JP5014353B2 - 改良されたフィルタ媒体による能動電界分極媒体型エアクリーナ - Google Patents

Description

本発明は、一般にエアクリーナ装置に関し、詳細には、静電界を利用して媒体および粒子を分極させることによって媒体の粒子捕集効率を向上させるエアクリーナ用のフィルタ媒体を対象とする。

静電吸着の原理は、気流中に存在する汚染物質の除去を向上する目的で長年利用されている。静電気を利用したエアクリーナは主に３つに分類され、それらは静電集塵器、受動静電フィルタ、および能動電界分極媒体型エアクリーナであるが、別の名称で呼ばれることもある。

静電集塵器では、粒子を帯電させ、その粒子を逆帯電および／または接地された捕集板で捕集する。

受動静電フィルタ（エレクトレットとしても知られる）では、ある種の組み合わせの処理および／または固有の特性によって静電荷を持った媒体（または異なる種類の媒体の組み合わせ）が使用される。静電荷を持つ粒子がフィルタ媒体に入った際、これらの粒子は逆の静電荷を持つフィルタ媒体材に吸着される。

能動電界分極媒体型エアクリーナは、２つの電極間の電圧差によって発生する静電界を利用する。この２電極間の静電界に誘電フィルタ媒体が配置される。静電界は媒体の繊維およびそれに侵入する粒子の両方を分極させ、それにより媒体およびエアクリーナの効率が向上する。誘電体とは、電気絶縁体、すなわち電流に対し高い抵抗性を有しかつ電気エネルギーを蓄積可能な物質である。誘電体はそれ自体に電界を集中させる傾向があり、それゆえに静電界を効率的に維持することができる。

また、カナダ特許第１，２７２，４５３号公報には、別の静電エアフィルタの構成が開示されている。この構成では使い捨ての矩形カートリッジが高圧電源に接続されており、このカートリッジは繊維状誘電体（プラスチックまたはガラス）からなる２層の間に挟まれた導電性内側中央スクリーンで構成されている。さらに、この２つの誘電層は、導電性材料からなる２つの外側スクリーンの間に挟まれている。導電性内側中央スクリーンを高電圧に引き上げることにより、導電性内側中央スクリーンと逆電位または接地電位に維持された２つの導電性外側スクリーンとの間に静電界が発生する。高圧静電界によって２つの誘電層の繊維が分極される。

エアクリーナは様々な構成および状況で設置することができ、冷暖房空調（ＨＶＡＣ）装置の一部として、また独立型の空気循環清浄装置においても使用可能である。（家庭用および軽業務用等の）小型ＨＶＡＣ装置では、エアクリーナパネルが（気流に対し直角に）平面配置で設置されるかあるいは傾斜フィルタトラックとして設置される場合が多い。一方、大型の装置では、通常複数のエアフィルタがＶ字状配列構造をなすように配列され、それぞれのフィルタの配置によって、気流の軸に対して直角に延在するＺ字折りフィルタが形成される。

本発明は、能動電界分極媒体型エアクリーナ用フィルタ媒体に対するいくつかの改良点のそれぞれおよびその組み合わせにおいて具体化される。本発明の各特徴は下記の通りである。

１．本発明のフィルタ媒体は、特に、繊維状誘電体（ポリエステルなど）からなる２つの層を備え、さらに、より抵抗の高い通気性材料（ガラス繊維スクリーンなど）が、より抵抗の低い上記誘電体（ポリエステル）層の間に挟まれている。

２．本発明の他の実施形態において、フィルタ媒体は、能動電界分極媒体型エアクリーナに用いられる材料の摩擦電気系列（摩擦電気尺度）の異なる端にある繊維を有する混合繊維層を構成する繊維状誘電体からなる層を備えている。

３．本発明のさらに他の実施形態において、フィルタ媒体は、相対的に密度の高い誘電体（繊維状ポリエステルなど）からなる層と、それに続く相対的に密度の低い材料（より密度の低い繊維状ポリエステルなど）からなる層とを備えている。

本発明に係る能動電界分極媒体型エアクリーナの一実施形態を図１に示す。図１において（図２から図７についても同様）、フィルタを通る気流は、図面の上から下へと下側に向かって進む。フィルタは、フィルタ媒体を保持するフレームからなる。

本発明の一実施形態において、フィルタ媒体本体は、誘電性媒体支持フレーム１２０と、繊維状誘電体からなる第１パッド１６Ａと、ガラス繊維メッシュスクリーン１４Ａと、繊維状誘電体からなる第２パッド１６Ｂと、中央スクリーン１３と、繊維状誘電体からなる第３パッド１６Ｃと、別のガラス繊維メッシュスクリーン１４Ｂと、誘電性フィルタ材からなる第４パッド１６Ｄとを備える。フィルタ媒体を保持するフィルタフレームは、第１導電性外側スクリーン１２Ａを有する第１導電性保持フレーム１１６Ａと、第２導電性外側スクリーン１２Ｂを有する第２導電性保持フレーム１１６Ｂとからなる。わかりやすいように、媒体フレーム１２０と保持フレーム１１６Ａ、Ｂとを用いた同一の基本構成を各図面において用いているが、これはひとつの可能な実施形態に過ぎない。本発明において主要な要素は、分極媒体型エアクリーナ内における２つの電極間の媒体の様々な構成である。図面に開示された具体的な実施形態にも何らかの利点はあるが、中央スクリーンは端部まで伸びている必要はなく、また中央スクリーンと媒体層の周囲にフレームを配置しなくてもよい。

誘電性フィルタ材からなる第１パッド１６Ａは、接着剤１２１Ａや超音波溶接など好適な手段によって、誘電性媒体支持フレーム１２０および／または中央電極１３に取り付けられている。誘電性フィルタ材からなる第４パッド１６Ｄは、接着剤１２１Ｂや超音波溶接など好適な手段によって、誘電性媒体支持フレーム１２０に取り付けられている。媒体支持フレームを用いない実施形態では、通常、接着剤、超音波溶接、縫製、締めつけなど好適な手段によって、媒体の各種層１６Ａ〜Ｄおよび１４Ａ、Ｂと中央スクリーン１３とを一体に取り付ける。第１導電性外側スクリーン１２Ａは、第１導電性保持フレーム１１６Ａによって固定される。第２導電性外側スクリーン１２Ｂは、第２導電性保持フレーム１１６Ｂによって固定される。

使用時には、高圧電源１０８の一方の端子が中央スクリーン１３に接続される。高圧電源１０８の他方の端子は、第１導電性外側スクリーン１２Ａと、通常接地電位に保たれる第２導電性外側スクリーン１２Ｂとに接続される。

図１の能動電界分極媒体型エアクリーナにおいて、誘電性フィルタ材１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄを通って入ってくる空気に含まれる粒子は、その中の電界によって分極され、誘電性フィルタ材からなる第１および第２パッド１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄに捕集される。

本発明のフィルタ媒体は、繊維状誘電体からなる２つの層を備え、さらに、より抵抗の高い通気性材料が、より抵抗の低い上記誘電体層の間に挟まれている。他の材料の組み合わせも可能であるが、特に図１においては、ポリエステル層１６Ａとポリエステル層１６Ｂとの間にガラス繊維スクリーン１４Ａを挟み、それを中央スクリーン１３の上側に配置している。同様に、ポリエステル層１６Ｃとポリエステル層１６Ｄとの間にガラス繊維スクリーン１４Ｂを挟み、それを中央スクリーン１３の下側に配置している。

この材料配置は、より高く安定した電圧差を電極間にもたらすことがわかっている。より高い電圧は、より高い電界強度をもたらし、ひいては粒子除去効率の向上につながるため、これにより効率が向上する。具体的には、上記の材料配置により、電極間にアーク放電やスプレー放電を誘発することなく最大で２５％高い電圧が得られることがわかっている。

本発明のフィルタ媒体は、能動電界分極媒体型エアクリーナにおいて混合繊維層を備えており、前記混合繊維層は、材料の摩擦電気系列の異なる部分にある繊維を有する。多くの材料は、いくらかの静電気を生成し蓄える。材料が摩擦電気尺度上のどこに属するかは、この電荷を生成し蓄える材料の能力によって決まる。

〔静電気を起こす材料の摩擦電気系列〕
材料のうち、あるものは他のものよりも、より多くの静電気を生成する。静電気は材料表面に荷電粒子が集まってできることから、各種の材料は、電子を手放して正（＋）に荷電する傾向、あるいは電子を引き付けて負（−）に荷電する傾向を有する。摩擦電気系列は、材料のうちどれが正（＋）に荷電する傾向が大きく、どれが電子を引き付けて負（−）に荷電する傾向が大きいかを示す一覧である。この一覧によって、どのような材料の組み合わせが最も静電気を生成するかがわかる。

以下に説明のため、他の材料にこすり合わせたときに静電気をどの程度生成するか、そしてどちらの極に荷電するかに基づいて、いくつかの一般的な材料を一覧にまとめてある。この一覧は網羅的でないが、あらゆる材料が正あるいは負の摩擦電気尺度のどこかに位置する。

〔正に荷電する材料〕
下記の材料は、他の材料と接触したときに電子を手放す傾向がある。これらは、電子を手放す傾向の最も大きなものから電子をほとんど手放さないものへと順にまとめてある。

〔中性の材料〕
他の材料に接触あるいはこすり合わせたときに、電子を引き付けも手放しもしにくい傾向を示す材料はほとんどない。

〔負に荷電する材料〕
下記の材料は、他の材料と接触したときに電子を引き付ける傾向がある。これらは、電子を引き付ける傾向の最も小さなものから電子を引き付けやすいものへと順にまとめてある。

静電気を生成するのに最も適した材料の組み合わせは、正電荷の一覧と負電荷の一覧から１つずつ選んだものである。しかしながら、正電荷の一覧と負電荷の一覧のうちの一方から２つの材料を選んでも、中程度の静電気を生成することができる。たとえば、電子を手放す傾向にある２つの材料をこすり合わせた場合、その傾向の大きな方が中程度に正（＋）に荷電する。同様に、電子を引き付ける傾向にある２つの材料をこすり合わせた場合、その傾向の大きな方が中程度に負（−）に荷電する。

摩擦電気尺度の異なる部分および／または好ましくは異なる側にある繊維の混合物を用いた能動電界分極媒体型エアクリーナ用の本発明のフィルタ媒体が図２に示されている。具体的には、フィルタ層１５Ａは、摩擦電気尺度の異なる側にある繊維の混合物を含んでいる（混合摩擦電気フィルタ層）。これらフィルタ層１５Ａの異なる繊維は、フィルタ層１５Ａ全体にわたって織り合わされて混合されていてもよく、あるいは、フィルタ材からなる別個の第１および第２シートを重ね合わせたものであってもよい。すなわち、フィルタ材からなる第１シートは、摩擦電気尺度の一方の側にある繊維からなり、フィルタ材からなる第２シートは、摩擦電気尺度の他方の側にある繊維からなる。フィルタ材からなる第１および第２シートは、重ね合わせられて混合摩擦電気フィルタ層１５Ａを構成する。

混合摩擦電気フィルタ層１５Ｂは、混合摩擦電気フィルタ層１５Ａと同様である。摩擦電気尺度の異なる側にある繊維を混合する（織り合わせる、または重ね合わせる）ことの重要な特徴は、そのように繊維を混合することで、混合摩擦電気フィルタ層１５Ａ、１５Ｂ中の繊維が相対的に正と負に荷電した状態がつくり出される点にある。そのように組み合わせた材料としては他にも、モダクリルとポリプロピレンの混合物であるAlhstrom Air Media社のＨＰシリーズや、アクリルとポリプロピレンの混合物であるHollingsworth and
Vose社のテクノスタットがある。

摩擦電気尺度の異なる側にある材料を適切に混ぜ合わせることで、媒体の密度、すなわち媒体の受動的なメカニズムのみから予測される範囲を超えて媒体の効率が向上することは、受動静電フィルタの製造・設計においてよく知られている。他の種類の受動静電フィルタでは、様々な手法により媒体を荷電している。受動静電フィルタにおける課題のひとつは、繊維が汚染物質に覆われたり、様々な要因（湿度、化学物質、温度）により徐々に放電したりするにしたがって、静電吸着による初期効率が実際には低下してしまうことである。

電界中に多数のフィルタ媒体を配置することにより、効率が向上する可能性はあるが、いつでもそうなるとは限らない。実際、多数の受動静電媒体を配置しても、改善が見られないどころか、かえって性能が低下してしまう。しかしながら、分極場中に摩擦電気型のエレクトレット媒体を配置した場合、実際に効果が増大し、上記のような効率の低下を避けられることがわかっている（混合摩擦電気フィルタ層に対する理由を参照）。摩擦電気層は比較的薄い傾向にあるため、１つ以上の層を、一体あるいは別個にして、エアクリーナ媒体中の様々な位置に配置して使用してもよい。すなわち、他の媒体材料を摩擦電気層の片側あるいは両側に配置して使用してもよい。

本発明の他の実施形態においては、混合摩擦電気フィルタ層１５Ａの上側に、比較的疎である繊維状層１６Ｅが配置されている。中央スクリーン１３より上側のフィルタ媒体構造は、下側においても繰り返され、すなわち、比較的疎である第２繊維状層１６Ｆが第２混合摩擦電気フィルタ層１５Ｂの上側に配置されている。これら比較的疎である繊維状層は、様々な材料で、あるいは互いに異なる材料で構成することができる。

ガラス繊維中央スクリーン１４Ａ、１４Ｂと、摩擦電気尺度の異なる側にある繊維の混合物とを組み合わせた能動電界分極媒体型エアクリーナ用の本発明のフィルタ媒体が図３に示されている。図３のフィルタ媒体は、図１と図２に示されているフィルタ媒体を組み合わせたものである。

この組み合わせは、各実施形態の利点を兼ね備えており、最大装置効率を得ることができる。
より密度の高い誘電体からなる層と、それに続く密度の低い誘電体からなる層とを備えたフィルタ媒体が図４に示されている。図４に示したフィルタ媒体は図２と似ているが、図４においては、相対的に密度の高い材料からなるフィルタ層１６Ｅの後方に、相対的に密度の低い材料からなるフィルタ層２５Ａがさらに配置されている。

より密度の高い誘電体からなる層と、それに続くより密度の低い誘電体からなる層とを備えた別のフィルタ媒体が図５に示されている。図５に示したフィルタ媒体は図３と似ているが、図５においては、フィルタ層１６Ｂの後方に、相対的に密度の低い材料からなるフィルタ層２５Ａがさらに配置されている。また図５では、能動電界分極媒体型エアクリーナを通過する気流の終端側にあるフィルタ層１６Ｄの後方に、相対的に密度の低い材料からなる第２摩擦電気フィルタ層２５Ｂが配置されている。
これらの実施形態の利点は、気流抵抗の減少である。媒体の最も密度の高い層は、最も気流抵抗が高くなる。最も密度の高い層を一方の電極に対向させた場合、その面積は電極の面積だけ実質的に減少する。これにより、残った領域を通過する空気の速度が上昇し、気流抵抗が増加してしまう。より密度の低い層を電極と最も密度の高い層との間に配置することで、最も密度の高い層の代わりに、より密度の低い層を通過する空気の速度が上昇し、それにより気流抵抗が大幅に減少する。

図６において、フィルタ媒体の中央スクリーン１３より上側の部分は図１と同じであり、フィルタ媒体の中央スクリーン１３より下側の部分は図５と同じである。
本実施形態は、負荷特性に優れている。より大きな粒子、すなわち、より密度の低いおよび／または、より運動量の小さい粒子を、より密度の低い上流側の層が捕らえることにより、より密度の高い層は、目詰まりしなくなり、より小さな（すなわち、より密度の高いおよび／またはより運動量の大きい）粒子を中心に捕集できるようになるため、耐用寿命が伸びる。こうして上記媒体は、その全体にわたって均一に粒子を分散させることができる。

図７において、フィルタ媒体の中央スクリーン１３より上側の部分は図３と同じであり、フィルタ媒体の中央スクリーン１３より下側の部分は図５または図６と同じである。

図８において、中央スクリーン１３より上側のフィルタ媒体１５Ｃ、１５Ｄは、摩擦電気尺度の異なる端にある繊維を有する本発明に係る混合繊維層である。

本発明のさらなる他の実施形態においては、媒体の最外層の一方を光触媒材料で処理してもよい。その場合、エアクリーナを紫外光照明と組み合わせて気相汚染物質を分解することができる。光触媒層は、最も下流側の層が最適である。これにより、光触媒層は実質的に粒子に汚染されない状態に保たれる。

本発明のさらなる他の実施形態においては、フィルタフレームの外側スクリーンまたは電極を光触媒で処理する。

本発明のさらなる他の実施形態においては、中央スクリーンが炭素含浸発泡材またはメッシュ材などからなり、消臭性を有する。

より密度の低い材料からなる下流側の層は、ＶＯＣや他の反応性気相汚染物質、および／またはオゾン、および／または生物汚染物質を分解する触媒で処理してもよい。

少なくとも１つの外側スクリーンおよび／または媒体の層を、光、一般的には紫外光の下でＶＯＣなどの気相不純物や生物汚染物質を分解する光触媒で処理してもよい。後者の構成では、近傍に配置した１つ以上の紫外光源と組み合わせて光触媒効果を得ることができる。このように構成要素を一体化することにより、気流に光触媒作用を与えるコストが大幅に減少する。触媒は、上流側と下流側のどちらのスクリーンに適用してもよい。この装置においては、複数の中央紫外光源を配置し、ともに処理した上流側と下流側のスクリーンの両方に紫外光を照射してもよい。媒体の層に触媒を適用する場合は、汚染物質で汚れにくい最も下流側の層への適用が好ましい実施形態である。

上述の発明では様々な実施形態を参照してきたが、本発明の構造や要素は、全体として発明の趣旨や範囲を逸脱しない限りにおいて変更することができる。特に、各種層および要素を組み合わせたり繰り返したりすることで、様々な効果を得ることができる。たとえば、図７ａには、エアクリーナの基本概念が示されており、図７ｂには、組み立てた装置の一例の構成が示されている。わかりやすいように各種要素は別個の層として図示されているが、２つ以上の「層」を単一の層または材料として一体化させてもよい。

上記において開示された発明は、様々な用途に利用でき、ＨＶＡＣ装置、独立型のフィルタ／ファン装置、産業用エアクリーナ装置、集塵装置などの用途が挙げられ、かつこれらに限られるものでない。上記の実施形態では主に平面フィルタ構造について説明したが、本発明は他の構造にも適用でき、Ｖ字状配列の多重平面パネル群、相互接続されたパネルおよびＶ字状配列装置群、集塵装置用の円筒形フィルタなどが挙げられ、かつこれらに限られるものでない。

相対的に抵抗の低い誘電体からなる繊維状パッドの間に、より抵抗の高い通気性スクリーンを備える本発明に係るフィルタ媒体の断面図である。 誘電体からなる繊維状パッドと、摩擦電気尺度の異なる端にある繊維を有する混合繊維層とを備える本発明に係るフィルタ媒体の断面図である。 図１および図２の特徴を取り入れた本発明に係るフィルタ媒体の断面図である。 より密度の高い誘電体からなる層と、それに続くより密度の低い誘電体とを備える本発明に係るフィルタ媒体の断面図である。 図１から図４の特徴を取り入れた本発明に係るフィルタ媒体の断面図である。 図１と図５の特徴を取り入れた本発明に係るフィルタ媒体の断面図である。 図３と図６の特徴を取り入れた本発明に係るフィルタ媒体の断面図である。 摩擦電気尺度の異なる端にある繊維を有する混合繊維層を備える本発明に係るフィルタ媒体の断面図である。

Claims (8)

1. 能動電界分極媒体型エアクリーナ用フィルタ媒体であって、
   フィルタ材からなる第１パッドと、
   フィルタ材からなる第２パッドと、
   前記フィルタ材からなる第１パッドと前記フィルタ材からなる第２パッドとの間に配置され、電気抵抗率が前記フィルタ材からなる第１パッドの電気抵抗率より高くかつ前記フィルタ材からなる第２パッドの電気抵抗率より高い第１通気性スクリーンと、
   前記フィルタ材からなる第２パッドに隣接して配置された導電性中央スクリーンと、
   前記導電性中央スクリーンに隣接して配置されたフィルタ材からなる第３パッドと、
   フィルタ材からなる第４パッドと、
   前記フィルタ材からなる第３パッドと前記フィルタ材からなる第４パッドとの間に配置され、電気抵抗率が前記フィルタ材からなる第３パッドの電気抵抗率より高くかつ前記フィルタ材からなる第４パッドの電気抵抗率より高い第２通気性スクリーンと、
   前記フィルタ材からなる第４パッドに隣接して配置された、摩擦電気系列の互いに異なる位置にある２つの繊維を含む混合摩擦電気材料からなるパッドと、
   前記混合摩擦電気材料からなるパッドに隣接して配置され、前記混合摩擦電気材料からなるパッドより密度の低いフィルタ材からなる第５パッドとを備えるフィルタ媒体。
2. 前記フィルタ材からなる第１パッドと前記フィルタ材からなる第２パッドが繊維状ポリエステルである請求項１に記載のフィルタ媒体。
3. 前記第１通気性スクリーンがガラス繊維スクリーンである請求項１に記載のフィルタ媒体。
4. 前記フィルタ材からなる第３パッドと前記フィルタ材からなる第４パッドが繊維状ポリエステルである請求項１に記載のフィルタ媒体。
5. 前記第２通気性スクリーンがガラス繊維スクリーンである請求項１に記載のフィルタ媒体。
6. 前記混合摩擦電気材料からなるパッドが、摩擦電気系列の一の位置にある繊維からなる第１層と、摩擦電気系列の異なる位置にある繊維からなる第２層とを含む請求項１に記載のフィルタ媒体。
7. 前記混合摩擦電気材料からなるパッドが第１および第２繊維の混合物を含み、前記第１繊維が摩擦電気系列の一の位置にあり、前記第２繊維が摩擦電気系列の他の位置にある請求項１に記載のフィルタ媒体。
8. 前記フィルタ材からなる第５パッドが繊維状ポリエステルである請求項１に記載の能動電界分極媒体型エアクリーナ用フィルタ媒体。

Images