特開 2023-128562 光反応器モジュール

(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】P2023128562

(43)【公開日】2023-09-14

(54)【発明の名称】光反応器モジュール

(51)【国際特許分類】

   B01J 19/12 20060101AFI20230907BHJP

   B01J 35/02 20060101ALI20230907BHJP

   C02F 1/72 20230101ALI20230907BHJP

【ＦＩ】

B01J19/12 C

B01J35/02 H ZAB

C02F1/72 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022032974

(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】春山 晃寿

(72)【発明者】

【氏名】大栗 延章

(72)【発明者】

【氏名】宇佐美 久尚

【テーマコード（参考）】

4D050

4G075

4G169

【Ｆターム（参考）】

4D050AA02

4D050AA04

4D050AB01

4D050AB04

4D050AB06

4D050AB11

4D050BB20

4D050BC06

4D050BC09

4D050BD02

4G075AA03

4G075AA13

4G075AA27

4G075BA04

4G075BA05

4G075CA03

4G075CA33

4G075CA54

4G075DA02

4G075DA18

4G075EB21

4G075EB33

4G075FB06

4G075FC04

4G169AA02

4G169BA04B

4G169BA48A

4G169CA05

4G169CA10

4G169CA11

4G169DA06

4G169EA08

4G169EC22Y

4G169FB23

4G169HA05

4G169HB02

4G169HD10

4G169HE05

4G169HF02

4G169HF05

(57)【要約】

【課題】光反応を促進す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モジュールは、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、前記管の内側に流体が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を備え、前記光反応器は、前記管の内周面と前記粒体とが融着した融着面と、前記管の内周面と前記粒体とが融着していない非融着面とを有し、前記融着面における照度は、前記非融着面における照度よりも大きい。
【選択図】図１

【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、前記管の内側に流体が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を備え、
前記光反応器は、前記管の内周面と前記粒体とが融着した融着面と、前記管の内周面と前記粒体とが融着していない非融着面とを有し、
前記融着面における照度は、前記非融着面における照度よりも大きい光反応器モジュール。

【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に記載の光反応器モジュール。

【請求項3】

前記光源の光軸は、前記融着面に対して垂直である、請求項１又は２に記載の光反応器モジュール。

【請求項4】

前記光源は、前記非融着面と対向して配置され、前記光源の光出射面と前記管の内周面との最短距離をＬ、前記光源の光出射面から前記管の内周面までを最短距離で結ぶ線分を含む直線に対する前記光源の光軸の角度をθとした場合、以下の関係式（１）を満たす、請求項１又は２に記載の光反応器モジュール。

【数1】

ただし、０．０１８≦Ａ≦０．０１９、－２．１≦Ｂ≦－１．９、６３≦Ｃ≦７６、２０≦Ｌ≦５０とする。

【請求項5】

前記融着面における照度を調整する調整機構を備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の光反応器モジュール。

【請求項6】

前記調整機構は、前記光源の光出射面から前記管の内周面までを最短距離で結ぶ線分を含む直線に対する前記光源の光軸の角度を変更することで、前記融着面における照度を調整する、請求項５に記載の光反応器モジュール。

【請求項7】

前記調整機構は、前記光源の位置又は傾きを変更することで、前記融着面における照度を調整する、請求項５に記載の光反応器モジュール。

【請求項8】

前記管は、中心軸に直交する断面形状が多角形である、請求項１から７のいずれか一項に記載の光反応器モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光反応器モジュールに関する。

【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、励起光を入射するための励起光入射部と、装置の長手方向に設けられ、励起光に対して透明で同一の内径を有する複数の中空管と、各中空管の少なくとも内周面に形成され、励起光によって励起される光触媒層とを具備した光触媒浄化装置が開示されている。さらに、各中空管に導光粒状体を充填し、導光粒状体の表面に光触媒層を形成することにより、浄化能力（光触媒反応）を高め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の上述の光触媒浄化装置では、励起光が、中空管と導光粒状体との当接部と非当接部の両方に対して均一に照射され、非当接部に照射された励起光は、中空管を透過後に、中空管と導光粒状体との間の空間で散乱し減衰する。よって、照射された励起光のうち、非当接部に照射された励起光は、導光粒状体の内部まで届き難く、導光粒状体表面の光触媒層への十分な受光量が得られず、光触媒反応が抑制される可能性がある。

【0006】

上記の点に鑑みて、本発明の一態様は、光触媒反応等の光反応を促進す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モジュールは、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、前記管の内側に流体が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を備え、前記光反応器は、前記管の内周面と前記粒体とが融着した融着面と、前記管の内周面と前記粒体とが融着していない非融着面とを有し、前記融着面における照度は、前記非融着面における照度よりも大きい。

【発明の効果】

【0008】

本発明の一態様によれば、光反応を促進す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の他の例の平面図である。

【図5】一実施形態による光反応器の他の例における、管の周壁を一部取り除いた状態の斜視図である。

【図6】一実施形態による光反応器モジュールの他の例の断面の要部拡大図である。

【図7】調整機構の例を示す正面図である。

【図8】調整機構の例を示す平面図である。

【図9】光源の光出射面と管の内周面との最短距離Ｌ及び光源の光軸の角度θと、油脂分解量との関係を示す図である。

【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１００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。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を備えていてもよい。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、水冷式ヒートシンクと、ラジエータとを有していてよい。

【0013】

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。

【0014】

図３は、一実施形態による光反応器モジュール１００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、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。

【0015】

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、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。図４は、一実施形態による光反応器の他の例の平面図であり、図５は、一実施形態による光反応器の他の例における、管の周壁を一部取り除いた状態の斜視図である。管２の中心軸１０に直交する断面形状は、図４及び図５に示すように、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、管２の内周面と粒体３との当接部を規則的に形成することができ、後述する管２の内周面と粒体３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。

【0016】

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、管２の内周面は、３対の対向する平面から形成されている。この場合、中心軸１０に直交する同一平面上に並んだ粒体３を１段とすると、図４及び図５に示すように、光反応器１の流出口側から奇数段目においては、３対の対向する平面のうち、１対の対向する平面上に位置する、奇数段融着面形成面２１、２１に、管２の内周面と粒体３との融着面１５が形成される。また、偶数段目においては、３対の対向する平面のうち、残りの２対の対向する平面上に位置する、偶数段融着面形成面２２、２２、２３、２３に、管２の内周面と粒体３との融着面１５が形成される。管２の内周面と粒体３との融着面１５は、管２の周方向に沿って直線状に並んで形成される。なお、「奇数」及び「偶数」とは、便宜上用いるものであり、段の積層順を示すものではない。即ち、１対の対向する平面上に融着面１５が形成された段と、残りの２対の対向する平面上に融着面１５が形成された段が、管２の中心軸１０と平行な方向に、交互に配置されている。

【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には励起波長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、管２の内周面と粒体３との当接部に、管２の内周面と粒体３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、管２の内周面と粒体３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との融着面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が設けられていることが好ましい。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。融着面１５における照度は、非融着面１６における照度よりも大きい。融着面１５における照度が、非融着面１６における照度よりも大きいことにより、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。よって、光触媒反応等の光反応を促進することができる。

【0029】

光源５は、光源５の光軸５３が、管２の内周面と粒体３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管２の内周面と粒体３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。

【0030】

図６は一実施形態による光反応器モジュール１００の他の例の断面の要部拡大図である。図６に示す例は、主に、発光素子５１ごとに独立した基板５２を有する点、及び、ブラケット１２を有している点で、図３に示す例と異なる。また、光源５は、図６に示すように、非融着面１６と対向して配置されていてもよい。光源５が、非融着面１６と対向して配置され、光源５の光出射面５４と管２の内周面との最短距離をＬ、光源５の光出射面５４から管２の内周面までを最短距離Ｌで結ぶ線分を含む直線２０に対する光源５の光軸５３の角度をθとした場合、以下の関係式（１）を満たすことが好ましい。

【0031】

【数1】

ただし、０．０１８≦Ａ≦０．０１９、－２．１≦Ｂ≦－１．９、６３≦Ｃ≦７６、２０≦Ｌ≦５０とする。

【0032】

光反応器モジュール１００は、関係式（１）を満たすことにより、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より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管２の内周面と粒体３との融着面１５から導光路Ｃに沿って光反応器１のさらに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の受光量をさらに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さらに促進することができる。

【0033】

光反応器モジュール１００は、融着面１５における照度を調整する調整機構４０を備えていてもよい。光反応器モジュール１００が、調整機構４０を備えていることにより、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容易に大きくすることができる。調整機構４０は、光源５の光出射面５４から管２の内周面までを最短距離で結ぶ線分を含む直線２０に対する光源５の光軸５３の角度θ（以下、光源５の光軸５３の角度θとも称する）を変更することで、融着面１５における照度を調整してもよい。また、調整機構４０は、光源５の位置又は傾きを変更することで、融着面１５における照度を調整してもよい。

【0034】

調整機構４０は、支持部材４の内周面に固定され、光源５を回動可能に支持するブラケット１２を有していてもよい。ブラケット１２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）に配置されている。ブラケット１２は、光源５を少なくとも上下に回動可能に支持することが好ましい。ブラケット１２は、例えば、土台と、光源５が載置される可動台とを含むことができる。可動台は、土台に少なくとも上下に回動可能に支持される。ブラケット１２は、光源５を回動可能に支持することにより、光源５の光軸５３の角度θを容易に変更することができる。よって、融着面１５における照度を容易に調整することができる。光源５は、左右に回動可能に支持されてもよい。

【0035】

図７は、調整機構４０の例を示す正面図であり、図８は、調整機構４０の例を示す平面図である。図８では、２つ目以降の光源５及びブラケット１２の記載を一部省略している。調整機構４０は、例えば、図７及び図８に示す構成を有していてもよい。図７及び図８に示す例では、複数の光源５に対応する複数のブラケット１２の土台が、共通の１つの土台で構成されている。他の例として、複数のブラケット１２が、ブラケット１２とは別の１つの連結部材に固定されていてもよい。図７に示すように、調整機構４０は、支持部材４の内周面に、中心軸１０に平行な方向に沿って延在する位置調整溝４１と、図８に示すように、位置調整溝４１と係合する凸部１２１とを有していてもよい。凸部１２１は、例えば、ブラケット１２の底面に設けられた、レール状の部材であってよい。位置調整溝４１にブラケット１２の凸部１２１が係合し、凸部１２１が位置調整溝４１内で摺動することにより、ブラケット１２を中心軸１０に平行な方向に沿って上下に移動させることができる。よって、光源５の位置を管２の内周面と粒体３との融着面１５の位置に合わせて調整することができる。例えば、図５に示すような、奇数段融着面形成面２１、２１、及び偶数段融着面形成面２２、２２、２３、２３のそれぞれの高さに合わせて、光源５の位置を調整することができる。

【0036】

また、位置調整溝４１には、ゴム等の弾性部材４２が設けられてもよい。弾性部材４２は、厚さ方向に伸縮可能、又は、厚さ方向に湾曲可能であり、凸部１２１のストッパーとして機能する。位置調整溝４１に弾性部材４２が設けられていることにより、弾性部材４２の弾性力でブラケット１２を所望の位置で固定することができると共に、ブラケット１２を弾性部材４２側に押し込むことにより、上下動可能とすることができる。

【0037】

また、調整機構４０は、光源５の出力を変更することで、融着面１５における照度を調整してもよい。具体的には、例えば、複数の光源５のうち、融着面１５から離れている程、光源５の出力を大きくしてもよい。

【0038】

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、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―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、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としては、励起波長３６５ｎｍのＵＶ－Ａ ＬＥＤが好ましい。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

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。

【0046】

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ることが好ましい。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することができ、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。

【0047】

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。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。

【0048】

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。

【0049】

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。

【0050】

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。

【0051】

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。

【実施例0052】

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。

【0053】

（実施例１）
対角距離８０ｍｍ、高さ４０ｍｍ、厚さ４ｍｍであり、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８ｍｍ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。

【0054】

光反応器の外部に支持部材として、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、光源の光出射面と管の内周面との最短距離Ｌ＝２０ｍｍとなるように設置した。支持部材の内周面（６面）の２ヶ所にブラケット（角度調節治具）を設置し、ブラケット上の長手方向の３ヶ所（ピッチ１０ｍｍ）において、光源としてＬＥＤ（３６５ｎｍ、５４０ｍＷ）を設置した。そして、ＬＥＤの光軸が管の内周面と粒体との融着面に対して垂直となるようＬＥＤ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。

【0055】

（比較例１）
ＬＥＤを、光軸が、管の内周面と粒体との非融着面に対して垂直となるよう設置したこと以外は、実施例１と同様にして比較例１の光反応器モジュールを得た。

【0056】

（実施例２）
ＬＥＤを、管の内周面と粒体との非融着面と対向する位置に設置し、光源の光出射面と管の内周面との最短距離Ｌ＝２０ｍｍ、４０ｍｍ、６０ｍｍ、８０ｍｍそれぞれにおいて、ＬＥＤの光軸の角度θを０°～６０°で１０°ずつ変化させた。前述の条件以外は、実施例１と同様にして、実施例２の各最短距離Ｌ及び光源の光軸の角度θを有する光反応器モジュールを得た。なお、最短距離Ｌ＝２０ｍｍ、４０ｍｍ、６０ｍｍ、８０ｍｍそれぞれにおいて、ＬＥＤの光軸が、管の内周面と粒体との融着面を向くときのＬＥＤ（光源）の光軸の角度θは、表１に示す通りであった。

【0057】

【表1】

【0058】

［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１０％に調製した牛乳を用い、実施例１及び比較例１の各光反応器内に牛乳を封入した状態で、光反応器にＬＥＤを照射することで、光触媒反応による油脂分解試験を実施した。ＬＥＤを４．０ｈ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。

【0059】

実施例１及び比較例１の光反応器モジュールの油脂分解量及び受光量を下記に示す。なお、受光量は、照度解析による計算値である。
実施例１：油脂分解量 ７７．７ｍｇ／Ｌ（受光量 １２．２ｋＪ）
比較例１：油脂分解量 ７０．８ｍｇ／Ｌ（受光量 １１．１ｋＪ）

【0060】

実施例１の光反応器モジュールの油脂分解量は、比較例１の光反応器モジュールの油脂分解量に対して９．８％向上した。また、実施例１の光反応器の受光量は、比較例１の光反応器の受光量よりも多かった。以上により、実施例１の光反応器モジュールは、比較例１よりも油脂分解性能が高いことを確認した。即ち、実施例１の光反応器モジュールは、光触媒反応を促進することを確認した。

【0061】

図９に、光源の光出射面と管の内周面との最短距離Ｌ及び光源の光軸の角度θと、油脂分解量との関係を示す。図９に示すように、最短距離Ｌ≦４０ｍｍの場合は、表１に示す、ＬＥＤの光軸が管の内周面と粒体との融着面を向く（照度が高くなる）ときのＬＥＤ（光源）の光軸の角度θで油脂分解量が最大となった。一方、最短距離Ｌ＞４０ｍｍの場合は、光源の光軸の角度θの値に関わらず油脂分解量は、ほぼ一定となった。これは、最短距離Ｌと光源の配光角の兼ね合いに起因すると推測され、最短距離Ｌが長くなることで光反応器の全体に照射される様に光が拡がり、融着面に集中して光束が通過しなくなったためと考えられる。また、最短距離Ｌが長くなるにつれ油脂分解量が全体的に低下しているのは、伝播距離が長くなることで空気中の散乱による光の減衰が増加したためである。以上により、管の内周面と粒体との融着面に対する光の照度が増加することで、光触媒反応が促進され、光反応器モジュールの性能を向上できることを確認した。また、図９に示す結果において、Ｌ＝２０ｍｍ、又はＬ＝４０ｍｍのとき、上記の関係式（１）を満たすことを確認した。

【0062】

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】

【0063】

１ 光反応器
２ 管
２１ 奇数段融着面形成面
２２、２３ 偶数段融着面形成面
３ 粒体
３１ 光触媒層
４ 支持部材
４１ 位置調整溝
４２ 弾性部材
５ 光源
５１ 発光素子
５２ 基板
５３ 光軸
５４ 光出射面
６ 空冷式ヒートシンク
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
１２ ブラケット
１２１ 凸部
１５ 融着面
１６ 非融着面
２０ 直線
３０ 冷却機構
４０ 調整機構
１００ 光反応器モジュール

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】