特開 2023-128560 光反応器システム

(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】P2023128560

(43)【公開日】2023-09-14

(54)【発明の名称】光反応器システム

(51)【国際特許分類】

   B01J 19/12 20060101AFI20230907BHJP

   B01J 19/24 20060101ALI20230907BHJP

   C02F 1/32 20230101ALI20230907BHJP

   C02F 1/72 20230101ALI20230907BHJP

   B01J 35/02 20060101ALI20230907BHJP

【ＦＩ】

B01J19/12 C ZAB

B01J19/24 Z

C02F1/32

C02F1/72 101

B01J35/02 J

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022032972

(22)【出願日】2022-03-03

(71)【出願人】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504180239

【氏名又は名称】国立大学法人信州大学

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】大栗 延章

(72)【発明者】

【氏名】春山 晃寿

(72)【発明者】

【氏名】宇佐美 久尚

【テーマコード（参考）】

4D037

4D050

4G075

4G169

【Ｆターム（参考）】

4D037AA02

4D037AA11

4D037BA18

4D037BB01

4D037BB02

4D050AA04

4D050AA12

4D050BC04

4D050BC09

4D050BD02

4D050BD08

4G075AA03

4G075AA13

4G075AA37

4G075AA61

4G075BA05

4G075CA33

4G075CA54

4G075DA02

4G075EA06

4G075EB33

4G075FA12

4G075FB02

4G075FC04

4G169AA03

4G169BA04B

4G169BA14B

4G169BA48A

4G169CA01

4G169CA10

4G169DA06

4G169EA02X

4G169EA02Y

4G169EB18Y

4G169EC22Y

4G169FA02

4G169HA05

4G169HA20

4G169HB01

4G169HB02

4G169HB06

4G169HD10

4G169HE01

4G169HE05

4G169HF02

4G169HF05

(57)【要約】

【課題】光反応器内の温度を制御することができる光反応器モジュールを提供すること。
【解決手段】本発明の一態様による光反応器システムは、透光性を有する管と、前記管の内側に収容され、導光材料を含む複数の粒体とを有し、流体が前記管の内側に流通する光反応器と、前記管の外側に配置され、前記粒体に向けて光を照射する光源と、前記管の外側に配置され、前記光源を冷却する冷却機構と、前記冷却機構の出力を調整することで、前記光反応器の内部の温度を制御する制御部とを備える。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

透光性を有する管と、前記管の内側に収容され、導光材料を含む複数の粒体とを有し、流体が前記管の内側に流通する光反応器と、
前記管の外側に配置され、前記粒体に向けて光を照射する光源と、
前記管の外側に配置され、前記光源を冷却する冷却機構と、
前記冷却機構の出力を調整することで、前記光反応器の内部の温度を制御する制御部とを備える光反応器システム。

【請求項2】

前記粒体の表面に、光触媒層が設けられている、請求項１に記載の光反応器システム。

【請求項3】

前記光源を保持する支持部材を備え、
前記管と前記支持部材との間に冷却媒体が流通する、請求項１又は２に記載の光反応器システム。

【請求項4】

前記冷却機構は、空冷式ヒートシンクと、冷却ファンとを有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の光反応器システム。

【請求項5】

前記冷却機構は、水冷式ヒートシンクと、ラジエータとを有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の光反応器システム。

【請求項6】

前記光反応器の内部の温度を計測する第１温度計測部と、
前記光源の温度を計測する第２温度計測部とを備え、
前記制御部は、前記第１温度計測部及び前記第２温度計測部の計測温度に基づいて、前記冷却機構の出力を制御する、請求項１から５のいずれか一項に記載の光反応器システム。

【請求項7】

前記制御部は、前記第１温度計測部の計測温度が一定となるように前記冷却機構の出力を制御する、請求項６に記載の光反応器システム。

【請求項8】

前記制御部は、前記第１温度計測部の計測温度が前記流体に含まれる有機物の反応温度以上となるように前記冷却機構の出力を制御する、請求項６又は７に記載の光反応器システム。

【請求項9】

前記制御部は、前記第２温度計測部の計測温度が前記光源の許容温度以下となるように前記冷却機構の出力を制御する、請求項６から８のいずれか一項に記載の光反応器システム。

【請求項10】

前記制御部は、前記第１温度計測部の計測温度が所定の温度範囲内となり、且つ、前記第２温度計測部の計測温度が所定の温度以下となるように、前記冷却機構の出力を制御する、請求項６から９のいずれか一項に記載の光反応器システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光反応器システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、光触媒をコーティングした光触媒体に光を照射すると共に、気体や液体等の被処理物を通過させ、光触媒反応により被処理物に含有される有機物を分解するようにした光反応器が知られている。

【0003】

例えば、特許文献１には、導光体で形成される内管、外管の間に、同一内径を有する複数の中空管が長手方向に配置され、各中空管の少なくとも内周面に、励起光によって励起される光触媒層が形成された光触媒浄化装置が開示されている。さらに、内管の中心、又は外管の外周側に、光触媒層を励起するための励起光源が設けられることが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１５－１２３３９７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、特許文献１の光触媒浄化装置では、励起光源からの放熱量が多くなると、光触媒浄化装置内の温度が必要以上に上昇し、反応物の分解や沸騰等、光触媒反応以外に影響を及ぼす可能性がある。励起光源として、光源寿命や装置の小型化の観点からＬＥＤがよく用いられるが、特に励起光源がＬＥＤの場合、光源からの放熱量が多く、上記のような光触媒反応以外の反応やＬＥＤ自体の熱劣化が生じやすい。特許文献１の光触媒浄化装置では、このような化学反応への温度の影響を考慮した熱マネジメントについての検討はなされていない。

【0006】

上記の点に鑑みて、本発明の一態様は、光反応器内の温度を制御することができる光反応器モジュールを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様による光反応器システムは、透光性を有する管と、前記管の内側に収容され、導光材料を含む複数の粒体とを有し、流体が前記管の内側に流通する光反応器と、前記管の外側に配置され、前記粒体に向けて光を照射する光源と、前記管の外側に配置され、前記光源を冷却する冷却機構と、前記冷却機構の出力を調整することで、前記光反応器の内部の温度を制御する制御部とを備える。

【発明の効果】

【0008】

本発明の一態様によれば、光反応器内の温度を制御することができる光反応器モジュールを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】一実施形態による光反応器モジュールの斜視図である。

【図2】図１のＩ－Ｉ断面図である。

【図3】一実施形態による光反応器モジュールの断面の要部拡大図である。

【図4】一実施形態による光反応器システムを示す概略構成図である。

【図5】制御部の処理の一例を示すフローチャートである。

【図6】一実施形態による光反応器システムの他の例を示す概略構成図である。

【図7】光反応器内の温度の経時変化を示す図である。

【図8】光源の温度の経時変化を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。なお、説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の符号を付して、重複する説明は省略する場合がある。

【0011】

本発明の一実施形態による光反応器モジュールについて説明する。

【0012】

図１は、一実施形態による光反応器モジュールの斜視図であり、図２は、図１のＩ－Ｉ断面図である。図１及び図２に示すように、本発明の一実施形態による光反応器モジュール１００は、光反応器１と、光反応器１の外側に配置された光源５とを備える。光反応器モジュール１００は、さらに、光源５を支持する支持部材４を備えていてよい。また、光反応器モジュール１００は、一端に流体Ｆが流入する流入口と、他端に流体Ｆが流出する流出口とを備え、流通する流体Ｆを光触媒反応等の光反応（光化学反応）により処理する。

【0013】

光反応器モジュール１００は、さらに、管２の外側に、光源５を冷却する冷却機構３０を備えている。冷却機構３０は、空冷式であってもよく、水冷式であってもよい。冷却機構３０は、空冷式の場合、例えば、空冷式ヒートシンク６と、冷却ファン７とを有していてよい。冷却ファン７は、例えば、光反応器１の一端側に、台座１１を介して取り付けることができる。冷却機構３０は、水冷式の場合、後述する水冷式ヒートシンク６Ａと、ラジエータ１８とを有していてよい。

【0014】

光反応器１の流入口側の端部には、フランジ９と、フランジ９と係合し、開口を閉塞するキャップ８が設けられている。キャップ８は、キャップ８の側面を貫通する接続口８１を有する。接続口８１には、流体Ｆを流通させる配管が接続され、接続口８１から光反応器１の内部に流体Ｆを流入させることができる。光反応器１の流出口側の端部にも、同様に、フランジ９と、キャップ８とを設けることで、キャップ８の側面を貫通する接続口８１から光反応器１の外部に流体Ｆを流出させることができる。

【0015】

図３は、一実施形態による光反応器モジュールの断面の要部拡大図である。図３示すように、光反応器１は、透光性を有する管２と、管２の内側に収容され、導光材料を含む複数の粒体３とを有し、粒体３の表面には、光触媒層３１が設けられていてもよい。管２の中に、被処理物として、例えば、有害物質、有機物等を含む流体Ｆを流通する。管２の内側に流通する流体Ｆとしては、特に制限はなく、液体であってもよく、気体であってもよい。液体としては、例えば、地下水、水道水、汚水、飲料、反応物（光反応前の物質）等が挙げられる。

【0016】

管２の中心軸１０に直交する断面形状（より詳細には、管２の内周面の断面形状）は、図１～図３に示す例では円形であるが、これに限らず、例えば、楕円形、多角形（六角形、五角形、四角形、三角形等）とすることができる。管２の中心軸１０に直交する断面形状は、六角形でもよい。管２の中心軸１０に直交する断面形状が六角形であると、管２の内側に収容された粒体３は、六方最密充填構造となる。そのため、粒体３と管２の内周面との接触部を規則的に形成することができ、後述する粒体３と管２との融着面１５を規則的に形成することができる。よって、光源５の光軸５３を融着面１５の位置に容易に合わせることができ、融着面１５全体における照度を向上させることができる。

【0017】

管２を構成する材料は、光源５から照射された光を透過する導光材料であればよく、例えば、ホウケイ酸ガラス等の耐熱ガラス、ソーダガラス等を用いることができる。例えば、光触媒として二酸化チタン（ＴｉＯ_２）を用いる場合は、二酸化チタンが４００ｎｍ以下の波長に対して良好な吸収を示すことから、光源５は、励起波長３６５ｎｍのＵＶ－Ａ（Ａ領域紫外線、又は長波長紫外線） ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）が好ましい。そのため、光触媒として二酸化チタンを用いる場合、管２を構成する材料は、波長３６５ｎｍの光に対して良好な透過率を示すホウケイ酸ガラスが好ましい。

【0018】

管２の内径Ｌ２は、特に制限はなく、光反応器モジュール１００全体の圧力損失が小さくなるよう任意の内径を選択することができる。例えば、管２の内径Ｌ２は、６ｍｍ～４００ｍｍとすることができる。６ｍｍ以上の内径Ｌ２は、粒径２ｍｍ～２０ｍｍの汎用の粒体３を収容し融着することに好適である。４００ｍｍ以下の内径Ｌ２は、融着して連結される粒体３の数を、光の減衰を抑制できる範囲とすることに好適である。なお、管２の内径とは、管２の中心軸１０に直交する断面形状が円形ではない場合は、当該断面形状の中心を通る内径の最大値を意味し、管２の中心軸１０に直交する断面形状が六角形である場合は、対辺距離（向かい合う辺の間の距離）を意味する。

【0019】

管２の厚さＬ３は、特に制限はないが、例えば、１５ｍｍ以下とすることができる。管２の厚さＬ３が、１５ｍｍ以下であることにより、光反応に十分な光の透過率を得ることができ、光反応を促進することができる。

【0020】

粒体３の形状は、特に限定されないが、球状であることが好ましく、複数の粒体３の粒径が同一であることが好ましい。これにより、光反応器モジュール１００は、均質性が高く安定した処理能力を発揮することができる。

【0021】

粒体３の粒子径は、特に限定されないが、２ｍｍ～２０ｍｍが好ましく、３ｍｍ～１０ｍｍがより好ましい。粒体３の粒子径は、２ｍｍ～２０ｍｍであることにより、粒体３内での光の減衰を抑制することができ、光反応をより促進することができる。また、粒体３の粒子径は、３ｍｍ～１０ｍｍであることにより、表面積を増大させ光反応をさらに促進することができ、また、融着させる時の伝熱性が良くなり、容易に融着面１５を形成することができる。

【0022】

粒体３を構成する材料は、光源５から照射された光を透過する導光材料であればよく、管２と同様の材料を用いることができる。例えば、光触媒として二酸化チタンを用いる場合は、二酸化チタンが４００ｎｍ以下の波長に対して良好な吸収を示すことから、光源５は、励起波長３６５ｎｍのＵＶ－Ａ ＬＥＤが好ましい。そのため、光触媒として二酸化チタンを用いる場合、粒体３を構成する材料は、波長３６５ｎｍの光に対して良好な透過率を示すホウケイ酸ガラスが好ましい。

【0023】

図３に示すように、光反応器１は、粒体３と粒体３との当接部に、粒体３と粒体３とが融着した融着面１５を有する。また、光反応器１は、粒体３と管２の内周面との当接部に、粒体３と管２の内周面とが融着した融着面１５を有する。これらの融着面１５は、複数の粒体３を収容した管２を、粒体３を構成する材料の融点以上の温度で加熱することにより、形成することができる。なお、管２の内周面と粒体３とが当接していない部分は、管２の内周面と粒体３とが融着していない非融着面１６とする。即ち、光反応器１は、粒体３と管２の内周面とが融着した融着面１５と、管２の内周面と粒体３とが融着していない非融着面１６とを有する。

【0024】

光反応器１は、融着面１５を有することにより、光源５から照射された光を、管２の内周面と粒体３との融着面１５、及び粒体３同士の融着面１５を介して、光反応器１の内部まで導光させることができる。換言すると、管２の内周面と粒体３の融着面１５、及び粒体３同士の融着面１５は、光源５から照射された光の導光路Ｃを構成する。

【0025】

管２の内周面と粒体３との融着面１５は、管２の中心軸１０と平行な方向に、１０段以下形成されていることが好ましい。これにより、粒体３内での光の減衰を抑制することができ、光反応をより促進することができる。なお、上述の粒体３の粒子径は、管２の内周面と粒体３との融着面１５が、管２の中心軸１０と平行な方向に、１０段以下となるように選択することができる。

【0026】

融着面１５を形成する観点から、管２を構成する材料の融点は、粒体３を構成する材料の融点よりも高いことが好ましい。具体的には、例えば、管２を構成する材料にホウケイ酸ガラス等の耐熱ガラスを使用し、粒体３を構成する材料にソーダガラスを使用することができる。これにより、粒体３を構成する材料の融点以上の温度で加熱したとき、管２を熱により変形させることなく、融着面１５を形成することができる。なお、融着面１５を形成する際の加熱温度は、粒体３を構成する材料の融点以上、且つ管２を構成する材料の融点以下であることが好ましい。ただし、融着面１５が適切に形成されることが必須であり、粒体３を構成する材料の融点と管２を構成する材料の融点が等しい場合には、逐次的な局所加熱法により粒体３と粒体３、および粒体３と管２の内周面とを適切に融着させてもよい。

【0027】

粒体３の表面には、光触媒層３１が設けられていてもよい。光触媒層３１を構成する光触媒としては、被処理物に応じて選択することができ、例えば、二酸化チタン、酸化亜鉛、バナジン酸ビスマス（ＢｉＶＯ_４）等が挙げられる。光触媒層３１を構成する光触媒が、二酸化チタンである場合、酸化反応及び分解反応により、空気洗浄、浄水、脱臭、除菌、防汚等の作用が得られる。粒体３の表面に、光触媒層３１が設けられていることにより、被処理物である流体Ｆと光触媒との接触面積を増大させることができると同時に、光触媒に対する光の照射面積を増大させることができるため、光触媒反応を促進することができる。光触媒層３１は、粒体３の表面と、管２の内周面とに設けられていてもよい。

【0028】

光源５は、管２の外側、具体的には、支持部材４の内周面に配置され、粒体３に向けて光を照射する。光源５から照射された光は、管２の外周面に入射し、管２の内周面側へ透過する。光源５としては、光触媒に応じて任意の光源を選択することができ、具体的には、例えば、ＵＶライト（ブラックライト）、キセノンランプ、エキシマーランプ等が挙げられる。ＵＶライトとしては、具体的には、ＵＶ－Ａ ＬＥＤが挙げられる。例えば、光触媒として二酸化チタンを用いる場合は、４００ｎｍ以下の波長に対して良好な吸収を示すことから、光源５としては、励起波長３６５ｎｍのＵＶ－Ａ ＬＥＤが好ましい。

【0029】

光源５の個数は、特に制限はなく、光反応器モジュール１００全体の消費電力及び光源５の放熱量から決定することができる。光源５は、例えば、複数の発光素子５１（例えば、ＬＥＤ素子）が、支持部材４の内周面に直接又は間接的に取り付けられた基板５２の表面に設けられている。光源５は、基板５２の表面と直交する方向に光軸５３が揃えられた状態で配列された複数の発光素子５１を含んでもよい。

【0030】

光源５は、支持部材４における管２との対向面（支持部材４の内周面）に、管２の中心軸１０と平行となる方向、又は直交する方向に複数並べて配置されていてもよい。光源５は、基板５２に所定の間隔をおいて一列に配置された発光ユニットであってもよい。例えば、管２の中心軸１０と平行に配列された複数の発光素子５１をそれぞれ備える６個の発光ユニットを、支持部材４の内周面に周方向に等間隔に配置してもよい。また、管２の中心軸１０と直交して配列された複数の発光素子５１をそれぞれ備える６個の発光ユニットを、支持部材４の内周面に周方向に等間隔に配置してもよい。管２の中心軸１０に直交する断面形状が六角形である場合、上述の通り、管２の内周面と粒体３との融着面１５が、管２の周方向（管２の中心軸１０と直交する方向）に沿って直線状に並んで形成される。そのため、光源５は、支持部材４における管２との対向面（支持部材４の内周面）に、管２の中心軸１０と直交する方向に複数並べて配置されていることが好ましい。

【0031】

光源５は、光源５の光軸５３が、粒体３と管２の内周面との融着面１５に対して直交するように配置されていることが好ましい。換言すると、光源５の光軸５３は、融着面１５に対して垂直であることが好ましい。光源５の光軸５３が、融着面１５に対して垂直であることにより、融着面１５における照度を、非融着面１６における照度よりも大きくすることができる。よって、光源５から照射された光を粒体３と管２の内周面との融着面１５から導光路Ｃに沿って光反応器１のより内部まで導光させることができる。また、粒体３の表面に光触媒層３１が設けられている場合、粒体３表面の光触媒層３１の受光量を増加させることができる。以上により、本実施形態の光反応器モジュール１００は、光触媒反応等の光反応を促進することができる。

【0032】

支持部材４は、板状であってもよく、筒状の形状を有する外筒であってもよい。支持部材４が外筒である場合、支持部材４は、光反応器１を管２の径方向の外側から囲んで配置されている。換言すると、光反応器１は、支持部材４の内側に配置されている。支持部材４は、管２の中心軸１０と同軸上に配置されていることが好ましい。この場合、中心軸１０は、支持部材４の中心軸でもあると言える。以下、管２の中心軸１０を支持部材４の中心軸としても用いる。

【0033】

支持部材４の内周面は、光源５の光を反射することが好ましい。光源５から放射された光は、光反応器１に直接入射する光と、光反応器１の外部を直進する光があるが、光反応器１の外部を直進する光は、支持部材４の内周面で反射され、光反応器１に入射する。また、光反応器１の外部において散乱した光も、支持部材４の内周面で反射され、光反応器１に入射する。よって、支持部材４の内周面が、光源５の光を反射することにより、光反応器１の外部のより多くの光を光反応器１の内部に導くことができるため、光触媒反応等の光反応を促進することができる。

【0034】

図３において、光反応器１の管２の外周面と、支持部材４の内周面との最短距離Ｌ１は、管２の外径が８０ｍｍ～４００ｍｍの場合、４０ｍｍ以下となるように設定することが好ましい。最短距離Ｌ１が４０ｍｍ以下であることにより、光源５から放射された光が、光反応器１に到達するまでの間に、空気中で散乱し減衰することを抑制することができるため、光触媒反応等の光反応を促進することができる。

【0035】

支持部材４の内周面は、反射性材料から構成されていてもよく、反射性材料でコーティングされていてもよい。反射性材料としては、特に限定されないが、例えば、アルミニウム等の金属、ポリテトラフルオロエチレン等が挙げられる。これらの中でも、反射性材料は、金属であることが好ましい。反射性材料が金属であることにより、光源５から照射される光が短波長（例えば、２８０ｎｍ以下）である場合においても、劣化することを抑制することができる。

【0036】

支持部材４の内周面は、光源５の光に対する反射率が、８０％以上であることが好ましく、高ければ高い程より好ましい。支持部材４の内周面の、光源５の光に対する反射率が、８０％以上であることにより、光反応器１の外部のより多くの光を反射し光反応器１の内部に導くことができるため、光触媒反応等の光反応を促進することができる。支持部材４の内周面は、鏡面であってもよく、散乱面であってもよい。

【0037】

支持部材４の中心軸１０に直交する断面形状（より詳細には、支持部材４の内周面の断面形状）は、円形、楕円形、又は多角形（六角形、五角形、四角形、三角形等）とすることができる。支持部材４の中心軸１０に直交する断面形状は、管２の中心軸１０に直交する断面形状と同じであってもよい。これにより、管２と支持部材４との距離が周方向に亘って均一となり、管２の内周面に配置された光源５の光を光反応器１に対して均一に照射することができる。よって、光反応器モジュール１００は、均質性が高く安定した処理能力を発揮することができる。また、支持部材４の中心軸１０に直交する断面形状は、六角形、五角形、四角形、三角形等の多角形であることが好ましい。これにより、支持部材４の内周面に光源５の取り付け平面（例えば、基板５２の裏面）を密着して配置することができ、光源５の熱を支持部材４に伝導させ、支持部材４から放熱させることができる。よって、光反応器１内の温度が光源５の熱により必要以上に上昇することを抑制し、また、熱による光源５の破損又は劣化を抑制することができる。

【0038】

支持部材４の内径は、特に制限はなく、管２を構成する材料、管２の外径、及び光源５の励起波長等に応じて、任意の大きさを選択することができる。例えば、ホウケイ酸ガラスで構成された、直径８０ｍｍの管２、及び励起波長３６５ｎｍの光源５を用いる場合は、支持部材４の内径は、光反応器１又は管２の外周面と支持部材４の内周面との最短距離Ｌ１が４０ｍｍ以下となるように設定することが好ましい。なお、支持部材４の内径とは、支持部材４の中心軸１０に直交する断面形状が円形ではない場合は、当該断面形状の中心を通る内径の最大値を意味し、支持部材４の中心軸１０に直交する断面形状が六角形である場合は、対辺距離を意味する。

【0039】

次に、光反応器モジュール１００の製造方法について説明する。

【0040】

まず、管２及び多数の粒体３を準備するとともに、光触媒層３１を設けるための光触媒用溶液を準備する。光触媒用溶液は、例えば、二酸化チタンを主成分とし、必要なバインダ等を含ませることができる。次に、基板治具の上に管２を起立させ、管２の上端開口から粒体３を投入することにより管２の内部に充填する。そして、ヒータにより加熱を行う加熱炉の内部に、粒体３を充填した管２を収容し、加熱温度Ｔ〔℃〕の温度環境下で予め設定した加熱時間Ｚだけ加熱処理する。これにより、管２と粒体３の表面は、加熱温度Ｔ〔℃〕により溶解し、管２と粒体３間の当接部、及び粒体３同士の当接部がそれぞれ溶着することにより、所定の面積を有する融着面１５が生成される。この場合、加熱温度Ｔ〔℃〕が低過ぎる場合には溶解不足が発生し、十分かつ良好な融着面１５が得られない。また、加熱温度Ｔ〔℃〕が高過ぎる場合には過度に溶解し、良好な内部形状が得られないとともに、流路も狭くなる。したがって、加熱温度Ｔ〔℃〕及び加熱時間Ｚは、実験等により最適値を設定することが望ましい。なお、加熱温度Ｔ〔℃〕は、粒体３を構成する材料の融点以上、且つ管２を構成する材料の融点以下であることが好ましい。例えば、加熱温度Ｔ〔℃〕は、６００～７００〔℃〕とすることができる。これにより、管２及び粒体３には融着面１５を介して連続する導光路Ｃが設けられる。そして、加熱時間Ｚが経過したなら加熱炉から管２を取り出し、自然冷却により常温まで冷却する。

【0041】

次いで、管２の上端開口から光触媒用溶液を注入し、管２の内部に光触媒用溶液を充填する（ステップａ）。この際、必要により振動等を加え、粒体３同士の隙間等に光触媒用溶液を浸透させることができる。所定の時間が経過後、管２から光触媒用溶液を排出する（ステップｂ）。そして、光触媒用溶液を排出した後の粒体３を含む管２を、乾燥又は焼成する（ステップｃ）。これにより、融着面１５を除く粒体３の表面及び管２の内周面に、二酸化チタンを用いた光触媒層３１を設けられる。このような手法により、粒体３の表面及び管２の内周面には、均一の光触媒層３１を容易に設けることができる。なお、必要により、ステップａ～ｃを繰り返すことにより、光触媒層３１の膜厚（層厚）を調整することができる。この後、基板治具を取り除き、管２の端面や外周面等に付着した不要な光触媒層３１を取り除くなどの仕上げを行い、さらに、導光性等の検査を行えば、光反応器１を得ることができる。なお、粒体３の表面又は管２の内周面に光触媒層３１を設けない場合は、ステップａ～ｃは、不要となる。

【0042】

得られた光反応器１に対して、その両端開口にフランジ９と、キャップ８を装着すれば、光反応器モジュール１００として構成することができる。そして、キャップ８の接続口８１に流体Ｆを流通させる配管を接続する。これにより、管２の一端が流体Ｆの流入口となり、他端が流体Ｆの流出口となる光反応器モジュール１００が得られる。

【0043】

次に、光反応器システム２００について説明する。

【0044】

図４は、一実施形態による光反応器システムを示す概略構成図である。図４に示すように、本発明の一実施形態による光反応器システム２００は、透光性を有する管２と、管２の内側に収容され、導光材料を含む複数の粒体３とを有し、流体Ｆが管２の内側に流通する光反応器１と、管２の外側に配置され、粒体３に向けて光を照射する光源５と、管２の外側に配置され、光源５を冷却する冷却機構３０とを備える。また、光反応器システム２００は、冷却機構３０の出力を調整することで、光反応器１の内部の温度を制御する制御部２２０を備える。

【0045】

図４に示す例では、冷却機構３０は、空冷式ヒートシンク６と、冷却ファン７とを有し、空冷式である例を示すが、水冷式であってもよい。また、図４に示す例では、冷却ファン７は、光反応器モジュール１００における、流入口側に配置されている例について説明するが、これに限らず、例えば、光反応器モジュール１００における、流出口側に配置されていてもよい。

【0046】

光反応器１の流入口側の端部には、光反応器１内に流体Ｆを供給する流体供給ライン２４１が接続され、光反応器１の流出口側の端部には、光反応器１において光反応により処理された流体Ｆを流通させる流体流出ライン２４２が接続されている。

【0047】

冷却ファン７が取り込んだ冷却空気（冷却媒体）Ａ１は、光反応器１の管２と支持部材４との間に流通し、支持部材４に支持された光源５及び管２を冷却した後に、光反応器モジュール１００の流出口側に接続された排気ライン２４３から排出される。冷却空気（冷却媒体）Ａ１が、光反応器１の管２と支持部材４との間に流通することにより、光源５及び管２が冷却空気Ａ１に直接当たって冷却されるため、光反応器１内及び光源５の温度を下げることができる。そして、制御部２２０が、冷却機構３０の出力を調整することで、光反応器１内の温度を制御することができ、光反応器１内の温度を光反応に適切な温度に維持することができる。

【0048】

冷却ファン７が取り込んだ冷却空気（冷却媒体）Ａ２は、支持部材４の外側を流通し、支持部材４の外周面に設けられた空冷式ヒートシンク６を冷却した後に、光反応器モジュール１００の流出口側に接続された排気ライン２４３から排出されてもよい。冷却ファン７が取り込んだ冷却空気Ａ２が、支持部材４の外側を流通することにより、空冷式ヒートシンク６が冷却空気Ａ２に接触して冷却されるため、光源５から、支持部材４を介して空冷式ヒートシンク６に伝わった熱が放熱される。よって、光反応器１内及び光源５の温度を下げることができる。そして、制御部２２０が、冷却機構３０の出力を調整することで、光反応器１内の温度を制御することができ、光反応器１内の温度を光反応に適切な温度に維持することができる。

【0049】

光反応器モジュール１００又は光反応器システム２００は、冷却ファン７が取り込んだ冷却空気（冷却媒体）を、光反応器１の管２と支持部材４との間に流通する場合、支持部材４の外側に流通する場合、又は、光反応器１の管２と支持部材４との間及び支持部材４の外側に流通する場合の３パターンに送風路を切替え可能な風路切替え機構を有していてもよい。風路切換え機構としては、特に限定されないが、例えば、光反応器１の一端側における管２と支持部材４との間の開口を開閉するダンパーを設けてもよく、又は、冷却ファン７の下流側のラインにダンパーを設けてもよい。

【0050】

光反応器システム２００は、光反応器１の内部の温度を計測する第１温度計測部２１１と、光源５の温度を計測する第２温度計測部２１２とを備えていてよい。そして、制御部２２０は、第１温度計測部２１１及び第２温度計測部２１２の計測温度に基づいて、冷却機構３０の出力を制御（調整）してもよい。第１温度計測部２１１は、図４に示す例では、光反応器１の流出口側に設けられている例を示すが、光反応器１の任意の位置に設けることができる。第２温度計測部２１２は、例えば、光源５の基板５２又は発光素子５１に設けることができる。

【0051】

制御部２２０は、第１温度計測部２１１及び第２温度計測部２１２の計測温度に基づいて、冷却機構３０の出力を制御してよい。冷却機構３０が空冷式である場合、制御部２２０は、冷却ファン７の出力を制御し、冷却機構３０が水冷式である場合は、後述するラジエータ１８内に流れる冷却媒体の流れを制御する。制御部２２０が冷却ファン７を回すモータを制御する制御方式としては、例えば、可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ：Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）制御を用いることができる。

【0052】

制御部２２０は、光反応器１の内部の温度を計測する第１温度計測部２１１の計測温度が一定となるように冷却機構３０の出力を制御することが好ましい。このように制御することにより、光反応器１内の温度を一定に維持することができ、光触媒反応等の光反応を安定に持続させることができる。また、制御部２２０は、第１温度計測部２１１の計測温度が流体Ｆに含まれる有機物の反応温度以上となるように冷却機構３０の出力を制御することが好ましい。このように制御することにより、冷却機構３０により光反応器１内の温度が有機物の反応温度より低くなり、反応速度が低下することを防止でき、光反応をより促進することができる。

【0053】

制御部２２０は、さらに、第１温度計測部２１１の計測温度が、流体Ｆに含まれる有機物の分解温度以下となるように冷却機構３０の出力を制御してもよい。このように制御することにより、光反応器１内の温度が必要以上に上昇することを抑制し、流体Ｆに含まれる有機物が分解することを抑制することができる。また、制御部２２０は、第１温度計測部２１１の計測温度が、流体Ｆの沸点以下となるように冷却機構３０の出力を制御してもよい。このように制御することにより、光反応器１内の温度が必要以上に上昇することを抑制し、流体Ｆが沸騰することを抑制することができる。

【0054】

制御部２２０は、第２温度計測部２１２の計測温度が光源５の許容温度以下となるように冷却機構３０の出力を制御することが好ましい。許容温度は、光源５が絶縁破壊等により破損する破損温度、光源５の耐熱温度等を含む。このように制御することにより、光源５の発熱により光源５の温度が上昇し、光源５が破損することを防止することができる。よって、光反応器モジュール１００及び光反応器システム２００を長寿命化することができる。

【0055】

制御部２２０は、第１温度計測部２１１の計測温度が所定の温度範囲内となり、且つ、第２温度計測部２１２の計測温度が所定の温度以下となるように、冷却機構３０の出力を制御することが好ましい。このように制御することにより、光反応器１内の温度を光触媒反応等の光反応に適切な温度に維持し、光反応を高い反応速度で安定に持続させることができ、光反応を高効率化することができる。同時に、光源５の発熱により光源５の温度が上昇し、光源５が破損することを防止することができ、光反応器モジュール１００及び光反応器システム２００を長寿命化することができる。

【0056】

制御部２２０は、前述の風路切換え機構を制御してもよい。風路切換え機構として、管２と支持部材４との間の開口を開閉するダンパーを設ける場合、制御部２２０は、ダンパーの開閉を制御してもよい。制御部２２０は、例えば、冷却機構３０の冷却能力を上げるとき、ダンパーを開き、冷却ファン７が取り込んだ冷却空気を光反応器１の管２と支持部材４との間及び支持部材４の外側の両方に流通するようにし、冷却機構３０の冷却能力を下げるとき、ダンパーを閉じ、支持部材４の外側にのみ流通するように制御してもよい。

【0057】

制御部２２０は、例えば、ＣＰＵと、メモリとを有するハードウエアの処理回路として実現される。この場合、制御部２２０の機能は、ＣＰＵがメモリに記憶されたプログラムを実行することにより実現される。

【0058】

次に、制御部２２０の処理手順について説明する。

【0059】

図５は、制御部２２０の処理の一例を示すフローチャートである。図５に示すように、制御部２２０は、まず、冷却ファン７をＯＮにし（ステップＳ２０１）、続いて、光源５をＯＮにする（ステップＳ２０２）。次に、第１温度計測部２１１の計測温度が６０℃以下であるか否かを判定する（ステップＳ２０３）。第１温度計測部２１１の計測温度が６０℃以下である場合（ステップＳ２０３、ＹＥＳ）、第２温度計測部２１２の計測温度が８０℃以下であるか否かを判定する（ステップＳ２０４）。

【0060】

一方、第１温度計測部２１１の計測温度が６０℃以下でない場合（ステップＳ２０３、ＮＯ）、冷却ファン７の出力を＋ｎ％上げる（ステップＳ２０６）。ｎ％とは、冷却ファン７の最大出力に対する割合を意味し、任意の値とすることができる。そして、再度、第１温度計測部２１１の計測温度が６０℃以下であるか否かを判定する（ステップＳ２０３）。第１温度計測部２１１の計測温度が６０℃を超えるまでこの処理を繰り返す。

【0061】

ステップＳ２０４において、第２温度計測部２１２の計測温度が８０℃以下である場合（ステップＳ２０４、ＹＥＳ）、第１温度計測部２１１の計測温度が４０℃以下であるか否かを判定する（ステップＳ２０５）。

【0062】

一方、第２温度計測部２１２の計測温度が８０℃以下でない場合（ステップＳ２０４、ＮＯ）、冷却ファン７の出力を＋ｎ％上げる（ステップＳ２０６）。そして、ステップＳ２０３、ステップＳ２０４、ステップＳ２０６の処理を繰り返す。

【0063】

ステップＳ２０５において、第１温度計測部２１１の計測温度が４０℃以上である場合（ステップＳ２０５、ＹＥＳ）、ステップＳ２０３に戻り、第１温度計測部２１１の計測温度が６０℃以下であるか否かを判定する。

【0064】

一方、第１温度計測部２１１の計測温度が４０℃以上でない場合（ステップＳ２０５、ＮＯ）、冷却ファン７の出力をｎ％下げる（ステップＳ２０７）。出力をｎ％下げることにより、第１温度計測部２１１の計測温度、即ち、光反応器１内の温度を上げることができる。そして、ステップＳ２０３に戻り、第１温度計測部２１１の計測温度が６０℃以下であるか否かを判定する。

【0065】

以上のように制御部２２０が処理をすることにより、光反応器１内の温度を光反応に最適な温度範囲である４０℃以上、且つ６０℃以下に制御することができると共に、光源５の温度を光源５の許容温度である８０℃以下に制御することができる。なお、光反応に最適な温度範囲は、流体Ｆに含まれる有機物の反応温度若しくは分解温度、又は流体Ｆの沸点等に応じて任意の温度範囲を選択することができ、光源５の許容温度は、光源５の材質等に応じて任意の温度を選択することができる。

【0066】

本実施形態による光反応器システム２００において、制御部２２０が、第１温度計測部２１１及び第２温度計測部２１２の計測温度に基づいて、冷却機構３０の出力を制御することにより、光反応器１の内部の温度と光源５の温度に基づいて、光反応器１内の温度をより適切な温度に制御することができる。同時に、光源５の発熱により光源５の温度が上昇し、光源５が破損することを防止することができ、光反応器モジュール１００及び光反応器システム２００を長寿命化することができる。

【0067】

次に、冷却機構３０が水冷式である場合の光反応器システム２００について説明する。

【0068】

図６は、一実施形態による光反応器システムの他の例を示す概略構成図である。図６に示す例では、光反応器システム２００は、図４に示す例の空冷式ヒートシンク６に替えて水冷式ヒートシンク６Ａを備え、図４に示す例の冷却ファン７に替えてラジエータ１８を備えている。光反応器システム２００は、水冷式ヒートシンク６Ａとラジエータ１８との間に、冷却水（冷却媒体）を循環させる冷却水循環ポンプ１７を備えている。水冷式ヒートシンク６Ａは、光源５が放熱された熱を回収する。水冷式ヒートシンク６Ａには、排熱を回収するための冷却水が循環される排熱回収循環ライン２５０が接続されている。排熱回収循環ライン２５０は、排熱回収後の水が流通する冷却水排出ライン２５１と、ラジエータ１８で冷却された後の水が流通する冷却水供給ライン２５２とを有する。制御部２２０は、第１温度計測部２１１及び第２温度計測部２１２の計測温度に基づいて、ラジエータ１８内に流れる冷却水の流量等を冷却水循環ポンプ１７により制御する。制御部２２０が冷却水循環ポンプ１７を回すモータを制御する制御方式としては、例えば、可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ：Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）制御を用いることができる。上述した構成を除いては、図４に示す光反応器システム２００と同様の構成を用いることができる。以上の構成により、図６に示す光反応器システム２００においても、図４に示す光反応器システム２００と同様の効果を奏する。

【実施例0069】

以下、実施例及び比較例を示して実施形態を更に具体的に説明するが、実施形態はこれらの実施例により限定されるものではない。

【0070】

（実施例１）
内径（対辺距離）３０ｍｍ、高さ５０ｍｍ、厚さ４ｍｍ、中心軸に直交する断面形状が正六角形のホウケイ酸ガラス製の管内に、同材質の粒径２ｍｍの粒体を複数収容し融着連結した。アナターゼ型ＴｉＯ_２を塗布し焼き付けることで、管の内周面及び粒体の表面にＴｉＯ_２光触媒層を形成した光反応器を得た。

【0071】

光反応器の外部に支持部材として、内径（対辺距離）６０ｍｍ、高さ４０ｍｍ、中心軸に直交する断面形状が正六角形のアルミ筒（反射率８５％）を設置した。アルミ筒の内周面に、光源として、ＵＶ‐Ａ ＬＥＤテープライト（３６５ｎｍ、６０個／ｍ、３６０μＷ／ｃｍ^２）を一面に対して２本貼り付けた。アルミ筒の外周面に、厚み２ｍｍ、ピッチ２ｍｍ、高さ２０ｍｍのアルミヒートシンクを固定し、光反応器の下部に冷却用の直径９０ｍｍのＤＣファン（ＦＡＮ－１００）を設置することで実施例１の光反応器モジュールを得た。そして、光反応器の入口及び出口に、１／４インチのポリテトラフルオロエチレン製の継手で取り合い、出口部には反応器出口温度計測用の熱電対（ＴＣ－１１０）を設け、ＬＥＤ基板にはＬＥＤ基板表面温度計測用の熱電対（ＴＣ－２００）を設けることにより、実施例１の光反応器システムを得た。

【0072】

［油脂分解性能の評価］
光反応器モジュールで処理をする水溶系の油脂を含有する流体として、水で固形分を１％に調製した牛乳を用い、チューブポンプを用いて９０ｍＬ／ｍｉｎにて光反応器内を循環しながら、光反応器にＬＥＤを照射し、ＴＣ－１１０＝６０℃、ＴＣ－２００＜８０℃となるようにファンの出力を制御して、光触媒反応による油脂分解試験を実施した。ＬＥＤを１０ｈ照射後の牛乳中の油脂量をＴＯＣ（全有機炭素測定）により定量することで、油脂分解性能を評価した。油脂分解性能が高いほど、光触媒反応が促進されていることを意味する。

【0073】

（比較例１）
実施例１と同様の光反応器システムを用い、ファンの出力を１００％で運転したこと以外は、実施例１と同様にして光反応器内の温度の計測、ＬＥＤの温度の計測、及び油脂分解性能の評価を行った。

【0074】

（実施例２）
実施例１と同様の光反応器システムを用い、ファンの出力を５％で運転したこと以外は、実施例１と同様にして光反応器内の温度の計測、ＬＥＤの温度の計測、及び油脂分解性能の評価を行った。

【0075】

実施例１、比較例１及び比較例２の光反応器内の温度の経時変化を図７に示し、光源の温度の経時変化を図８に示す。実施例１の反応器内の温度は、６０℃に維持された。実施例１のＬＥＤの温度は、８０℃を超えない温度に維持され、試験後に照度計でＬＥＤの照度を計測した結果、ＬＥＤの照度低下は無かった。また、実施例１の油脂分解量は、４０ｍｇ／Ｌであった。比較例１の油脂分解量は、３ｍｇ／Ｌに止まり、この時の反応器内の温度は、３２℃であった。比較例２では、光反応器システムの運転と共に反応器内の温度及びＬＥＤの温度が上昇し、反応器内の温度が１００℃で反応液が沸騰し、系外への飛散がみられ、ＬＥＤ温度が１４０℃を超えた際に、ＬＥＤが破損（絶縁）した。以上により、実施例１の光反応器モジュール及び光反応器システムは、光反応器内の温度を制御し、光反応器における反応速度を最大化しながら、ＬＥＤの性能を損なうことなく、長時間運転することができることを確認した。

【0076】

以上の通り、実施形態を説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の組み合わせ、省略、置き換え、変更などを行うことが可能である。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0077】

１ 光反応器
２ 管
３ 粒体
３１ 光触媒層
４ 支持部材
５ 光源
５１ 発光素子
５２ 基板
５３ 光軸
６ 空冷式ヒートシンク
６Ａ 水冷式ヒートシンク
７ 冷却ファン
８ キャップ
８１ 接続口
９ フランジ
１０ 中心軸
１１ 台座
１５ 融着面
１６ 非融着面
１７ 冷却水循環ポンプ
１８ ラジエータ
２０ 直線
３０ 冷却機構
１００ 光反応器モジュール
２００ 光反応器システム
２１１ 第１温度計測部
２１２ 第２温度計測部
２２０ 制御部
２４１ 流体供給ライン
２４２ 流体流出ライン
２４３ 排気ライン
２５０ 排熱回収循環ライン
２５１ 冷却水排出ライン
２５２ 冷却水供給ライン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】