特開 2022-6685 空気の殺菌・浄化方法及び装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022006685

(43)【公開日】2022-01-13

(54)【発明の名称】空気の殺菌・浄化方法及び装置

(51)【国際特許分類】

   A61L 9/22 20060101AFI20220105BHJP

   A61L 9/18 20060101ALI20220105BHJP

【ＦＩ】

A61L9/22

A61L9/18

【審査請求】有

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020109060

(22)【出願日】2020-06-24

(71)【出願人】

【識別番号】393010916

【氏名又は名称】持麾 正

(74)【代理人】

【識別番号】100081455

【弁理士】

【氏名又は名称】橘 哲男

(74)【代理人】

【識別番号】100170966

【弁理士】

【氏名又は名称】藤本 正紀

(72)【発明者】

【氏名】持麾 正

【テーマコード（参考）】

4C180

【Ｆターム（参考）】

4C180AA02

4C180AA07

4C180BB14

4C180CA06

4C180CA10

4C180EA16X

4C180HH05

4C180HH11

4C180HH15

(57)【要約】      （修正有）

【課題】空気中の酸素を紫外線照射下にあるＮ型半導体金属酸化物に接触させて生成される活性酸素種を、基底状態酸素に遷移させて殺菌・浄化を行う際、遷移エネルギーを用いて殺菌・浄化をより容易に且つ高度に行うことが可能な空気の殺菌・浄化方法及び装置を提供する。
【解決手段】接触電池作用が得られる材料に担持されたＮ型半導体金属酸化物に波長１８０～３６０ｎｍの近紫外線を照射して、Ｎ型半導体金属酸化物の表面励起したところに空気流を接触させて一重項の酸素を生成した後、波長４００～６５０ｎｍの可視光線を照射して、一重項酸素を電磁波の誘導放出で基底状態酸素に遷移させ、その遷移エネルギーを利用して殺菌・浄化を行う。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

接触電池作用が得られる材料に担持されたＮ型半導体金属酸化物に波長１８０～３６０ｎｍの近紫外線を照射して、該Ｎ型半導体金属酸化物の表面励起したところ空気流を接触させて一重項の酸素を生成した後、
波長４００～６５０ｎｍの可視光線を照射して、一重項酸素を電磁波の誘導放出で基底状態酸素に遷移させ、その遷移エネルギーを利用して殺菌・浄化を行うことを特徴とする空気の殺菌・浄化方法。

【請求項2】

接触電池作用が得られる前記材料に担持された前記Ｎ型半導体金属酸化膜は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の粉末を導電性塗料に混入し銅板若しくは銅の鍍金に塗布担持したもので、ＣｕとＺｎＯの電位差による接触電池作用によりＺｎＯの電荷を高めて光触媒効果を促し、電子放出を増加させることを特徴とする請求項１に記載の空気の殺菌・浄化方法。

【請求項3】

空気流に接する内面は、接触電池作用が得られる材料に担持されたＮ型半導体金属酸化物により構成され、
前記Ｎ型半導体金属酸化物に接触しながら前記空気流を移行せしめ、該空気流の基底状態酸素に波長１８０～３６０ｎｍの近紫外線を照射し、該Ｎ型半導体金属酸化物の表面励起により生成して順次後方に送られる一重項酸素に波長４００～６５０ｎｍの可視光線を照射することで、一重項酸素を電磁波の誘導放出で基底状態酸素への遷移を行う光線照射手段を具備したことを特徴とする空気の殺菌・浄化装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、環境保全のための空気の浄化や殺菌、また病院内における院内感染の防止、シックビルシンドロームの予防、空調内の殺菌を行うための空気の殺菌・浄化方法及び装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の空気の殺菌を行う方法としては、波長１８５ｎｍの紫外線を照射して発生させたオゾンを空気中に拡散させる方法と、波長２５４ｎｍの殺菌灯により紫外線を照射して殺菌を行う方法の何れか、或いはこれらを併用した方法が用いられていた。

【0003】

下記特許文献１では、基底状態酸素雰囲気中にあるＮ型半導体金属酸化物に波長１８０～３６０ｎｍの近紫外線を照射することにより、Ｎ型半導体金属酸化物の表面励起により活性酸素種を生成し、光ポンピングにより基底状態酸素を励起させ、一重項酸素の生成を行った後、波長６００～６５０ｎｍの可視光線、および波長１２００～１３００ｎｍの近赤外線を順次に照射して、活性酸素種である一重項酸素の電磁波の誘導放出による基底状態酸素への遷移エネルギーで殺菌・脱臭・浄化を行う空気の殺菌・脱臭・浄化方法およびその装置が、本発明者により提案されていた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平８－５７０３２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、従来のオゾンを空気中に拡散させる方法では、オゾンが充分に分解されないうちに残留オゾンとして大気中に放出するのを余儀なくされ、人体に大きな影響を及ぼすばかりでなく、取り扱いも困難な問題点があった。
また殺菌灯により紫外線を照射する方法では、酸素の遷移エネルギーを利用するものではないため、紫外線が照射されない部位は殺菌や浄化ができないという問題点があった。

【0006】

一方、特許文献１の殺菌・脱臭・浄化方法及び装置では、オゾンを空気中に拡散させる必要がない上、空気を殺菌・浄化するため殺菌や浄化ができない部位が生じることもなく、環境保全のための空気の浄化や殺菌、或いは病院内における院内感染の防止、シックビルシンドロームの予防、空調内での殺菌を行うなど、各種の目的で好適に使用されているが、殺菌・浄化の能力の増強、構造や処理の簡素化など、更なる改善が望まれていた。

【0007】

本発明は従来の空気の殺菌・浄化をする方法及び装置における問題点を解決せんとするもので、その目的とするところは、空気中の酸素を紫外線照射下にあるＮ型半導体金属酸化物に接触させ、生成される活性酸素種を基底状態酸素に遷移させて、その遷移エネルギーを用いて殺菌・浄化をより容易に且つ高度に行うことができる空気の殺菌・浄化方法及び装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係わる空気の殺菌・浄化方法は前記した目的を達成せんとするもので、接触電池作用が得られる材料に担持されたＮ型半導体金属酸化物に波長１８０～３６０ｎｍの近紫外線を照射して、該Ｎ型半導体金属酸化物の表面励起したところ空気流を接触させて一重項の酸素を生成した後、波長４００～６５０ｎｍの可視光線を照射して、一重項酸素を電磁波の誘導放出で基底状態酸素に遷移させ、その遷移エネルギーを利用して殺菌・浄化を行うことを特徴とする。

【0009】

本発明では、接触電池作用が得られる前記材料に担持された前記Ｎ型半導体金属酸化膜は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の粉末を導電性塗料に混入し銅板若しくは銅の鍍金に塗布担持したもので、ＣｕとＺｎＯの電位差による接触電池作用によりＺｎＯの電荷を高めて光触媒効果を促し、電子放出を増加させることを特徴とするのが好適である。

【0010】

また本発明に係わる空気の殺菌・浄化装置は、空気流に接する内面は、接触電池作用が得られる材料に担持されたＮ型半導体金属酸化物により構成され、前記Ｎ型半導体金属酸化物に接触しながら前記空気流を移行せしめ、該空気流の基底状態酸素に波長１８０～３６０ｎｍの近紫外線を照射し、該Ｎ型半導体金属酸化物の表面励起により生成して順次後方に送られる一重項酸素に波長４００～６５０ｎｍの可視光線を照射することで、一重項酸素を電磁波の誘導放出で基底状態酸素への遷移を行う光線照射手段を具備したことを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明の空気の殺菌・浄化方法およびその装置においては、通過する空気流中の酸素は、波長１８０～３６０ｎｍの紫外線を照射されると基底状態酸素原子を生成する。
Ｏ₂ ＋ｈν（１８０～２００ｎｍ）→２Ｏ（３ｐ）
ｈν：紫外線
Ｏ（３ｐ）：基底状態酸素原子
そして、この基底状態酸素原子に空気中の酸素分子が反応してオゾンを生成する。
Ｏ（３ｐ）＋Ｏ₂ →Ｏ₃
Ｏ₃ ：オゾン

【0012】

このＯ₃に波長２５０～３００ｎｍの紫外線を照射すると、Ｏ₃ は分解して一重項酸素原子と一重項酸素分子とが生成される。
Ｏ₃ ＋ｈν（２５０ｎｍ～３００ｎｍ）→ ¹Ｄ＋¹Δｇ
¹Ｄ ：一重項酸素原子
¹Δｇ：一重項酸素分子

【0013】

一方、Ｎ型半導体金属酸化物に波長１８０～３６０ｎｍの紫外線を照射すると電子を放出し、その電子は基底状態酸素に電子授与され、酸素は励起されてラジカル化し、活性酸素アニオンを生成する。
ｈν（１８０～３６０ｎｍ）＋Ｍ→ｅ-
Ｍ ；Ｎ型半導体金属酸化物
ｅ- ：電子
Ｏ₂＋２ｅ- →Ｏ- ＋Ｏ- → Ｏ_２-
Ｏ- ：活性酸素アニオン

【0014】

励起された一重項酸素原子、分子は、次に波長４００～６５０ｎｍの可視光線が照射されると、適宜活性酸素アニオンなどとともに、基底状態酸素分子に遷移する。
２^１Δｇ＋ｈν（４００～６５０ｎｍ）→２^３Σｇ
２^３Σｇ ：基底状態酸素分子
一重項酸素は２２．５Ｋｃａｌ／ｍｏｌの高いエネルギーの励起状態にあるので強力な殺菌作用を呈し、通過する空気流に対しての殺菌・浄化が速やかに行われるものである。

【0015】

従って、本発明の空気の殺菌・浄化方法及び装置によれば、空気中の酸素を紫外線照射下にあるＮ型半導体金属酸化物に接触させて生成される活性酸素種を、基底状態酸素に遷移させて殺菌・浄化を行う際、遷移エネルギーを用いて殺菌・浄化をより容易に且つ高度に行うことが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本実施形態に係る殺菌・浄化装置の構成を示した断面図である。

【図2】本実施形態に係る殺菌・浄化装置を設置した生ゴミ集積室を示した平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の空気の殺菌・浄化装置の一例と共に空気の殺菌・浄化方法について図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係る殺菌・浄化装置の構成を示した断面図である。
この実施形態の空気の殺菌・浄化装置は、汚染された空気１ａを吸引する空気吸引口２ａと、殺菌・浄化処理が施された空気１ｂを放出する空気放出口２ｂとがケーシング９に設けられ、空気吸引口２ａと空気放出口２ｂとの間を連続する蛇行ダクト３がケーシング９内部に設けられている。

【0018】

モーターによって駆動される軸流ファン７が空気放出口２ｂに取付けられており、軸流ファン７により空気１ａが空気吸引口２ａから吸引され、空気流として蛇行ダクト３に沿って流動し、空気１ｂとして空気放出口２ｂから放出されるように構成されており、蛇行ダクト３内の空気吸引口２ａ側となる上流側から空気放出口２ｂ側となる下流側までの間には、蛇行ダクト３の内面と蛇行ダクト３内を流動する空気流とを所定の光で照射するためのランプ４，５，６が配設されている。

【0019】

蛇行ダクト３は、複数の上向流路３ａと下向流路３ｂとが垂壁３ｃを挟んで隣接するとともに上下で折り返して連続しており、空気流が空気吸引口２ａから空気放出口２ｂまで繰り返し上下に蛇行して流れるように設けられている。

【0020】

空気流に接する蛇行ダクト３の内面やケーシング９内面には、光触媒層３ｄが設けられている。本実施形態では蛇行ダクト３及びケーシング９の全内面が光触媒層３ｄからなる。
光触媒層３ｄは、接触電池作用が得られる材料に担持されたＮ型半導体金属酸化物により構成されている。

【0021】

具体的には、光触媒層３ｄは、例えば導電性塗料に酸化亜鉛（ＺｎＯ）の粉末を混合し、銅板若しくは銅の鍍金に塗布担持させたものなどを用いることができる。担持させる方法としては例としてスパッタリング法を採用することで実現するこができる。
このような光触媒層３ｄでは、ＣｕとＺｎＯの電位差による接触電池作用が得られ、ＺｎＯの電荷を高めて光触媒効果を促し、電子放出を増加させることが可能である。

【0022】

蛇行ダクト３の内面を構成する銅板若しくは銅の鍍金は、ケーシング９や蛇行ダクト３自体であってもよく、これらとは別に形成されて内面に配置したものであってもよい。銅板は変形不能な板であっても変形可能な膜や積層物であってもよい。

【0023】

このような蛇行ダクト３には、空気吸引口２ａ側となる上流側から空気放出口２ｂ側となる下流側までの間に複数のエリアが設けられ、各エリア毎に所定の波長の光を照射するためのランプ４，５，６が設置されている。
上流側の２つのエリアには、Ｎ型半導体金属酸化物に接触しながら移行する空気流の基底状態酸素に、波長１８０～３６０ｎｍの近紫外線を照射する紫外線ランプ４，５が配置されている。
本実施形態では、最上流のエリアに波長１８２ｎｍの紫外線を照射する紫外線ランプ４が垂壁３ｃの上端に装着されている。また次のエリアには波長２５４ｎｍの紫外線を照射する紫外線ランプ５が垂壁３ｃの上端及び量側面に複数装着されている。

【0024】

さらに下流側のエリアには、Ｎ型半導体金属酸化物の表面励起により生成して順次後方に送られる活性酸素種に波長４００～６５０ｎｍの可視光線を照射するハロゲンランプ６が配置されている。
本実施形態では、最も下流のエリアに波長４００～６５０ｎｍの可視光線を照射するハロゲンランプ６が、流路の中央に突出して装着されている。蛇行ダクト３の最も下流のエリアでは、流路の断面積が他のエリアよりも大きく設けられている。そのため内部を流れる空気流の流速を低下させ、ハロゲンランプ６からの可視光が十分に照射することが可能となっている。

【0025】

本実施形態の殺菌・浄化装置では、ケーシング９の蛇行ダクト３の下部に、これらの各ランプ４，５，６を点灯させるための安定器１０と、グロープラグ１１と、配線集結用の端子ボックス１２と、が設置されている。

【0026】

このような殺菌・浄化装置を用いた空気の殺菌・浄化方法では、まず軸流ファン７を回転させると、細菌、真菌等の菌やウイルス、有害物質等により汚染された空気１ａが、空気吸引口２ａより蛇行ダクト３に連続して吸引される。
蛇行ダクト３内では、酸化亜鉛が混合された導電性塗料が銅板上に塗布された光触媒板３ｄに接触しながら空気流が下流側に順次流れる。

【0027】

吸入された空気流は、最初に最上流側で紫外線ランプ４により波長１８２ｎｍの紫外線の照射を受ける。これにより通過する空気流中の酸素は、基底状態酸素原子を生成する。
この基底状態酸素原子に空気中の酸素分子が反応してオゾンが生成される。

【0028】

次に、この空気流及び蛇行ダクト９の内面が紫外線ランプ５により波長２５４ｎｍの紫外線の照射を受ける。これにより酸化亜鉛塗布した光触媒層３ｄから電子が放出され、放出された電子がオゾンを分解し、一重項酸素原子と一重項酸素分子とに遷移し、酸素アニオンとなる。
またＮ型半導体金属酸化物に波長２５４ｎｍの紫外線を照射して放出された電子が、空気流中の基底状態酸素に電子授与され、酸素が励起されてラジカル化し、活性酸素アニオンを生成する。

【0029】

次に、励起された一重項酸素原子、分子がハロゲンランプ６により波長４００～６５０ｎｍの可視光線の照射を受ける。これにより一重項酸素原子、分子が基底状態酸素へと移行する。この一重項酸素が２２．５Ｋｃａｌ／ｍｏｌの高いエネルギーの励起状態にあるので、移行の際、周囲の空気流に対して強力な殺菌・浄化作用を呈することができる。
例えば、空気流に存在する細菌や真菌等を殺菌することができ、また電子が欠乏して不安定状態の有害物質等は酸素を授与することで安定物質にして無害化できる。さらにウイルス等は、タンパク質が炭素、水素、酸素、窒素からなるため、この酸素が紫外線を受けて内部に活性酸素種を生成することで不活化できる。

【0030】

このとき本実施形態では、光触媒層３ｄが接触電池作用を得られる材料にＮ型半導体金属酸化物を担持させたものであり、特に酸化亜鉛（ＺｎＯ）の粉末を導電性塗料に混入して銅板若しくは銅の鍍金に塗布担持させたものであるので、Ｃｕ－ＺｎＯの電位差を利用して接触電池作用によりＺｎＯの電位を高めることができる。
そのため近赤外線のような波長の大きい光を照射することなく一重項酸素を基底状態酸素に移行させることが可能で、照射する光を少なくして殺菌・浄化装置や方法を簡素化したり強力に殺菌・浄化したりすることができる。
そして、このようにして蘇生され、殺菌・浄化処理された空気１ｂを、軸流ファン７より放出して殺菌及び浄化処理を継続する。

【0031】

以上のような本実施形態の殺菌・浄化装置を用いた空気の殺菌及び浄化方法によれば、蛇行ダクト３内やケーシング９内に流入して流動する空気流は、これらの内面のＮ型半導体金属酸化物に接触しながら流動する。
その際、接触電池作用が得られる材料にＮ型半導体金属酸化物が担持されているので、表面励起によって生じる活性酸素種と光触媒作用の光ポンピングにより、基底状態酸素の励起による一重項酸素の生成が相乗的に高めることができる。

【0032】

そして、この一重項酸素に対して可視光線の照射によって電磁波の誘導放出をせしめることで、基底状態酸素への遷移の際の強力なエネルギーによって瞬発的な殺菌・浄化を実現できる。
しかも空気流中の残留オゾンが放出されることがないので、人体への影響を与えるようなこともない。

【0033】

そのため院内感染などの予防や、ビル内、交通機関、居住空間の無菌化を達成することができる。さらには厨房や食品工場等の食品加工場所や医療機関などの無菌空間が要求される場所への空気供給装置や方法として有効に活用することができる。

【実施例0034】

次に、図１のような実施形態の殺菌・浄化装置を、図２に示すような閉空間からなる試験場所に設置し、殺菌・浄化装置２０の作動前後の空中浮遊菌数及び落下菌数を測定した。
測定場所は、横浜金沢ハイテクセンタービル地階生ゴミ集積室（神奈川県横浜市金沢区福浦１－１－１）で、大きさは３．９０ｍ×２．０７ｍ×２．０５ｍ、容積約１６ｍ^３であった。生ゴミ集積室の平面図を図２に示す。

【0035】

測定では、図２に示すように出入口２１側の床に殺菌・浄化装置２０を設置し、棚２２，２３の入口側の測定箇所Ａと奥側の測定箇所Ｂにおいて、殺菌・浄化装置２０の作動前の状態と、３０分間作動させた後の状態とで、細菌と真菌とについて空中浮遊菌数及び落下菌数を測定した。

【0036】

空中浮遊菌数は、エアーサンプラーとしてＡｉｒ Ｓａｍｐｌｅｒ ＢＳＣ（Ｂｉｏｔｅｓｔ社製）を用い、空気吸引量を１６０Ｌとして、エアーサンプラー法により測定した。
培養は、細菌用培地としてＡｇａｒ Ｓｔｒｉｐｓ ＴＣ（Ｂｉｏｔｅｓｔ社製）を用い、真菌用培地としてＡｇａｒ Ｓｔｒｉｐｓ ＹＭ（Ｂｉｏｔｅｓｔ社製）を用いた。細菌の培養条件を３０℃で３日間とし、真菌の培養条件を２５℃で７日間とした。

【0037】

一方、細菌及び真菌の落下菌数は、測定箇所Ａ、Ｂにそれぞれ測定用培地を２枚づつ蓋を解放して、３０分間載置し、その後蓋を閉じて培養した。
培養は、細菌用培地として、標準寒天培地（栄研化学株式会社製）を用いた。真菌用培地としては、ポテトデキストロース寒天培地（栄研化学株式会社製）にクロラムフェニコールを１００ｐｐｍ添加したものを用いた。細菌の培養条件を３０℃で３日間とし、真菌の培養条件を２５℃で７日間とした。

【0038】

空中浮遊菌数及び落下菌数の測定結果を表１に示す。なお落下菌数は２枚の培地の平均値とした。

【0039】

【表1】

【0040】

表１の結果から明らかなように、細菌の空中浮遊菌数及び落下菌数の何れについても、測定箇所Ａ、Ｂのそれぞれで、殺菌・浄化装置２０の作動前に対して３０分作動後に、大幅に減少しており、十分な殺菌効果を確認できた。

【符号の説明】

【0041】

１ａ 汚染された空気
１ｂ 殺菌・浄化処理が施された空気
２ａ 空気吸引口
２ｂ 空気放出口
３ 蛇行ダクト
３ａ 上向流路
３ｂ 下向流路
３ｃ 垂壁
３ｄ 光触媒層
４ 波長１８２ｎｍの紫外線ランプ
５ 波長２５４ｎｍの紫外線ランプ
６ 波長４００～６５０ｎｍの可視光線ハロゲンランプ
７ 軸流ファン
９ ケーシング
１０ 安定器
１１ グロープラグ
１２ 端子ボックス
２０ 殺菌・浄化装置
２１ 出入口
２２，２３ 棚

【図1】

【図2】