JP2018185074A - 空気清浄装置、及び空気清浄方法 - Google Patents

Abstract

【課題】オゾンを分解する必要がなく、人体への悪影響を抑制できる空気清浄装置を提供する。【解決手段】空気清浄装置は、複数の繊維を有する繊維体からなり、空気中の微粒子を捕集する濾材と、紫外線を照射して空気中にオゾンを発生させるオゾン生成装置と、を備える。前記繊維は撥水性を有している。前記オゾン生成装置は、前記濾材を通過した空気のオゾン濃度が０．１ｐｐｍ以下となる照射量で紫外線の照射を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、空気中の微粒子を捕集する空気清浄装置及び空気清浄方法に関する。

空気中に浮遊する塵埃等の微粒子を捕集し、清浄化された空気を生成する空気清浄装置は、一般に、複数の繊維を有する繊維体からなる濾材を備えている。微粒子の中には、カビ、細菌等の微生物が含まれている場合がある。このため、微生物を捕集した繊維の表面に水分が付着していると、捕集された微生物が濾材内で、増殖する、あるいは、胞子を放出するおそれがある。このような微生物の活動が継続されると、増殖した微生物や胞子が繊維から離脱して下流側に流れる、あるいは、臭いが付くなどして、空気が汚染されるという問題がある。

従来、濾材に捕集された微生物の殺菌を行うために、繊維の表面に薬剤を担持させた濾材が用いられる場合がある。薬剤には、例えば、銀等の金属元素のイオンや酵素などの成分が含まれおり、繊維に付いたカビ、細菌等が、周りの水分とともにこれらの成分と接触することで、分解反応が起き、殺菌される。しかし、繊維に堆積した塵埃等の量が多くなると、微生物と薬剤の成分との接触が遮られて分解反応が起き難くなり、殺菌され難くなる。また、薬剤が濾材の下流側に飛散し、繊維に担持された薬剤の量が減少することで、十分な殺菌効果が得られなくなる場合がある。

また、従来、濾材の上流側でオゾンを発生させ、濾材の繊維に付いた微生物の殺菌を行うことが知られている（特許文献１）。特許文献１の装置では、紫外線ランプを用いてオゾンを生成し、生成したオゾンが、繊維に付いた微生物に作用し、酸化反応を起こすことで、分解、殺菌される。このようにオゾンを用いた殺菌方法によれば、塵埃等の堆積量が多く、繊維の表面に微生物が接触していない場合にも効果が得られる。

特開平６−１３４０２７号公報

空気中のオゾン濃度が高くなると、呼吸器への刺激など、人体に対する影響が現れることが知られている。このため、屋内や作業現場などの環境ごとにオゾン濃度の基準値が設定されており、オゾン濃度がこれらの基準値を下回るよう維持することが求められている。しかし、空気清浄装置内で発生したオゾンは、高濃度のまま濾材を通過して、外部に排出される場合がある。このため、排出されたオゾンが室内に蓄積され、上記基準値を超える場合がある。
従来、オゾン濃度が基準値を超えることを抑えるために、空気清浄装置内に、オゾン分解作用を有する触媒を配置し、濾材を通過したオゾンの濃度を下げた後、外部への排出を行う場合がある。しかし、このようなオゾン分解のための手段は、オゾン分解作用を継続して発揮させるために、メンテナンスあるいは交換を行う必要があり、手間あるいはコストがかかる。
また、濾材や、濾材の周辺部材は、紫外線に長時間曝されることで劣化する場合があり、劣化した濾材等が発塵して、下流側に異物を放出することで空気が汚染される場合がある。

本発明は、オゾンを分解する必要がなく、人体への悪影響を抑制できる空気清浄装置及び空気清浄方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、空気清浄装置であって、
複数の繊維を有する繊維体からなり、空気中の微粒子を捕集する濾材と、
紫外線を照射して空気中にオゾンを発生させるオゾン生成装置と、を備え、
前記繊維は撥水性を有し、
前記オゾン生成装置は、前記濾材を通過した空気のオゾン濃度が０．１ｐｐｍ以下となる照射量で紫外線の照射を行う、ことを特徴とする。

前記照射量は、前記濾材が曝されるオゾンの濃度と、前記濾材がオゾンに曝される時間との積で計算される値が目標値となるよう調整されることが好ましい。

前記繊維は、２５℃での表面張力が２５ｍＮ／ｍ以上である、水を含んだ液体に対して撥水性を有していることが好ましい。

前記繊維の比表面積が１．０ｍ²／ｇ以上であることが好ましい。

本発明の別の一態様は、空気清浄方法であって、
複数の繊維を有する繊維体からなる濾材を用いて空気中の微粒子を捕集するステップと、
紫外線を照射して前記空気中にオゾンを発生させるステップと、を備え、
前記繊維は撥水性を有し、
前記オゾンを発生させるステップでは、前記濾材を通過した空気のオゾン濃度が０．１ｐｐｍ以下となる照射量で紫外線の照射を行う、ことを特徴とする。

本発明によれば、オゾンを分解する必要がなく、人体への悪影響を抑制できる。

本実施形態の一例による空気清浄装置の内部構成を模式的に示す斜視図である。 変形例による空気清浄装置の内部構成を模式的に示す断面である。 （ａ）は、濾材の繊維に捕集されたカビを示す顕微鏡写真であり、（ｂ）は、本実施形態の空気清浄装置を用いて紫外線照射を行った後におけるカビを示す顕微鏡写真である。

以下、本実施形態の空気清浄装置及び空気清浄方法ついて説明する。

図１は、本実施形態の一例による空気清浄装置１の内部構成を模式的に示す斜視図である。
空気清浄装置１は、濾材１０と、オゾン生成装置１２と、を備えている。

濾材１０は、複数の繊維を有する繊維体からなり、空気中の微粒子を捕集する。
濾材１０の繊維は撥水性を有している。このため、繊維の表面に水分が保持され難く、繊維に付いた微生物は、増殖、あるいは、胞子の放出を行うことが困難な環境下に置かれる。このように、繊維に付いた微生物の増殖等が抑制されていることで、オゾン生成装置１２によって生成されるオゾンの濃度が低くても、繊維に付いた微生物を効果的に殺菌し、菌数を減少させることができる。なお、微生物としては、ウィルス、細菌、カビ等の真菌が挙げられる。真菌には、菌糸、胞子が含まれる。これに対し、繊維の表面が親水性を有している場合は、繊維の表面に水分が保持されやすく、繊維に付いた微生物は増殖等の活動を継続できる環境下に置かれ、菌数が増加しやすい。このため、表面が親水性を有する繊維に付いた微生物を殺菌し、菌数を減少させるためには、高濃度のオゾンを発生させる必要がある。

濾材１０の繊維としては、撥水性を有しているものであれば、特に制限されることなく用いられるが、例えば、有機繊維を用いることができる。有機繊維としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等のポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ナイロン等のポリアミド、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）等のアクリル系、ポリウレタン等のウレタン系、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等の合成繊維が挙げられる。
また、濾材１０の繊維として、有機繊維のほか、撥水性を有するガラス繊維を挙げることができる。撥水性を有するガラス繊維として、具体的に、ガラス繊維に公知の方法で撥水処理を施したもの、ガラス繊維同士を接着するバインダをガラス繊維に付着させたもの、ガラス繊維を合成樹脂でコーティングしたもの、空気中の油分が表面に付着することで、ガラス繊維の表面が撥水性を有するに至ったもの等が挙げられる。
また、繊維を構成する材料は、その表面に水分子を含むものであっても、上述した撥水性を有するガラス繊維と同様に、周りの空気との接触が断たれたものであれば、繊維１０の材料として用いることができる。

本明細書において、濾材１０の繊維は、２５℃での表面張力が２５ｍＮ／ｍ以上である、水を含んだ液体、に対して撥水性を有していることが好ましい。繊維がこのような撥水性を有していることで、繊維に付いた微生物の増殖等が効果的に抑制される。水を含んだ液体とは、３Ｍ撥水試験（3M Water Repellency Test）ＩＩで用いられる、水とイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）との混合液をいう。この試験では、特表２００８−５４２５６７号に記載されるように、水とイソプロピルアルコールの混合比を異ならせて、表面張力の異なる１０種の液体が用いられる。これらの液体を、２５℃の条件下で、試験対象である固体（例えば濾材）表面にそれぞれ滴下して、その形態を観察し、固体表面で球状を維持する液体があった場合、その液体に対して撥水性を有すると判断される。したがって、上記した、２５ｍＮ／ｍ以上である、水を含んだ液体に対して撥水性を有しているとは、２５℃での表面張力が２５ｍＮ／ｍ以上である液体に対する接触角が９０°（好ましくは１２０°）以上であると言い換えることができる。繊維に付いた微生物の増殖等を抑制する観点から、好ましくは、濾材１０の繊維は、２５℃での表面張力が３０ｍＮ／ｍ以上である、水を含んだ液体に対して撥水性を有している。

濾材１０の繊維は、繊維に付いた微生物を露出させ、オゾンとの接触面積を大きくする観点から、平均繊維径が小さいものであることが好ましい。具体的に、濾材１０の繊維の平均繊維径は、１μｍ未満であることが好ましい。平均繊維径が１μｍ未満である繊維（ナノファイバー）の好ましい材質としては、ポリテトラフルオロエチレンを挙げることができるが、これに制限されず、上述した有機繊維の材質を挙げることができる。なお、このような細い繊維は、紫外線の照射量が大きいと劣化する場合があるが、本実施形態では、オゾン生成装置１２によって生成されるオゾンの濃度が低く、紫外線の照射量が少なくて済むため、繊維が劣化し、切れた表面などから発塵することが抑制される。濾材１０の繊維の平均繊維径は、５００ｎｍ以下であることがより好ましい。平均繊維径の下限値は、特に制限されないが、例えば１０ｎｍである。

濾材１０の繊維は、繊維に付いた微生物を露出させ、オゾンとの接触面積を大きくする観点から、比表面積が大きいものであることが好ましい。具体的に、濾材１０の繊維の比表面積は、好ましくは１．０ｍ²／ｇ以上、より好ましくは２．０ｍ²／ｇ以上である。繊維の比表面積は、比表面積（ＢＥＴ比表面積）の測定装置を用いて測定することができ、また、濾材１０の繊維の密度と平均繊維径を用いて計算することができる。繊維の比表面積の上限値は、特に制限されないが、例えば２０ｍ²／ｇである。

濾材１０を構成する繊維体は、例えば、不織布、ペーパ、マット、あるいはフェルトの形態を有している。繊維体の具体例としては、ガラス繊維からなるガラス不織布、有機繊維からなる、スパンボンド不織布、メルトブローン不織布、サーマルボンド不織布、ケミカルボンド不織布等が挙げられる。ガラス不織布としては、例えば湿式抄紙法により作製されたものが挙げられる。
濾材１０は、種類の異なる不織布等を重ね合わせたものであってもよい。また、繊維体は、プリーツ加工され、山折りと谷折りが交互に繰り返されたジグザグ形状を有するものであってもよい。

濾材１０は、空気清浄装置１内で、例えば、濾材１０の外周部を取り囲む枠体（図示せず）によって保持されていてもよい。枠体で保持された濾材１０（以降、エアフィルタともいう。図１において符号１１で示す）は、中性能フィルタあるいはＨＥＰＡ（High Efficiency Particulate Air）フィルタの性能を有している。中性能フィルタは、主として粒径が５μｍより小さい粒子に対して中程度の粒子捕集率をもつエアフィルタであって、光散乱光量積算方式（比色法）で５０〜９５％の捕集効率、あるいは計数法（粒径０．７μｍ）で５０〜９５％の捕集効率を有するエアフィルである。ＨＥＰＡフィルタは、定格風量で粒径０．３μｍの粒子に対して９９．９７％以上の捕集効率を有し、かつ初期の圧力損失が２４５Ｐａ以下であるフィルタである。

オゾン生成装置１２は、紫外線を照射して、濾材１０を通過する空気中にオゾンを発生させる。これにより、濾材１０に捕集された微生物を酸化、分解させることができる。オゾン生成装置１２には、例えば、１８５ｎｍ、２５４ｎｍの波長の紫外線を主に照射する低圧水銀ランプや、３１５〜４００ｎｍの波長の紫外線を照射するＵＶ−Ａランプが用いられる。

オゾン生成装置１２は、濾材１０を通過した空気のオゾン濃度が０．１ｐｐｍ以下となる照射量で紫外線の照射を行う。これにより、空気清浄装置１が設置された室内等における人体への悪影響を抑制することができる。本実施形態では、濾材１０の繊維が撥水性を有しており、繊維に付いた微生物の増殖等が抑制されるため、紫外線の照射量を、濾材の繊維が撥水性を有しない場合と比べ、紫外線の照射量を少なくすることができ、上記範囲の低いオゾン濃度にすることができる。また、オゾン生成装置１２によって生成したオゾンは低濃度であるため、濾材１０を通過した空気中に残存するオゾンを触媒等を用いて分解する必要性がない。このため、オゾン分解のための手段のメンテナンスあるいは交換を行う必要がなく、手間あるいはコストを低減できる。また、オゾン生成装置１２によって生成したオゾンは低濃度であるため、濾材１０や、シール剤、ガスケット等の濾材１０の周辺部材の劣化を抑制し、さらに劣化した部材からの発塵を抑制することができる。

上記範囲のオゾン濃度は、日本産業衛生学会等において定めたオゾン濃度であり、この範囲のオゾン濃度であれば、人体に及ぼされる影響が少ないとされている。濾材１０を通過した空気のオゾン濃度は、オゾン濃度計を用いて空気清浄装置１の外側において測定され、例えば、後述する排出口２０ａの近傍（例えば排出口２０ａとの距離が５０ｃｍ以内の位置）で測定される。濾材１０を通過した空気のオゾン濃度は、０．０８ｐｐｍ以下であることが好ましく、０．０５ｐｐｍ以下であることがより好ましい。なお、濾材１０を通過する前の空気のオゾン濃度は、上記範囲を超えていてもよい。
オゾン生成装置１２は、空気清浄装置１が設置された室内のオゾン濃度が０．１ｐｐｍ以下、好ましくは０．０８ｐｐｍ以下、より好ましくは０．０５ｐｐｍ以下となる照射量で紫外線の照射を行うことが好ましい。室内のオゾン濃度は、例えば、オゾン生成装置１２を所定時間（例えば７〜８時間）稼働させた時点で測定される。

オゾン生成装置１２は、具体的に、紫外線の照射時間、強度、照射されるタイミングを調整することで、紫外線の照射量を調整する。紫外線の照射量の調整は、濾材１０が曝されるオゾンの濃度（オゾン濃度）と、濾材１０がオゾンに曝される時間（暴露時間）との積で計算される暴露強度が、目標とする大きさとなるよう、オゾン濃度及び暴露時間を調整することで行うことができる。例えば、濃度０．０５ｐｐｍのオゾンに４０時間、濾材１０を曝したときの暴露強度は、０．１ｐｐｍ×２０時間＝２と計算される。この値を、目標とする暴露強度の大きさとして、オゾン濃度及び暴露時間を調節することができ、例えば、オゾン濃度を０．０５ｐｐｍにした場合、暴露時間を４０時間とすることで、濃度０．１ｐｐｍ、暴露時間２０時間の場合と同様の、微生物の殺菌効果が得られる。暴露強度の目標値は、捕集される微生物の種類や量に応じて定めることができ、過去に同様の環境下でオゾンを発生させて微生物の殺菌を行ったときのオゾン濃度と時間の積を目標値に定めることができる。
紫外線の照射量は、空気清浄装置１の操作パネルやリモコンを用いて利用者が指定した、もしくは、空気清浄装置１の製造時に予め定められた、照射時間や、紫外線の強度、照射するタイミングによってランプを照射するよう、空気清浄装置１の制御装置によって調整される。

オゾン生成装置１２は、空気清浄装置１の稼働中、常時、紫外線を照射してもよく、所定のタイミング（例えば利用者が指定したタイミング）で紫外線を照射してもよい。

オゾン生成装置１２は、図１に示すように、濾材１０の上流側に配置されていてもよく、濾材１０の下流側に配置されていてもよい。

空気清浄装置１は、さらに、プレフィルタ１４と、光触媒装置１６と、ファン１８と、筐体２０と、を備えていることが好ましい。
プレフィルタ１４は、濾材１０よりも粒子サイズの大きい粒子を捕集するためのフィルタである。プレフィルタ１４は、図１に示す例において、オゾン生成装置１２の上流側に配置されている。
光触媒装置１６は、例えば、光触媒を担持させたセラミックス材料からなる装置であり、空気中の微粒子を捕集し、空気中の臭いの成分や、ホルマリン等の有機化合物を酸化、分解する。光触媒としては、例えば酸化チタンが用いられる。光触媒装置１６は、図１に示す例において、プレフィルタ１４の下流側で、濾材１０の上流側に配置されている。
ファン１８は、図示されない吸込口から、筐体２０内に外気を取り込み、プレフィルタ１４、光触媒装置１６、濾材１０を通過させ、排出口２０ａから、清浄化された空気が排出される空気の流れを形成する。ファン１８には、例えば、クロスフローファンが用いられるが、これに限定されない。
筐体２０には、吸込口、及び排出口２０ａが設けられるとともに、筐体２０内に図示されない通気路が設けられ、通気路の途中に、プレフィルタ１４、光触媒装置１６、濾材１０が、この順に配置されている。
空気清浄装置１の通気路上に配置される各部材は、紫外線による劣化が起きにくく、発塵しにくい材料で構成されることが好ましい。

本実施形態の空気清浄装置１は、例えば、病院、介護施設、研究施設、喫煙室、食品工場など、空気中に浮遊する微生物や臭いの除去が求められる種々の環境で用いることができる。また、本実施形態の空気清浄装置１は、このような環境に制限されず、各家庭で用いることもできる。

（変形例）
次に、図２を参照して、変形例による空気清浄装置を説明する。
図２は、変形例による空気清浄装置の内部構成を模式的に示す断面である。
変形例では、上記説明した空気清浄装置１の筐体２０に代えて、ダクト３０が用いられている。ダクト３０は、上流側に設けられた吸込口３０ａと、下流側に設けられた排出口３０ｂと、を有している。変形例による空気清浄装置は、図２に示す例では、上流側から順に、プレフィルタ１４、オゾン生成装置１２、濾材１０を備えるエアフィルタ１１、が配置されている。変形例による空気清浄装置は、ファン１８を備えており、吸込口３０ａから取り入れた空気を、プレフィルタ１４、濾材１０を順に通過させ、清浄化された空気を排出口３０ｂから外部に排出する。
変形例による空気清浄装置は、ビル、工場などの建物内に設置された空調システムの一部を構成する。

（空気清浄方法）
本実施形態の空気清浄方法は、微粒子を捕集するステップと、オゾンを発生させるステップと、を備える。
微粒子を捕集するステップでは、複数の繊維を有する繊維体からなる濾材を用いて空気中の微粒子を捕集する。
オゾンを発生させるステップでは、紫外線を照射して濾材を通過する空気中にオゾンを発生させる。
微粒子を捕集するステップ及びオゾンを発生させるステップは、具体的に、上記説明した空気清浄装置１を用いて行うことができる。
本実施形態の空気清浄方法で用いられる濾材、及び紫外線の照射の方法は、空気清浄装置１について上記説明したのと同様である。

以上説明したように、本実施形態によれば、低濃度のオゾンによって、繊維に付いた微生物を殺菌することができるため、オゾンを分解する必要がなく、人体への悪影響を抑制できる。低濃度のオゾンは、放置しておくと速やかに自然減衰し、酸素に戻すための処理が不要である。また、濾材および周辺部材の劣化を抑制することができる。

（実験例）
病院の診察室に設置した上記実施形態の空気清浄装置を稼働させ、その上に、唾液から採取した細菌及び真菌を寒天培地上で培養させたシャーレを載置した。同じ要領で作製した複数の上記シャーレを、互いに異なる時間、空気清浄装置の上に載置し、それぞれの微生物の変化を調べた。その結果、載置時間が長いシャーレであるほど、微生物が殺菌され、菌数が減少していることが確認された。
また、同じ空気清浄装置を用いて、４畳半の大きさの別の室内で換気せずに、上記実験を行ったときと同じオゾン濃度で７時間、紫外線の照射を行った時点で室内のオゾン濃度を測定したところ、０．００５〜０．０１ｐｐｍの範囲内であった。

ＰＴＦＥのナノファイバー（平均繊維径１００〜１５０ｎｍ）の繊維体からなる濾材を用いて、空気中に浮遊するクロカビの胞子を捕集し、オゾンを発生させることなく、そのまま２ヶ月放置し、繊維に付いた胞子のＳＥＭ観察を行った。その結果、胞子は発芽することなく、休眠状態にあることが確認された（図３（ａ）の丸で囲んだ部分参照）。そして、暴露強度２以上の照射量で紫外線照射を行ってオゾンを発生させたところ、上記濾材の繊維に付いた胞子は、平たく、孔が開いたように潰れ、形状が変化していた。形状の変化した胞子のＳＥＭ画像の例を、図３（ｂ）に示す（丸で囲んだ部分参照）。

以上、本発明の空気清浄装置及び空気清浄方法について詳細に説明したが、本発明の空気清浄装置及び空気清浄方法は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

１ 空気清浄装置
１０ 濾材
１１ エアフィルタ
１２ オゾン生成装置
１４ プレフィルタ
１６ 光触媒装置
１８ファン
２０ 筐体
２０ａ 排出口
３０ ダクト
３０ａ 吸込口
３０ｂ排出口

Claims (5)

1. 複数の繊維を有する繊維体からなり、空気中の微粒子を捕集する濾材と、
   紫外線を照射して空気中にオゾンを発生させるオゾン生成装置と、を備え、
   前記繊維は撥水性を有し、
   前記オゾン生成装置は、前記濾材を通過した空気のオゾン濃度が０．１ｐｐｍ以下となる照射量で紫外線の照射を行う、ことを特徴とする空気清浄装置。
2. 前記照射量は、前記濾材が曝されるオゾンの濃度と、前記濾材がオゾンに曝される時間との積で計算される値が目標値となるよう調整される、請求項１に記載の空気清浄装置。
3. 前記繊維は、２５℃での表面張力が２５ｍＮ／ｍ以上である、水を含んだ液体に対して撥水性を有している、請求項１又は２に記載の空気清浄装置。
4. 前記繊維の比表面積が１．０ｍ²／ｇ以上である、請求項１から３のいずれか１項に記載の空気清浄装置。
5. 複数の繊維を有する繊維体からなる濾材を用いて空気中の微粒子を捕集するステップと、
   紫外線を照射して前記空気中にオゾンを発生させるステップと、を備え、
   前記繊維は撥水性を有し、
   前記オゾンを発生させるステップでは、前記濾材を通過した空気のオゾン濃度が０．１ｐｐｍ以下となる照射量で紫外線の照射を行う、ことを特徴とする空気清浄方法。

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