(57)【要約】【課題】  平面構造からなる電子放出素子を工場や室内等の空間の気体を循環させる風路に備えることによって、気体に含まれる揮発性有機化合物や一酸化炭素等の有害化学物質を除去することができる空気浄化装置を実現する。【解決手段】  ２つの電極を有し、平面構造からなる電子放出装置２と、揮発性有機化合物や一酸化炭素等の有害化学物質を含んだ気体を通過させる風路３を備え、電子放出装置２は、電子が風路３に放出されるように風路３に沿って配置されていることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの電極を有し、平面構造からなる電子放出装置と、
揮発性有機化合物や一酸化炭素等の有害化学物質を含んだ気体を通過させる風路を備え、
前記電子放出装置は、電子が前記風路に放出されるように前記風路に沿って配置されていることを特徴とする空気浄化装置。
【請求項２】
前記電子放出装置の電子放出面と対向する位置に対向電極が配置され、
前記電子放出装置と前記対向電極の間に電圧を印加する電圧印加手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の空気浄化装置。
【請求項３】
気体中の粒子成分を除去する第１フィルタを備え、
前記第１フィルタは、有害化学物質を含んだ気体が前記第１フィルタを通過した後に電子が放出されている領域に達するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の空気浄化装置。
【請求項４】
前記風路は、急拡大及び急縮小の形状を有することを特徴とする請求項１に記載の空気浄化装置。
【請求項５】
前記風路は、接地されていることを特徴とする請求項１に記載の空気浄化装置。
【請求項６】
前記電子放出装置は、第１電極、絶縁性微粒子を含む半導体性層及び第２電極が順次積層されている電子放出素子と、前記電子放出素子における前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加する電圧印加手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の空気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、揮発性有機化合物や一酸化炭素等の有害化学物質を含む気体中から、有害化学物質を除去することができる空気浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、工場や自動車等から排出される排ガスによる健康障害が社会問題となっている。これらの健康障害は、排ガスの影響により空気環境に化学物質が含まれることに起因している。これらの化学物質には、常温で空気環境中に揮発するホルムアルデヒド、トルエン、キシレン、ベンゼン、スチレン等の揮発性有機化合物（Ｖｏｌａｔｉｌｅ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ）があり、これらの揮発性有機化合物は、低濃度でも毒性が高く、比較的影響が長く継続する。また、揮発性有機化合物の多くは刺激臭を有する無色の気体であり、皮膚や粘膜から体内に吸収されると、身体のバランスを崩し、さまざまな体調不良の原因となることが知られている。
【０００３】
加えて、空気環境による健康障害を引き起こすもうひとつの主な要因として、冬季に用いられる灯油など化石燃料を用いた暖房機器、あるいはタバコの喫煙などによる有害化学物質の放出があげられ、特に一酸化炭素が人体に有害な影響を与えるという問題がある。一酸化炭素は、酸素に比べて血液中のヘモグロビンと桁違いに結合しやすい性質があり、心疾患、動脈疾患、呼吸器疾患および妊娠時の胎児への影響が大きく、健康障害を引き起こす気体である。
【０００４】
最近、これらの揮発性有機化合物や一酸化炭素等の有害化学物質を除去するために、気体中に電子を放出し、ラジカルを発生させることで有害化学物質を分解する方法が提案されている。電子を放出する装置としては、例えば、特許文献１が挙げられる。特許文献１には、平面構造から成る電子放出素子が記載されており、図７は、特許文献１に係る電子放出素子の断面図である。ここでは、電極基板１０１と薄膜電極１０２との間に電圧を印加することで、電極基板１０１と薄膜電極１０２との間で電子を加速させて、薄膜電極１０２から電子を放出させる電子放出素子であり、電極基板１０１と薄膜電極１０２との間に、導電体からなり抗酸化力が高い導電微粒子と、該導電微粒子より大きい絶縁体微粒子とからなる電子加速層１０３が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１４６８９１号公報（平成２１年７月２日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１に記載の電子放出素子は、発光デバイスや帯電装置等に利用することが期待されているが、これらの装置は、電子放出素子から近距離の範囲で電子を利用する構成となっている。なぜなら気体中に放出した電子は、気体中の分子とすぐに衝突し、消滅してしまうため遠方まで届かないからである。また、この衝突によって発生するラジカルも反応性が高いため、すぐに消滅してしまう。そのため、電子を放出し、ラジカルを発生させることで、有害化学物質を分解することができたとしても、室内や工場等の空間に電子放出素子を配置し、空間全体の気体を浄化することは難しいという課題がある。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、平面構造からなる電子放出素子を工場や室内等の空間の気体を循環させる風路に備えることによって、気体に含まれる揮発性有機化合物や一酸化炭素等の有害化学物質を除去することができる空気浄化装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る空気浄化装置は、２つの電極を有し、平面構造からなる電子放出装置と、揮発性有機化合物や一酸化炭素等の有害化学物質を含んだ気体を通過させる風路を備え、電子放出装置は、電子が風路に放出されるように風路に沿って配置されていることを特徴とする。
【０００９】
また、電子放出装置の電子放出面と対向する位置に対向電極が配置され、電子放出装置と対向電極の間に電圧を印加する電圧印加手段を備えていることを特徴としても良い。
【００１０】
また、気体中の粒子成分を除去する第１フィルタを備え、第１フィルタは、有害化学物質を含んだ気体が第１フィルタを通過した後に電子が放出されている領域に達するように配置されていることを特徴としても良い。また、風路は、急拡大及び急縮小の形状を有することを特徴としても良い。また、風路は、接地されていることを特徴としても良い。
【００１１】
また、電子放出装置は、第１電極、絶縁性微粒子を含む半導電性層及び第２電極が順次積層されている電子放出素子と、電子放出素子における第１電極と第２電極との間に電圧を印加する電圧印加手段とを備えることを特徴としても良い。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、平面構造からなる電子放出素子を工場や室内等の空間の気体を循環させる風路に備えることによって、気体に含まれる揮発性有機化合物や一酸化炭素等の有害化学物質を除去することができる空気浄化装置を実現する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態１に係る空気浄化装置の断面図である。
【図２】実施形態１の空気浄化装置に係る電子放出装置の一例を示す断面図である。
【図３】実施形態１に係る空気浄化装置の一例を示す断面図である。
【図４】実施形態１に係る空気浄化装置の一例を示す断面図である。
【図５】実施形態２に係る空気浄化装置の断面図である。
【図６】実施形態３に係る空気浄化装置の概略図である。
【図７】特許文献１に係る電子放出素子の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
【００１５】
〔実施形態１〕
図１は、本発明の一つの実施形態である空気浄化装置１の断面図である。実施形態１に係る空気浄化装置１は、平面構造からなる電子放出装置２及び風路３から構成される。電子放出装置２は、電子が風路３の内側に放出されるように風路３に沿って配置されている。
【００１６】
電子放出装置２は、平面構造からなり、面から電子を放出させることができるものであれば良い。例えば、ＭＩＭ型、ＭＩＳ型、ＣＮＴ型、ＢＳＤ型等のような電子放出装置を利用することができる。また、電子放出装置２は、平面から電子が放出される構造を有することから、広い領域で電子を放出することが可能となり、揮発性有機化合物や一酸化炭素等の有害化学物質を分解する効果を強めることができる。
【００１７】
図２は、本発明の一つの実施形態である電子放出装置２の断面図である。電子放出装置２は、第１電極２１、半導電性層２２及び第２電極２３から成る電子放出素子４並びに電圧印加手段としての第１電源５から構成される。電子放出素子４は、第１電極２１と、対向配置された第２電極２３との間に、半導電性層２２が設けられている。第１電源５は、マイナス極に第１電極２１を接続し、プラス極に第２電極２３を接続することで、第１電極２１と第２電極２３の間に電圧を印加する。
【００１８】
第１電極２１は、基板の機能を兼ねる電極基板であり、導電性材料で構成されている。第１電極２１は、電極として機能するため、導電性を有する材料であれば特に制限しない。また第１電極２１は、絶縁性の基板上に作製されていてもよい。一例としてガラスやプラスチックなどの絶縁性基板にＩＴＯなどの導電性材料を塗布し第１電極２１としてもよい。
【００１９】
半導電性層２２は、主に絶縁性微粒子２４から形成され、第１電極２１から第２電極２３へ向かう電子を加速させる機能を有する。半導電性層２２は、半導電性を有する絶縁性微粒子２４を主として構成されている。絶縁性微粒子２４としては、ＳｉＯ２、ＺｎＯ等の半導体酸化物、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＣｕＯ等の金属酸化物からなる絶縁性微粒子を用いることができる。また、これらの絶縁性微粒子を単独で、あるいは複数種類組み合わせて用いることができる。材料が異なる複数種類の絶縁性微粒子２４を用いる場合、絶縁性微粒子２４の選定は分散液中の粒子の分散性を考慮することが望ましい。
【００２０】
また、実施形態１の電子放出装置２では、半導電性層２２が絶縁性微粒子２４のみから構成されているが、半導電性層２２は、他の微粒子や材料を含んで構成されていても良い。例えば、半導電性層２２には、絶縁性微粒子２４の粒径よりも小さい粒径を有する導電性微粒子が含まれていても良い。半導電性層２２に導電性微粒子を添加することによって、半導電性層２２を流れる電流値を制御することができる。換言すると、半導電性層２２中の絶縁性微粒子２４の含有量を調整して、半導電性層２２の電気抵抗の値を任意の範囲に調整できる。
【００２１】
導電性微粒子としては、特に限定されないが、例えば、金、銀、白金、パラジウム及びニッケルからなる導電性粒子のうち少なくとも１種を含んでも良い。なお、導電性微粒子の粒径が絶縁性微粒子の粒径と同等以上であると、半導電性層２２が必要とする絶縁性が得られなくなるため、導電性微粒子の粒径は絶縁性微粒子の粒径よりも小さい必要がある。
【００２２】
第２電極２３は、第１電極２１と対の電極を構成し、第１電極２１と共に半導電性層２２内に電圧を印加させるための電極である。さらに、第２電極２３は、電極としての機能を有しつつ、半導電性層２２内で加速され高エネルギーとなった電子を、なるべくエネルギーロス無く放出することが好ましいため、仕事関数が低く、かつ薄膜で形成することが可能な導電性材料で形成されることが好ましい。このような材料としては、例えば、仕事関数が４〜５ｅＶに該当する金、銀、タングステン、チタン、アルミ、パラジウムなどが挙げられ、これらのうちの１種、もしくは２種以上を混合して用いても良い。特に、大気中にて安定的に動作させるためには、酸化物及び硫化物形成反応のない金が、最良な材料となる。
【００２３】
第１電源５は、電子放出素子４の第１電極２１と第２電極２３の間に電圧を印加する機能を有し、所定の電圧印加により、電子放出が得られる。また、印加電圧は、直流電圧でも交流電圧でもどちらでもよいが、電子放出量が比較的安定している交流電圧の方が好ましい。
【００２４】
次に、電子放出装置２による電子放出のメカニズムについて説明する。電子放出のメカニズムは明確にされていないが、次のように推測される。第１電極２１と第２電極２３との間に電圧が印加されると、第１電極２１から半導電性層２２中の絶縁性微粒子２４の表面に電子が移る。絶縁性微粒子２４の内部は高抵抗であるため、電子は絶縁性微粒子２４の表面を伝導していく。このとき、絶縁性微粒子２４の表面の不純物、絶縁性微粒子２４が酸化物である場合の酸素欠陥、あるいは絶縁性微粒子２４間の接点で、電子がトラップされる。このトラップされた電子は固定化された電荷として働く。その結果、半導電性層２２の表面では、印加電圧と、トラップされた電子が作る電界とが合わさってより強い電界が発生し、その電界によって電子が半導電性層２２において加速され、第２電極２３から電子が放出される。
【００２５】
ここまで電子放出装置２の一例について説明を行ったが、上記で述べた通り、本発明の空気浄化装置１に用いる電子放出装置２は、平面構造からなり、面から電子を放出させることができるものであれば、これに限らない。
【００２６】
以上、説明した電子放出装置２は、図１のように電子が風路３の内側に放出されるように、風路３に沿って配置される。風路３は、ダクトのように内側を気体が通る中空構造からなり、ポリスチレン、ポリカーボネート、アクリルなどの樹脂や抗酸化力の高い導電性材料からなる。風路３は、工場や室内の天井や壁の中等に配置されており、吸気口６及び排気口７を有する。吸気口６は、工場や室内の空間から揮発性有機化合物及び一酸化炭素等の有害化学物質を含む気体を風路３内に吸入する機能を有し、排気口７は、風路３内で浄化した気体を再び工場や室内の空間に排出する機能を有する。吸気口６と排気口７は、工場や室内の空間内で離れた位置に配置しても良く、空間内の空気等の気体を循環させるためにも対称の位置に配置することが良い。また、風路３の吸気口６から気体を効率良く吸入するために、風路３内にファン８等の送風手段を備えても良い。
【００２７】
次に、電子放出装置２から放出された電子で揮発性有機化合物や一酸化炭素等の有害化学物質を分解除去するメカニズムについて説明する。電子は、反応性が非常に強く、強力な酸化作用を有するため、大気中の水や酸素と衝突し、
Ｈ２Ｏ＋ｅ−→ＯＨ＊＋Ｈ＊＋ｅ−
Ｏ２＋ｅ−→Ｏ＊＋Ｏ＊＋ｅ−
Ｏ＊＋Ｈ２Ｏ→ＯＨ＊＋ＯＨ＊
の反応により、除菌作用のあるヒドロキシルラジカル（ＯＨラジカル又はＯＨ＊）が生成される。ヒドロキシルラジカルは、オゾン（Ｏ３）や塩素（Ｃｌ）よりも高い酸化ポテンシャルを持っており、有機化合物の炭素結合を切断することができる。また、ヒドロキシルラジカルは、一酸化炭素の炭素と酸素の結合も切断することができる。その結果、揮発性有機化合物や一酸化炭素等の有害化学物質は炭素、水素、酸素等に分解される。
【００２８】
このように、電子放出装置２から放出された電子より生じたヒドロキシルラジカルを用いて、人体に有害な影響を与える有害化学物質を、人体に無害な炭素、水素、酸素等に分解することができる。
【００２９】
また、図３のように風路３内に第１フィルタ９及び第２フィルタ１０を配置しても良い。第１フィルタ９は、空気浄化装置１内に吸入する気体中の粒子成分を除去する役割を担う。気体中に含まれるダスト等の粒子成分が、電子放出装置２の第２電極２３の表面に衝突し、吸着すると、電子放出を妨げ、放出する電子の量が低下してしまう。この問題を防ぐために、吸入する気体が電子放出装置２の第２電極２３の表面に達する前に、第１フィルタ９を通過させる必要がある。つまり、第１フィルタ９は、吸入する有害化学物質を含んだ気体が第１フィルタ９を通過した後に電子が放出されている領域に達するように配置されていれば良い。このように第１フィルタ９を備えることによって、気体の浄化効率も向上し、さらに電子放出装置２の劣化も抑制することができる。また、第２フィルタ１０は、第１フィルタ９で除去できなかった粒子成分を除去する役割を担う。第１フィルタ９を通過した粒子成分は、電子放出装置２から放出された電子と衝突することによって帯電し、第２フィルタ１０に吸着しやすくなる。そのため、第２フィルタ１０は、有害化学物質を含んだ気体が電子が放出されている領域を通過した後に第２フィルタ１０に達するように配置されていれば良い。このように第２フィルタ１０を備えることによって、空気浄化装置１の外部に排出する気体をより浄化することが可能となる。
【００３０】
また、風路３は、接地されていても良い。電子放出装置２から放出された電子は、気体中の分子と衝突し、マイナスイオンを生成する。このマイナスイオンが、風路３に衝突すると、風路３がマイナスに帯電してしまうため、電子の放出効率が下がってしまう。この問題を解決するために、風路３を接地状態にし、マイナスの電位に帯電することを防ぐ。この結果、電子放出装置２は放出効率を下げることなく、電子を放出することができる。
【００３１】
また、風路は、内側に急拡大及び急縮小の形状を有しても良い。図４は、急拡大及び急縮小の形状を有する風路３’を備えた空気浄化装置１を示す断面図である。このように、急拡大及び急縮小を形成することによって風路３’内で乱流状態を作り出すことができ、ヒドロキシルラジカルと有害化学物質をよく混合させることができる。その結果、有機化学物質を効率良く分解することが可能になる。
【００３２】
〔実施形態２〕
本実施形態の空気浄化装置１ａは、電子放出装置２の電子が放出する面と対向する位置に対向電極１１が配置され、対向電極１１が電圧印加手段としての第２電源１２と接続していること以外は、実施形態１の空気浄化装置と同様の構成を有している。
【００３３】
図５は、実施形態２の空気浄化装置１ａを示す断面図である。対向電極１１は、金属等の導電性材料からなり、電子放出装置２の電子が放出する面と対向する風路３の内側に配置されている。対向電極１１は、電子が放出する第２電極２３とほぼ同等の大きさでも良い。また、対向電極１１は、第２電源１２を介して電子放出装置２の第２電極２３と接続されており、マイナス極に第２電極２３を接続し、プラス極に対向電極１１を接続することで、第２電極２３及び対向電極１１の間に電圧差を作る。このとき、電子放出装置２内の電子は第２電源１２によって形成された電界により対向電極１１に引っ張られる。そのため、より高い電子放出効率を得ることができる。つまり、対向電極１１を配置し、電子が電子放出装置２の放出面から遠方方向に拡散するように第２電極２３及び対向電極１１の間に電圧差を作ることによって、気体中の揮発性有機化合物及び一酸化炭素等の有害化学物質をより分解することが可能となる。
【００３４】
〔実施形態３〕
本実施形態の空気浄化装置１ｂは、電子放出装置２’及び風路３が中空円筒形状であり、電子放出装置２’の中心に対向電極１１’が配置していること以外、電子放出装置２’の構成や第１電源５及び第２電源１２の構成等は実施形態２の空気浄化装置と同様である。
【００３５】
図６は、実施形態３の空気浄化装置１ｂを示す断面図である。図６（ａ）は、空気浄化装置１ｂを風路３と平行に切った時の断面図であり、図６（ｂ）は、風路３と垂直に切った時の断面図である。風路３は、中空円筒形状であり、電子放出装置２’は、風路３に沿って配置されており、風路３と同様に中空円筒形状である。また、電子放出装置２’の円筒の中心には円筒形状の対向電極１１’が配置しており、第２電源１２を介して電子放出装置２’の第２電極２３と接続されている。このとき、マイナス極に第２電極２３を接続し、プラス極に対向電極１１’を接続することで、電子放出装置２’から中心に向かって電子が放出される。
【００３６】
このように電子放出装置２’を風路３に沿って中空円筒形状に配置することによって、電子の放出面を広くすることができる。さらに、電子放出装置２’の円筒の中心にプラスの電位を持つ対向電極１１’を配置することによって、電子をほとんど偏りなく風路内に放出させることができるため、効率よく有害化学物質を分解することが可能となる。
【００３７】
また、対向電極１１’は図６（ａ）のように内側に急拡大及び急縮小の形状を有しても良い。このように急拡大及び急縮小を形成することによって風路内で乱流状態を作り出すことができ、ヒドロキシルラジカルと有害化学物質をよく混合させることができる。その結果、有機化学物質をより分解することが可能になる。
【００３８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００３９】
１、１ａ、１ｂ  空気浄化装置
２、２’  電子放出装置
３、３’  風路
４  電子放出素子
５  第１電源
６  吸気口
７  排気口
８  ファン
９  第１フィルタ
１０  第２フィルタ
１１、１１’  対向電極
１２  第２電源
２１  第１電極
２２  半導電性層
２３  第２電極
２４  絶縁性微粒子
【図１】
2013165742.tif 000003
【図２】
2013165742.tif 000004
【図３】
2013165742.tif 000005
【図４】
2013165742.tif 000006
【図５】
2013165742.tif 000007
【図６】
2013165742.tif 000008
【図７】
2013165742.tif 000009