JP2006159189A - 吸着フィルタ - Google Patents

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Abstract

【課題】 簡単かつ安価な構造をもって形成することができ、しかも従来のフィルタに対して顕著に改善された漏出特性を有する吸着フィルタを提供する。
【解決手段】 本発明は、活性炭粒子からなる少なくとも１つの層を有する吸着フィルタに関し、活性炭粒子の少なくとも20重量％が0.180 mm未満の粒径を有し、かつ層の全体にわたる活性炭の単位面積当たりの重量が100〜500 g/m2の範囲にあることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、活性炭粒子からなる少なくとも１つの層を有する吸着フィルタに関する。
多くのシステムにおいて、殊に自動車の空調装置において、今日いわゆるコンビフィルタが使用されている。これは、ガス吸着のための活性炭層が下流に接続されている微粒子分離のための微粒子フィルタのことである。この活性炭層は、この場合、通常、担体、例えば不織布からなる担体に結合されている粒状のチャコールからなる。このような活性炭層を利用する場合、使用される粒状のチャコールの粒径及び炭素量は、吸着容量、漏出特性及び透気性に応じて適宜決定される。使用される活性炭粒子の粒径は、通常20×60メッシュ（ASTM呼称D2862-97によるメッシュサイズ）の範囲内である。これは0.25mm〜0.85mmの粒径に相当する。単位面積当たりの活性炭の通常の適用量は250〜500 g/m2である。
従来技術において、吸着フィルタの漏出挙動を改善するための数多くの提案が公知である。通常これは、フィルタ領域の周囲に配置された高い自然吸着を示す粒状もしくは球状のチャコールで、従来の吸着フィルタを補完するフィルタ構造である。
このように、同時にできるだけ高い透気性及びできるだけ高い吸着容量を維持しながら漏出挙動を改善するために２つのフィルタ領域に区分されている吸着フィルタが公知である（例えば特許文献１参照）。第１のフィルタ領域は有害物質の99％までを吸収し、したがって高い容量を有する層である。第２のフィルタ領域は少しの容量しか有していないが、高い吸着速度を有する層である。特許文献１によれば、この第１の領域には粒状もしくは球状の活性炭（粒径約0.3〜1.0 mm；総炭素量：約400〜500 g/m2）を吸着剤として使用することが提案されており、第２の領域には好ましくは活性炭からなる繊維シート状物が提案されている。
この公知のフィルタを利用して著しく良好な漏出特性を達成することができる。しかしながら、この形式のフィルタ及びこの文献で提案されているその他のフィルタにおける欠点は、フィルタ自体が著しく複雑かつ高価な構造を有し、これは材料費にも製造費にも表れている。
独国特許第19708692号明細書
本発明は、先に記載した形式の吸着フィルタを、その吸着フィルタができるだけ簡単かつ安価な構造でありながら、従来のフィルタに対して顕著に改善された漏出特性を有するように改良、改善することを課題としている。
上記課題は、活性炭粒子からなる少なくとも１つの層を有する吸着フィルタにおいて、当該活性炭粒子の少なくとも20％が0.180 mm未満の粒径を有し、かつ前記層の全体にわたる当該活性炭の単位面積当たりの重量が100〜500 g/m2であることを特徴とする吸着フィルタによって解決される。すなわち上記課題は、請求項１に記載の特徴を有する吸着フィルタによって解決される。本発明の有利な形態を従属形式の請求項に記載する。
上記課題は、本発明によれば、活性炭粒子を含む少なくとも１つの層を有する吸着フィルタにおいて、その活性炭粒子の少なくとも20重量％のものが0.180 mm未満の粒径を有し、かつ層全体にわたる活性炭の単位面積当たりの重量が100〜500 g/m2の範囲にあることにより解決される。
本発明による吸着フィルタは、著しく良好な漏出特性を有する。比較的小さな粒径の活性炭粒子を使用することによって吸着速度をかなり高めることができる。通常、粒子の粒径を縮小することによって、濾過材の透気性が低下するという望ましくない現象が示される。このような現象は、本発明によれば、吸着容量を犠牲にすることによって、使用する活性炭の量を通常使用する量よりもはるかに下回る量まで削減可能であることにより回避することができる。高性能吸着フィルタが、良好な吸着速度のほかにまだできるだけ高い吸着容量をも有していなければならないという従来技術における支配的な考え、すなわち例えば先に示した特許文献１（独国特許第19708692号明細書）から公知の高性能吸着フィルタが高い吸着速度を有する領域と高い活性炭含量、つまり高い吸着容量を有する領域とを有していること、に対して、本発明者は、達成可能な吸着容量の高さにはフィルタの機能にとって、推測されていたような重要性はないと認識している。
特に本発明者は、道路交通に見られる有害ガスによる汚染が、多くの場合、短時間のみ高濃度であるような濃度ピークとして出現し、この濃度ピークは高い自然吸着を有し、迅速に反応する吸着フィルタによって著しく良好に除去することができ、その際、吸着容量はあまり重要な働きはしないと認識している。さらに従来の吸着フィルタを用いたコンビフィルタの耐久試験及び主観的な性能判定（DIN 10950：「感覚トレーニング」及びDIN 13725：「嗅覚測定」）の範囲内では、DIN 71460/2にしたがった吸着容量の高さがコンビフィルタのフィルタ寿命ないしは主観的な減臭特性についての尺度とならないことが判明している。
本発明によれば、最終的に粒径が0.180 mm未満である活性炭粒子の含量を20重量％に上昇させるだけで自然吸着の特筆すべき改善がもたらされることが分かった。この場合には本発明によれば、全体にわたる活性炭の単位面積当たりの重量は100〜500 g/m2である。この値は、濾過材が良好な透気性とともに十分な吸着容量を示すものであり、濾過材の透気性と吸着容量とが適切にバランスしていることを表している。全体の活性炭の単位面積当たりの重量が100 g/m2の値を下回る場合には、吸着すべき分子が活性炭に接触する確率が低くなりすぎる。この結果としてフィルタの吸着性能が悪化し、またチャネリング効果が発生することも考えられる。これに対し上限の500 g/m2を超える場合には、濾過材の透気性が過度に悪化する。
本発明の核心は、微細な活性炭と粗大な活性炭の混合比を、又は活性炭の微細分からなる部分の適用量と粗大分からなる部分の適用量の比を、できるだけ良好な透気性及びフィルタ効率で高い吸着速度が実現可能であるように適切に選択することにある。そえゆえに本発明には、活性炭粒子からなる混合物を含む吸着フィルタも含まれ、その際、この混合物には微細分と粗大分とが含まれ、その際、微細分と粗大分の混合比ならびに活性炭粒子の全体量は、本発明による吸着フィルタのフィルタ特性が実現されるように選択される。
本発明の有利な実施の形態の場合には、少なくとも30重量％、特に好ましくは50重量％より多くの活性炭粒子が0.180 mm未満の粒径を有する。このことにより吸着速度がさらに高められ、その一方で透気性はなお十分に良好である。
ほかにも全体にわたる活性炭の単位面積当たりの重量が250 g/m2である場合に、著しく良好な透気性が達成される。漏出特性、透気性及び吸着容量についての特に良好な結果は、全体における活性炭の単位面積当たりの重量が150〜230 g/m2である場合に達成される。
活性炭粒子が、不織布からなる担体材料に結合されているかもしくはこのような担体に組み込まれていることが好ましい。このための技術は公知であり、特許文献に多く記載されている。
この吸着フィルタを、特に、例えば不織布からなる微粒子フィルタであって、帯電されていても、されていなくともよい微粒子を濾過する領域と、有害物質を吸着する領域とを含む先に記載した形式のコンビフィルタに使用することができる。
本発明の吸着フィルタを、例えばそれぞれ特定の有害物質に対して適用させてもよく、かつ異なる吸着剤を有していてもよい複数の微粒子フィルタ及び／又はさらなる吸着フィルタとの組合せにも使用することができる。活性炭粒子及び／又はその吸着フィルタとの組合せに使用される吸着剤は、自体公知の方法で部分的又は全体的に酸、触媒又は塩基により仕上げることができる。
本発明の吸着フィルタを従来のフィルタと同じ形状とすることができ、例えば平面濾過器又はジグザグ形状の折畳フィルタとして形成することができる。
吸着フィルタをフィルタエレメントとして形成することが可能である。この形態により、適切なケース中のフィルタのコンパクトな装置が可能となる。
そのような吸着フィルタを呼吸保護フィルタとして形成することができる。この形態により、肺に有害な物質を使用する装置への使用が可能になる。
本発明の吸着フィルタを、例えば、殊に自動車（KFZ）の空調装置において、コンビフィルタの構成要素として使用することができる。このような空調装置は、有害ガスによりひどく汚染され、もしくは有毒ガス濃度が高い場合に、外からの給気を停止し、かつその代わりに自動車車内の空気をポンプにより循環させる内気循環運転への切換えを自動的に行なうことによって特徴付けられることがますます増えている。そのために有害ガスセンサが空気吸入口に取り付けられており、このセンサは、吸入空気の有害ガスによる汚染状態もしくは有毒ガス濃度を測定し（とりわけ炭化水素及び窒素酸化物に関して）、かつ信号を空調装置の制御装置に送信して、内気循環フラップを閉鎖する。これにより外気から客室内部、車内への、高濃度の有害ガスの侵入が防止される。このような使用形態の場合には、吸入領域での有害ガスの濃度が超過し、有害ガスセンサがこれに関連した信号を送信する時点から、内気循環フラップが完全に閉鎖するまでに数秒の時間が経過し、したがってこの経過時間の間に高い濃度の有害ガスが空調装置中に、つまりコンビフィルタを通して客室、車内へ導かれることが問題である。フィルタを通しての有害ガスの漏出の危険はこの場合には大きい。有害ガスが高濃度である場合でさえ、本発明による吸着フィルタでは、システムに起因する数秒間の、内気循環フラップを閉鎖するのに要する時間の間に、客室、車内への有害ガスの漏出を十分に防止できる程度に高い自然吸着性能を有することが分かった。この効果により、本明細書で開示するフィルタが使用される場合に、内気循環フラップシステムを構造的に著しく簡素化することと、これによりその閉鎖挙動を遅延させることが可能である。このことによってかなりのコストを削減することができる。その一方で本発明による吸着フィルタの吸着容量は、有害ガスセンサの応答をまだもたらさない低い有害ガス汚染の場合に貫流する有害ガスを吸着するのに十分である。
センサには選択的に働くものが一部あり、臭気及び有害ガスに固有の分子を全て検出するわけではない。しかしながら、本発明の吸着フィルタは、センサが動作状態にない場合にも該フィルタを通過する全ての分子を吸着することができ、かつこのような構成であることによって、望ましくない有害ガスの発生、透過、侵入を防止可能であることが保証できると考えられる。
例えば熱気を流入させることによるフィルタの加熱、又はフィルタへの増大された流入ような、吸着フィルタから有害物質を脱着するための措置、手段を設けることができ、この場合には、有害ガスで汚染された流出する空気を、その脱着過程中バイパス管を介して車室内部の側部を通過させる必要がある。
本発明の吸着フィルタにより、内気循環フラップの手動操作に関しても利点がもたらされる。
特に有害ガスで汚染された場合の、内気循環運転への切換えの可能性に関連して、本発明による吸着フィルタは、純粋に（DIN 71460/2による）測定技術的に求めた場合には少ない吸着容量であるにもかかわらず、実際の使用においては、外気が有害ガスによりひどく汚染されている場合に、フィルタが内気循環フラップの閉鎖によって「保護され」ており、したがって吸着材料が有害ガスで汚染されないので、従来のフィルタと同じフィルタ寿命を有する。内気循環運転の際に、本発明の吸着フィルタは内気循環フラップの給気側に配置され、したがって内気循環フラップが閉じることによって、もはや吸着フィルタは外気によって貫流されないか、あるいは内気循環フラップに対し排気側に配置され、内気循環運転の際に吸着フィルタはわずかに車室内部の空気によって貫流されるに過ぎない。公知のフィルタに対して、本発明による吸着フィルタは、効用、つまり主観的な減臭効果が顕著に改善されている。
本発明による吸着フィルタの特性及び利点を、上記において自動車への使用に関連して記載し、明らかにしてきたが、本発明による吸着フィルタは、決してそのような自動車に対する使用に限定されるものではない。本発明の吸着フィルタを、任意のフィルタ装置に、例えば住宅における複数の部屋の空気調和のための空調装置にも、又は移動式の室内空気清浄装置にも使用することができる。
本発明は、活性炭粒子からなる少なくとも１つの層を有する吸着フィルタに関し、吸着フィルタができるだけ簡単かつ安価な構造をもって形成することができ、しかも従来のフィルタに対して顕著に改善された漏出特性を有するように改善、改良することを課題としている。本発明によれば、活性炭粒子の少なくとも20重量％が0.180 mm未満の粒径を有し、かつ層の全体にわたる活性炭の単位面積当たりの重量が100〜500 g/m2の範囲にあることを特徴とする吸着フィルタによって、課題が解決される。このような構成によって、高い自然吸着性能を有する吸着フィルタを提供することが可能となる。
次に本発明を実施例及び図面に基づき詳説する。
図１には、標準フィルタと動的に最適化されたフィルタとを、n-ブタン漏出率の測定に関して比較するグラフを示す。
実施例：
本発明に基づき構成された活性炭量の異なる３つのコンビフィルタ及び、購入可能な標準コンビフィルタを使用してn-ブタン漏出率を測定した。これらのフィルタは、ジグザグ形に折り畳まれた濾過材を枠で囲い使用するものであり、このフィルタ自体は公知の折畳フィルタとして形成されているものである。これらの全てのフィルタは不織布から形成されている。
フィルタの製造には偏差がつきものである。この場合には、目標量から活性炭の実際の適用量が20 g/m2を逸脱する可能性があることを考慮しなければならない。その大きさがある特定の粒径を下回る活性炭粒子の量は、目標量から10％逸脱する可能性がある。
測定を自動車車内用フィルタに有効な規格DIN 71460-2にしたがってガスに吸着について実施した。
フィルタの構造は詳細には次のとおりである。
使用した４種類のコンビフィルタは、ポリプロピレン（PP）からなる単層の微粒子フィルタを有する。その微粒子フィルタの単位面積当たりの重量は60 g/m2であり、濾材は帯電していた。フィルタを形成する繊維の直径は20〜40 μmであった。
本発明に基づくコンビフィルタでは、化学フィルタ領域は、単位面積当たりの重量が約43g/m2であり、繊維の直径が約10〜25μmであるポリエステル（PES）からなる担体材料を含んでいた。この担体材料は粒状の活性炭を担持していた。活性炭の単位面積当たりの重量は、150 g/m2、200 g/m2及び250 g/m2であった。また活性炭の粒径は0.106〜0.425mmであった。この範囲の粒径を有する活性炭では、40重量％よりも多くの粒子が粒径0.180 mm未満であった。
比較に使用した標準コンビフィルタは、濾材が帯電しており、かつ単位面積当たりの重量が60 g/m2であり、繊維の直径が約30 μmであるポリプロピレン（PP）からなるフィルタ層を有する単層の微粒子フィルタから形成されていた。
この標準コンビフィルタでは、化学フィルタ領域は、単位面積当たりの重量が350 g/m2である粒状の活性炭（粒径：0.25〜0.6mm）を含んでいた。この活性炭は、単位面積当たりの重量が約50 g/m2であるPESからなる担体に担持されていた。活性炭の粒径は0.25〜0.6mmであった。この範囲の粒径を有する活性炭では、約１重量％の粒子のみが粒径0.180 mm未満であった。
n-ブタン漏出率の測定結果を、図１に示す。
図１に示すグラフは、n-ブタン漏出率の測定を、４つの異なるフィルタを使用して測定して得た結果の測定値を示している。試験は23℃の空気及び50％の相対湿度において実施した。流量は180 m3/hであった。その空気はn-ブタン80 ppmを含有していた。
図１のグラフにおいて、標準コンビフィルタの場合には、測定開始と同時に約７％のn-ブタンの漏出が認められる。増大する圧力損失のために活性炭量を任意に高めることができないことから、この即時漏出は、活性炭の全体量を高めることによって確かにいくらか減少させることができるが完全に除去することはできない。
本明細書で開示するコンビフィルタの場合には、測定開始と同時に認められる即時漏出は活性炭量に応じて相当に低くなっている。すなわち活性炭量が、それぞれ150 g/m2及び200 g/m2において３％及び２％であり、さらに活性炭量が250 g/m2では０％の値を達成している。また標準フィルタの場合の漏出率の上昇が本明細書で開示する吸着フィルタの場合と比較して、はるかに急であることが特筆される。内気循環フラップの閉鎖について予想される最長の経過時間10 secの後、n-ブタンの漏出率の値は、標準フィルタでは17％とすでに比較的高く、活性炭150 g/m2、200 g/m2及び250 g/m2を有するフィルタではわずか10％、５％及び3.5％と、標準フィルタと比較して明らかにより低い。
標準フィルタと動的に最適化されたフィルタとを、n-ブタン漏出率の測定に関して比較するグラフを示す。

Claims (6)

  1. 活性炭粒子からなる少なくとも１つの層を有する吸着フィルタにおいて、当該活性炭粒子の少なくとも20重量％が0.180 mm未満の粒径を有し、かつ前記層の全体にわたる当該活性炭の単位面積当たりの重量が100〜500 g/m2の範囲にあることを特徴とする吸着フィルタ。
  2. 前記活性炭粒子の少なくとも30重量％が0.180 mm未満の粒径を有することを特徴とする請求項１に記載の吸着フィルタ。
  3. 前記層の全体にわたる前記活性炭の単位面積当たりの重量が150〜230 g/m2であることを特徴とする請求項１又は２に記載の吸着フィルタ。
  4. 前記活性炭粒子のための担体材料が不織布を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の吸着フィルタ。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の吸着フィルタを含むコンビフィルタ。
  6. 前記コンビフィルタの微粒子を濾過する領域のための材料が不織布を含むことを特徴とする請求項５に記載のコンビフィルタ。
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