JP2019150808A - 集塵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力損失の上昇を防ぎながら直径１μｍ以下の粉塵を高い集塵効率で集塵することができ、また、構造が簡単で、常に新品同様の集塵効率を維持することができる集塵装置を提供する。【解決手段】上流側から順に空気流入口２と、水供給部６と、複数の孔を有する孔開き板１２と前記孔開き板の下流側に設けた衝突板１３の一組で構成された慣性集塵体７による集塵部３と、空気流出口４とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、水滴を用いて空気中の粉塵を取り除く集塵装置に関するものである。

空気中の粉塵を慣性力で捕集し、粒子径の大きさごとに分級することが可能な分析用粉塵分級集塵装置として、特許文献１の第１２図が示すアンダーセンサンプラーがよく知られている。以下、そのアンダーセンサンプラーについて説明する。

図３９に示すようにアンダーセンサンプラー１０１は上流側から順に空気流入口１０２、慣性集塵体１０６を複数積層して形成される集塵部１０３、空気流出口１０４で構成される。空気流出口１０４の下流側には送風機１０５が接続されており、空気は空気流入口１０２から入って集塵部１０３を通過し、空気流出口１０４から排出される。慣性集塵体１０６は孔開き板１０７とその下流側に設けられた衝突板１０９の一組で構成される。空気は孔開き板１０７に複数設けられた孔１０８を通過して衝突板１０９に当たって曲がるが、空気が曲がる時に空気中の粉塵が自身の重量に起因する慣性力を受けて空気の流線からずれて衝突板１０９に付着し、集塵される。

粉塵が衝突板１０９に付着して集塵されるかどうかは慣性力および粉塵の大きさに相関を持つ空気抵抗力とのつりあいから流線とどれだけずれるかを計算することで求めることができる。具体的には孔１０８の径の大きさ、空気が孔１０８を通過する速度、粉塵の直径および密度で決まり、日本工業標準調査会の定めるＪＩＳＫ０３０２に記載されるように、１μｍ以下の粉塵において５０％集塵される粉塵の直径は以下の式で求められる。

Ｄｐ５０＝−１．２６×λ＋√（１．５８×λ＾２＋（（１．０８×π×Ｎ×Ψ５０×Ｄｃ×（１７２＋０．４×θ）×０．１）／（４×Ｑ）））
ただし、λ＾２はλのべき乗を示す。
また、各記号は以下に示す。

Ｄｐ５０：その粉塵が５０％集塵される直径（μｍ）
θ：温度（℃）
λ：粉塵の平均自由行程（μｍ）、以下の式で計算できる。

λ＝０．００００２１×（１７２＋０．４×θ）×√（２７３＋θ）
Ｎ：孔開き板１０７における孔１０８の数（個）
Ψ５０：５０％集塵される粉塵の直径に対する慣性パラメータ（孔が円形の場合、０．１４）
Ｄｃ：孔１０８の直径（ｍｍ）
Ｑ：空気の流量（Ｌ／ｍｉｎ）
アンダーセンサンプラー１０１はカスケードインパクターとも呼ばれ、孔１０８の径の大きい、もしくは孔１０８の数の多い孔開き板１０７を有する慣性集塵体１０６を上流側に置き、それよりも下流側に孔１０８の径の小さい、もしくは孔１０８の数の少ない孔開き板１０７を有する慣性集塵体１０６を置くことで上流側から順に直径の大きい粉塵を集塵し、衝突板１０９の上に集めることができる。したがって各慣性集塵体１０６の衝突板１０９の上に直径ごとに分けられた粉塵が集塵され、衝突板１０９の重量増分を調べることで空気中に存在する粉塵の直径の分布を調べることができる。また、衝突板１０９の上に集められた各直径の粉塵の形状を顕微鏡で観察することができる。また、各衝突板１０９の上に集められた粉塵の組成を分析することで、各直径の粉塵がどこからやってきたかの由来や、人間が吸込んで気管支よりも奥に入り込む可能性のある直径を有する粉塵が健康に与える影響を知ることができるなど、空気中の粉塵を調べる装置として有益に用いられている。

また、一般的なため特に先行文献を挙げないが、直径１μｍ以下の微粒子を高い集塵効率で集塵する装置として直径数μｍ以下の繊維を積層してシート状にしたろ過シートを用いた繊維層フィルタや、コロナ放電を用いた荷電部で微粒子を帯電し、帯電した粒子を０Ｖおよび高電圧が印加された電極板を交互に積層した集塵部で捕集する電気集塵装置の２つが挙げられる。

直径１μｍ以下の粉塵は力学的挙動が空気分子に近くて空気と同じように動くため空気から取り除くことが困難であり、高い集塵効率で集塵することが可能な主な集塵装置は、逆に言えば上記２つ以外に現状存在しない。そして直径１μｍ以下の粉塵は気管支を通り越して肺まで吸込まれ、人の健康に大きな影響を及ぼすため、直径１μｍ以下の粉塵を集塵できる集塵装置は人の健康を守る装置として非常に重要である。

特開２００９−２５１９１号公報（第１２図）

特許文献１に記載されたアンダーセンサンプラーを集塵装置として見てみると、最下流側に設置した孔開き板の孔の直径は０．２５ｍｍで、孔を通過する空気の速度は４４．５ｍ／ｓであり、この値から算出されるＤｐ５０は０．４３μｍである。すなわち直径０．４３μｍの粉塵の集塵効率は５０％であり、もし粉塵の大きさがそれよりも小さい０．３μｍなどであれば集塵効率は３０％以下とさらに小さくなる。したがってアンダーセンサンプラーは１μｍ以下の小さな粉塵を集塵する性能が低い、すなわち直径１μｍ以下の粉塵を高い集塵効率で集塵できないという課題を有する。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、直径１μｍ以下の粉塵を高い集塵効率で集塵することができ集塵装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、上流側から順に空気流入口と、水供給部と、複数の孔を有する孔開き板と前記孔開き板の下流側に設けた衝突板の一組で構成された慣性集塵体による集塵部と、空気流出口とを備えた集塵装置であり、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、直径１μｍ以下の粉塵を高い集塵効率で集塵することができ、また、構造が簡単で、長期に渡り初期の集塵効率を維持することができる集塵装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１の集塵装置の斜視図 同実施の形態１の集塵装置の斜視断面図 同実施の形態１の集塵装置の側面断面図 同実施の形態１の慣性集塵体の斜視断面図 同実施の形態１の孔開き体の斜視図 同実施の形態１の衝突板の斜視図 同実施の形態１の別の形状の衝突板の斜視図 同実施の形態１の貯水部の斜視図 同実施の形態１の水供給部の斜視図 同実施の形態１の水滴の直径の分布を示す図 同実施の形態１の試作機１、２、３、４の性能を示す図 同実施の形態１の試作機５、６、７の性能を示す図 同実施の形態１の試作機１〜７の性能指数を示す図 同実施の形態１の試作機２の衝突距離ごとの性能を示す図 同実施の形態１の試作機２の衝突距離ごとの性能指数を示す図 本発明の実施の形態２の集塵装置の斜視断面図 同実施の形態２の集塵装置の側面断面図 同実施の形態２の荷電部の斜視断面図 同実施の形態２の対向電極部の斜視図 同実施の形態２の放電電極部の斜視図 同実施の形態２の試作機８のコロナ放電あり（放電電流１０μＡ）、なし（放電電流０μＡ）の性能を示す図 同実施の形態２の試作機８のコロナ放電あり（放電電流１０μＡ）、なし（放電電流０μＡ）の性能を示す図 本発明の実施の形態３の集塵装置の斜視断面図 同実施の形態３の集塵装置の側面断面図 同実施の形態３の集塵部を俯瞰する断面図 同実施の形態３の各層の孔開き体の孔径と孔数と孔内速度を示す図 同実施の形態３の試作機９の水滴濃度ごとの性能を示す図 同実施の形態３の試作機９の水滴濃度ごとの性能を示す図 同実施の形態３の試作機９の集塵効率と圧力損失の時間変化を示す図 本発明の実施の形態４の集塵装置の斜視断面図 同実施の形態４の集塵装置の側面断面図 同実施の形態４の最下流に位置する慣性集塵体の斜視断面図 同実施の形態４の試作機１０の水滴濃度ごとの性能を示す図 同実施の形態４の試作機１０の水滴濃度ごとの性能を示す図 本発明の実施の形態５の集塵装置の斜視断面図 同実施の形態５の集塵装置の側面断面図 同実施の形態５の試作機１１の水投入量ごとの性能を示す図 同実施の形態５の試作機１１の水投入量ごとの性能を示す図 従来のアンダーセンサンプラーの斜視断面図

本発明の請求項１に係る集塵装置は、気流の上流側から順に空気流入口と、水供給部と、複数の孔を有する孔開き板と前記孔開き板の下流側に設けた衝突板の少なくとも一組で構成された慣性集塵体による集塵部と、空気流出口とを備えたものである。

これにより、粉塵を水供給部もしくは孔の中で水と結合させて、孔を飛び出した後で慣性力によって衝突板に集めることが可能となる。そのため慣性力のみでは元来は不可能な、１μｍ以下の微細な粉塵を高い集塵効率と低い圧力損失で集塵することができる。

また、請求項２に係る集塵装置は、前記慣性集塵体の孔開き板と衝突板との距離が１０ｍｍ以下であるものである。

これにより、結合した粉塵と水とを衝突板に衝突させ、１μｍ以下の粉塵を高い集塵効率で集塵することが可能となる。

また、請求項３に係る形態の集塵装置は、前記集塵部が前記慣性集塵体を複数組積層して構成されるものである。

これにより、積層した慣性集塵体ごとに粉塵と水との結合効果を得ることができ、１μｍ以下の微細な粉塵をより高い集塵効率で集塵することができる。更に言えば水によって孔が少し塞がれて圧力損失の上昇が起き、同時に高い集塵効率が得られるが、上流側に位置する慣性集塵体によって水による孔塞ぎ作用を最小限に抑えることで圧力損失の上昇を最小限に押さえながら更に高い集塵効率を長い時間に渡り得たい時に有用な方法となる。

また、請求項４に係る形態の集塵装置は、前記水供給部として、水が貯められた超音波振動槽の底に超音波素子を備え、前記超音波素子を振動させて水面から水滴を発生させる装置を備えたものである。

これにより、孔の中もしくは孔を飛び出した後に粉塵と水とを高い割合で結合させることができ、そのためより高い集塵効率で１μｍ以下の微細な粉塵を集塵することができる。

また、請求項５に係る形態の集塵装置は、前記水供給部の供給する水滴の直径が１μｍ以上かつ１０μｍ以下、もしくは４μｍ付近であるものである。

これにより、粉塵と結合しやすい水滴を高濃度で発生させることができ、高い集塵効率で１μｍ以下の微細な粉塵を集塵することができる。

また、請求項６に係る形態の集塵装置は、前記集塵部の上流側に放電電極と対向電極からなり、コロナ放電を起こす荷電部を備えたものである。

これにより、気流の影響を受けて垂直下方向から水平方向に曲がる粉塵および水滴に対して、垂直下方向への慣性力に加えて垂直下方向へのクーロン力を働かせることが可能となる。それにより、さらに高い集塵効率で１μｍ以下の微細な粉塵を集塵することができる。もしくはより大きな孔を用いながら高い集塵効率で１μｍ以下の微細な粉塵を集塵できるようになり、圧力損失を下げることが可能となる。

また、請求項７に係る形態の集塵装置は、コロナ放電を起こす荷電部を備え、前記荷電部は、少なくとも前記集塵部の最下流側の慣性集塵体において、孔開き板の表面に孔開き板導電層を設けて高電圧を印加し、該孔開き板導電層の下流側に位置する衝突板に０ｋＶを印加するものである。

これにより、垂直下方向から水平方向に曲がる粉塵および水滴に対してより大きなクーロン力を働かせることが可能となり、さらに高い集塵効率で１μｍ以下の微細な粉塵を集塵することができる。

また、請求項８に係る集塵装置は、前記慣性集塵体の孔開き板と衝突板との距離が２．８ｍｍであるものである。

これにより、慣性集塵体の孔開き板と衝突板との間で垂直下方向から水平方向に曲がる粉塵および水滴に対してより大きなクーロン力を働かせることが可能となり、さらに高い集塵効率で１μｍ以下の微細な粉塵を集塵することができる。

また、請求項９に係る形態の集塵装置は、前記水供給部が前記集塵部の上流側に水を供給する給水ノズルからなるものである。

これにより、より簡単な方法で粉塵と水滴とを結合させることができ、高い集塵効率で１μｍ以下の微細な粉塵を集塵する効果を長い時間持続することができる。

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）
図中の実線の矢印Ａは空気の流れを、点線の矢印Ｗは水の流れを示す。図１、図２および図３に示すように、本実施の形態の集塵装置１は、上流側から順に空気流入口２、水供給部６、集塵部３、貯水部８、空気流出口４で構成されている。集塵部３と貯水部８、集塵部３と水供給部６との接合部分にはそれぞれゴムパッキン１９が設けられており、接合部分での外からの空気の流入を防いでいる。空気流出口４には送風機５が接続されており、空気は空気流入口２から入って水供給部６、集塵部３を通り、空気流出口４から出ていく。

図４に示す集塵部３は、慣性集塵体７によって構成される。したがって本実施の形態においては集塵部３と慣性集塵体７は同一である。慣性集塵体７は孔開き板１２を有する孔開き体２０と、その下流側に設けた衝突板１３とで構成される。図５に示すように孔開き板１２には複数の孔１８が設けられている。粉塵を含んだ空気は、図４に示すように孔１８の中を通過して垂直下方向に進んだ後に衝突板１３に当たり、水平方向に進路を変える。衝突板１３に当たって曲がり、垂直下方向から水平方向に進路を変える時、粉塵は曲がりの遠心方向に慣性力を受け、空気の流線から遠心方向にずれ、垂直下方向の衝突板１３に当たって付着し、集塵される。

図８に示すように、貯水部８の縁には衝突板固定台２１が設けられている。衝突板１３は貯水部８に設けられた衝突板固定台２１の上に設置される。衝突板固定台２１の上部には突起が設けられており、置いた衝突板１３が水平方向に動かないようになっている。衝突板固定台２１によって衝突板１３と貯水部８の縁との間には均一な隙間が生じ、この隙間を通過して空気は下流側へと流れる。

また、図６に示すように、衝突板１３は孔開き体２０にちょうどはまる大きさの位置固定爪２２を有しており、衝突板固定台２１上部の突起だけでなく位置固定爪２２によっても水平方向に動かないように衝突板１３は固定されている。

衝突板１３は上に位置する孔１８を通過して垂直下方向に進む空気の衝突を受けるのであれば形状に制限はなく、図７に示すように孔と重ならない位置に衝突板スリット２３を有する形状のものでもよい。

図９に示すように、水供給部６は、給水ノズル１６と、給水ノズル１６から出てくる水を受ける超音波振動槽２４、超音波振動槽２４の底部に設けられた超音波振動子２６、上から見て超音波振動槽２４を中央に固定する４本の振動槽支持足２７で構成される。送水ポンプ９は任意時間、任意のタイミングで吸水管１４を通じて貯水部８に貯められた貯水部水１５を吸い上げ、送水管１０を通じて給水ノズル１６へと水を送る。送られた水は給水ノズル１６から出て、振動槽水２５として超音波振動槽２４に貯められる。

振動槽水２５は一定量貯められており、その水面は超音波振動子２６から一定の距離を維持する。超音波振動子２６が数ＭＨｚの周波数で振動すると振動槽水２５の水面から水柱が立ち、同時に水滴１７が発生する。

空気流入口２から入った空気の中に、水供給部６から発生した水滴１７は均一に分布し、空気と一緒になって集塵部３を通過する。すなわち孔開き板１２の有する孔１８を空気中の粉塵と水滴が一緒に通過する。孔１８の中で粉塵と高濃度の水滴とが結合し、粉塵の重力が増すことで曲がりによる慣性力が高まって衝突板１３に付着する割合が増える、もしくは孔開き板１２の上に付着して塊になった水が空気の流れに巻き込まれて吸い込まれた際に、孔１８の中でしぶきとなり、空気中の粉塵と結合する、もしくは水滴１７が曲がって慣性力を受けて衝突板１３に付着する時に、水滴１７の付着する動きに巻き込まれて粉塵が水滴１７と一緒に衝突板１３に集塵される、もしくは衝突板１３の表面に付着して集められた水の塊によって、粉塵が跳ね返らずに衝突板１３の表面に集塵される割合が増える、といった作用が生じることで、水滴１７がない場合と異なり粉塵は高い集塵効率で集塵される。

水滴１７および粉塵は集塵部３すなわち慣性集塵体７によって集塵され、衝突板１３の上に集められる。衝突板１３の表面は集塵した水滴によって濡れているため、集塵した粉塵が空気の流れによって飛散することはない。

水滴１７は気化することで消費されるため、貯水部８の水が減ったら給水口１１を通じて水を補給する。また、集塵しつづけて一定期間が経った時、衝突板１３に溜まった粉塵および粉塵を含む水を下流側の貯水部へと洗い流すために、送風機５を止めた状態で送水ポンプ９を動かして給水ノズル１６から水を出し続けて超音波振動槽２４から水を溢れ出させ、溢れた水を下流側の慣性集塵体７に送って洗浄してもよい。洗浄に使われた水は垂直下側に位置する貯水部８に再度貯められる。

＜圧力損失ΔＰの測定方法＞
空気流入口２と空気流出口４との差圧を差圧計で測定し、集塵装置の圧力損失（以下ΔＰ）とした。

＜本実施の形態で扱う大気塵濃度の測定方法＞
ここで、以下に示す各条件で集塵部３を構成し、大気中に自然に浮遊している一般大気塵を用いて空気流入口２および空気流出口４それぞれの直径０．３μｍ以上０．５μｍ以下の粉塵の個数濃度をレーザーパーティクルカウンター（リオン製ＫＣ−５２、以下ＬＰＣ）で測定した。空気流出口４の圧力が大気圧よりもかなり低くなるとＬＰＣが空気をサンプリングできなくなるため、ＬＰＣの採取口および排出口の両方とも空気流出口４とつなぐことでＬＰＣと空気流出口４とが同じ圧力となるようにした。

＜集塵効率ηの算出＞
集塵効率（以下η）の算出式は以下の通りである。

集塵効率η（％）＝（１−空気流出口の粉塵個数濃度／空気流出口の粉塵個数濃度）×１００
ここで、直径０．３μｍ以上０．５μｍ以下の粉塵の個数濃度から算出した集塵効率をη_{（０３０５）}と表記する。

＜性能指数ｑＤの算出＞
集塵効率ηおよび圧力損失ΔＰによって、集塵装置の性能の指標となる性能指数（以下ｑＤ）を以下の式で算出することができる。この式は直列に重ねた場合の集塵部３の数と通過率１−ηの自然対数にマイナスをかけた値は反比例し、集塵部３の数とΔＰは比例することを示しており、ｑＤはその比例定数を表している。ｑＤが大きいほど集塵装置の性能は高い。孔１８を空気が通過する時の速度を孔内速度と以後表記するが、孔内速度の異なる条件（異なる孔の直径、空気流量の条件）であってもｑＤであれば単純に横に並べて比較することができる。

ｑＤ（Ｐａ^−１）＝（−Ｌｎ（１−集塵効率））／ΔＰ
＜集塵に用いる水滴の分布の測定＞
また、集塵に用いた水滴１７の直径ごとの分布を知るために、水溶性油を１％となるように溶かした水を振動槽水２５に使い、超音波振動子２６を２．４ＭＨｚで振動させた時に発生した水滴１７をアンダーセンサンプラーで吸い込んで水滴１７の直径ごとに分けて集塵し、集塵した衝突板１３を乾燥させて重量増分を測ることで水滴１７の直径ごとの分布を調べた結果が図１０である。その結果、水滴は４μｍを中心に直径１〜１０μｍで分布した。

＜水滴の濃度と具体的な評価方法＞
４μｍを中心にして直径１〜１０μｍに分布する水滴を、濃度が０ｇ／ｍ^３（水滴なし）および９６ｇ／ｍ^３となるよう発生させ、各条件で空気流入口２および空気流出口４それぞれの大気塵濃度およびΔＰを測定し、得た大気塵濃度からη_{（０３０５）}を算出した。

ちなみに水供給部６から水滴を発生させた場合、ＬＰＣが水滴を計測して空気流入口の粉塵個数濃度よりも空気流出口の粉塵個数濃度が大きくなってηがマイナスの値を示すことがあるが、結果をわかりやすくするためにその時は集塵できていないとみなしてη_{（０３０５）}＝０％に置き換えた。その時ｑＤも０となる。

＜各試作機の孔開き板の仕様＞
以下の条件で試作機１〜７を作成し、η_{（０３０５）、}ΔＰ、ｑＤを測定および算出した。試作機１のみ衝突板１３を設置しなかった。それ以外の試作機２〜９は全て厚さ１．２ｍｍの衝突板１３を設置している。また、試作機２〜９において慣性集塵体７を構成する孔開き板１２の下面と衝突板１３の上面の距離（以下衝突距離ＤＩ）は２．８ｍｍで共通である。試作機２のみ、ＤＩを変化させた時のη、ΔＰを測定しｑＤを算出した。
・試作機１：孔の直径１．２ｍｍ、孔の数１０個（衝突板１３なし）
・試作機２：穴の直径１．２ｍｍ、孔の数１０個（衝突板１３あり）
・試作機３：孔の直径１．２ｍｍ、孔の数２５個（衝突板１３あり）
・試作機４：孔の直径１．２ｍｍ、孔の数４５個（衝突板１３あり）
・試作機５：孔の直径０．９２ｍｍ、孔の数１０個（衝突板１３あり）
・試作機６：孔の直径０．５４ｍｍ、孔の数２５個（衝突板１３あり）
・試作機７：孔の直径０．２５ｍｍ、孔の数１０２個（衝突板１３あり）
＜比較条件と実施条件＞
それぞれの比較条件および実施条件を以下のとおり定義した。
・比較条件１：衝突板１３を設置しない条件（試作機１が該当）。
・比較条件２：水供給部６から水滴１７を発生させない条件（水滴濃度０ｇ／ｍ^３）
・実施条件１：水供給部６から水滴濃度９６ｇ／ｍ^３で水滴１７を発生させ、衝突板１３を設置した条件。

＜評価の結果：比較対象および実施対象のη_{（０３０５）}と圧力損失ΔＰおよび性能指数ｑＤ＞
試作機１、２、３および４を評価した結果を図１１に、試作機５、６および７を評価した結果を図１２にまとめた。９６ｇ／ｍ^３の濃度で水滴を発生させた時の全試作機の、孔内速度を横軸に、性能指数ｑＤを縦軸にしたグラフを図１３に示す。

水滴濃度０ｇ／ｍ^３の場合、全ての試作機でｑＤは０付近となった。そして、水供給部６から９６ｇ／ｍ^３の濃度で水滴１７を発生した場合、試作機１ではη_{（０３０５）}およびｑＤは０のままだったが、試作機１以外の試作機全てにおいてΔＰが上がると同時にη_{（０３０５）}も上がり、水滴発生なしと比べてｑＤが０付近から大きく上がった。水滴１７および衝突板１３の存在によって大きな集塵効果が得られており、この結果は両者が不可欠の要素であることを示している。このように実施条件１によって高いη_{（０３０５）}を得られることがわかった。

また、孔の直径が１．２ｍｍで、２５個および４５個の孔数を有する試作機３および試作機４を用いて評価した結果、図１３に示すように孔の直径が１．２ｍｍの場合、ｑＤは孔内速度１０ｍ／ｓ付近で極大を示した。このことは孔内速度が速すぎればΔＰが大幅に上がってｑＤが下がり、孔内速度が遅すぎれば水滴を用いた慣性集塵効果が十分に得られずにｑＤが上がらないことから、ｑＤを最大化するための最適な孔内速度が存在することを示している。

＜衝突距離の最適化＞
次に試作機２の衝突距離ＤＩを変化させてη_{（０３０５）}と圧力損失ΔＰを測定した結果を図１４および図１５に示す。ＤＩ以外は試作機２と同じであり、孔開き板の孔の直径は１．２ｍｍで、孔の数は１０個である。孔内速度は１１．８ｍ／ｓ、水供給部から発生させた水滴の濃度は９６ｇ／ｍ^３で固定した。図１５に示すとおり、ＤＩが１０ｍｍより大きいとｑＤは０となり、ＤＩが１０ｍｍ以下でｑＤは０より大きい値を得る。そしてＤＩ＝２ｍｍの時にｑＤは最大の値を示した。ＤＩが１０ｍｍ以下の時に０．３μｍ以上０．５μｍ以下の粉塵は水滴と一緒に衝突板１３に衝突して集塵され、そのη_{（０３０５）}は図１４に示すようにＤＩ＝３．８ｍｍ付近で最大となることがわかった。

（実施の形態２）
本実施の形態２の集塵装置１は、図１６、図１７に示すように実施の形態１の集塵装置１において、水供給部６と集塵部３との間に荷電部２８を設けたものとなっている。その他の構造については実施の形態１の集塵装置１と同一であるため解説を省く。水供給部６からは水滴１７が発生しており、粉塵と水滴１７は一緒になって集塵部３に到達する。

図１８に示すとおり、荷電部２８は水供給部６と接続するための荷電部上接合部３１を上流側に、集塵部３と接続するための荷電部下接合部３２を下流側にそれぞれ設けている。

荷電部２８は図１９に示す対向電極部３３と図２０に示す放電電極部３４とを組み合わせた構造となっている。対向電極部３３は対向電極板３０と荷電部上接合部３１とが一体化した構造となっている。また、放電電極部３４は放電電極部ケース３５に放電電極２９と荷電部下接合部３２とを設けた構造となっている。

つまり、荷電部２８の電極は、下流側の線状の放電電極２９と上流側の対向電極板３０とで構成されている。

対向電極板３０は導電性を有しており、０Ｖの電圧が印加されている。放電電極部ケース３５は絶縁性を有しており、そこに導電性を有する放電電極２９が設けられている。放電電極２９には３〜８ｋＶの高電圧が印加されている。対向電極部３３と放電電極部３４とを組み合わせた時に、対向電極板３０どうしの中心に位置するように放電電極２９は設けられており、絶縁性を有する放電電極部ケース３５によって放電電極２９と対向電極板３０は電気的に絶縁されている。図には示さないが高圧電源によって放電電極２９には数ｋＶの高電圧が印加されており、０Ｖが印加された対向電極板３０との間に電場が形成されている。

放電電極２９の直径は２５０μｍ以下であり、細い線の表面に多くの電気力線が入る。そのため放電電極２９の表面近傍は非常に大きな電場となっており、電子なだれが起こってコロナ放電が発生する。コロナ放電が発生すると大量の電子、空気分子に電子が付着したマイナスイオン、もしくは電子を放出した空気分子であるプラスイオンが発生し、例えば放電電極２９にプラスの高電圧を印加して対向電極板３０に０ｋＶを印加した場合は放電電極２９から対向電極板３０に向かって大量のプラスイオンが空間にシャワーのように浴びせるように移動する。

粉塵と水滴１７がその空間を通過するとプラスイオンが接触して付着し、プラスに帯電する。プラスに帯電した粉塵と水滴１７が孔開き板１２の孔１８に入ると孔１８の壁面との間に電界を作って壁面に移動し接触して集塵される。または帯電していない一部の粉塵や水滴１７との間に電界を作って接触結合する。帯電した粉塵および水滴１７は孔を出て垂直下方向に進んだ後に衝突板によって曲がり、水平方向に向きを変える。粉塵と水滴が曲がる時に遠心力によって空気の流線から遠心方向にずれて衝突板に衝突し集塵されるが、帯電した粉塵と水滴は衝突板と電界を作り、衝突板に引き寄せられる力を受ける。引き寄せられる力によって空気の流線とのずれが大きくなり、より多くの粉塵および水滴が衝突板に衝突し集塵される。

つまり、気流の影響を受けて垂直下方向から水平方向に曲がる粉塵および水滴に対して、垂直下方向への慣性力に加えて垂直下方向へのクーロン力を働かせることが可能となる。それにより、さらに高い集塵効率で微細な粉塵を集塵することができる。

ここで、放電電極２９として直径１００μｍのタングステンワイヤーを用いた荷電部２８を用意した。用意した荷電部２８を用いて作成した集塵装置１を試作機８と名付けた。集塵部３には直径１．２ｍｍの孔１８を４５個備えた孔開き板１２を用いた慣性集塵体７を用いた。衝突距離ＤＩは２．８ｍｍである。放電電極２９に０ｋＶを印加してコロナ放電を起こさない条件、もしくは４．４ｋＶを印加して放電電流１０μＡのコロナ放電を起こした条件それぞれで、実施の形態１と同様の方法で試作機８の圧力損失ΔＰ、集塵効率η_{（０３０５）}および性能指数ｑＤを測定算出した。結果を図２１および図２２に示す。

図２１および図２２に示すとおり、荷電部でコロナ放電を起こして粉塵や水滴を帯電することで試作機８のｑＤは向上する。特に孔内速度４．７ｍｓ以下の低い領域でｑＤは大幅に向上しており、特に２．６ｍ／ｓで１．０から１６８に値が上がっている。孔内速度が４．７ｍ/ｓを超える高い領域ではｑＤはそれほど上がっていない。これは、孔内速度が低い領域で帯電による集塵効果が大きくなることを示しており、水滴による慣性集塵効果との相乗効果は孔内速度の低い領域で大きく発揮されることを示している。このように、帯電させた粉塵や水滴１７を孔１８に通して衝突板１３に衝突させることで１μｍ以下の微細な粉塵に対して孔内速度が小さい時の集塵効果を大きく向上させることができる。

（実施の形態３）
図２３および図２４に示すように、本実施の形態の集塵装置１は集塵部３として慣性集塵体７を８個直列に積層したものを用いている。図２６に示す第０段から第７段までの８個の慣性集塵体７を上流側から下流側へと順に積層している。集塵部３の最下流側に位置する第７段の慣性集塵体７を構成する衝突板１３は、貯水部８の縁に設けられた衝突板固定台２１の上に置かれている。

慣性集塵体７どうし、もしくは慣性集塵体７と貯水部８や水供給部６との接合部分にはゴムパッキン１９が設けられており、接合部分での外からの空気の流入を防いでいる。その他の構造については実施の形態１と同一であるため解説を省く。

実際に集塵装置１を作成して試作機９と名付け、水滴濃度を変えながら実施の形態１と同様の方法で試作機９のΔＰ、η_{（０３０５）}およびｑＤを測定算出した。空気流量は２８Ｌ／ｍｉｎである。図２６に示すとおり、この時の集塵部３を構成する、積層されたそれぞれの慣性集塵体７の孔の直径、孔の数、孔内速度は以下のとおりである。
・第０段：孔の直径１．２ｍｍ、孔の数８００個、孔内速度０．５ｍ／ｓ
・第１段：孔の直径１．２ｍｍ、孔の数４００個、孔内速度１．０ｍ／ｓ
・第２段：孔の直径０．９２ｍｍ、孔の数４００個、孔内速度１．８ｍ／ｓ
・第３段：孔の直径０．７２ｍｍ、孔の数４００個、孔内速度２．９ｍ／ｓ
・第４段：孔の直径０．５４ｍｍ、孔の数４００個、孔内速度５．１ｍ／ｓ
・第５段：孔の直径０．３５ｍｍ、孔の数４００個、孔内速度１２．３ｍ／ｓ
・第６段：孔の直径０．２５ｍｍ、孔の数４００個、孔内速度２４．０ｍ／ｓ
・第７段：孔の直径０．２５ｍｍ、孔の数２１６個、孔内速度４４．５ｍ／ｓ
各慣性集塵体７の衝突距離ＤＩは全て２．８ｍｍである。図２７および図２８に示すように、水滴発生なしではη_{（０３０５）}は２９％だったのが、水滴濃度を上げるに従って大きくなり、水滴濃度９６ｇ／ｍ^３で９８％となった。ΔＰは水滴発生なしの５．３２ｋＰａから５．３９ｋＰａとなり、小幅に変化した。そのためｑＤは０．０７から０．７３に向上した。本実施の形態の集塵装置１は、圧力損失の上昇を最小限に抑えながらη_{（０３０５）}およびｑＤを向上できることがわかった。

次に、９６ｇ／ｍ^３の濃度で水滴１７を１０分間発生させた後に水滴発生を１２０分間止め続け、再度、水滴１７を発生させた時の試作機９のη_{（０３０５）}とΔＰの時間変化がどうなるかを調べた。図２９に示すように、η_{（０３０５）}は水滴発生して１分後に２９％から９８％となり、ｑＤは０．０７から０．７３に上昇した。水滴１７を発生させ続けた１０分間、上昇したｑＤを維持した。１０分後に水滴発生を止めた後もη_{（０３０５）}は低下せず、水滴発生を止めてから８０分間、９０％以上の値を維持した。

その後η_{（０３０５）}は低下し、水滴発生を止めてから１２０分後に５３％まで低下したが、その後９６ｇ／ｍ^３の濃度で、再度、水滴１７を発生させたところη_{（０３０５）}は１分後に９７％に上昇し、ｑＤは向上した。全ての間においてΔＰは５．３２ｋＰａから５．３９ｋＰａの範囲に収まっており大きく上昇しなかった。

このように、本実施の形態の集塵装置１は水滴１７の発生を止めても数十分の長い間高いη_{（０３０５）}とｑＤを維持することができ、低下しても再度、水滴１７を発生すれば高いη_{（０３０５）}とｑＤが得られることがわかった。したがって常に水滴１７を発生させなくとも、一定期間、水滴１７を発生させては止めることを繰り返すことで常にη_{（０３０５）}とｑＤを得ることができる。

本実施の形態の集塵装置１がΔＰを大きく上昇させることなく高いη_{（０３０５）}を得られる理由は以下のように考えられる。孔１８の直径が大きく、孔１８の数が多い上流側の慣性集塵体７が水滴１７の過剰分を取り除きながら同時に粉塵と水滴１７を結合させる。

孔１８の直径が大きく数も多い第０段や第１段の慣性集塵体のみでは水滴１７の発生があってもなくてもη_{（０３０５）}は０％であることがわかっており、結合した粉塵と水滴１７は衝突板１３に衝突集塵されないが、下流側に設けられた、より小さい孔１８を有する慣性集塵体７によって結合した粉塵と水滴１７が衝突板に衝突集塵される。この時、上流側の慣性集塵体７によって水滴１７の過剰分が取り除かれているため下流側の慣性集塵体７の孔１８を水滴１７で目詰まりさせることなく粉塵を集塵することができる。

（実施の形態４）
本実施の形態４の集塵装置１は、図３０および図３１に示すように実施の形態３の集塵装置１に対して、集塵部３に荷電部２８を設けたものとなっている。すなわち、集塵部３の最下流側の慣性集塵体７において、孔開き板１２の表面に孔開き板導電層３６を設けて高電圧を印加し、該孔開き板導電層３６の下流側に位置する衝突板１３に０ｋＶを印加している。その他の構造については実施の形態３の集塵装置１と同一であるため解説を省く。荷電部２８は、図１８、図１９および図２０に示した実施の形態２のものと同一であるためこちらも解説を省く。

荷電部２８のコロナ放電によって粉塵および水滴１７はプラスに帯電する。プラスに帯電した粉塵および水滴１７は集塵部３を構成する最下流側の慣性集塵体７に到達する。最下流側の慣性集塵体７を構成する孔開き体２０は全体が絶縁性を有しており、図３０に示すように孔開き体２０を構成する孔開き板１２の上流側の表面には孔１８が開いた状態で孔開き板導電層３６が設けられている。高圧電源３７によって孔開き板導電層３６には高電圧が印加されている。そして孔開き板１２の下流側に位置する衝突板１３には０ｋＶが印加されている。

例えば孔開き板導電層３６にプラスの高電圧が印加された場合、プラスに帯電した粉塵は孔開き板導電層３６から衝突板１３に向かう方向にクーロン力を受ける。粉塵は孔１８を通過して垂直下方向へ進み、衝突板１３に当たって水平方向へと曲がって向きを変える。粉塵は慣性力を受けて空気の流線から曲がりの遠心方向へとずれるが、前述したクーロン力は慣性力による遠心方向へのずれを促進する方向へと作用するため、粉塵が衝突板１３によって集塵されやすくする。

本実施の形態では電場を設けた慣性集塵体７を最下流側に設けたが、これは水滴１７がたくさんやってくる上流側に設けると孔開き板導電層３６と衝突板１３とが水によって短絡してしまう可能性があるためである。したがって短絡しなければ、どの位置の慣性集塵体７にも電場を設けてよい。

ここで、実施の形態４と同じ集塵装置１を作成して試作機１０と名付け、水滴濃度を変えながら実施の形態１と同様の方法で試作機１０のΔＰ、η_{（０３０５）}およびｑＤを測定算出した。空気流量は２８Ｌ／ｍｉｎである。集塵部３は試作機９と同様に図２５および図２６に示すとおりの、上流側から順に第０段から第７段の計８段の慣性集塵体７を積層したものを用いた。ただし最下流側となる第７段の慣性集塵体７を構成する孔開き体２０を絶縁体とし、孔開き板１２の上に導電塗料を塗布して孔開き板導電層３６を設け、４ｋＶの電圧を印加した。そして第７段の慣性集塵体７を構成する衝突板１３に０ｋＶの電圧を印加した。荷電部２８も試作機９と同様のものを用いた。放電電極２９に４．８ｋＶの電圧を印加し、放電電流５０μＡのコロナ放電を起こした。

その結果、図３３および図３４に示すように、全ての水滴濃度で高いη_{（０３０５）}およびｑＤを示した。特にη_{（０３０５）}は水滴発生なしで９９．８％以上となり、水滴濃度９６ｇ／ｍ^３以上で１００％となった。ΔＰは水滴発生させても５．３２ｋＰａから５．３９ｋＰａとなり、増加は小幅だった。

このように、本実施の形態の集塵装置１は、水供給部６と集塵部３との間に荷電部２８を設けたことで直径１μｍ以下の微細な粉塵に対して１００％に近い集塵効率を示し、圧力損失の増大を最小限にできることがわかった。

（実施の形態５）
本実施の形態に示す集塵装置１は、送水ポンプ９から送られた水を単純に給水ノズル１６から出すものを水供給部６として用いている。その他の構造は実施の形態３と同一のため解説を省く。図３５および図３６に示すように、本実施の集塵装置１は、水供給部６に給水ノズル１６のみが設けられており、貯水部８から送水ポンプ９が汲み上げた水を、送水管１０を通じて給水ノズル１６から間欠的に出す構造となっている。出された水はそのまま集塵部３へと吸い込まれる。本実施の形態の集塵装置１と同様のものを実際に作成して試作機１１と名付け、給水ノズル１６から水を１０ｇずつ投入しながら実施の形態１と同様の方法で試作機１０のΔＰ、η_{（０３０５）}およびｑＤを測定算出した。集塵部３は試作機９と同様に図２５および図２６に示すとおりの、上流側から順に第０段から第７段の計８段の慣性集塵体７を積層したものを用いた。

図３７および図３８に示すように、０ｍｌから始めて給水ノズル１６から水を１回につき１０ｍｌ、計５回出した時のΔＰはそれぞれ５．３０ｋＰａ、５．３１ｋＰａ、５．６２ｋＰａ、６．４９ｋＰａ、６．７７ｋＰａ、６．８０ｋＰａとなった。η_{（０３０５）}は順に２９％、４３％、９１％、９５％、９４％、９４％となった。合計２０ｍｌ以上の水を出した後は２９％だったη_{（０３０５）}が９０％以上になり、合計３０ｍｌ出した後はΔＰが１．１９ｋＰａ上昇し、η_{（０３０５）}は９５％になった。その結果ｑＤは０．０７から０．４３へと向上した。水を合計４０ｍｌ以上出すとΔＰが１．４７ｋＰａ以上上昇し、η_{（０３０５）}は９５％よりも上がらなかった。その時のｑＤは０．４１となった。

したがって給水ノズル１６から出す水の量は２０ｍｌ以上３０ｍｌ以下がよいことになり、その時ΔＰは０．３１〜１．１９ｋＰａ上がり、η_{（０３０５）}は９０％以上となることがわかった。超音波振動子２６で直径４μｍを中心にした直径１〜１０μｍの水滴１７を発生させるよりもΔＰが上昇しやすく、またη_{（０３０５）}も低いが、水をかけ流すだけというより簡単な方法でη_{（０３０５）}が９０％以上になり、直径１μｍ以下の微細な粉塵に対して高い集塵効率が得られることがわかった。

本開示にかかる集塵装置は圧力損失の上昇を防ぎながら、人の健康に大きな影響を及ぼす直径１μｍ以下の粉塵を高い集塵効率で集塵することができ、また、構造が簡単で、常に新品同様の集塵効率を維持することができる。そのため室内で空気を循環する際、または室外の空気を室内に入れる際に空気を浄化する装置として有用である。

１ 集塵装置
２ 空気流入口
３ 集塵部
４ 空気流出口
５ 送風機
６ 水供給部
７ 慣性集塵体
８ 貯水部
９ 送水ポンプ
１０ 送水管
１１ 給水口
１２ 孔開き板
１３ 衝突板
１４ 吸水管
１５ 貯水部水
１６ 給水ノズル
１７ 水滴
１８ 孔
１９ ゴムパッキン
２０ 孔開き体
２１ 衝突板固定台
２２ 位置固定爪
２３ 衝突板スリット
２４ 超音波振動槽
２５ 振動槽水
２６ 超音波振動子
２７ 振動槽支持足
２８ 荷電部
２９ 放電電極
３０ 対向電極板
３１ 荷電部上接合部
３２ 荷電部下接合部
３３ 対向電極部
３４ 放電電極部
３５ 放電電極部ケース
３６ 孔開き板導電層
３７ 高圧電源

Claims (9)

1. 上流側から順に空気流入口と、水供給部と、複数の孔を有する孔開き板と前記孔開き板の下流側に設けた衝突板の少なくとも一組で構成された慣性集塵体による集塵部と、空気流出口とを備えた集塵装置。
2. 前記慣性集塵体の、孔開き板と衝突板との距離が１０ｍｍ以下である請求項１記載の集塵装置。
3. 前記集塵部が前記慣性集塵体を複数組積層して構成される請求項１記載の集塵装置。
4. 前記水供給部として、水が貯められた超音波振動槽の底に超音波素子を備え、前記超音波素子を振動させて水面から水滴を発生させる装置を備えた請求項１から３のいずれか一つに記載の集塵装置。
5. 前記水供給部の供給する水滴の直径が１μｍ以上かつ１０μｍ以下、もしくは４μｍ付近である請求項４記載の集塵装置。
6. 前記集塵部の上流側に放電電極と対向電極からなり、コロナ放電を起こす荷電部を備えた請求項１から５のいずれか一つに記載の集塵装置。
7. コロナ放電を起こす荷電部を備え、前記荷電部は、少なくとも前記集塵部の最下流側の慣性集塵体において、孔開き板の表面に孔開き板導電層を設けて高電圧を印加し、該孔開き板導電層の下流側に位置する衝突板に０ｋＶを印加するものである請求項６記載の集塵装置。
8. 前記慣性集塵体の、孔開き板と衝突板との距離が２．８ｍｍである請求項７記載の集塵装置。
9. 前記水供給部が、前記集塵部の上流側で孔開き板に水を供給する送水ノズルからなる請求項３記載の集塵装置。