JP2016002545A - 空気浄化装置 - Google Patents

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圭介 高巣
用煥 牟
Yokan Mou
用煥 牟
原賀 久人
Hisato Haraga
久人 原賀
永吉 英昭
Hideaki Nagayoshi
英昭 永吉
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Abstract

【課題】空気中の微粒子を帯電し、その下流側に設けられ、接地された金属繊維製フィルタで帯電した微粒子を引き寄せ捕捉する静電気式の空気浄化装置において、微粒子が金属繊維製フィルタの金属繊維表面に吸着すると、すぐに電荷が接地側に流れることを抑制することで、微粒子を静電気力で金属繊維表面に保持し続け、径が0.5μm以下の微粒子であっても捕捉可能な空気浄化装置を提供する。【解決手段】空気浄化装置の流路中に、高電圧が印加され放電して気体中の粒子群に帯電させる放電部と、この放電部の下流側に設けられ、金属繊維を絡めて綿状に形成されると共に電気的に接地され帯電した粒子群を静電気力で捕捉するフィルタ部とを有する空気浄化装置において、前記金属繊維の表面に半導体皮膜を形成する。【選択図】図1

Description

この発明は、微粒子を帯電させ、捕捉する静電式の空気浄化装置に関する。
従来、空気浄化装置の入口側において10KV程度の高電圧が印加された放電針及び又は放電線を設けて空気中の微粒子を帯電し、この帯電した粒子を下流側に設け接地されたフィルタ等に静電気力で引き寄せて、微粒子を捕捉する静電気式の空気浄化装置が知られている。
特開昭57−150457号公報 特開平1−310751号公報 特開平6−154651号公報 特開2012−154621号公報
この静電式の空気浄化装置は、帯電した微粒子が、接地されたフィルタに静電気力でフィルタ繊維表面に引き寄せられ吸着すると、微粒子の電荷がすぐに接地側に流れ、微粒子はフィルタ繊維との分子間引力で物理的に保持される。
この分子間引力は、微粒子のサイズ(正確には質量だが、空気中に漂う微粒子の場合、サイズと見なすことができる)に依存し、微粒子のサイズが大きければ分子間引力が大きく、サイズが小さければ分子間引力が小さい特性がある。
従って、例えば径が0.5μm以下の微粒子だと、物理的にフィルタ繊維に保持された微粒子が気流により繊維表面から剥れ、空気浄化装置出口から放出されてしまう。
本発明が解決しようとする課題は、微粒子が金属繊維表面に吸着すると、すぐに電荷が接地側に流れることを抑制することで、微粒子を静電気力でフィルタ繊維表面に保持し続け、径が0.5μm以下の微粒子であっても捕捉可能な空気浄化装置を提供することを目的とする。
前記目的に沿う第1の発明に係る空気浄化装置は、空気浄化装置の流路中に、高電圧が印加される放電針及び又は放電線を具備し該放電針及び又は放電線から放電して気体中の粒子群に帯電させる放電部と、
該放電部の下流側に設けられ、金属繊維を絡めて綿状に形成されると共に電気的に接地され前記帯電した粒子群を静電気力で捕捉するフィルタ部とを有する空気浄化装置において、前記金属繊維の表面に半導体皮膜を形成したことを特徴としている。
第1の発明に係る空気浄化装置において、前記フィルタ部の金属繊維をアルミニウム又はアルミニウム合金製とすると共に、前記半導体を酸化チタンとして、該酸化チタンを低温高速溶射法によって金属繊維表面に成膜することが好ましい。
第1の発明に係る空気浄化装置において、前記フィルタ部の下流側に、光触媒を溶射した金属繊維を絡めて不織布状に形成さした第2のフィルタ部と、該第2のフィルタ部に光を照射して前記光触媒の酸化還元反応を惹起させる光源部とを設けることが好ましい。
本発明によれば、前記放電部からの放電で帯電した微粒子が、静電気力でフィルタ部の金属繊維表面に捕捉されるが、金属繊維表面に半導体皮膜を形成して微粒子の電荷が接地側に流れることを抑制、微粒子の帯電状態が維持されるので、通常の微粒子は勿論、径が0.5μm以下の微粒子も静電気力で金属繊維表面に強く捕捉され続け、空気浄化装置内の気流によって金属繊維表面から剥れることが無く、径が0.5μm以下の微粒子も確実に捕捉できる高性能の空気浄化装置を得ることができる。
しかも金属繊維を絡めて綿状に形成したフィルタ部を用いているので、空気が通過しやすくて圧損が小さく、微粒子が静電気力で引き寄せられて付着できる金属繊維のトータル表面積を広くでき、大量の空気を浄化できる。
フィルタ部の金属繊維をアルミニウム又はアルミニウム合金製とすると共に、前記半導体を酸化チタンとして、該酸化チタンの粒子を低温高速溶射法によって金属繊維表面に成膜することで、酸化チタン粒子がアルミニウム又はアルミニウム合金製金属繊維にアンカー効果によって食い込み酸化チタンが成膜するので、微粒子や超微粒子がフィルタ部に目詰まりしてこれを除去するために水洗いやエアーブローしても酸化チタン皮膜が剥れることが無く耐久性に優れる。
更に、前記フィルタ部の下流側に、光触媒を溶射した金属繊維を絡めて不織布状に形成した第2のフィルタ部と、該第2のフィルタ部に光を照射して前記光触媒の酸化還元反応を惹起させる光源部とを設けることで、放電部で発生したオゾンと光触媒の相乗効果で臭気成分やウィルスなどを第2のフィルタを通過する間で強力に分解、消臭、殺菌できるうえ、オゾンを光触媒の作用で分解することができ、空気浄化装置から有害なオゾンが空気浄化装置の外部に放出されることを防止できる。
本発明の実施の形態1に係る空気浄化装置の模式図 実施の形態1に係る空気浄化装置の模式図 実施の形態1における第1のフィルタの外観斜視図 同、第1のフィルタの断面図 同、金属繊維の断面図 実施の形態1における第2のフィルタの外観斜視図 同、第2のフィルタの断面図 同、金属繊維の断面図 実施の形態1における微粒子の捕捉状況を示すグラフ
以下、本発明の実施の形態における空気浄化装置について、図面を参照しながら説明する。尚、本発明は以下に説明する実施の形態に限定されるものではない。
(実施の形態1)
本発明空気浄化装置は、図1に示すように気体の入口11と出口12を備えた空気浄化装置10のケーシング13内の入口11側には複数本の放電線14を具備した放電部Aが設けられている。
放電部Aの放電線14は例えば0.3φのステンレス鋼線製で、ケーシング13と絶縁されて数センチメートル間隔で複数本張設され、それぞれの放電線14には5KVから10KVの電圧V1、好ましくは8KVが印加されている。
この電圧V1が5KVより低いと微粒子への帯電が不十分で後述する電極板部Bや第1のフィルタ部Cでの微粒子の捕捉率が低下し、10KVより高くなると放電線14から放電現象が発生してノイズが周辺機器へ影響を及ぼすうえ、大量にオゾンが発生しすぎて何れも好ましくない。
放電部Aの下流側には前記放電部Aの印加電圧V1より数KV低い電圧、この例では5KVの電圧V2が印加された第1のプレート15aと、接地された第2のプレート15bを交互に複数枚設けて、これらのプレート15a、15b間に電界を形成する電極板部Bが設けられる。
第1のプレート15a及び第2のプレート15bは耐蝕性に優れたステンレス板製で、前後方向に50〜100mmの長さで20〜50mm間隔で交互に夫々3〜5枚設けている。
電極板部Bの下流側には、図3、図4に示すように、前後面をパンチングメタル、エキスパンドメタル、金網などの金属製の多孔板16で塞がれた断面コの字形状を呈した枠体17内に、表面に半導体皮膜18aが施された金属繊維18bを絡めて綿状に形成された第1のフィルタ18が収納されており、これら多孔板16、枠体17、第1のフィルタ18などで第1のフィルタ部Cが形成される。
この枠体17は前後方向10〜20mm幅で、例えば耐蝕性に優れたステンレスなどの金属板製で、アース線を介して電気的に接地されており、この枠体17に収納された第1のフィルタ18もこの枠体17に接触されることから電気的に接地される。
多孔板16は例えば耐蝕性に優れたステンレス製で、開孔率は50〜95%のものが好適に用いられる。多孔板16の開孔率が50%より小さくなるにつれ、第1のフィルタ18の露出が小さくなり、単位時間当たりに第1のフィルタ18を通過できる空気の量が少なくなって、微粒子の捕捉率が低下する傾向があり、95%より大きくなるにつれ、多孔板16の構造強度が弱くなり、外力等による破損等が発生し易くなる傾向があり、いずれも好ましくない。
多孔板16の1つの網目の目開き面積は0.5〜50mmのものが好適に用いられる。網目の目開き面積が0.5mmより小さくなるにつれ、目が細かくなって空気が通過し難くなり、多孔板16での目詰まりが発生し易くなる傾向があり、50mmより大きくなるにつれ、網目が粗くなって第1のフィルタ18の金属繊維18bが外部にはみ出る傾向があり、後述するように半導体皮膜を金属繊維18b表面に形成する際や、長期間の使用によって微粒子などが金属繊維18bに付着して目詰まりしたときに第1のフィルタ18を水洗いやエアーブローした際に金属繊維18bが流出してしまう不都合が生じ、いずれも好ましくない。
この第1のフィルタ18は平均直径が30〜200μm、好ましくは10〜100μmのアルミニウム繊維或いはアルミニウム合金繊維を綿状にした金属繊維18bの集合体で、目付け量は1,000〜20,000g/m、好ましくは5,000g/mで、空隙率が30〜80%、好ましくは60%であって、金属繊維18bの平均直径が30μmより細くなるにつれ、金属繊維18bの強度が弱くなり、第1のフィルタ18の耐久性が低下すると共に歩留が低下する傾向があり、200μmより太くなるにつれ、金属繊維18bの強度は強くなるが、空隙率や単位体積当りの表面積が低下して空気が通過し難くなり、いずれも好ましくない。
また、目付量が1,000g/mより少なくなるにつれ、単位体積当りの金属繊維18bの量が少なくなり、空気中の微粒子が捕捉されにくくなる傾向があり、20,000g/mより多くなるにつれ、単位面積当りの金属繊維18bの量が多くなり、空気が通りにくくなるうえ目詰まりが発生し易くなる傾向があり、いずれも好ましくない。
半導体皮膜18aを形成する半導体とは、本発明では電気をよく通す電気伝導体と電気を通さない絶縁体との中間的な電気伝導性を有する物質を指し、1〜100MΩの抵抗値を有する酸化亜鉛、酸化スズ、酸化チタンなどの酸化物半導体や、窒化アルミニウムなどの窒化物半導体などが挙げられる。
そして、金属繊維18b集合体を枠体17内に収納し多孔板16で塞いだ状態で、半導体粒子を混合した水スラリーを300〜1,500℃程度、好ましくは700℃のフレーム温度で800〜2,000m/秒の低温高速溶射を行って、金属繊維18bの表面に厚みが0.5〜10μm、好ましくは数μmの半導体皮膜18aを形成する。
半導体皮膜18aの厚みが0.5μmより薄くなるにつれ、半導体皮膜18aの抵抗値が低くなって帯電している微粒子の電荷が接地側に流れやすくなって微小な微粒子の静電力による保持力がすぐに弱まり、10μmより厚くなるにつれ、半導体皮膜18aの抵抗値が高くなりすぎて金属繊維18bが接地状態にならず、帯電した微粒子が金属繊維18b間を静電気力で引き寄せられずに通過してしまう傾向になるうえ、半導体皮膜18aが脆くなるので、何れも好ましくない。
第1のフィルタ部Cの金属繊維18bをアルミニウム又はアルミニウム合金製とすると共に、半導体の粒子を低温高速溶射法によって金属繊維18bの表面に成膜することで、半導体粒子がアルミニウム又はアルミニウム合金製繊維にアンカー効果によって食い込み成膜するので、半導体皮膜18aが金属繊維18b表面に強固に形成され、微粒子がフィルタ部に目詰まりしてこれを除去するために水洗いやエアーブローしても半導体皮膜18aが金属繊維18b表面から剥れることが無く耐久性に優れ、好ましい。
半導体材料として、溶射の際のフレーム温度で物性の変化が小さい酸化物半導体や窒化物半導体を用いるのが好ましく、酸化物半導体として、放電部Aで発生したオゾンを分解できる酸化チタンを用いるのが好ましい。
第1のフィルタ部Cの下流側には、第1のフィルタ部Cと間隔をあけて、厚板状の第2のフィルタ部Dが設けられている。
第2のフィルタ部Dは図5、図6に示すように、アルミニウム又はアルミニウム合金製で表面に酸化チタン等の光触媒層19aが形成された金属繊維19bを絡めて不織布状に形成された第2のフィルタ19をパンチングメタル、エキスパンドメタル、金網などの金属製網状板20で四隅をスポット溶接21などでサンドイッチ状に挟着固定して形成される。
この第2のフィルタ19は平均直径が30〜200μm、好ましくは10〜100μmのアルミニウム或いはアルミニウム合金の金属繊維19bの集合体で、目付け量が300〜10,000g/m、空隙率が50〜90%の不織布であることが好ましく、金属繊維19bの平均直径が30μmより細くなるにつれ、金属繊維19bの強度が弱く溶射による光触媒層19aの成膜が難しいうえ、第2のフィルタ19の耐久性が低下すると共に歩留が低下する傾向があり、200μmより太くなるにつれ、金属繊維19bの強度は強くなるが、空隙率や単位体積当りの表面積が低下して空気が通過し難くなり、いずれも好ましくない。
又、目付量が300g/mより少なくなるにつれ、単位体積当りの金属繊維19bの量が少なくなり、空気中の微粒子や細菌、ウィルス、悪臭物質等の処理対象物質が通過し易く、処理対象物質の捕捉・分解が難しくなる傾向があり、10000g/mより多くなるにつれ、単位面積当りの金属繊維19bの量が多くなり、目詰まりが発生し易くなる傾向があり、いずれも好ましくない。
網状板20はステンレスなどの耐蝕性に優れた金属製で、その開孔率は50〜90%のものが好適に用いられる。網状板20の開孔率が50%より小さくなるにつれ、第2のフィルタ19の露出が小さくなり、単位時間当たりに第2のフィルタ19を通過できる空気の量が少なくなって、微粒子の捕捉率が低下する傾向があり、90%より大きくなるにつれ、網状板20の構造強度が弱くなり、外力等による破損等が発生し易くなる傾向があり、いずれも好ましくない。
網状板20の1つの網目の目開き面積は0.5〜500mmのものが好適に用いられる。網目の目開き面積が0.5mmより小さくなるにつれ、目が細かくなって空気が通過し難くなり、網状板20での目詰まりが発生し易くなる傾向があり、500mmより大きくなるにつれ、網目が粗くなって金属繊維19bが外部にはみ出る傾向があり、いずれも好ましくない。
また、第2のフィルタ19の金属繊維19bの表面には、光触媒層19aが形成されている。この光触媒層19aは、不織布状に形成された第2のフィルタ19が網状板20でサンドイッチ状に挟着固定された状態で、例えば可視光で光触媒反応を呈するように、水に硫黄原子を結晶格子中にドープしたアナターゼ型二酸化チタン粒子や、鉄、銅、クロム、ニッケルの水酸化物、オキシ水酸化物若しくは酸化物の形態で担持させたルチル型酸化チタン粒子を、或いは紫外光で効率よく光触媒反応を呈するようにアナターゼ型二酸化チタン粒子を、水に混合してスラリー状にし、この水スラリーを、300〜1,500℃程度、好ましくは700℃の低いフレーム温度で800〜2,000m/秒の高速溶射を行うことで、金属繊維19b表面に形成される。
ウィルス、細菌、カビなどの殺菌性能を第2のフィルタ部Dに付与する目的で、銀、銅などの殺菌効果を有する金属や金属酸化物粒子を光触媒粒子と一緒に水スラリーに混合して低温高速溶射するのが好ましい。
第1のフィルタ部Cと第2のフィルタ部Dの間には、第2のフィルタ部Dに可視光や紫外光を照射して第2のフィルタ表面にコーティングされた光触媒を励起し光触媒反応を生じさせる発光管22や発光ダイオードなどの光源部Eが設けられている。
第2のフィルタ部Dの下流側には多翼ファン23などの気流発生部Fが設けられ、多翼ファン23が回転することにより微粒子が空気と共に入口11より空気浄化装置10内部に流入、放電部A、電極板部B、第1のフィルタ部C、第2のフィルタ部Dを通過し、微粒子が捕捉され浄化された空気が出口12より排気される。
以上のように構成された実施の形態1における空気浄化装置は、放電部Aからの放電で微粒子や細菌類がプラスに帯電し、微粒子は静電効果によって電極板部Bの接地された第2のプレート15bに引き寄せられて捕捉されるが、サイズが0.5μm以下の微小な微粒子は帯電している電荷が少なく、大半は第2のプレート15bに引き寄せられることなく第1のプレート15aと第2のプレート15b間を通過し、第1のフィルタ部Cに到達する。
電極板部Bに捕捉されなかった微小な微粒子は、静電効果、拡散効果、さえぎり効果などにより半導体皮膜18aが施された金属繊維18b表面に付着する。そして帯電した微小な微粒子は、半導体皮膜18aの存在で帯電した電荷が接地側に流れることを抑制され長期間帯電した状態を維持するので、静電気力で第1のフィルタ18に捕捉、保持され、気流によって第1のフィルタ18から剥れされることが阻止される。
尚、臭気成分やウィルスなどは、光触媒の酸化還元効果及び放電部Aで発生したオゾンと第2のフィルタの金属繊維19b表面に成膜された光触媒層19aとの相乗効果によって、第2のフィルタ19を通過する間で強力に分解、消臭、殺菌される。
ここで、オゾンと光触媒との相乗効果について説明すると、光触媒に光が照射されれば、光触媒の伝導帯に電子が、価電子帯に正孔が夫々生成される。通常、臭気成分の分解に大きく寄与するのは正孔だが、正孔の多くは臭気成分と反応する前に電子と再結合し、消滅してしまう。
ここで、光触媒の近傍にオゾンがあると、オゾンは光触媒の表面で電子を受容し結合するので、正孔と電子との再結合を抑制することができ、光触媒の活性が高く保たれる。
一方、電子と再結合したオゾンは、その後の一連の反応の中でOHラジカルを生成する。このOHラジカルは強力な酸化作用を持つので、光触媒層19a近傍に浮遊・存在するウィルス、細菌類、カビ、花粉等を強力に分解、殺菌し、臭い成分も分解する。
しかも、第2のフィルタ19の金属繊維19b表面に成膜された光触媒層19aとの一連の反応によってオゾンが分解されるので、空気浄化装置10の出口12からオゾンが排気されることがない。
実施の形態1で示した空気浄化装置を作成し、微粒子の捕捉性能とオゾンの排出量を評価した。
流速を0.5m/秒、放電部Aの印加電圧V1を10KV、電極板部Bの印加電圧V2を5KVの条件で、第1のフィルタ部を接地し、微粒子の粒子径と除去率を測定した。
又、流速を0.5m/秒、放電部A及び電極板部Bに電圧を印加しない条件で、微粒子の粒子径と除去率を測定した。
その結果を図9に示す。
図9により、電圧を印加した場合は0.3μmの粒子径の微粒子を97%、5μmの粒子径の微粒子を99%捕捉できた。
また、電圧を印加しない場合は0.3μmの粒子径の微粒子はほとんど捕捉でず(1%未満)、5μmの粒子径の微粒子は76%捕捉することが判った。
又、空気浄化装置の出口においてオゾンの発生量を確認したところ、計測機の下限値以下で、検出されなかった。
産業状の利用の可能性
以上のごとく本発明の空気浄化装置は、半導体製造ライン、病院、公共施設、厨房設備、一般家庭などにおける空気浄化装置として利用できる。
A:放電部 B:電極板部 C:第1のフィルタ部 D:第2のフィルタ部
E:光源部 F:気流発生部
10:空気浄化装置 11:入口 12:出口 13:ケーシング
14:放電線 15a:第1のプレート 15b:第2のプレート
16:多孔板 17:枠体 18:第1のフィルタ 18a:半導体皮膜
18b:金属繊維 19:第2のフィルタ 19a:光触媒層
19b:金属繊維 20:網状板 21:スポット溶接 22:発光管
23:翼竜ファン

Claims (3)

  1. 空気浄化装置の流路中に、高電圧が印加される放電針及び又は放電線を具備し該放電針及び又は放電線から放電して気体中の粒子群に帯電させる放電部と、該放電部の下流側に設けられ、金属繊維を絡めて綿状に形成されると共に電気的に接地され前記帯電した粒子群を静電気力で捕捉するフィルタ部とを有する空気浄化装置において、前記金属繊維の表面に半導体皮膜を形成したことを特徴とする空気浄化装置。
  2. 前記フィルタ部の金属繊維をアルミニウム又はアルミニウム合金製とすると共に、前記半導体を酸化チタンとし、該酸化チタンを低温高速溶射法によって金属繊維表面に成膜したことを特徴とする請求項1記載の空気浄化装置。
  3. 前記フィルタ部の下流側に、光触媒を溶射した金属繊維を絡めて不織布状に形成さした第2のフィルタ部と、該第2のフィルタ部に光を照射して前記光触媒の酸化還元反応を惹起させる光源部とを設けたことを特徴とする請求項1記載の空気浄化装置。
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