波長の光が照射されることにより光電効果を生じる。ここで、光電効果とは、光を金属に当てると電子が飛び出す現象である。ＺｎＯ光触媒１６中の電子は、この光電効果によって励起され、電子と正孔（ホール）とを発生させる。この状態におけるＺｎＯ光触媒１６は、活性化された状態であり、強い酸化能力を有している。
【００４５】
活性化された状態におけるＺｎＯ光触媒１６に排ガス処理部３へ流入した排ガスが接触すると、ＺｎＯ光触媒１６の表面において排ガス中に含まれるＮＯｘに対する酸化反応が生じ、以下に示すような反応によってＮＯｘが酸化される。本実施の形態では、この酸化反応によって排ガス中に含まれるＮＯｘが酸化される反応を光触媒反応とし、この光触媒反応による効果を光触媒効果とする。
ＺｎＯ＋ｈν（紫外線）  →  ＺｎＯ＋ｅ（電子）＋ｈ（正孔）
ｅ＋Ｏ２  →  ・Ｏ２−
ｈ＋Ｈ２Ｏ  →  ・ＯＨ＋Ｈ＋
ＮＯ＋・Ｏ２−  →  ＮＯ２＋・Ｏ−
ＮＯ２＋・ＯＨ  →  ＨＮＯ３
２Ｈ＋＋・Ｏ−  →  Ｈ２Ｏ
ただし、・Ｏ２−：活性（ラジカル）酸素分子イオン
・ＯＨ：活性（ラジカル）水酸基
・Ｏ−：活性（ラジカル）酸素原子イオン
【００４６】
光触媒反応によって酸化されたＮＯｘおよびこのＮＯｘとともに流体経路５内に流入した排ガスは、排気口４から光触媒装置１の外部へ排気される。
【００４７】
ここで、図３は、光触媒として、表面にＺｎＯを有するＺｎＯ光触媒１６と少なくとも表面にＴｉＯ２を有する光触媒とに対して各種波長の光を照射した場合の、波長変化に対するＮＯｘ濃度変化を示している。このＮＯｘの濃度変化については、図４に示すＮＯｘ濃度測定装置を用いて測定した。ＮＯｘ濃度測定装置５０は、図４に示すように、加湿器５１を介して、ＮＯｘガスとＯ２ガスとが供給される石英ガラス管５２と、この石英ガラス管５２からの排気中に含まれるＮＯｘ濃度を測定するＮＯｘ濃度測定器５３とを備えている。また、ＮＯｘ濃度測定装置５０は、石英ガラス管５２に対して紫外光を照射する光源５４を備えている。石英ガラス管５２は、光源５４から照射される紫外光以外の光を遮断するために外部と石英ガラス管５２とを隔絶する暗箱５５中に設けられている。ＮＯｘガス供給源５６、Ｏ２ガス供給源５７から加湿器５１を介して石英ガラス管５２へ至り、石英ガラス管５２からＮＯｘ濃度測定器５３まで連通する流路５８は、ＮＯｘガス供給源５６およびＯ２ガス供給源５７から供給されるＮＯｘガスおよびＯ２ガス以外のガスの流入を防止するように密閉されている。ＮＯｘ濃度測定装置５０では、測定対象となる光触媒５９を石英ガラス管５２中に配置した状態で、ＮＯｘガス供給源５６およびＯ２ガス供給源５７からＮＯｘガスおよびＯ２ガスを供給し、このときの石英ガラス管５２からの排気中に含まれるＮＯｘ濃度を測定する。
【００４８】
図３では、１ｐｐｍの濃度のＮＯｘガスを石英ガラス管５２中に供給し、この石英ガラス管５２からの排気中に含まれるＮＯｘ濃度を測定した結果を示している。
【００４９】
図３から判るように、いずれの光触媒５９を用いた場合にも同様に３４０ｎｍから３９０ｎｍの波長範囲外の光を照射した場合にはＮＯｘガスの濃度低下が認められないが、３４０ｎｍから３９０ｎｍの波長範囲の光が照射された際に高いＮＯｘ分解能力を示す傾向があることが判る。図３からは、３７０ｎｍの波長において高い活性を示していることが判る。
【００５０】
また、図３からは、特に、光触媒５９としてＺｎＯを用いた場合の方が光触媒５９としてＴｉＯ２を用いた場合よりもより効果的にＮＯｘが分解されていることが判る。すなわち、３４０ｎｍから３９０ｎｍの波長範囲の光を照射することによって、ＺｎＯ光触媒１６を効果的に活性化させることができることが判る。
【００５１】
このように、光触媒５９としてＺｎＯ光触媒１６を用い、３４０ｎｍから３９０ｎｍの波長範囲の光を照射することにより、ＴｉＯ２を光触媒５９として用いる場合と比較して、光を無駄なく効果的に吸収することができるので、光触媒効果をさらに効果的に発生させることができる。
【００５２】
ここで、図５は、図４に示すＮＯｘ濃度測定装置５０を用い、ＮＯ２ガスとＯ２ガスとを石英ガラス管５２へ供給し、光源５４を点灯した場合と、消灯した場合とにおける経時変化に対するＮＯｘ濃度変化について示している。ここでは、Ｎ２ガス中に５ｐｐｍの濃度で混合されたＮＯ２ガスをＮＯｘガス供給源５６より毎分４００ｃｃで供給するとともに、Ｏ２ガスをＯ２ガス供給源５７より毎分１００ｃｃで供給した。図５中Ａは光源５４の点灯タイミング、図５中Ｂは光源５４の消灯タイミングを示している。なお、光源５４としては蛍光灯を用いた。
【００５３】
図５から判るように、ＴｉＯ２光触媒を用いた場合、ＮＯ２濃度は、初期濃度４．４６ｐｐｍから４．３７ｐｐｍまで減少した。一方、ＺｎＯ光触媒１６を用いた場合、ＮＯ２濃度は、初期濃度４．４６ｐｐｍから４．２０ｐｐｍまで減少した。この結果より、ＴｉＯ２光触媒を用いた場合の処理能力とＺｎＯ光触媒１６を用いた場合の処理能力とを比較すると、
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となり、光触媒５９としてＴｉＯ２光触媒を用いた場合と比較して、ＺｎＯ光触媒１６を用いた場合には３倍近い処理能力を得られることが判る。
【００５４】
ところで、上述した光触媒反応に際しては、ＺｎＯ光触媒１６中の亜鉛との反応により、ＺｎＯ光触媒１６表面に硝酸亜鉛等が析出する。硝酸亜鉛が析出することにより、ＺｎＯ光触媒１６と排ガスとの接触面積が低下して光触媒反応が阻害され、光触媒反応効率が低下してしまうことが懸念される。
【００５５】
本実施の形態の光触媒装置１では、排ガス処理部３に対してＺｎＯ光触媒１６が着脱自在に取り付けられているため、硝酸亜鉛が析出したＺｎＯ光触媒１６を定期的に排ガス処理部３から取り外し、別のＺｎＯ光触媒１６に交換したり、ＺｎＯ光触媒１６表面に存在する硝酸亜鉛等の副次的な生成物を洗浄した後に再度取り付けたりすることによって、初期段階での光触媒反応効果を維持することができる。
【００５６】
なお、ＺｎＯ光触媒１６表面に存在する硝酸亜鉛の洗浄に際しては、通常の水、中性または弱アルカリ性の洗濯洗剤を用いて光触媒表面を洗浄するだけで十分な洗浄効果を得ることができる。ここでは、例えば、水道水を「通常の水」として利用することができる。
【００５７】
ところで、紫外光発光ＬＥＤ１７において、電子および正孔が再結合する際には、必ず光子を外部に放出するが、このときに生じる光エネルギーが全て利用できるわけではない。これは、電源から供給された電子と正孔とがすべて再結合できるとは限らないためであり、再結合には寄与せずに、オーム抵抗によって熱として失われてしまう部分もある。
【００５８】
また、電源から供給された電子と正孔とが再結合したからといって、それが必ず光子を生み出すとは限らない。再結合しても光としてエネルギーを放出せずに、エネルギーの一部を熱として放出する場合もある。
【００５９】
このように、光エネルギーの利用効率には各種の条件に応じて差異が生じる。ここで、再結合する電子の数に対して生み出された光子の割合を「内部量子効率（ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）」とする。
【００６０】
さらに、外部に放出された光子が全て光エネルギーとなるとは限らず、例えば、封止コーティング材１８における境界面での全反射等が生じた場合等には、光子が封止コーティング材１８から排ガス処理部３内に出てこない場合もある。
【００６１】
ここで、紫外光発光ＬＥＤ１７において発生した光子の数に対して、封止コーティング材１８を通過し外部に出てくる光子の数の割合を「光取り出し効率（ｌｉｇｈｔ−ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）」とすると、「外部量子効率（ｅｘｔｅｒｎａｌ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）」は、内部量子効率に、この光取り出し効率を考慮したものとして表すことができる。
【００６２】
ところで、光の反射や屈折は、或る屈折率を有する媒質中から別の屈折率を有する媒質へ伝播する際に生じる。特に、屈折率の高い媒質から屈折率の低い媒質への伝播に際して大きく反射される。屈折率に差がある２種類の媒質間における屈折においては、該屈折率の差によって臨界角が決定される。この臨界角とは、屈折率に差が或る２種類の媒質間を伝播する光を全て反射するような角度である。
【００６３】
一般に、ＬＥＤチップ等の光を放出する半導体は、空気の屈折率（１）等よりも高い屈折率を有している。空気の屈折率との差が大きいため、半導体から放出される光のうち臨界角を超える光が増える。すなわち、この半導体を外部から見た場合、中では光っているが、その光が半導体外部に出てくることがないため、光っていないように見えてしまうという現象が生じる。
【００６４】
本実施の形態では、１．４以上２．９以下の屈折率（約２．５に設定されており、）を有し、３４０ｎｍから３９０ｎｍの波長範囲内の光に対する吸収がない光学的に透明な封止コーティング材１８によって紫外光発光ＬＥＤ１７が被覆されているため、封止コーティング材１８の屈折率を紫外光発光ＬＥＤ１７の屈折率に近付け、光が通過する境界における屈折率の差を小さくして、界面で反射されてしまい外部に出てこなくなる光量を減らすことができる。これにより、紫外光発光ＬＥＤから発光した紫外光強度を減衰させることなく光触媒に対して照射させることができる。
【００６５】
また、上述したように、紫外光発光ＬＥＤ１７と封止コーティング材１８との間に空気が混入してしまうと屈折率の差が大きい界面が生じてしまうこととなるが、本実施の形態では、封止コーティング材１８によって紫外光発光ＬＥＤ１７の周囲を隙間無くコーティングすることにより、紫外光発光ＬＥＤ１７と空気とのような屈折率の差が大きくなる界面をなくすことができる。これにより、界面で反射されてしまい外部に出てこなくなる光量を確実に減らし、紫外光発光ＬＥＤ１７から発光した紫外光強度を減衰させることなく光触媒に対して効果的に照射させることができる。
【００６６】
なお、封止コーティング材１８による紫外光発光ＬＥＤ１７のコーティングに際しては、コーティング時間やコーティング温度および圧力等を調整したり、途中脱泡作業を行ったりすることで、紫外光発光ＬＥＤ１７と封止コーティング材１８との間に空気が混入することを防止することが可能である。封止コーティング材１８等の樹脂材料による紫外光発光ＬＥＤ１７のコーティングに際しては、公知の技術であるため説明を省略する。
【００６７】
これによって、上述の外部量子効率を格段に向上させることができる。外部量子効率が向上することにより、ＺｎＯ光触媒１６における活性化状態を高めることができるので、光触媒効果による排ガスの処理効率を向上させることができる。
【００６８】
また、封止コーティング材１８は、紫外光発光領域全域に亘り紫外光発光ＬＥＤ１７を密閉状態で被覆しているため、流体経路５中を流れる排ガスに紫外光発光ＬＥＤ１７が直接曝されることを防止することができ、紫外光発光ＬＥＤ１７の劣化を抑制し、紫外光発光ＬＥＤ１７による安定した発光動作を確保することができる。紫外光発光ＬＥＤ１７による発光動作が安定することにより、安定した光触媒反応を行わせることができ、光触媒装置１による排ガス処理能力を安定化することができる。
【００６９】
ところで、一般的に、ＬＥＤは、発光に際して発熱を伴うが、この発熱によってＬＥＤが過度に昇温すると、ＬＥＤの発光効率が低下し、同じ発光量を得るためには発熱していない場合よりも多くの電力を必要とする。これは、本実施の形態で用いられている紫外光発光ＬＥＤ１７においても同様である。
【００７０】
これに対し、本実施の形態では、排ガス処理部３の外側に放熱部１９が設けられているため、紫外光発光ＬＥＤ１７の発光により発生した熱を、排ガス処理部３および放熱部１９中を伝導させて外部へ放熱することができる。ここで、排ガス処理部３の外周面２３と放熱部１９の内周面２２とが全体に亘って接触しているため、紫外光発光ＬＥＤ１７への通電により発生した熱は、排ガス処理部３の壁を介して放熱部１９に伝導される。放熱部１９における吸熱部材２０には、紫外光発光ＬＥＤ１７の背面側より紫外光発光ＬＥＤ１７から離反するように突出するフィン２１が設けられているため、放熱部１９を広い面積で外部に接触させることができる。
【００７１】
これによって、放熱部１９は、吸熱部材２０に伝導された熱をフィン２１を利用して効率よく外部に放熱し、紫外光発光ＬＥＤ１７の発光に伴う発熱を抑制することができるので、紫外光発光ＬＥＤ１７により発生する熱を放熱するために必要とする電力を抑制することができる。
【００７２】
また、より少ない電力でも強く発光させることが可能となるため、電力消費を抑制するだけでなく、光触媒効果を向上させることができる。
【００７３】
なお、特に図示および説明を省略するが、フィン２１に対して送風することでフィン２１からの放熱を促進する送風機構を設けたり、冷却媒体が導通される冷却部材をフィンに接触させる冷却機構を設けたりした光触媒装置としてもよい。これにより、なお一層の放熱効果を高めることができる。
【００７４】
【発明の効果】
請求項１記載の発明の光触媒装置によれば、処理対象となる流体が流れる流体経路と、前記流体経路中に設けられ少なくとも表面にＺｎＯが設けられたＺｎＯ光触媒と、前記流体経路中に設けられ前記ＺｎＯ光触媒に対して紫外領域の波長を有する光を照射する紫外光発光ＬＥＤと、を具備するため、過剰な酸素を含む排ガス中から安全かつ安価な方法でＮＯｘを除去することができ、例えば、自動車に搭載した場合にも、ランプを用いてＺｎＯ光触媒反応を進行させた場合に懸念されるフィラメント切れ等の恐れをなくし、取り扱い性を低下させたりコストを上昇させたりすることなく、振動等に対する耐久性を向上させることができる。また、紫外光発光ＬＥＤを用いてＺｎＯ光触媒を活性化させることにより、ランプを用いた場合に必要とされる昇圧回路を不要とし、消費電力の低減を図ることができる。
【００７５】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の光触媒装置において、前記紫外光発光ＬＥＤは、３４０ｎｍから３９０ｎｍの波長範囲内にピークを有する光を照射するため、照射した光を効果的に吸収させ、光触媒をより活性化させることができ、より高い光触媒効果を得ることができる。
【００７６】
請求項３記載の発明によれば、請求項１または２記載の光触媒装置において、前記紫外光発光ＬＥＤは、前記流体経路の一部を構成する管路部材の内壁に設けられており、前記管路部材の外周側には、前記管路部材の外面積を拡大する面積拡大部が設けられているため、面積拡大部を利用して放熱することで、紫外光発光ＬＥＤを発光させることにより発生した熱を電力消費を伴うことなく外部に放熱することができ、紫外光発光ＬＥＤの発光に伴う発熱に起因する発光効率の低下を低減し、より少ない電力でも強く発光させて電力消費の抑制を図り、光触媒効果を向上させることができる。
【００７７】
請求項４記載の発明によれば、請求項３記載の光触媒装置において、前記紫外光発光ＬＥＤは、前記管路部材の内周側に位置づけられる部分が、１または複数種類の材料によって構成されて１．４以上２．９以下の屈折率を有し、３４０ｎｍから３９０ｎｍの波長範囲内の光に対する吸収がない光学的に透明な封止コーティング材によって封止されているため、紫外光発光ＬＥＤから発光した紫外光強度を減衰させることなくＺｎＯ光触媒に対して照射させ、外部量子効率を向上させることができる。また、流体経路中を流れる排ガスに紫外光発光ＬＥＤが直接曝されることを防止することにより、紫外光発光ＬＥＤの劣化を抑制し、紫外光発光ＬＥＤによる発光動作を安定化することができる。
【００７８】
請求項５記載の発明によれば、請求項３または４記載の光触媒装置において、前記ＺｎＯ光触媒は、前記管路部材に対して着脱自在に設けられているため、管路部材内での光触媒反応により、ＺｎＯ光触媒表面に副次的な生産物が付着する等して、光触媒反応の効率が低下した場合には、ＺｎＯ光触媒を管路部材から取り外し、別のＺｎＯ光触媒に交換したり、取り外したＺｎＯ光触媒を洗浄して再度取り付けたりすることができるので、良好な光触媒効果を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の排ガス処理用の光触媒装置を示す縦断面図である。
【図２】紫外光発光ＬＥＤの発光波形を示す説明図である。
【図３】光触媒として、表面にＺｎＯを有するＺｎＯ光触媒と少なくとも表面にＴｉＯ２を有する光触媒とに対して各種波長の光を照射した場合の、波長変化に対するＮＯｘ濃度変化を示すグラフである。
【図４】ＮＯｘ濃度測定装置を示す概略図である。
【図５】ＮＯ２ガスとＯ２ガスとを石英ガラス管へ供給し、光源を点灯した場合と、消灯した場合とにおける経時変化に対するＮＯｘ濃度変化について示すグラフである。
【符号の説明】
１    光触媒装置
３，２０    管路部材
５    流体経路
１６    ＺｎＯ光触媒
１７    紫外光発光ＬＥＤ
１８    封止コーティング材
２１    面積拡大部
【図１】
2004267947.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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