JP2009254941A - 帯電ろ材、帯電ろ材を備えたエアフィルタ及び工場空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】 帯電式中性能フィルタの捕集効率を低下させることなく、空調システムのＨＥＰＡ、ＵＬＰＡフィルタへの負荷を軽減できる低圧力損失・高捕集効率の安定的帯電フィルタを提供すること。
【解決手段】 単位繊維面積当たりの繊維電荷密度０．７×１０^−６〜４×１０^−６Ｃ／ｍ^２を有する帯電繊維が、ろ材１ｍ^２当たりの繊維全長が２．２×１０^６〜８．８×１０^６ｍ、ろ材１ｍ^２当たりの繊維電荷密度が１．１×１０^−４〜１．６×１０^−４Ｃである帯電ろ材を用いてエアフィルタを構成し、このエアフィルタを用いて工場空調システムとする。
【選択図】 なし

Description

本発明は、帯電ろ材、該帯電ろ材を備えたエアフィルタ及び該エアフィルタを用いた工場空調システムに関する。

従来、帯電ろ材の捕集効率低下の問題の解決手段として、例えば、特許文献１に記載されているように、平均繊維径０．５μｍ〜３．０μｍで、目付１０〜１００ｇ／ｍ^２のメルトブローン不織布からなるろ材の使用が知られている。即ち、非帯電ろ材のろ材捕集効率を中性能ガラスろ材の捕集効率レベルにした上で、静電気力に捕集効率を追加することで、帯電ろ材の捕集効率が低下しても、最低限、非帯電ろ材の捕集効率でカバーしようとするものである。

特開２００２−１０２３号公報

しかしながら、前記のような方法では、非帯電ろ材の捕集効率を中性能ガラスろ材レベルにするためには、その分、気流抵抗になる繊維長さが必要になるため、本来の目的である低圧力損失化を達成することができない不都合があった。
また、中性能ろ材が空調システムで用いられる場合、捕集効率高いことは問題にはならないが、捕集効率があまり高いと、中性能フィルタ自身の寿命が短くなってしまうという不都合もあった。
そこで、本発明は、帯電式中性能フィルタの捕集効率を低下させることなく、空調システムのＨＥＰＡ、ＵＬＰＡフィルタへの負荷を軽減できる低圧力損失・高捕集効率の安定的帯電フィルタを提供することをその目的とする。

本発明の帯電ろ材は、前記目的を達成するため、請求項１記載の通り、単位繊維面積当たりの繊維電荷密度０．７×１０^−６〜４×１０^−６Ｃ／ｍ^２を有する帯電繊維が、ろ材１ｍ^２当たりの繊維全長が２．２×１０^６〜８．８×１０^６ｍ、ろ材１ｍ^２当たりの繊維電荷密度が１．１×１０^−４〜１．６×１０^−４Ｃであることを特徴とする。
また、請求項２記載の帯電ろ材は、請求項１記載の帯電ろ材において、繊維径１．０〜５．０μｍ、目付け５．０〜５０．０ｇ／ｍ^２、厚み０．１０〜０．６０ｍｍ、ろ材不均一ファクタ（δ）１．７〜１５．０であることを特徴とする。
また、請求項３記載の帯電ろ材は、請求項１または２記載の帯電ろ材において、ろ材がメルトブローン不織布からなることを特徴とする。
また、本発明のエアフィルタは、請求項４記載の通り、請求項１乃至３の何れかに記載の帯電ろ材を備えたことを特徴とする。
また、本発明の工場空調システムは、請求項５記載の通り、請求項４記載のエアフィルタを用いたことを特徴とする。

本発明によれば、単位繊維面積当たりの繊維電荷密度０．７×１０^−６〜４×１０^−６Ｃ／ｍ^２を有する帯電繊維を、ろ材１ｍ^２当たりの繊維全長を２．２×１０^６〜８．８×１０^６ｍと長くしつつ、ろ材１ｍ^２当たりの繊維電荷密度を１．１×１０^−４〜１．６×１０^−４Ｃと高くしたため、現行帯電ろ材と比べ、帯電性能低下によって効率低下しても、中性能ガラスろ材の性能を確保でき使用上問題がない。気流に直接当たる繊維全長は現行帯電ろ材と同等であるため、現行帯電ろ材並みの圧損である。従って、長寿命かつ高風量で使用でき、また、０．１μｍ以下の極微細粉塵を捕集できるため、最終フィルタの負荷を低減して、最終フィルタの寿命を長くできる。

本発明の帯電ろ材は、ろ材１ｍ^２当たりの繊維全長を２．２×１０^６〜８．８×１０^６ｍと長くしつつ、気流抵抗になる繊維全長は現行帯電ろ材と同等にした。このようにろ材１ｍ^２当たりの気流抵抗になる繊維全長は現行帯電ろ材と同等であるため、当初から「さえぎり」、「ブラウン拡散」、「重力沈降」、「慣性衝突」等の機械的捕集機構による捕集への寄与率はほとんど変わらないが、ろ材１ｍ^２当たりの繊維全長を２．２×１０^６〜８．８×１０^６ｍと長く、繊維電荷密度を１．１×１０^−４〜１．６×１０^−４Ｃと高くするようにして、静電気力による捕集に寄与する繊維、所謂隠れた繊維が多くなるようした。
尚、帯電式中性能ろ材の捕集効率が中性能ガラスろ材の捕集効率以下に落ちるのは、ろ材１ｍ^２当たりの繊維電荷密度がおよそ４．０×１０^−５Ｃ以下になる場合である。また、帯電ろ材の初期繊維電荷密度のおよそ６５〜７５％を失うと、同じ物性の非帯電ろ材の捕集効率に近くなる。従って、帯電ろ材の初期繊維電荷密度が１．１×１０^−４〜１．６×１０^−４Ｃであれば繊維電荷密度低下により捕集効率が低下しても、中性能ガラスろ材の捕集効率以上を維持することができる。

前記帯電ろ材は、繊維径１．０〜５．０μｍとすることが好ましい。繊維径が１．０μｍ未満であると、捕集効率は上がるが圧力損失が高くなってしまい、また、繊維径が５．０μｍを越えると捕集効率が不十分で、下流側に配置されるＨＥＰＡフィルタやＵＬＰＡフィルタ等の最終フィルタへの負荷を軽減できないからである。このような観点から、繊維径は２．０〜４．５μｍとするのが更に好ましい。

また、前記ろ材の目付けは５．０〜５０．０ｇ／ｍ^２とすることが好ましい。目付けが５．０ｇ／ｍ^２未満であると、捕集効率が不十分で、下流側に配置されるＨＥＰＡフィルタやＵＬＰＡフィルタ等の最終フィルタへの負荷を軽減できず、また、目付けが５０．０ｇ／ｍ^２を越えると、捕集効率は上がるが圧力損失が高くなってしまうからである。このような観点から、目付は３０．０ｇ／ｍ^２〜５０．０ｇ／ｍ^２とするのが更に好ましい。

また、前記ろ材の厚みは０．１０〜０．６０ｍｍとすることが好ましい。厚みが０．１０ｍｍ未満であると、捕集効率が不十分で、下流側に配置されるＨＥＰＡフィルタやＵＬＰＡフィルタ等の最終フィルタへの負荷を軽減できず、また、厚みが０．６０ｍｍを越えると、補強材の張り合わせやプリーツ加工が困難で、また、プリーツ加工をしてフィルタにした時に圧力損失が高くなるからである。このような観点から、厚みは０．３０ｍｍ〜０．６０ｍｍとするのが更に好ましい。

また、前記ろ材は、ろ材不均一ファクタ（δ）を１．７〜１５．０とすることが好ましい。本発明で提案したろ材物性範囲で、ろ材不均一ファクタ（δ）が１．７未満であると、ろ材１ｍ^２当たりの繊維全長が短くなり、捕集効率が不十分であり、電荷密度低下による捕集効率の低下がガラス中性能ろ材の捕集効率よりも低くなる。また、ろ材不均一ファクタ（δ）が１５．０を越えると、捕集効率は十分であるが、中性能フィルタ自身の寿命が短くなってしまうという不都合がある。このような観点から、ろ材不均一ファクタ（δ）は３．０〜１０．０とするのが更に好ましい。
尚、ここで、ろ材不均一ファクタ（δ）は、ファンモデルろ材の圧力損失を実際のろ材の圧力損失で除した値を示すものである。

前記ろ材としては、前記繊維径の繊維から構成されるメルトブローン不織布が好ましい。このメルトブローン不織布を構成する繊維としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ−３−メチル−１−ブテン、ポリ−４−メチル−１−ペンテン、ポリ弗化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリアクリロニトリル、ポリサルフォン、ポリフェニレンオキサイドなどの絶縁性有機繊維や、ホウケイ酸ガラス、石英ガラスなどの絶縁性無機繊維等が挙げられる。

ろ材に対する帯電処理としては、コロナ荷電、電界荷電、熱間電界荷電、電子線照射などが挙げられる。ただし、ろ材の繊維に所望の帯電量を付与できる方法であれば、これらに限定されるものではない。

次に、本発明の実施例と比較例を参照して説明する。
なお、物性の測定は以下の方法を用いて行った。
（１）平均繊維径： 試験片の任意な５箇所を電子顕微鏡で５枚の写真撮影を行い、１枚の写真につき２０本の繊維の直径を測定し、これを５枚の写真について行い、合計１００本の繊維径を平均して求めた。
（２）目付け： 試料長さ方向より、１００×１００ｍｍの試験片を採取し、水分平衡状態の重さを測定し、１ｍ^２当たりに換算して求めた。
（３）厚み： 試料長さ方向より、１００×１００ｍｍの試験片を採取し、ダイヤルシックネスゲージで測定した。
（４）捕集効率： ０．３μｍの大気粒子の空気をろ過速度５．３ｃｍ／ｓで通過させ、ＪＩＳ Ｚ８８１３に準じた光散乱光量積算方式により、通過前通過後の粉塵濃度を同時に連続的に測定し、次式により、捕集効率を求めた。
捕集効率（％）＝（通過後の粉塵濃度（個数／Ｌ）−通過前の粉塵濃度（個数／Ｌ））／（通過前の粉塵濃度（個数／Ｌ））×１００
（５）圧力損失： 捕集効率の試験と並行して、風速５．３ｃｍ／ｓの気流を通風した時のろ材の上下流での静圧差を測定し、これを圧力損失とした。

（実施例１）
ポリプロピレン樹脂にメルトブローン法を適用して、単位繊維面積当たりの繊維電荷密度は２．８×１０^−６Ｃ／ｍ^２、目付４０．０ｇ／ｍ^２、平均繊維径４．１μｍ、厚さ０．５０ｍｍの帯電メルトブローンろ材を作製した。このろ材の特性値を評価すると、不均一ファクタδは４．５、ろ材１ｍ^２当たりの繊維全長Ｌは３．６×１０^６ｍ、ろ材１ｍ当たりの繊維電荷密度は１．３×１０^−４Ｃであった。これを実施例１とした。

（実施例２）
単位繊維面積当たりの繊維電荷密度は２．０×１０^−６Ｃ／ｍ^２、目付を５０．０ｇ／ｍ^２、厚さを０．６０ｍｍとしたこと以外は実施例１と同様にして、帯電メルトブローンろ材を作製した。このろ材の特性値を評価すると、不均一ファクタδは５．３、ろ材１ｍ^２当たりの繊維全長Ｌは４．６×１０^６ｍ、ろ材１ｍ当たりの繊維電荷密度は１．１×１０^−４Ｃであった。これを実施例２とした。

（比較例１）
単位繊維面積当たりの繊維電荷密度は４．０×１０^−６Ｃ／ｍ^２、目付を２０．０ｇ／ｍ^２、平均繊維径を４．１μｍ、厚さを０．２０ｍｍとしたこと以外は実施例１と同様にして、帯電メルトブローンろ材を作製した。このろ材の特性値を評価すると、不均一ファクタδは２．１、ろ材１ｍ^２当たりの繊維全長Ｌは１．７×１０^６ｍ、ろ材１ｍ当たりの繊維電荷密度は８．６×１０^−５Ｃであった。これを比較例１とした。これを比較例１とした。

（比較例２）
単位繊維面積当たりの繊維電荷密度は１．１×１０^−６Ｃ／ｍ^２、目付を４０．０ｇ／ｍ^２、平均繊維径を２．１μｍ、厚さを０．７３ｍｍとしたこと以外は実施例１と同様にして、帯電メルトブローンろ材を作製した。このろ材の特性値を評価すると、不均一ファクタδは５．６、ろ材１ｍ^２当たりの繊維全長Ｌは１．４×１０^７ｍ、ろ材１ｍ当たりの繊維電荷密度は９．７×１０^−５Ｃであった。これを比較例２とした。

（比較例３）
単位繊維面積当たりの繊維電荷密度は０．８×１０^−６Ｃ／ｍ^２、目付を５０．０ｇ／ｍ^２、平均繊維径を２．１μｍ、厚さを１．０７ｍｍとしたこと以外は実施例１と同様にして、帯電メルトブローンろ材を作製した。このろ材の特性値を評価すると、不均一ファクタδは５．８、ろ材１ｍ^２当たりの繊維全長Ｌは１．８×１０^７ｍ、ろ材１ｍ当たりの繊維電荷密度は８．８×１０^−５Ｃであった。これを比較例３とした。

（比較例４）
目付６１．０ｇ／ｍ^２、平均繊維径２．４μｍ、厚さを０．３４ｍｍの湿式ガラス繊維ろ材を作製した。このろ材の特性値を評価すると、不均一ファクタδは３．３、ろ材１ｍ^２当たりの繊維全長Ｌは７．４×１０^６ｍであった。これを比較例４とした。

尚、表１中の、ろ材不均一ファクタ（δ）は、ファンモデルフィルタの圧力損失と実際ろ材の圧力損失の比であり、式ではδ＝ΔＰ^ｆ／ΔＰ^ｒである。δ値が高ければ高いほど所謂隠れた繊維が多くなることを意味するものである。
ろ材１ｍ^２当たりの繊維全長は、（４×充填率×厚み）／（π×（繊維径）^２）の関数であり、ｍ／ｍ^２の単位で表せる。
単位繊維面積当たりの繊維電荷密度は、帯電処理方法、繊維材料が持つ誘電率で異なるが、前記段落００１２や段落００１３に説明した範囲であれば、通常数μＣ／ｍ^２である。
表中の具体的な数値は捕集効率とろ過理論（分極繊維電荷理論）で評価した数値である。
ろ材１ｍ^２当たりの繊維電荷密度は、単位繊維面積当たりの繊維電荷密度×全帯電繊維面積の計算値である。

尚、表２のろ材の圧力損失は、内径が１１３ｍｍの小型試験ダクトにろ材を設置し、風速５．３ｃｍ／ｓの気流を通風した時のろ材の上下流での静圧差を測定し、これを圧力損失とした。
初期のろ材については、圧力損失が１５Ｐａ未満の場合を○、３０Ｐａ以上の場合を×とした。
また、大気塵を４０００ｍ^３以上負荷後のろ材については、圧力損失が５０Ｐａ未満の場合を○、５０Ｐａ以上の場合を×とした。

平衡帯電状態粒子に対する捕集効率は、次のように測定した。
初期のろ材については、捕集効率が４５％以上の場合を○、４５％未満の場合を×とした。
また、大気塵を２０００ｍ^３以上負荷後のろ材については、捕集効率が４５％以上の場合を○、４５％未満の場合を×とした。

粉塵保持量は、次のように測定した。
直径１１０ｍｍの円形のろ材に対して、ハイボリウムエアサンプラ（ＳＨＩＢＡＴＡ製 ＨＶ−５００Ｆ））を用い、毎分５００ｌ／ｍｉｎの流量で大気塵を捕集した。捕集開始から２４、４８、７２、９６、１２０、１４４時間後でそれぞれろ材を回収し、ろ材の質量を測定した。次に、予め測定しておいた初期のろ材質量との差を算出し、それをろ材面積で除した値を粉塵保持量（ｇ／ｍ^２）とした。
合計４０００ｍ^３を通風したときの粉塵保持量が３０ｇ／ｍ^２以上の場合を○、３０ｇ／ｍ^２未満の場合を×とした。

総合評価の基準は次の通りとした。
○：圧力損失、捕集効率、粉塵保持量の全ての項目が○である場合
×：圧力損失、捕集効率、粉塵保持量のいずれかが×を２つ以上含む場合

表１及び表２から明らか通り、実施例１及び２は、初期及び大気塵負荷後ともに、圧力損失及び捕集効率は十分の水準を維持している。また、粉塵保持量も十分であることから、総合評価は○となった。
比較例１は、初期の圧力損失及び初期の捕集効率は十分であったが、大気塵負荷後に捕集効率が急激に減衰した。またそれに伴い粉塵保持量も少ないことから、総合評価は×となった。
比較例２は、初期及び大気塵負荷後の捕集効率や、粉塵保持量は十分であったが、初期の時点で圧力損失が比較的高く、大気塵負荷後に圧力損失が高いことから総合評価は×となった。
比較例３は、比較例２と同様初期及び大気塵負荷後の捕集効率や、粉塵保持量は十分であったが、初期の時点で圧力損失がさらに高く、気塵負荷後に圧力損失が高いことから総合評価は×となった。
特に、比較例２および３は、ろ材１ｍ^２当たりの繊維電荷密度が請求項１の範囲を下回るにもかかわらず、捕集効率および粉塵保持量が評価基準範囲内に入っている。これは、圧力損失が高い分、機械的捕集効率が高くなっていることを示す。これは、特許文献１に記載の発明と一緒で気流抵抗になる繊維長さが必要になるため、圧力損失が高いという不都合が問題になる。
なお、比較例４は、圧力損失は比較的高く、捕集効率は比較的低いものの、初期と大気塵負荷後での差がほとんどないのが特徴であり、粉塵保持量は十分であったが、総合評価では×となった。

Claims (5)

1. 単位繊維面積当たりの繊維電荷密度０．７×１０^−６〜４×１０^−６Ｃ／ｍ^２を有する帯電繊維が、ろ材１ｍ^２当たりの繊維全長が２．２×１０^６〜８．８×１０^６ｍ、ろ材１ｍ^２当たりの繊維電荷密度が１．１×１０^−４〜１．６×１０^−４Ｃであることを特徴とする帯電ろ材。
2. 繊維径１．０〜５．０μｍ、目付け５．０〜５０．０ｇ／ｍ^２、厚み０．１０〜０．６０ｍｍ、ろ材不均一ファクタ（δ）１．７〜１５．０である請求項１記載の帯電ろ材。
3. ろ材がメルトブローン不織布からなることを特徴とする請求項１または２記載の帯電ろ材。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載の帯電ろ材を備えたエアフィルタ。
5. 請求項４記載のエアフィルタを用いた工場空調システム。