JP2018122199A - エアフィルタおよびそれを用いた空気清浄装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ホルムアルデヒド等の化学物質を効果的に取り除き、長期安定的に効果を持続できるプリーツ化したフィルタろ材とそれを用いた空気清浄装置を提供する。【解決手段】基材層と、粒子を捕集可能な繊維層を有するフィルタろ材であって、前記基材層は吸着剤を含み、前記繊維層を通風方向に対して上流側と下流側を挟むように接着したシート状ろ材とし、前記シート状ろ材がプリーツ化していることを特徴とするフィルタろ材としたことで、長期間安定的にホルムアルデヒドを捕集できる。また、このフィルタろ材を備えた空気清浄装置を提供できる。【選択図】図６

Description

本発明は、空気浄化を目的とした空気浄化装置などに組み込まれるエアフィルタに関する。

ホルムアルデヒドは、住宅内の壁紙や家具等から放出され、低濃度であっても健康障害を起こすため、室内汚染物質として除去することが望まれている。

従来、この種のフィルタろ材は、低い圧力損失と高い脱臭性能および吸着機能の低下の抑制の両立が求められており以下のような構成となっていた。すなわち、図９に示すように、エアフィルタ１０１は、基布層１０２と表層１０３の少なくとも２層の繊維構造体からなる繊維積層体であった。より具体的には、エアフィルタ１０１は、基布層１０２は悪臭や有害ガスを除去するための吸着剤として活性炭を内部に保持した平均繊維径が１０μ以上の繊維からなり、表層１０３は平均繊維径が１０〜１０００ｎｍの繊維からなる繊維積層体であった。このように基布層１０２と表層１０３との平均繊維径を異なるものとすることで、圧力損失を大きくすることなく、空気との接触効率を向上できることが開示されていた。（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００９-１９０２６９号公報

このような従来のフィルタ濾材とそれを用いた空気清浄装置では、低圧力損失のろ材で吸着剤の脱落を抑制することができるが、ろ材への面風速を下げて脱臭性能を向上させようとプリーツ化した際、プリーツ構造による構造変化に伴って吸着剤の除去性能を充分に活用できていなかった。例えば、折り曲がりによる吸着剤の存在濃度が局所的に変化し、吸着剤の消費状態に偏りができるため、部分的に吸着剤の破過が生じてフィルタ濾材としての脱臭性能が低下していた。また、長期にわたって安定的に脱臭性能を維持することが困難であった。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、ホルムアルデヒド等の化学物質を取り除く効果を長期安定的に持続できるフィルタろ材とそれを用いた空気清浄装置を提供することを目的としている。

そして、この目的を達成するために、本発明は、シート状ろ材をプリーツ化しているエアフィルタであって、アミン化合物を含む吸着剤を有した基材層と粒子を捕集可能な繊維層とを備え、前記シート状ろ材は、前記繊維層の通風方向に対して上流側と下流側に前記基材層を接着していることを特徴とするエアフィルタおよびそれを用いた空気清浄装置であり、これにより所期の目的を達成するものである。

本発明によれば、シート状ろ材をプリーツ化しているエアフィルタであって、アミン化合物を含む吸着剤を有した基材層と粒子を捕集可能な繊維層とを備え、前記シート状ろ材は、前記繊維層の通風方向に対して上流側と下流側に前記基材層を接着していることにより、基材層において脱臭で使用する吸着剤の濃度に偏りができにくく、ホルムアルデヒド等の化学物質を取除く効果を長期安定的に持続できるフィルタろ材とそれを用いた空気清浄装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１の空気清浄装置の設置状態を示す斜視図 同空気清浄装置の断面図 同エアフィルタの斜視図 同エアフィルタに使用するフィルタろ材の構成図 同フィルタろ材の概略断面図 同フィルタろ材を拡大した概略断面図 ２層で構成されたエアフィルタの山部を拡大した概略断面図 ３層で構成されたエアフィルタの山部および谷部を拡大した概略断面図 従来の空気清浄装置を示す斜視図

本発明の請求項１に係わるエアフィルタは、シート状ろ材をプリーツ化しているエアフィルタであって、アミン化合物を含む吸着剤を有した基材層と粒子を捕集可能な繊維層とを備え、前記シート状ろ材は、前記繊維層の通風方向に対して上流側と下流側に前記基材層を接着していることを特徴とする。

これにより、基材層において脱臭で使用する吸着剤の濃度に偏りができにくく、ホルムアルデヒド等の化学物質を取除く効果を長期安定的に持続できる。

また、請求項２に係わるエアフィルタは、流速５．３ｃｍ／Ｓｅｃにおいて、前記繊維層の圧力損失は前記基材層の圧力損失に対して１０倍以上であることを特徴とする。

これにより、前記基材層よりも繊維が細い前記繊維層でホルムアルデヒド濃度の拡散効果が得られる。そのため一度上流側の前記基材層で脱臭して生じたホルムアルデヒドの濃度勾配が、前記繊維層で均一になり、その状態で下流側の前記基材層で脱臭できる。したがって、特に下流側の前記基材層において脱臭で使用する前記吸着剤に平面濃度に偏りができにくく、前記吸着剤を均一に使用でき、脱臭性能寿命を延ばすことができる。

また、請求項３に係わるエアフィルタは、アミン化合物を含む吸着剤の粒子径が１０μｍ以下であることを特徴とする。

これにより、エアフィルタの圧力損失増大や粉落ちを防ぎ、かつホルムアルデヒドの脱臭性能を向上させることができる。

また、請求項４に係わるエアフィルタは、基材への前記吸着剤の添着量が１０ｇ／ｍ^２から３０ｇ／ｍ^２であることを特徴とする。

これにより、圧力損失の増大を防ぎつつ、脱臭性能に関与する前記吸着剤の添着量を増やすことができ、脱臭効果を高めることができる。

また、請求項５に係わるエアフィルタは、繊維層を形成する繊維が帯電していることを特徴とする。

これにより、前記繊維層での粒子状物質の捕集性能を向上させつつ、帯電した電荷が抜けにくく、集塵性能の維持が可能となる。

また、請求項６に係わる空気清浄装置は、吸気口と排気口を有する本体ケースと、前記本体ケース内に設けた送風機と、前記送風機の吸込側と前記吸気口の間に設けたエアフィルタとを備え、前記エアフィルタは、請求項１から５いずれか一つに係わるエアフィルタであることを特徴とする。

これにより、室内のホルムアルデヒド等の化学物質を取除く効果を長期安定的に持続できる空気清浄装置を提供することができる。

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）
通常建屋内においてホルムアルデヒドは、壁紙４あるいは家具５などから発生し、空気よりも比重が重いため、室内２で床３付近に濃度が高い状態で存在している。

本実施の形態１に示す空気清浄装置１は、図１に示すように、室内２の床３の上に設置され、空気清浄運転を行うものである。

図２に示すように、空気清浄装置１は、本体ケース６内に送風手段７とエアフィルタ８とを備えている。本体ケース６は、略縦長箱形状で、この本体ケース６の前面には、縁部において中央部のパネルを包囲する略四角形状の吸気口９を設け、本体ケース６の天面部には、略四角形状の排気口１０を備えている。

送風手段７は、本体ケース６の吸気口９と、排気口１０との間の風路に設けられ、スクロール形状のケーシング１１と、このケーシング１１内に設けられた遠心送風ファンである羽根１２と、この羽根１２を回転させる電動機１３とから形成している。

エアフィルタ８は、本体ケース６の吸気口９の内側に位置している。送風手段７によって、吸気口９から本体ケース６内に吸気されたホルムアルデヒドを含む室内の空気は、エアフィルタ８を介して排気口１０へと送風するものである。つまり、室内のホルムアルデヒドを含む空気をエアフィルタ８で清浄して、室内へ送風されるものである。

エアフィルタ８は、通風時の面風速を下げて集塵性能と脱臭性能を向上させるためと耐久性を向上させるためにプリーツ化して使用するシート状ろ材１８面積を広くした方が良い。そこで、エアフィルタ８は、図３、図４に示すように、プリーツ形状のフィルタろ材１４と、このフィルタろ材１４をプリーツ形状に保持すべくフィルタろ材１４の外周に設けた枠形状の形状保持部１５とから形成している。形状保持部１５は、ロの字形状の枠部１６と、この枠部１６とフィルタろ材１４との間に設けた接着部材１７とから構成している。つまり、枠部１６は、フィルタろ材１４の周縁に位置し、接着部材１７によって、フィルタろ材１４およびフィルタろ材１４のプリーツ形状を枠部１６に固定している。

プリーツ化の方法については、特に限定は無いが、シート状ろ材１８を折り曲げ機（図示せず）によって、山折りと谷折りとを交互に折っていくことでプリーツ形状に成形すれば良い。基材層２０側から見た場合に、凸になる部分を山部２４とし、凹になる部分を谷部２５とすると、山部２４と谷部２５が交互になって蛇腹形状に折りたたまれる。そして最後に、プリーツ形状に成形したフィルタろ材１４を接着部材１７によって、枠部１６に固定するものである。

接着部材１７には、例えば、ホットメルト樹脂や各種の接着剤によって、プリーツの頂点のみをつなぎとめるなどの方法を用いれば、フィルタろ材１４の表面積を確保しつつ、形状を固定することができる。プリーツ化に際してピッチ２３の設定は、使用するフィルタろ材１４の面積に大きく影響し、ピッチ２３を多くしてフィルタろ材１４面積を大きくすることで通過面風速を下げ、脱臭性能の向上ができる。また吸着剤２１の存在量も増えるので脱臭できる寿命も伸ばすことができる。一例として、エアフィルタ８の厚み５０ｍｍに対してピッチ２３間隔を３ｍｍから５ｍｍ（１０〜１５倍程度）とすると、ピッチ２３の数とエアフィルタ８の高さ寸法の積に近いシート状ろ材１８面積を使用することができる。

プリーツ加工する前のシート状フィルタろ材１４は、図５、図６に示すように、粒子状物質を捕集する繊維層１９と、アミン化合物を含む吸着剤２１を添着した基材層２０を備えている。

吸着剤２１を添着した基材層２０は繊維層１９の通風方向に対して上流側と下流側に接着剤２２などで貼りあわせて接着している。この接着方法は特に制限は無く、例えば、一度、繊維層１９と基材層２０を２層で貼り合わせた後に、繊維層１９面にさらに基材層２０を貼り合わせることで製造可能である。また、繊維層１９に接着剤２２を塗布した基材層２０を同時に張り合わせても良い。基材層２０の表面に比べて基材層２０と繊維層１９の接着界面では接着剤２２（以下に示す）の作用によって、吸着剤２１の移動は起こりにくくなる。反対に基材層２０と繊維層１９とが接着されていない界面では、外力の影響などで吸着剤２１の移動が生じる。

接着剤２２の種類や方法については、特に限定されないが、ホットメルトやパウダーなどの樹脂接着剤や熱溶融性の樹脂繊維による接着方法が挙げられる。例えば、ホットメルトやパウダーなどの樹脂接着剤などを用いた場合は、基材層２０に熱溶融した接着剤２２を塗布し、固まる前に繊維層１９を貼り合わせて乾燥させることでシート状ろ材１８を作製する。溶融した接着剤２２での接着が好ましく、パウダー状よりも表面上の塗布濃度を薄く均一にでき、繊維層１９と基材層２０の剥がれを防止できることに加えて、接着剤２２の塗布時に基材層２０に浸み込む接着剤２２を薄くできるので吸着剤２１の成分を接着剤２２が包括して、脱臭性能を低下させることを抑制できる。

繊維層１９と基材層２０は、シート状フィルタろ材１４として張り合わせる前の状態において圧力損失を以下のようにしている。すなわち、流速５．３ｃｍ／ｓにおいて、繊維層１９の圧力損失が基材層２０の圧力損失に対して１０倍以上としている。これによりホルムアルデヒド濃度拡散効果と乱流効果を充分に得られる。一例を挙げると、流速５．３ｃｍ/ｓで空気を流したときの圧力損失は、繊維層１９が４０Ｐａ、基材層２０が３Ｐａ程度とすることが良い。

繊維層１９には、一般的な樹脂材料、天然繊維材料を用いることができる。例えば、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリフェニルエーテル（ＰＰＥ）、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルスルフォン（ＰＥＳ）、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸メチル、ポリフッ化ビニリデン（ＦＶＤＦ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリスチレン、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、アラミド、ポリイミドベンザゾール、ポリグリコール酸（ＰＧＡ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリウレタン（ＰＵ）、セルロース化合物、ポリペプチド、ナイロンなど、あるいはこれらの混合物といったものが挙げられる。

繊維層１９を構成する繊維の平均繊維径は、原理的に低圧損化が可能となるため、より細いほど好ましい。一般的に好ましくは１００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下の繊維で構成することが好ましい。繊維径が３０００ｎｍより太くなると、繊維層１９の空孔を形成する際に樹脂繊維体積が占める割合が大きくなり、空気抵抗が増加する（圧力損失の上昇を招く）ため好ましくない。繊維径が１００ｎｍより細いと、繊維破損や毛羽立ちが起こりやすいため好ましくない。

基材層２０は、ガラス繊維、パルプ繊維、樹脂繊維、炭素繊維および無機繊維の少なくとも１つを含む繊維によって形成されている。基材層２０の製法としては、スパンボンド法、乾式または湿式抄紙法、メルトブローン法、スパンボンド法、エアレイド法、サーマルボンド法などが挙げられる。

基材層２０の目付量は、５０〜１００ｇ／ｍ^２であることが好ましい。目付量が５０ｇ／ｍ２未満であると、基材層２０の剛軟度が低下することにより、プリーツ加工の生産性の低下やフィルタ形状の維持が困難になる。１００ｇ／ｍ^２を越えると、基材層２０の圧力損失が大きくなるため、エアフィルタ８の圧力損失が大きくなり好ましくない。

基材層２０を構成する繊維の平均繊維径は、１〜５０μｍであることが好ましい。平均繊維径が１μｍ未満であると、繊維の強度が低く、補強材としての強度が不十分となる。また、繊維径が細くなると吸着剤２１の添着が繊維上よりも繊維間の空隙に多く存在するようになり、圧力損失が高くなる、吸着剤の添着量が少なくなる、吸着剤が脱離しやすくなるといった問題が生じる。一方で５０μｍを越えると、基材層２０の厚みが厚くなり、プリーツ加工による構造的な圧力損失が大きくなるので、好ましくない。

基材層２０に含有させた吸着剤２１は、少なくとも成分の一部にアミン系化合物を含んだものである。アミン化合物とホルムアルデヒドは、次のような不可逆な化学反応を生じることが知られている。

例えば、
Ｒ−ΝＨ_２＋ＨＣＨＯ
→Ｒ−Ｎ＝ＣＨ_２＋Ｈ_２Ｏ（ｓｈｉｆｆ塩基）
２Ｈ_２ＮＣＯＮＨ_２（尿素）＋ＨＣＨＯ
→ＮＮ_２ＣＯＮＨＣＨ_２ＮＨＣＯＮＨ_２（ジメチロール尿素）
ＮＨ_２−ＮＨ_２（ヒドラジン）＋２ＨＣΗＯ
→ＣΗ_２＝Ｎ−Ｎ＝ＣΗ_２
などのように反応する。

これらの反応は、アルデヒド基をもつガス成分では同様に起こるため、ホルムアルデヒド以外に、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒドなどのアルデヒド類化合物とも反応性を持つ。一般的に、アルデヒド類は不快な臭気物質であり、本発明のフィルタろ材は、アルデヒド類を対象とした脱臭の用途に適用可能である。上記の反応は化学反応を伴うため化学吸着と呼ばれ、活性炭などの物理吸着とは区別される。化学吸着の場合、吸着したアルデヒド類が再放出されることがないため、安定的にアルデヒド類の除去を行える利点がある。

前記アミン系化合物を含有する吸着剤２１を、基材層２０に含ませる手段としては、基材層２０の繊維紡糸時や基材繊維への樹脂等のコーティング時に吸着剤２１を紡糸液やコーティング液に含有させておく方法や、吸着剤２１を溶液に溶解・分散させ、少量の界面活性剤およびバインダーを加えた後、この液体に基材層２０を浸漬する方法、液液をスプレーする方法、溶体を刷毛やローラーで塗布する方法等が挙げられる。基材層２０の繊維形成後に吸着剤２１を含浸または塗布させる手法を用いることで、吸着剤２１は繊維表面全体に広範囲にわたって多量に含有される状態となる。このため、吸着剤２１を基材層２０の広範囲に存在させることでき、かつ繊維内部に吸着剤２１が取り込まれて吸着作用を阻害することを防ぎ、ホルムアルデヒドを取り除く効果を向上させる。

吸着剤２１の粒子径は１０μｍ以下であることが重要である。

なぜなら、粒子径が１０μｍ以下にすることで表面積が大きくなりホルムアルデヒドとの接触確率を上げ反応性を向上させることができる、また粒子径が１０μｍを超えると繊維表面に付着しづらくなり粉落ちの原因となることで脱臭性能が低下してしまうことを防ぐ。さらに、粒子径が１０μｍを超えると基材層２０を形成する繊維径での平面状の空隙を埋め、さらにプリーツ化した際の剛性が上がってしまうため、エアフィルタ８の圧力損失も招くからである。

基材層２０への吸着剤２１の添着量は、１０ｇ／ｍ^２から３０ｇ／ｍ^２である（１０ｇ／ｍ^２と３０ｇ／ｍ^２は範囲に含まれる）。

なぜなら、添着量が１０ｇ／ｍ^２よりも少ないと脱臭性能が低くなり、３０ｇ／ｍ^２よりも多くなると粉落ちによる性能低下や基材層２０の空隙を埋めることによる圧力損失増大を招くためである。

上記構成によれば、空気清浄装置１を動作させると、送風手段７により吸気口９から排気口１０に通風され、室内２の粒子状物質やホルムアルデヒドなどのニオイ成分が送風手段７手前にあるエアフィルタ８を通過する。エアフィルタ８は、粒子状物質を主に捕集する繊維層１９と吸着剤２１成分を含んだ基材層２０プリーツ化された構成をしているので、通風時の面風速が下がることで粒子状物質やホルムアルデヒドの捕集性能が向上する。

本実施の形態のエアフィルタ８は、シート状ろ材１８を作製する際に、繊維層１９の両面に基材層２０を貼り合わせ、３層としてプリーツ化しエアフィルタ８を作製することで以下効果を有する。

まず、上流側の基材層から見た山部２６において吸着剤２１が移動し、存在量が低下する（図７：２層で構成されたエアフィルタの山部を拡大した概略断面図）が、下流側の基材層から見た谷部２７では押し込み力２９が働き吸着剤２１が寄り集まり、濃度が高くなる（図８：３層で構成されたエアフィルタの山部および谷部を拡大した概略断面図）。

そのためエアフィルタ８の厚さ方向で見た場合には吸着剤２１の量を担保することができ、エアフィルタ８全体で脱臭性能および寿命を向上させることができる。

次に、２層の基材層２０の間に繊維層１９が介在しているため、基材層２０よりも繊維が細い繊維層１９でホルムアルデヒド濃度の拡散効果が得られる。すなわち、繊維層１９は細い繊維で形成されているので隙間も小さく通過する空気は繊維層１９内で拡散を起こしやすい。上流側の基材層２０を通過した空気は脱臭が行なわれているがホルムアルデヒドの濃度に局所的な濃淡が発生する。そこで繊維層１９を通過させることによる拡散作用によりホルムアルデヒドの濃度を均一することができる。その結果、さらに下流側の基材層２０で再び脱臭できる。したがって、特に下流側の基材層２０において脱臭で使用する吸着剤２１に平面濃度に偏りができにくく、吸着剤２１を均一に使用でき、脱臭性能寿命を延ばすことができる。

最後に、エアフィルタ８をホルムアルデヒドが通過する際、繊維層１９と基材層２０で通過速度が異なり、特に界面において速度差が生じて乱流が発生する。したがって、基材層２０内部での乱流により吸着剤２１とホルムアルデヒドの衝突確率が向上し、反応性が向上する。以上の効果を併用することでプリーツ化したエアフィルタ８のホルムアルデヒド脱臭性能を向上させることが可能となる。

なお、繊維層１９を形成する繊維を帯電させることで、粒子物質を捕集・集塵する繊維層１９は、より性能を向上させるために帯電することができる。帯電手法に制限は無いが、繊維の紡糸後にエレクトレット処理を行う手法、溶液に繊維層１９を含浸させ揮発させる際に帯電を行う手法、繊維の紡糸時に帯電させる静電紡糸法などがある。上記手法で帯電した繊維層１９が基材層２０に挟まれていることで、繊維層１９が大気に暴露されることが無くなり、帯電した電荷が抜けることが抑制でき、集塵効率の維持が可能となる。

本発明にかかるフィルタろ材とそれを用いた空気清浄装置は、基材層と、粒子を捕集可能な繊維層とを有するフィルタろ材において、前記基材層はアミン化合物を含む吸着剤を有し、前記繊維層を通風方向に対して上流側と下流側を挟むように接着したシート状ろ材とし、前記シート状ろ材がプリーツ化したものであることにより、ホルムアルデヒド等の化学物質を効果的に除去し長期安定的に持続できるものであり、同様の機能が必要な換気装置等にも適用することができる。

１ 空気清浄装置
２ 室内
３ 床
４ 壁紙
５ 家具
６ 本体ケース
７ 送風手段
８ エアフィルタ
９ 吸気口
１０ 排気口
１１ ケーシング
１２ 羽根
１３ 電動機
１４ フィルタろ材
１５ 形状保持部
１６ 枠部
１７ 接着部材
１８ シート状ろ材
１９ 繊維層
２０ 基材層
２１ 吸着剤
２２ 接着剤
２３ ピッチ
２４ 山部
２５ 谷部
２６ 上流側の基材層から見た山部
２７ 下流側の基材層から見た谷部
２９ 押し込み力
１０１ エアフィルタ
１０２ 基布層
１０３ 表層

Claims (6)

1. シート状ろ材をプリーツ化しているエアフィルタであって、
   アミン化合物を含む吸着剤を有した基材層と粒子を捕集可能な繊維層とを備え、
   前記シート状ろ材は、前記繊維層の通風方向に対して上流側と下流側に前記基材層を接着していることを特徴とするエアフィルタ。
2. 流速５．３ｃｍ／Ｓｅｃにおいて、前記繊維層の圧力損失は前記基材層の圧力損失に対して１０倍以上であることを特徴とした請求項１に記載のエアフィルタ。
3. 前記アミン化合物を含む吸着剤の粒子径が１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のエアフィルタ。
4. 前記基材への前記吸着剤の添着量が１０ｇ／ｍ^２から３０ｇ／ｍ^２であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のエアフィルタ。
5. 前記繊維層を形成する繊維が帯電していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載のエアフィルタ。
6. 吸気口と排気口を有する本体ケースと、前記本体ケース内に設けた送風機と、前記送風機の吸込側と前記吸気口の間に設けたエアフィルタとを備え、前記エアフィルタは、請求項１から５いずれか一つに記載のエアフィルタであることを特徴とする空気清浄装置。