JP2013146677A - 冷却集塵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高温低湿の地域での、屋外空気を集塵するとともに、小さなエネルギーで空気を冷却して室内に供給する装置の提供を目的とする。
【解決手段】噴射手段４から噴射した水滴１４および大気中の浮遊粉塵７を、高電圧を印加した高圧電極５とアース電極６の間で生じるコロナ放電によって帯電させ、アースに接続した集塵手段３と、帯電した水滴１４によって形成する電場を利用して帯電粉塵を除去すると共に、水滴１４の気化によって空気を冷却する冷却集塵装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、水の気化による気流の冷却と気流中の塵埃除去、及び集塵手段の洗浄が可能な空気冷却集塵装置に関するものである。

赤道付近の内陸地域は気温が高く、かつ湿度が低い。そこでは水を含んだ水分保持体と送風機で構成されるデザートクーラーと呼ばれる装置が普及している。デザートクーラーは、水分保持体に外気を通過させながら水分を気化させることによって気流を冷却する装置である。室外空気を冷却して室内に取り入れることで室温を下げられ、エアコンその他の空調機の運転負荷を低減する効果がある。

しかし、この方式は、砂漠地帯もしくは砂漠が近い地域などの砂塵が大気中に多く含まれる条件においては、室外空気を室内に取り入れながら砂塵も取り込まれるため、室内が砂塵で汚れるという問題がある。

上記課題を解決できる可能性のある手段として、例えば特許文献１に記載されるような集塵機能付空調機がある。

以下に、その集塵機能付き空調機について、図７を参照しながら説明する。

図７に示す集塵機能付き空調機は上流から順に放電部１０６、熱交換器１０１、送風機１０８で構成されている。

外気１１４は送風機１０８によって放電部１０６、熱交換器１０１を通過した後、室内に送り込まれる。放電部１０６は棘状の先端を有する放電電極１０４および放電電極１０４との間に空間をあけて設けた対向電極１０５とで構成されていて、高圧電源１１６によって放電電極１０４に４〜５キロボルト（極性は＋−どちらでもよい）の高電圧を、対向電極１０５に０ボルトを印加する。

電圧を印加することで放電電極１０４と対向電極１０５との間にコロナ放電を起こし、放電電極１０４の先端からイオンを発生させる。発生したイオンが対向電極１０５に向かって降り注いでいる空間を、気流が通過するときに、気流中の粉塵はイオンと結合して帯電する。帯電した粉塵は０ボルトが印加された下流側の熱交換器１０１に導入され、熱交換器１０１の表面と帯電した粉塵との間で働く鏡像力によって熱交換器１０１に付着し、捕集される。

また、熱交換器１０１は熱交換管１０２と熱交換管１０２によって貫通するように接続された複数枚の熱交換フィン１０３とで構成されている。熱交換器１０１は冷媒配管１１３によって凝縮ユニット１０９と接続されていて、冷媒は冷媒配管１１３を通じて熱交換器１０１と凝縮ユニット１０９との間を循環している。冷媒は凝縮ユニット１０９の中においてコンプレッサ１１０で圧縮され、凝縮器１１１で液化され、熱交換器１０１と接触した空気は冷却される。このようにして熱交換器１０１上で集塵および冷却を同時におこなうことができる。

また、課題解決のための他の手段として、冷却を特許文献１記載の熱交換器でおこない、集塵のみを従来の電気集塵装置でおこなう方法が考えられる。ここで図８を用いて、従来からある一般的な２段式電気集塵装置の構造について説明する。

２段式電気集塵装置は上流から順に帯電部１１７、集塵部１１８、送風機１１９で構成される。送風機１１９によって気流は順番に帯電部１１７、集塵部１１８へと導入される。帯電部１１７は外気１１４の通風方向と平行になるように放電電極１２１および対向電極１２２を設け、一定の間隔を開けて放電電極１２１を挟むように対向電極１２２を配置して構成される。

高圧電源１１６によって放電電極１２１に絶対値として２〜１０キロボルト程度の高電圧（極性は＋−どちらでもよい）を対向電極１２２に０ボルトを印加することでコロナ放電を起こし、棘状の先端１２０から対向電極１２２に向かって降り注ぐイオンを生成する。

生成されたイオンは通過する粉塵と結合し、粉塵を帯電させる。帯電部１１７の下流に位置する集塵部１１８は通風方向と平行に設けた電極板Ａ１２３と電極板Ｂ１２４とを一定の間隔を開けながら積層した構造となっていて、電極板Ａ１２３には放電電極１２１と同じ高電圧が印加され、電極板Ｂ１２４には０ボルトが印加されている。

帯電した粉塵は電極板Ａ１２３と電極板Ｂ１２４の間に導入され、電極板Ａ１２３から電極板Ｂ１２４の方向へはたらくクーロン力を受けて主に電極板Ｂ１２４に付着する。このような原理で２段式電気集塵装置は集塵をおこなう。２段式電気集塵装置は直径１μｍ以下の微細粉塵を集塵でき、また、空気を通過させる際の圧力損失が小さく、水洗いして捕集粉塵を洗い流せるという長所を有していて、主に居住環境の空気清浄用途として一般的に使われている。

特開昭６３−１２３９３４号公報

特許文献１に記載される冷却集塵装置は冷媒やコンプレッサを用いた熱交換器で冷却をおこなっていて、冷却に多くのエネルギーが必要となる。また、熱交換器に付着捕集した粉塵を自動的に除去できる構造になってはいない。結露水によって付着した粉塵を洗い流せるように熱交換器の下にドレンパンが設けられているが、熱交換器を洗浄するには結露水の量が少なく、また、高温低湿の外気を冷却する場合には結露水が発生しない。そのため、冷却フィンの間に粉塵が堆積して目詰まりを起こしたり、堆積した粉塵によって熱交換効率が下がって冷却しにくくなったりするという課題を有する。

また、図８に記載するような２段式電気集塵装置に、冷却のみをおこなわせる方法の場合、冷却のための装置が別途必要になるという課題と、大きくて重く、構造の複雑な集塵部が必要になるという課題が生じる。導電性、剛性を得るために集塵部の電極板Ａと電極板Ｂには、０．５〜１ｍｍ程度の厚みを有する鋼板やアルミニウム板を用いることが多い。集塵部は電極板Ａと電極板Ｂとを互いに接触させずに何枚も積層して構成する必要があり、必然的に大きくて重く、構造が複雑になる。

そこで、本発明の冷却集塵装置は、少ないエネルギーで気流を冷却すると同時に外気中の粉塵を捕集し、捕集した粉塵を洗い流して集塵部から取り除くことが可能な冷却集塵装置を提供することを目的とするものである。

本発明の冷却集塵装置は、送風経路内に、気流を発生させる送風手段と、気流中の浮遊粉塵を捕捉する集塵手段と、気流に向けて水を噴射する噴射手段と、高圧電極と前記高圧電極に対向するアース電極を備え、前記集塵手段をアースに接続し、前記高圧電極と前記アース電極の間にコロナ放電を発生させ、コロナ放電が発生したコロナ放電領域に前記噴射手段から噴射される水のミストが到達するように前記噴射手段を配置したものである。

本発明によれば、噴射手段が噴霧する水滴が気流中で気化もしくは、集塵手段に付着してから気化することによって空気が冷却されるため、取り入れた外気を少ないエネルギーで冷却することが可能である。

また、高圧電極とアース電極の間に形成するコロナ放電領域において、噴射手段から噴霧される水滴および、気流中に含まれる浮遊粉塵が、コロナ放電で発生したイオンと結合して帯電する。帯電した水滴が気流に乗って集塵手段に近づくと、アースに接続している集塵手段と帯電水滴の間には電場が形成される。一方、コロナ放電によって帯電した浮遊粉塵は、帯電水滴と集塵手段との間にできた電場でクーロン力を受けて集塵手段側に引き寄せられて集塵手段に付着する。この原理によって外気中の粉塵を捕捉することができる。

また、水滴は粉塵に比べて粒子が大きいため、集塵手段に衝突したときに水滴となり、下方に流れ落ちる。このときに、集塵手段に捕捉された粉塵は流れ落ちる水に吸収されて一緒に流れ落ち、集塵手段を常に洗浄する効果を生み出す。

本発明の実施の形態１の冷却集塵装置の構成図 同集塵手段の正面図 同集塵手段の断面図 同集塵手段の辺縁部の拡大図 同高圧電極とアース電極の上面図 同集塵手段の捕集体繊維どうしが作る空隙の図 本発明の実施の形態２の冷却集塵装置の構成図 従来の集塵機能付き空調機の構成図 従来の２段式電気集塵装置の構成図

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
本発明の冷却集塵装置の構成図を図１に示す。図１に示す冷却集塵装置は、送風経路１の中に、送風手段２と集塵手段３と噴射手段４と高圧電極５とアース電極６を備えている。送風手段２によって送風経路１の中には気流が発生し、屋外空気は図１の右側から左側に向かって流れて室内へ導入される。

最初に集塵手段３について説明する。図２は、集塵手段３の正面図。図３は、気流の方向と平行に集塵手段３を切断したときの断面図。そして、集塵手段３の辺縁部、すなわち図３における点線枠内の部分を拡大した図が、図４である。

集塵手段３とは、大気中の浮遊粉塵７を捕集できるように設計された集塵フィルタのことを指すものであり、本発明で用いる形態は、図２〜図４に示すように、捕集体繊維８を高密度に集積させて厚さ数十ｍｍの平板状に成形したものと、その成形体の外周を囲んで補強する外枠９をアースしたものである。

次に高圧コロナ放電について説明する。図５は、高圧電極５とアース電極６を上から見た図である。図１において、高圧電極５には、高圧電源１０によって高電圧が印加され、高圧電極５とアース電極６の間にはコロナ放電が生じ、コロナ放電領域１１を形成する。高圧電極５には、例えば−５ｋＶなどの高い電圧をかけるため、高圧電極５とアース電極６の両電極間に火花放電が生じないようにするために、距離を設けて配置する必要があるが、電極間の距離が大きすぎるとコロナ放電が発生しない。そのため、図５のように、例えば印加電圧が−５ｋＶの場合は、高圧電極５とアース電極６の間は２０ｍｍ程度の距離を設けるのが望ましい。

高圧電極５は、先端が鋭利に尖った針状のものであれば、より放電効率が高い。先端が鋭利であるほど電圧を印加したときの電荷集中が起こりやすいため、放電効率が上がる。そしてその針は、気流の向きと平行に配置された状態がよい。アース電極６は、気流を妨げないよう、薄い平板状のものがよく、板面の法線が気流の向きと垂直になるように配置するのがよい。また、平板の材質は導電性であれば何でもよいが、アルミニウムであれば軽量化が図れるという利点がある。

図１において高圧電極５の数はひとつであるが、送風経路１の幅が十分に大きい場合は、高圧電極５の数を多くして、コロナ放電領域１１を拡張すれば、送風経路１の気流全体にわたって、浮遊粉塵７を充分に帯電させることができる。その場合、例えば鉛直方向と水平方向に針状の高圧電極５を一定間隔で配置するという形態が考えられる。その配置間隔は、前述の通り、火花放電を避けるため、２０ｍｍ程度に設定するのがよい。

コロナ放電領域１１では、空気中の気体分子の一部がコロナ放電を受けてイオン化している。屋外空気に含まれる浮遊粉塵７は、コロナ放電領域１１を通過するときに、イオン化した分子と接触することにより帯電する。

次に水の噴射について説明する。図１において、送水ポンプ１２によって水が送水管１３を通して噴射手段４に送られ、水は気流に向かって噴射される。噴射された水は細かい水滴１４となって気流中に拡散する。拡散した水滴１４も、浮遊粉塵７と同様にしてコロナ放電領域１１においてイオン化した分子と接触することにより帯電する。

噴射手段４は、例えばスプレーノズルなど、細かい霧状の水滴１４を発生することが可能なものを指す。発生する水滴１４は粒子径が大きいと、すぐに落下するため、集塵手段３まで気流に乗って運ばれるぐらいの細かさを持たせられるようなノズルがよい。

噴射手段４の配置については、上述の通り、噴射手段４から噴射される水滴１４が、集塵手段３に届くように考慮する必要があるが、コロナ放電領域１１の上流側、下流側のどちらに配置してもよい。図１では噴射手段４をコロナ放電領域１１よりも上流側に設けたが、下流側に噴射手段４を設ける場合は、水滴１４は上流方向、すなわちコロナ放電領域１１に向いて噴射されるように配置する必要がある。

浮遊粉塵７と水滴１４は気流と共に集塵手段３に到達するが、捕集体繊維８から成る一般的な集塵手段３は、粒子径が０．１〜１０μｍである浮遊粉塵７に対して捕集効率は１０％程度であり、充分に高い効率というわけではない。

図６は、捕集体繊維８の繊維どうしが作る空隙の様子を表した図である。

本発明の装置における集塵手段３の捕集体繊維８の繊維どうしが作る空隙周辺では、図６に示す通り、帯電した水滴１４と、外枠９を介してアースに接続した捕集体繊維８との間に電場が発生する。高圧電源１０によって例えば−５ｋＶの電圧を高圧電極５に印加した場合、コロナ放電領域１１には負イオン化した分子となった浮遊粉塵７が多く存在する。水滴１４がコロナ放電領域１１を通過するとき、水滴１４にはイオン化した分子となった浮遊粉塵７が付着し、負に帯電する。一方、捕集体繊維８は、アースに接続しているため、負に帯電した水滴１４が集塵手段３に到達すると、捕集体繊維８との間に電位差が生じ、電気力線１６で示されるような電場が発生する。

多数の水滴１４が捕集体繊維８の繊維どうしが作る空隙を通過するときに、水滴１４と捕集体繊維８との距離および、水滴１４の電荷量に応じた強さの電場が両者間に形成され、水滴１４の移動に伴う両者間の距離の変化によって特定空間の電場の強さも変化する。捕集体繊維８に衝突して付着する水滴１４もあるが、同じ空間内には次から次へと絶えず水滴１４が流入するため、捕集体繊維８の繊維どうしが作る空隙に、水滴１４がある密度で分布した状態となり、集塵手段３の内部は、特定の強度の電場が常に存在した状態を維持する。

そして、その空隙を通過する、帯電した浮遊粉塵７にはクーロン力１５がはたらき、捕集体繊維８の方向に引き寄せられて捕集体繊維８に付着する。このようにして集塵手段３が屋外空気から浮遊粉塵７を除去することによって、室内には清浄された空気を送り込むことができる。

集塵手段３が集塵を続けるにしたがって、集塵手段３には浮遊粉塵７が蓄積して、やがて目詰まりが起こる。噴射手段４から噴射される細かな水滴１４が集塵手段３の捕集体繊維８に付着すると、水滴１４どうしが凝集して大きくなり、下方に流れ落ちる。そのときに、捕集体繊維８に付着している浮遊粉塵７は、流れ落ちる水滴１４に吸収されるため、結果的に、集塵手段３は噴射された水によって常に洗浄されている状態となり、目詰まりを防ぐことができる。

また、水滴１４の一部は噴射手段４から噴射されて間もなく、又は、集塵手段３に付着した後に、高温低湿の室外空気と接触することによって、その空気の熱を奪いながら気化する。したがって、屋外空気の温度は下がり、冷却空気として室内に導入される。この冷却に必要なエネルギーは送水ポンプ１２の動力源だけであるため、特許文献１に記載される空調機の、冷媒を圧縮膨張して熱交換器を冷却するヒートポンプ方式と比較して、必要なエネルギーを少なくできるという効果を有する。

（実施の形態２）
図７に、噴射手段２１が、コロナ放電時のアース電極を兼ねた冷却集塵装置を示す。実施の形態１と同様の構成については同一番号を付し、詳細な説明は省略する。

送風経路１の中に設けた噴射手段２１はアースに接続され、噴射手段２１と、高圧電源１０によって高電圧が印加された高圧電極５との間には、コロナ放電領域２２が形成される。

屋外空気に含まれる浮遊粉塵７が集塵手段３によって除去される機構は実施の形態１と同じであるが、本形態においては、噴射手段２１がコロナ放電領域２２を形成するためのアース電極の役割を果たすため、別途アース電極を設置する必要がなく、部品数や設置スペースに関して合理的である。

本発明にかかる冷却集塵装置は小さなエネルギーで冷却および集塵された清浄冷気を室内に供給することができ、かつ、洗浄手段を常に洗浄された状態にすることができる。そのため、砂漠地帯などの高温低湿で大気中の粉塵が多い地域で必要とされる冷却集塵装置として大いに活用が期待できる。

１ 送風経路
２ 送風手段
３ 集塵手段
４ 噴射手段
５ 高圧電極
６ アース電極
７ 浮遊粉塵
８ 捕集体繊維
９ 外枠
１０ 高圧電源
１１、２２ コロナ放電領域
１２ 送水ポンプ
１３ 送水管
１４ 水滴
１５ クーロン力
１６ 電気力線
２１ 噴射手段
１０１ 熱交換器
１０２ 熱交換管
１０３ 熱交換フィン
１０４ 放電電極
１０５ 対向電極
１０６ 放電部
１０８ 送風機
１０９ 凝縮ユニット
１１０ コンプレッサ
１１１ 凝縮器
１１３ 冷媒配管
１１４ 外気
１１６ 高圧電源
１１７ 帯電部
１１８ 集塵部
１１９ 送風機
１２０ 棘状の先端
１２１ 放電電極
１２２ 対向電極
１２３ 電極板Ａ
１２４ 電極板Ｂ

Claims (2)

1. 送風経路内に、
   気流を発生させる送風手段と、
   気流中の浮遊粉塵を捕捉する集塵手段と、
   気流に向けて水を噴射する噴射手段と、
   高圧電極と前記高圧電極に対向するアース電極を備え、
   前記集塵手段をアースに接続し、
   前記高圧電極と前記アース電極の間にコロナ放電を発生させ、
   コロナ放電が発生したコロナ放電領域に前記噴射手段から噴射される水のミストが到達するように前記噴射手段を配置したことを特徴とする冷却集塵装置。
2. 噴射手段が高圧電極に対向するアース電極を兼ねていることを特徴とする請求項１記載の冷却集塵装置。

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