JP2022063187A - 除菌送風機 - Google Patents

Abstract

【課題】除菌送風機を提供する。【解決手段】遠心送風機１において、吸い込み口からの吸込み気流３１中の飛沫などのミストを、ケーシング天井面２１の内壁に、羽根車１０の遠心力に由来する衝突作用で捕集し、捕集されたミスト中の感染源を羽根車に内蔵された紫外線発生装置４１で死角なく照明することで殺菌し、除菌された気流３５を吐出口３３より吐出気流３４として放出する。通常遠心送風機１では９０％以上の効率での捕集を、気流路を狭めた改良型、気流衝突板を複数置いた改良型、吐出口を渦巻き状に伸長した改良型Ｄ、吸い込み口をケーシング舌部近辺に制限した改良型、では９９％以上の効率での捕集を行い、除菌率９０％以上乃至９９％以上を実現する。【選択図】図５

Description

発明の詳細な説明

本発明は、遠心送風機に関する。より詳しくは、除菌機能を持つ遠心送風機に関する。

一般に室内空気に関する清浄化については、フィルター利用を中心とした種々の製品（非特許文献１、２）が市販されている。しかしこれらは、付随的に付着した細菌やウイルスなどの除去を含むものの塵埃除去が主目的であり除菌を目的としたものではない。除菌した清浄空気の供給をうたった製品としては、空気還流型の紫外線殺菌装置（非特許文献３）、紫外線照射による開放型の紫外線殺菌装置（非特許文献４）が市販されている。また先願例としては、電解水を用いた空気除菌装置（特許文献１）、マイクロプラズマを用いた除菌装置（特許文献２）、次亜塩素酸水を用いた除菌機能付き加湿空気清浄装置（特許文献３）、紫外線殺菌を用いた空気清浄機（特許文献４）などがある。

すでに本出願人は、閉鎖空間に対する感染症対策機器として、便器内空気の殺菌装置（特許文献５）、ハンドドライヤー空気の殺菌装置（特許文献６）、患者下半身局所の空気殺菌装置（特許文献７）、乗用車やエレベーターなどの移動体内の殺菌装置（特許文献８）、などを出願しているが、それら全てにおいて、閉鎖空間と殺菌箱を結合する円環気流接合の原理を用いて、特定の紫外線光出力での殺菌率、殺菌時間、送風気流量との関係を明らかにした。その関係を実証するため、大腸菌懸濁液のスプレーミスト（噴霧液体微粒子）を感染飛沫と見立て、便器内空気殺菌及びハンドドライヤー空気殺菌の実験を行ったが、除菌が殺菌箱なしで遂行されるという想定外の発見があった。種々の原因探査実験の結果（詳細実験は後述）、送風機特に遠心送風機は、吸込まれたスプレーミストを送風機内に水滴として捕集し除菌することが判明した（図１参照）。
本願では、ミストとは気体中に分散した液体微粒子を指すものとする。また本願では、殺菌と除菌を区別する。殺菌は、細菌やウイルスの不活化を指し、除菌は、殺菌及び細菌やウイルス実体の物質的除去を包むものとする。

先に示した空気清浄機市販品も先願の発明例も外装こそ一体化された形態を持つが、内部では明確に空気を送る送風部と殺菌部・除菌部が別個の構造要素として存在する。しかし想定外の発見は、感染性飛沫、感染性飛沫核を含むミスト一般が、送風機自体に直接捕集されその場で殺菌される可能性を示唆している。送風機によるミスト捕集は、例えば厨房換気扇にたまる油煙の油などの現象から日常的には既知だが、それを詳細に調べた前例がない。そこで、この発見を新規の空気除菌装置の発明に応用するため定量実験を行った。以下その結果および理論的考察につき記載する。
（発明課題及び発明形態を確定するための実験）

送風機によるミスト捕集は、用いた送風機がシロッコファンを用いた遠心型であることを考えると首肯できる事象である。既に固体の塵埃については遠心集じん機として回転気流の遠心力が利用されている（非特許文献５）。遠心送風機においても、遠心力が働けば、ミストが送風機ケーシング内壁に衝突し濡れることで捕集されても不思議ではない。
遠心力集じんの場合、塵埃は固体が想定されているので、ケーシング内壁に付着せず落下するが、ミストは液体であるので送風機内壁に容易に濡れ捕集され得る。実際、送風機内部を吐出口側から撮影すると、実験後、図１Ａに示すようにケーシング天井壁に水滴が観測された。ただ人の口から発せられる飛沫には大きさの分布があり、一般的に小さい飛沫や飛沫核ほど捕集しにくいので、除菌につき定量的な推計をするには、捕集率をミストの大きさとの対応で考える必要がある。また、除菌送風機としての性能を確定する上で、遠心羽根車の構造、気流路の構造、ケーシング内壁の親水性、捕集ミストの殺菌法なども考慮すべき重要な発明要素である。こうした事前の考察を経て、新日本空調（株）の協力のもと以下の実験を行った。

実験概要：市販携帯扇風機（ベルトに装着する小型扇風機で羽根車にシロッコファン利用）の原型と改良型（図２参照）につきミスト捕集率を比較した。粒径５μｍを中心に幅広いサイズ分布を持つミストの発生には、新日本空調（株）製純水ミスト発生器ｐｌｕｓ Ｔｒａｃｅｒを用いた。異なる径の浮遊粒子の粒子数の計数には、東京ダイレック（株）製のパーティクルカウンター
ＡｅｒｏＴｒａｋ９３０３を用いた。図３Ｃに示すように、送風機の入り口と出口にパーティクルカウンターを置き、送風機吸入気流と吐出気流中の粒子数を同時に３０秒間カウントし、その変化からミストの捕集率を推計した。目には見えないが、通常の生活空間には極めて多数の塵埃がありミスト粒子数カウントの背景ノイズとなる。その背景ノイズを除くため本実験では新日本空調（株）のクリーンルーム設備を使用した。

実験条件：後述の理論解析でも述べるように、ミストの捕集率は、ミストのサイズ、羽根車の回転速度、回転半径、羽根車の終端からケーシング内壁までの距離に依存する。遠心送風機のモデルとして使用した市販携帯扇風機の改良はこの点を考慮したもので、図２Ｂに示すように気流との衝突を促進しミスト捕集率を向上するための気流衝突板を気流路に多数設けた。このケーシング構造の改変は、羽根車と内壁間距離を縮小することと等価以上の効果があると考えられる。
市販携帯扇風機の羽根車回転は３段変速なので、これを活用して捕集確率の羽根車回転速度に対する依存性を調べた。羽根車からケーシング内回転流路に出た気流は、ほぼ１回転で外部に吐出されるので、回転流路に入ったミストは羽根車１回転以内にケーシング内壁に衝突しなければ捕集されない。大きいミストは遠心力が強くケーシング内壁に向かう速度も速いので、例えば羽根車半回転時間内に衝突し捕集率を高める。小さいミストは逆に、羽根車１回転時間内に衝突せず捕集率を低める。捕集率は吸込口と吐出口の粒子濃度の差を数値処理して推計されるが、吸込気流路の計測部位を確定しパーティクルカウントを容易にするため、吸込口、吐出口の形を工夫した（後述）。

実験系：実際の実験系については、図３に構成の概要写真を乗せた。図３Ａはパーティクルカウ

子数を５秒ごとにカウントし、粒径０．３μｍ以上１μｍ未満、粒径１μｍ以上５μｍ未満、粒径５μｍ以上の３区分に分け出力する。この場合、粒子濃度は（０．２４ｘ積算カウント数）÷

このパーティクルカウンター２台を図３Ｃのように送風機の吸込口（図３Ｂ参照）と吐出口（図３Ｄ参照）に設置し、ある回数積算カウントする（今回は６回で３０秒間の積算）ことで両方の口近辺の空気中粒子濃度を測定する。両者の比から数１を用いて捕集率を推計できる。用いた市販送風機は吸込口、吐出口共に面積が広く測定部分を限定しにくいので、両口共に面積の制限を設けた。図２に示す制限吐出口、制限吸込口がそれである。制限吸込口の先には気流導入パイプを設けた（図３Ｂ参照）。

実験結果：ミスト捕集率Ｔは、気流の送風機吐出口と吸込口における粒子濃度比Ｒを元に以下の式を用いて推計した。

本来送風機捕集がなければ、粒子濃度は変化せずＲ＝１でＴ＝０％となる。１００％捕集なら吐出濃度は０なのでＲ＝０でＴ＝１００％となる。ただし、種々原因でＲ＞１なることがあり、Ｔが負となることがある。本実験でも粒径０．３μｍ以上１μｍ未満の時それが見られた。これは、微小ミストの場合、捕集率が低く各種の計測擾乱要因を受けやすく吐出粒子濃度が吸込粒子濃度を超えるためと考えられる。そこで表１には、粒径０．３μｍ以上１μｍ未満の時の濃度比で他の区分の捕集率を正規化した値も載せた。正規化推計は以下の式に従う。

Ｔ_Ｎは粒径０．３μｍ以上１μｍ未満の時の捕集率が仮に０％、すなわち吸込粒子がすべて吐出される場合（Ｒ＝１）を基準として他の区分の捕集率を正規化したもので、いわば計測擾乱要因が除かれた数値と考えられる。現実には粒径０．３μｍ以上１μｍ未満の時の捕集率は０％以上なのでこの正規化値は捕集率の下限、すなわち過少推計に当たると考えられる。

ａ：実験に使用した送風機（市販の携帯扇風機につき、吐出口改良および回転流路の改良を行う）
ｂ：粒径範囲は、パーティクルカウンターＡｅｒｏＴｒａｋ９３０３出力の３区分に対応
ｃ：羽根車の回転速度は、吐出口風速、送風機幾何構造及び流量係数を用いて推計）
ｄ：原型送風機は図２Ａに、改良型送風機は図２Ｂに対応
ｆ：数値が負になる理由は、（００１０）を参照

実験解釈（特に感染防止対策の観点での）：表１からは実験前に想定した２つの予想が定量化されている。（１）粒径の大きいミストほど捕集率が高い、（２）改良型送風機は原型送風機よりミスト捕集率が高い（気流衝突板の効果が認められた）、（３）正規化捕集率Ｔ_Ｎで見ると、回転速度が大きいほど捕集率が高い。ただ予想を超えたのは粒径５μｍ以上のミストに対する高い捕集率で、改良型送風機の場合は、捕集率Ｔは最高９９．９％であった。表１に示す捕集率Ｔより、改良した市販遠心送風機において、粒径０．３μｍ以上１μｍ未満のミスト捕集率約５０％、粒径１μｍ以上５μｍ未満のミスト捕集率９０％以上、粒径５μｍ以上のミスト捕集率９９％以上の達成が得られたので、感染症対策機器として除菌送風機という新技術が期待できるとわかった。ただし、粒径１μｍ以下の飛沫核に対する捕集率は十分とは言えないので、この新技術がウイルス感染症対策機器としてどの状況で有用となるかを考える必要がある。考えるべきファクターは、飛沫の初期及び経時のサイズ（粒径）分布に随伴した感染性である。感染性の観点から重要なのは、ある飛沫サイズに対応する粒子個数ではなく、ある飛沫サイズに捕獲された感染源個数である。特に粒径との関係で見るべき指標は、ある粒径範囲の飛沫、飛沫核に含まれる感染源総数が空気単位体積（１ｍ^３）当たりに何個あるかを示す濃度（個／ｍ^３）である。
まず飛沫サイズ分布の経時変化に対する理解を深めるため、飛沫と飛沫核に対し流布している誤解を解いておく。ＷＨＯの定義では、粒径５μｍ以上の吸入性エアロゾル（ミスト含む）を飛沫、飛沫が乾燥した吸入性エアロゾル残渣で粒径５μｍ以下のものを飛沫核と呼んでいる。この定義から一般に最初は大きい飛沫が時と共に蒸発し小さい飛沫核に間断なく移行すると理解するのは誤りである。理由は、粒径１００μｍ以下の飛沫は口から放出されて数秒以内に空中湿気との平衡でいわゆる平衡サイズに落ち着き（唾液中の塩や糖類、蛋白質の溶解物により飛沫の湿り気が保持されるため）それ以上サイズの変化はないからである。落ち着く平衡サイズは環境の湿度に依存するが、湿度１０～９０％の範囲でもとの飛沫サイズの半分程度であり、この蒸発平衡サイズを飛沫の初期分布にとればサイズ変動要因としての飛沫乾燥は除外される（非特許文献６）。しかし経験的に明らかなように空中の飛沫サイズは大から小に移行する。その移行要因として、重力落下と換気がある。除菌対象とすべき細菌やウイルスのサイズに関しては感染性も考慮すべき要素である。非特許文献６の報告では、飛沫サイズ分布に対応するインフルエンザウイルス感染性変化に関し、変化要因として重力落下と換気の他に環境湿度に依存したウイルス不活化が考慮された。
非特許文献６では、一人が咳をした場合、１度に約１０^５個のインフルエンザウイルスが放出され、５０ｍ^３の部屋を想定し、１ｍ^３あたり２ｘ１０^３個の初期濃度になるとしている。平衡サイズを考慮した初期粒径分布は、粒径５０μｍにピークを持つ分布で９９．９％以上が粒径５μｍ以上の領域に入る。インフルエンザウイルス濃度の粒径依存に関して注意すべきは、粒子体積は粒径サイズの３乗に比例するので、粒子数を考慮しても小粒子全体に含まれるウイルス総数は急激に減少することである。このためインフルエンザウイルス濃度分布は粒径５μｍ以下では０に向かって急激に減少し、粒径１μｍ以下に対応するインフルエンザウイルス濃度は相対的に０になるとしている（ＷＨＯが粒径５μｍ以上の飛沫を主要感染源とする根拠であろう）。この状況はウイルス総数が単調に減少する飛沫の粒径分布変化の全期間続く。従って、本願では感染とミスト粒径の対応につき粒径１μｍ以上の飛沫ミストを感染源として特定し問題とする。
湿度５０％、換気１時間に１回という条件のもとで、インフルエンザウイルス数全体は、１分後に５０％（１ｘ１０^３個／ｍ^３）、１０分後に９０％（２ｘ１０^２個／ｍ^３）、３０分後に９９％（２ｘ１０^１個／ｍ^３）、７０分後に９９．９％減少する。インフルエンザウイルス濃度の粒径依存分布については、１分後、ピーク値が粒径２０μｍであり、飛沫中インフルエンザウイルス数の分画は、粒径１μｍ以上でほぼ１００％、粒径５μｍ以上で約９９％を占める。１０分後、ピーク値が粒径１０μｍであり、飛沫中インフルエンザウイルス数の分画は、粒径１μｍ以上でほぼ１００％、粒径５μｍ以上で約９０％を占める。
重力落下、換気、不活化という感染源の自然減を考慮した除菌送風機の効果を見るために、除菌送風機本来の捕集率に自然減効果を加味した総合捕集率を、自然減少率と除菌送風機捕集率の相乗効果として定義すれば、改良型送風機で最大回転速度３１００ｒｐｍの場合、咳１分後の飛沫に対し、粒径１μｍ以上５μｍ未満ミストでは総合捕集率が９０％、粒径５μｍ以上ミストでは総合捕集率が９９％、咳１０分後の飛沫に対し、粒径１μｍ以上５μｍ未満ミストでは総合捕集率が９９％、粒径５μｍ以上ミストでは総合捕集率が９９．９％、咳３０分後の飛沫に対し、粒径１μｍ以上５μｍ未満ミストでは総合捕集率が９９．９％、粒径５μｍ以上ミストでは総合捕集率が９９．９９％となる。結局除菌送風機の導入により、他者に影響を与える感染性飛沫で粒径１μｍ以上のサイズのものを常時９９％除菌できると推計される。
ＷＨＯは、粒径５μｍのミストサイズを境に飛沫、飛沫核の区別をし、さらに新型コロナウイルスの主な感染経路を飛沫感染とし、空気感染ついては保留している。しかし、重要なのは恣意的な定義に基づく感染防止対策ではなく、上記に述べた感染性ミストのサイズ連続性を考えた対策である。除菌送風機は、感染源として考慮すべき粒径１μｍ以上のサイズのものの除菌に有効であるとの了解でいろいろな環境での使用を考えることが好ましい。

（実験に対応した理論的考察）
発明の課題と形態につきさらに明確な見通しをつけるため、実験結果と理論との対応を考察する。理論解析の基本は非特許文献５、非特許文献７を参考にした。
図４に理論解析に用いる遠心送風機の主要構造を示した。図中の記号および計算に用いる記号は以下の内容と単位を持つ（カッコ内は実験に用いた送風機での実寸。また原型送風機の場合の気流パラメーターを使用）。
Ａ：羽根車入口出口流路面積 ｍｍ^２（Ａ_１＝２πＤ_１ｂ＝５５４８ｍｍ^２、Ａ_２＝２πＤ_２ｂ＝６５６３ｍｍ^２）
ｂ：羽根幅 ｍｍ （１９ｍｍ）
Ｄ：羽根車と測定位置の直径 ｍｍ （Ｄ_１＝４６．５ｍｍ，Ｄ_１＝５５ｍｍ）
ｅ：羽根車の内径外径比（＝Ｄ１／Ｄ２） （０．８５）

大）
Ｈ：吐出部開口の高さ ｍｍ
ｆ：羽根車の回転速度（回転数／分） ｒｐｍ （３１００、２４００、１７００）
ω：羽根車の角速度（＝πｆ／３０） ｒａｄ／ｓ （３２４、２５１、１７８）
Ｑ：送風機吐出風量 ｍ^３／ｍｉｎ （０．７８，０．６，０．４２）
ｕ：羽根車周速度 ｍ／ｓ （ｕ_１＝０．５Ｄ_１ω＝７．５、５．８、４．１、ｕ_２＝０．５Ｄ_２ω＝８．９、６．９、４．９）
ｖ：気流絶対速度 ｍ／ｓ （ｖ_１＝７．５、５．８、４．１、ｖ_２＝８．９、６．９、４．９）
ｖ_ｒ：気流絶対速度の半径方向成分 ｍ／ｓ（ｖ_ｒ１＝７．５、５．８、４．１、ｖ_ｒ２＝ηｅｖ_ｒ１＝０．６４、０．４９、０．３５）
ｖ_θ：気流絶対速度の周方向成分 ｍ／ｓ （ｖ_θ１＝０、０、０、ｖ_θ２＝８．９、６．９、４．９）
ｖ_ｃ：半径方向外向きの遠心力由来速度 ｍ／ｓ
ｗ：気流相対速度 ｍ／ｓ （ｗ_１＝１０．６、８，２、５．８、ｗ_２＝０．６４、０．４９、０．３５）
β：流出角 ｄｅｇ （β_１＝１３５、β_２＝９０（実効値で滑りのため実際より減少）
η：流量係数 （原型送風機では０．１を仮定。羽根車回転速度（ｒｐｍ）の推計にも用いた。）
添え字
１：羽根車入口
２：羽根車出口

理論で考察すべき内容は、上記及び図４に示す諸元を入れたとき実験結果をどのような意味あいで再現するかである。その考察を通し遠心送風機の特性および発明課題を抽出する。特に微小ミスト捕集に係るパラメーターを特定し課題につなぐ考察を行う。以下箇条書きに理論解析の過程を記載する。
１、羽根車から出て回転流路に入った粒子が羽根車１回転以内に（安全係数を考え計算では半回転とした）ケーシング内壁に衝突し捕集される条件の検討。

５、ｖ_ｒ２は入口気流絶対速度の半径方向成分ｖ_ｒ１と流量係数η、羽根車の内径外径比ｅより：ｖ_ｒ２＝ηｅｖ_ｒ１
６、ｖ_ｃは遠心力と空気の摩擦抵抗つり合いから与えられる：ｖ_ｃ＝（ρ_ｐｄ_ｐ ^２Ｄ_２ω^２）／１８μ、ここでρ_ｐ粒子密度（水なので１とする）、ｄ_ｐは粒子直径、Ｄ_２は羽根車外径、μは空気の摩擦係数、ωは角速度である。

するのは、ｄ_ｐ＝７μｍ（３１００ｒｐｍ）、８μｍ（２４００ｒｐｍ）、９．５μｍ（１７００ｒｐｍ）である。これより、粒径１０μｍ以上のミスト径領域は遠心力が支配的と考えられる。
８、ミストの粒子径が５μｍ以下の場合、羽根車出口の気流速度半径成分ｖ_ｒ２が支配的となる。そ

空気が半径方向に平衡に流入すると仮定すると、ｖ_ｒ１＝ｕ_１｜ｔａｎ（β_１）｜＝πｆＤ_１｜ｔａｎ（β_１）｜／６０と

し、数３の条件はギリギリ満たされる。一方改良型送風機では、送風出口風量は原型送風機にく

され半回転条件に対応する数３を余裕で満たすので、捕集は完全に近いと予想される。表における原型送風機と改良型送風機の実験結果を見ると、遠心力捕集依存の粒径５μｍ以上ミストでは両者の捕集率に差がなく、粒径０．３μｍ以上１μｍ未満ミスト、粒径１μｍ以上５μｍ未満ミストで差が生じており改良型送風機の捕集率が高い。理論解析結果とのこの符合は、理論の正しさを示すとともに送風機によるミスト捕集効率化への具体的課題を明らかにした。

ところで実験に用いた遠心送風機はシロッコファンタイプであり、羽根が前方に傾いているため滑りなしのβ_２は９０ｄｅｇより大きい。これは絶対速度の周方向成分ｖ_θ２を大きくしかつ絶対速度の半径方向成分ｖ_ｒ２を相対的に縮小する。ｖ_θ２が大となることは遠心力を強めるので大きいミストを捕集しやすくする。一方ｖ_ｒ２が小となることは気流衝突が主駆動力である小さいミスト捕集を弱める。遠心送風機には、羽根が後方に傾いたいわゆるターボファンがあり、滑りなしのβ_２は９０ｄｅｇより小さい。この場合絶対速度の半径方向成分ｖ_ｒ２が絶対速度の周方向成分ｖ_θ２に比べ相対的に大きくなる。β_２を適正に選べばｖ_ｒ２は絶対的にも大きくなるので、小さいミストの捕集率が高まると考えられる。ただし絶対速度の周方向成分ｖ_θ２が減る分羽根車出口風量も減るので送風効率は減じる。シロッコファンを採用するか、ターボファンを採用するかは、ミスト捕集効率と風量効率の両者の特性を考慮して使用環境の状況により選ばれることになる。

（捕集感染源の殺菌に関する考察）
理論解析を含めた実験結果は、遠心送風機の気流路に関する構造パラメーターの適正化で高効率のミスト捕集を実現している。しかし内部に捕集されたミストは、ケーシング内壁表面に弱く付着した状態なので、放置すれば送風機自身の気流により再飛散するか他の塵埃に乗り外部に飛散され感染源となる危険性を持つ。そのため捕集ミスト中感染源のその場殺菌が必要となる。
固体表面に付着した細菌やウイルス類の殺菌法として安価な方法に抗菌塗料の塗布がある。銀系抗菌剤や光触媒機能素材など抗菌性能を持つ素材よりなる塗料には、多数の市販品があり菌の増殖防止効果や不活化効果が広く宣伝されている。ただし、効果発揮に時間がかかり短時間殺菌には不向きである。他の方法としては、食品類の除菌に伝統的に用いられてきた高温殺菌処理法がある。送風機全体または感染源を付着するケーシングを例えば８０℃に保持すれば殺菌効果は秒オーダーの短時間で発揮される。耐熱菌に対しても時間がたてば効果が発揮されるのであらゆる感染源に対応できると考えられる。ただし、ケーシング表面を急速に乾燥させるので、従来以上に表面に汚れが蓄積しメインテナンスへの対応が負担となる。また８０℃の温源を持つことが許されない状況や環境では適用困難である。本発明者によってもすでに示されたように（特許文献５～９）、常温で最も効率の良い殺菌法は、ＬＥＤを用いた紫外線殺菌である。ケーシング内壁に捕集されたミスト中の感染源は紫外線ＬＥＤ照明で比較的短時間で殺菌される。特に羽根車外周に設置すれば効率的な殺菌ができる。ただし、ＬＥＤへの給電を行うための特別な工夫が必要である。回転する羽根車上ＬＥＤへの給電方法としてワイヤレス給電がすでに提案されている（特許文献１０）。コストを別にすれば、紫外線照明はケーシング表面の汚れ除去効果も合わせ持つので最適であろう。
以上の議論において、捕集逃れミスト中感染源は、送風機内通過時間があまりにも短いので、いずれの殺菌法でも殺菌されないとした。原理的には非常に強力なＬＥＤや瞬間加熱器を用いれば、ミストに限らず固体微粒子付着の感染源も捕集に頼らず送風機通過時間内に殺菌できる。しかしあまりにも過大なエネルギー消費や高温化のため現実には実現困難である。実現可能範囲での短時間殺菌法や長時間殺菌法など種々の殺菌法を応用し、状況に応じ単独または複合的に適用することが好ましい。

（除菌に関する考察）
除菌送風機の性能は、最終的に感染源の捕集率と捕集された感染源の再飛散に係る殺菌率の両者に依存する。ここで除菌送風機の性能指標である除菌の効率、除菌率Ｅについて考察する。
捕集ミストの再飛散率をＨ、捕集ミスト中の感染源の殺菌率をＳとすると、ミスト捕集率Ｔの場合、除菌率Ｅは以下の数式で表現される。

捕集ミストを殺菌しなければ（Ｓ＝０）、除菌率Ｅは再飛散分（０，０１Ｈ）だけ、捕集率Ｔに比べ減少する。この再飛散分中の感染源を殺菌できれば、再飛散に含まれる感染源が減る（１－０．０１Ｓ）ので最終的に数４の除菌率となる。特に殺菌率１００％では、再飛散率Ｈの如何にかかわらず、
Ｅ＝Ｔ
となり、除菌率はミスト捕集率に等しくなる。再飛散と捕集は個別ミストで見れば時間差のある現象で、捕集後すぐに再飛散場合しばらくたってから再飛散する場合など確率的に起こる。さらに全体で見れば、捕集と再飛散は拮抗バランスする現象で両者が同時進行する。従って、定常的に見れば、吐出口からのミストにつきどれが捕集逃れでどれが再飛散か区別できない。ただ両者には時間差があるので、捕集ゼロ状態からはじめて、捕集率の経時変化をみれば再飛散率を特定できるだろう。この観点から数４は、純理論としての意味を持ち、除菌送風機における殺菌の必要性を明示し強調している。

特許４９２８８６９ 特開２０１１－０１０８３５ 特許６４７３９１０ 特許３９２４５８９ 特願２０２０－０９４９６４（便器内空気殺菌装置） 特願２０２０－０９７２５６（空気殺菌ハンドドライヤー） 特願２０２０－１０３３７４（局所空気殺菌装置） 特願２０２０－１２６８４６（移動体殺菌装置） 特願２０２０－１４５０３８（無菌化空調装置） 特開２０２０－１３４０２６

ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｄｙｓｏｎ．ｃｏ．ｊｐ／ａｉｒ－ｔｒｅａｔｍｅｎｔ／ｐｕｒｉｆｉｅｒ－ｈｕｍｉｄｉｆｉｅｒ／ｄｙｓｏｎ－ｐｕｒｅ－ｈｕｍｉｄｉｆｙ－ｃｏｏｌ／ｐｈ０１－ｄｙｓｏｎ－ｐｕｒｅ－ｈｕｍｉｄｉｆｙ－ｃｏｏｌ－ｗｈｉｔｅ－ｓｉｌｖｅｒ．ａｓｐｘ（加湿空気清浄機） ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｄａｉｋｉｎａｉｒｃｏｎ．ｃｏｍ／ｃａ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ（ストリーマ空気清浄機） ｈｔｔｐｓ：／／ａｘｅｌ．ａｓ－１．ｃｏ．ｊｐ／ａｓｏｎｅ／ｇ／ＮＣＮ８０３８９６８／（空気殺菌灯） ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｉｔｒｉｄｅ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／Ｇｅｒｍｉｃｉｄａｌ－Ｌａｍｐ．ｈｔｍｌ（ハンディＵＶ－ＬＥＤ殺菌灯） 金岡千嘉男、牧野尚夫、「はじめての集じん技術―基礎から応用まで」、日刊工業新聞、２０１３年。 Ｗａｎ Ｙａｎｇ，Ｌｉｎｓｅｙ Ｃ．Ｍａｒｒ，Ｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ Ａｉｒｂｏｒｎｅ Ｉｎｆｌｕｅｎｚａ Ａ Ｖｉｒｕｓｅｓ Ｉｎｄｏｏｒｓ ａｎｄ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｎ Ｈｕｍｉｄｉｔｙ，ＰＬｏＳ ＯＮＥ，Ｖｏｌｕｍｅ ６（Ｉｓｓｕｅ ６）ｅ２１４８１－１～１０，２０１１． ｈｔｔｐｓ：／／ｇｉｊｙｕｔｓｕ－ｋｅｉｓａｎ．ｃｏｍ／ｗｅｂａｐｐ／ｍｅｃｈ／ｃａｌｃ＿ｆａｎ／ｃａｌｃ＿ｆａｎ＿ｄｅｔａｉｌ．ｐｄｆ、技術計算研究所、「遠心ファン設計ツール」 石田鉄光、紫外線殺菌の効果に関する研究、補綴誌ＪＰＮ Ｐｒｏｓｔｈｄｏｎｔ Ｓｏｃ，３９，９３９～９４７，１９９５。 ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｉｗａｓａｋｉ．ｃｏ．ｊｐ／ｏｐｔｉｃｓ／ｃｈｉｓｈｉｋｉ／ｕｖ／０２．ｈｔｍｌ、岩崎電機株式会社ホームページ、照明、光応用の知識、紫外線殺菌、２．紫外線による殺菌・不活化、表２。

実証実験と理論解析の結果及び除菌に関する考察より除菌送風機に係る以下の課題が抽出できた。
１、吸込み空気をケーシング内壁に効率的に衝突させる遠心送風機を用いること（遠心力問題、気流衝突問題）、
２、衝突気流中のミストをケーシング内壁に効率的に捕集できること（捕集率問題）、
３、ケーシング内壁に捕集された感染源を殺菌できること（殺菌問題）、
４、殺菌率を定量化できること（殺菌率問題）、
５、送風機内をクリーンに保持しメインテナンスフリーを容易にすること（保守容易性）
５、無人連続運転に耐えること（頑強性）、
６、いろいろな環境の室内空間に対応して敷設できること（汎用性）。

遠心力問題に関わる送風機パラメーターは、第一義的には羽根車の直径と回転速度であり、両者が大きいほど捕集率が向上する。これは除菌送風機の特筆すべき性質で風量増大が捕集による除菌効率を毀損せずむしろ強化する。
気流衝突問題は理論で見たように羽根車構造、ケーシング構造、気流路構造に複雑に依存するが、大勢としては、大きいミストは遠心力駆動、小さいミストは気流駆動である。特に気流駆動の場合、数３に見られるように捕集性能は送風機の幾何学的構造パラメーターのみに依存し送風機のサイズや羽根車回転速度に依存しない。これは捕集効率が、半径方向成分ｖ_ｒ２と周方向成分ｖ_θ２の比で決まり、それらの絶対値に拠らないからである。また吐出風量とミスト捕集率には概略トレードオフがあり、ミストの気流衝突頻度を増やし捕集率を増大させる工夫をすれば風量は減じる。シロッコファン型送風機にするか、ターボファン型送風機にするかの選択もこの観点から考慮するのが好ましい。
捕集率問題は第１義的に気流衝突問題だが、衝突後のミスト保持にはケーシング壁の濡れ性が関わる。そのため親水性塗料塗布による親水性増大が好ましいが、殺菌に使用される紫外線は有機物を破壊するので、有機親水性塗料は短寿命を前提に用いられる。装置の長寿命化には無機親水性塗料が好ましい。
殺菌問題及び殺菌率問題は、先願特許（特許文献５～９）に詳述されているが、そこで検討された空気殺菌とは異なる局面が除菌送風機にはある。送風機内殺菌はケーシング内壁に付着固定した感染源に対してであり、空中浮遊の感染源のように流れ去るものではない。従って、羽根車に固定されたＬＥＤ光源の長時間照明で高い殺菌率が達成され得る。先願特許では、殺菌箱内を３０秒以内で流れ去る空中浮遊の感染源に対し殺菌を行うため強力なＬＥＤ光源を必要としたが、除菌送風機では、捕集された感染源が再飛散する以前の、例えば数分以内で殺菌すればよく、ＬＥＤ光源強度への要求は小さい。羽根車に固定された十分な光出力のＬＥＤなら１個でも、羽根車の回転で捕集されるミストの軌跡をなぞる形で回転紫外線源が捕集ミスト全体を照明し、１００％近い殺菌が可能である。
保守容易性は、ＬＥＤ照明による殺菌問題と関係しており、紫外線照明による殺菌は同時に有機物破壊なので細菌やウイルスのみならずほとんどの塵埃は破壊され、送風機能で外部に吐出される。砂などの無機物も壁面付着が弱ければ外部に吐出されるので長期間のメインテナンスフリーが可能となる。
頑強性については、送風機一般の頑強性を備えている。唯一新たに付加される要素としてのＬＥＤとＬＥＤ給電系が問題だが、ＬＥＤは長寿命、また磁石仕様の発電原理を給電に用いれば、送風機のモーターと同等の頑強性が保証できる。
汎用性については、一般に流布している各種遠心送風機全てにつき除菌型に改変可能なので制限のない汎用性を保証する。
以上の課題と課題解決について行った考察を元に以下に課題解決手段を記載する。

第１の発明は、遠心送風機であって、吸込み気流中の飛沫や飛沫核などのミストをケーシングの内壁に９０％以上の効率で捕集し、捕集されたミスト中の感染源をその場で殺菌するための殺菌機器をケーシングに内蔵していることを特徴とする除菌送風機である。

第１の発明によれば、遠心送風機のミスト捕集機能と捕集ミストの殺菌機能を同一装置に一体化することで、通常遠心送風機を除菌送風機に改変できる。

第２の発明は、第１の発明において、殺菌機器は、電力供給する発電部と共に、
羽根車に内蔵される紫外線発生装置である
ことを特徴とする除菌送風機である。

第２の発明に係る除菌送風機によれば、ケーシング内壁に捕集されたミストを内蔵された紫外線源で常時に照明し捕集ミスト中の感染源を殺菌出来る。

第３の発明は、第２の発明において、紫外線発生装置は、波長範囲が１８０ｎｍから３７９ｎｍのいずれかに中心波長をもつ紫外線を発生する１個乃至複数個の紫外線ＬＥＤであって、羽根車の外周側に固定され、ミスト捕集したケーシング内壁を羽根車回転時に全面照明することを特徴とする除菌送風機である。

第４の発明は、第２の発明にいて、発電部は、ケーシングに固定された磁石と協働する電磁誘導発電機を羽根車に持ち、羽根車回転時に発生した交流電力を、発電部に付随する整流回路を通じ羽根車内蔵の紫外線ＬＥＤに供給することを特徴とする除菌送風機である。

第４の発明に係る除菌送風機によれば、羽根車と共に回転するＬＥＤへの電力供給を同じく羽根車と共に回転する発電部より実行できるので送風機への除菌機能付加を構造的経済的に最適化できる。

第５の発明は、第１の発明において、殺菌機器は、ケーシング内壁に付着したミスト中の感染源を高温殺菌するために、ケーシングの外壁に装着される加熱機器であることを特徴とする除菌送風機である。

第５の発明に係る除菌送風機によれば、ケーシング内壁に捕集されたミスト中の感染源をケーシング外壁に装着された加熱機器で効率的に殺菌出来る。

第６の発明は、第５の発明において、加熱機器は、ケーシングの内壁を６０℃から１２０℃に保持しうる電力容量を持つヒーターであることを特徴とする除菌送風機である。

第７の発明は、第６の発明において、ヒーターは、リボンヒーター、セラミックヒーター、ゴムヒーターのいずれかであることを特徴とする除菌送風機である。

第８の発明は、第１の発明において、殺菌機器は、ケーシング内壁に担持される抗菌塗膜であることを特徴とする除菌送風機である。

第８の発明に係る除菌送風機によれば、ケーシング内壁に捕集されたミスト中の感染源はケーシング内壁の抗菌塗膜で定常的に殺菌出来る。

第９の発明は、第８の発明において、抗菌塗膜は、銀系抗菌剤、植物由来抗菌剤、金属イオン系抗菌剤、光触媒機能素材のいずれかよりなる塗布膜であることを特徴とする除菌送風機である。

第１０の発明は、第１の発明において、ケーシングは、飛沫、飛沫核などのミスト捕集効率を向上するために、ケーシング内壁に気流衝突板を複数有することを特徴とする除菌送風機である。

第１１の発明は、第１の発明において、ケーシングは、飛沫、飛沫核などのミスト捕集効率を向上するために、ケーシング内壁と羽根車外側間距離を通常設定の距離より小さく、例えば半分以下に設定されていることを特徴とする除菌送風機である。

第１２の発明は、第１の発明において、ケーシングは、飛沫、飛沫核などのミスト捕集効率を向上するために、羽根車に空気を送る吸込み口の開口形状が改変され、気流路のスクロール舌部位からはじまり吐出口から遠ざかるような半円弧様の吸込み口形状を有することを特徴とする除菌送風機である。

第１３の発明は、第１の発明において、ケーシング内壁における飛沫、飛沫核などのミスト捕集効率を向上するために、羽根車に空気を送る吸込み口の開口形状を改変し、気流路のスクロール舌部位からはじまり吐出口から遠ざかるような半円弧様の吸込み口形状を有することを特徴とする除菌送風機である。

第１４の発明は、第１の発明において、ケーシング内壁は、送風圧による送風機外部への再飛散を防ぎ捕集率を高めるために、捕集ミストを強固に保持する親水性塗膜を有することを特徴とする除菌送風機である。

第１４の発明に係る除菌送風機によれば、ケーシング内壁に衝突するもののスリップし捕集を免れるミストを減らしミスト捕集率を高めるとともに、捕集ミストの外部再飛散による性能低下を防止できる。

第１５の発明は、第１４の発明において、親水性塗膜は、有機または無機の親水性塗料の塗布膜であることを特徴とする除菌送風機である。

第１６の発明は、第１５の発明において、無機親水塗料は、有機物破壊の光触媒機能を持つ酸化チタンであることを特徴とする除菌送風機である。

遠心送風機の機能的副産物であるミスト捕集能と内蔵されている紫外線ＬＥＤ照明による殺菌能とを結合することで、通常遠心送風機を除菌送風機に機能転換し、人の集まる空間を除菌清浄化できる本願発明は、新型感染症の脅威に苦悩する現行社会における感染対策の基本機器として、産業のみならず社会のあらゆるセクターで効果を持つ。

遠心送風機（シロッコファン型）におけるミスト捕集観察例。Ａ、吐出口より覗いたケーシング天井壁の水滴観察 Ｂ、吐出口内部観察用の撮影セットアップ。吐出気流と吸込気流は直交している。 実験に用いた市販遠心送風機（携帯扇風機）の内部構造。Ａ、吐出口を制限した原型機 Ｂ、ケーシング内壁に気流衝突板を設置しかつ吐出口を制限した改良型 Ｃ、吸込口を持つ羽根車の覆い蓋。ハッチ部分は吸込口を制限した時の吸込開口部 ミスト捕集実験セットアップの概要写真。Ａ、粒子数計測に使用されたパーティクルカウンター（東京ダイレック製） Ｂ、ミスト遮蔽板に囲まれた送風機の上部からの観察。送風機吸込み口は気流導入パイプに連結された制限吸込口板で覆われている。パーティクルカウンター吸込み口に接続された拡張パイプの先端が気流導入パイプとミスト吐出口の中間に置かれている。Ｃ、粒子数計測の全容写真。右側から風洞に向けミストがミスト発生器より放出されＢに示す送風機設置部位に導かれ、２台のパーティクルカウンターにより吸込み側と吐出側の気流中のミストがカウントされる。クリーンルーム使用により背景の塵埃ノイズは除去され、ミストのみがカウントされた。Ｄ、吐出側に設定されたパーティクルカウンター。制限された吐出口に向けてパーティクルカウンター吸込み口が設置された。 ミスト捕集の理論推計に用いられる除菌送風機簡易構造図（アルファベット記号の説明は本文（００１４）参照）。Ａ、羽根車を強調した横断面図 Ｂ、吐出口側から見た正面図 Ｃ、除菌送風機の基本形態とミスト捕集効率化のための改良形態の図。Ａ、遠心型除菌送風機の基本形態。Ｂ、改良形態１ Ｃ、改良形態２ Ｄ、改良形態３ Ｅ、改良形態４ ＬＥＤへの電力供給を行う羽根車内蔵給電部を示す概要図（アルファベット記号の説明は（００６０）参照）。Ａ、羽根車に内蔵された発電機（鉄心、コイル）、整流回路及びＬＥＤを示す図 Ｂ、羽根車内蔵発電機の鉄心コイルと協働するケーシング側面に固定された磁石の図 Ｃ、送風機の羽根車横断面（Ａ、Ｂの図を貫く一点鎖線での裁断面）で示す発電部模式図 Ｄ、ＬＥＤを含む整流回路模式図

課題の抽出と解決への考察より明らかになった除菌送風機の発明の実施形態を記載する。本願は、送風機と一体化された除菌を目的としており、以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。また本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（基本形態）
図５Ａに発明の基本形態を示した。この基本形態では、通常遠心送風機１に紫外ＬＥＤ４１とＬＥＤ給電部４０を内蔵させ、吸込み空気中の感染源を含む飛沫などのミストをケーシング２１の天井面内壁に捕集しつつ、羽根車１０の外周に取り付けたＬＥＤ４１の紫外線照明により効率的に殺菌し除菌する。ＬＥＤ４１（図では遠心バランスのため２個を想定したが、片方をダミーとし実働個数は１個でも良い）は、羽根車１０の回転に伴い至近距離からケーシング内壁を死角なく絶えず照明するので、内壁に捕集された感染源を１００％に近い効率で殺菌出来る。この場合、最終的除菌率は、遠心送風機のミスト捕集率で決定される。従って、除菌率向上には、ミスト捕集率向上が必須となる。先の理論から、ミスト捕集率向上には、回転気流中ミストが大きく周回する前にケーシング内壁に衝突することが要求されるが、そのための改良形態を４つ提示する。
なお図５にはシロッコファン型の送風機を例示しているが、ターボファン型送風機についても同様の議論ができる。両者の特質については、捕集率と風量の関係に関する説明で後に触れる。
（改良形態１）

図５Ｂのように、吐出開口の高さＨを小さくし、気流路全体にわたって羽根車とケーシング

るが、風量低下の代償がある。
（改良形態２）

図５Ｃのように、ケーシング壁に気流衝突用衝突板を多数（２２ａ～２２ｑ）設け、羽根車とケ

い距離の移動後衝突板に当たり隣り合う衝突板が作る区画にトラップされ渦巻きを作るので、気

スムーズに流れる気流路は狭くなるため風量低下の代償がある。
（改良形態３）

図１Ａに見られるように、基本形は吐出開口から覗くと内部の羽根車が見える。これはミストがケーシング内壁に捕集されずに開口から吐出される確率を高める。図５Ｄのように、吐出開口をスクロール状に長く伸長することで、外部に直接吐出されるミストをケーシング内壁に衝突させ捕集率を向上できる。ただし吐出開口を長く伸長すると気流抵抗が増え風量低下の代償がある。
（改良形態４）

既に述べたように、羽根車から気流路に出たミストはケーシング内壁に衝突する前に周回する。従って吐出口近辺に来たタイミングで羽根車放出されたミストはケーシング内壁衝突前に吐出口から排出され捕集されない。この吐出開口直行を防ぐには、ミストの羽根車出口部位が吐出開口部位から離れた気流舌部近辺にあればよい。そのために図５Ｅのように、気流路舌部から渦巻き状に吐出開口に向かう気流路に沿って制限された吸込み開口部３１を設ければ捕集率を向上できる。ただし、吸込み口の他の部位２８は遮蔽されるので、吸込み空気量は制限され風量低下の代償がある。

改良形態に共通するのは、ミスト捕集率向上を送風量減少と引き換えに行うことである。この拮抗問題は、遠心送風機の型の選択問題、すなわちシロッコファンかターボファンかの選択問題で既に議論しているが（００１８参照）、翻ってフィルター法を含めたに微粒子捕集事象に共通する普遍的問題である。遠心送風機の場合、風量減少は羽根車の回転速度を増大させれば解消できるが、送風機のエネルギー消費を高める。ただし既に指摘したように、遠心送風機における羽根車の回転速度増大は、サイズを問わず遠心力駆動のミスト捕集効率を向上させるので、エネルギー消費増大に見合う利得があり、フィルターなど他のミスト捕集手法に比べ優位性がある。
実験結果から考え、種々の改良形態の改良点最適化は、おしなべて、ミスト捕集率で決まる除菌目標を粒径１μｍ以上５μｍ未満について９０％以上、粒径５μｍ以上について９９％に置くのが妥当であろう。ミスト捕集効率と送風量の拮抗問題は、この最適化設定で解答と考えられる。
（ＬＥＤの給電形態）

ここで本願の主発明の一つＬＥＤへの電力供給に関する給電形態につき詳述する。
ケーシング内壁への紫外線照明を効率的に行うには、紫外ＬＥＤを羽根車外周に固定し羽根車回転により壁を全面照明する方式が最適と考えられる。ミスト捕集は、羽根車から放射状に放出されたミストのケーシング内壁への衝突により行われるが、羽根車外周に固定されたＬＥＤからの紫外線も回転時には羽根車から放射状に放出されケーシング内壁を照明するからである。これによりミスト捕集部位に重なるように紫外線が当たり照明が自動的に最適化される。問題は回転しているＬＥＤへの電力供給である。これに関し、ワイヤレス給電法を用いた先願（特許文献１０）があることは既に触れた。明細本文には「受電側回路基板４７と送電側回路基板４８とは、ワイヤレスで、送電側回路基板４８から受電側回路基板４７に給電が可能なシステムとなっている」とのみ特定されそれ以上具体的な給電システムの説明がないが、想定されるのは送受信共振コイルを用いた磁界共振方式であり、回路が複雑であり本願では採用しない。

ワイヤレス給電法には何種かあるが、本願ではいずれも採用せず、外部からの給電を要しない自立型電磁誘導発電方式を採用する。羽根車回転エネルギーを直接電気エネルギーに高効率で変換できかつ構造的に頑強だからである。この方式は、羽根車回転により電磁誘導交流起電力を誘起し、整流回路を通じてＬＥＤに直流給電するもので、図６に示すような構成を取る。
図６Ａは、羽根車上の給電部の概要図で、羽根車が回転すると、鉄心４５を通過する固定磁石４６由来の磁束が変動し、鉄心４５を周回するコイル４４（電流方向を明示するため１重巻きを図示したが実際は多重巻き）に交流起電力が生まれる。この起電力を整流回路４２で整流し、所定の電圧でＬＥＤに給電する。これにより羽根車回転時は電磁誘導発電を通じ常時所定の電力がＬＥＤに供給され点灯が可能となる。定格電力の供給には所定の羽根車回転速度が必要だが、これは以下の理論解析から指定できる。またＬＥＤの使用電力には幅があるので、ある範囲の回転速度制御にも本願発明の給電システムは対応可能である。
（電磁誘導発電方式の詳細）

ここでは本願採用の外部給電不要自立型電磁誘導発電方式の実効性を確かめるための理論解析を記載する。
図６に電磁誘導方式の発電部及び回路の概要を示した。羽根車１０のシュラウド１５に６個の鉄心コイル（４４＋４５）が配置され（図６Ａ参照）、対向するケーシング側面２４には６個の永久磁石４６が磁極を交替しつつ配置されている（図６Ｂ参照）。図６Ａ、Ｂを貫く１点鎖線部分での断面図が図６Ｃで、磁極交替するペアーを取り出し電磁誘導の機序を描いている。羽根車１０が回転すると、羽根車上に固定された各鉄心コイルが、対向するケーシング側面上永久磁石のＮ極、Ｓ極を交互に通過するので、磁束の変動が生まれ電磁誘導によりコイル４４に交流起電力が発生する。この交流起電力を全波整流し直流電圧をＬＥＤ４１に供給するのが整流回路４２で、図６Ｄに図示されている（図６Ｄでは１個のＬＥＤを想定。図６Ａには遠心バランスのためＬＥＤ２個が描かれているが片方はダミーで良い。）。本願発電機は、同じく電磁誘導を用いる従来の直流発電機や交流発電機と構造が大きく異なるので、果たしてＬＥＤ電源用の所定の起電力を生成するかいなかが未知である。そこで理論解析を行い実現性と実効性につき考察した。

図６中の記号および計算に用いる記号は以下の内容と単位を持つ。
Ｖ：コイル１個の起電力 Ｖ

Ｖ_ｆ：ＬＥＤの順電圧 Ｖ
Ｖ_ｒ：整流用ダイオードの順電圧 Ｖ
Ｉ：ＬＥＤの実行電流 Ａ
Ｒ：整流回路の制限抵抗 Ω
φ：コイルを通過する磁束 Ｗｂ
φ_ｍ：磁石の磁束（Ｂｘ磁極面積） Ｗｂ
Ｂ：磁石の磁束密度 Ｔ
Ｎ：コイルの巻き数
ｎ_ｃ：羽根車に配置したコイル数
ｎ_ｍ：ケーシング側面に配置した磁石数
ｆ：羽根車の回転速度（回転数／分） ｒｐｍ
ω：羽根車の角速度（＝πｆ／３０） ｒａｄ／ｓ

以下に理論の骨子と磁石磁束密度（Ｂ）、磁束（φ，φ_ｍ）、磁石数（ｎ_ｍ）、コイルの巻き数（Ｎ）、コイル数（ｎ_ｃ）、羽根車回転速度（ω，ｆ）、制限抵抗（Ｒ）などの諸元に具体的数値を入れた計算結果を示す。なおＬＥＤの使用個数は１とした。またケーシング側面に円環上に並んだ磁石（図６Ｂ参照）の隣り合うＮ／Ｓ磁極ペアーがセットで交流起電力を生むとする。
１、コイルを通過する磁束は羽根車角速度ωで正弦的に変動：φ＝φ_ｍｃｏｓωｔ
２、その時の１コイルの起電力：Ｖ＝－Ｎ（ｄφ／ｄｔ）＝ωＮφ_ｍｓｉｎωｔ

図６Ａのようにコイルを６個、図６Ｂのように市販の小型ネオジウム磁石（磁束密度０．８Ｔ、直径１０ｍｍ）を６個並べた場合、コイル巻き数３０で羽根車の１分間回転数が３６００のとき実効起電

Ｖ、最大電流４００ｍＡ）を用いた場合、制限抵抗４Ωで実効電流２００ｍＡとなり、最大電流４００ｍＡ以内なので安全に紫外照明が持続できる。また実行電流２０～４００ｍＡでの運転を要求した場合、コイル巻き数３０（Ｎ）制限抵抗４Ω（Ｒ）では、対応する羽根車回転速度を２９００～４４００ｒｐｍの間で制御すればよい。これは回転速度に比例する風量調節をこの範囲で行ってもＬＥＤの点灯を安全かつ継続的に実行できることを意味する。また発電時に生ずる回転駆動モーターにかかる反作用としてのトルクも、３６００ｒｐｍのとき４．８×１０^－３［Ｎ・ｍ］なのでモーターへの負荷動力は１．８Ｗ程度であり、小型モーターでも対応可能である。負荷動力は整流回路の消費電力１．８Ｗ（実効電圧９Ｖ、実行電流２００ｍＡ）に正確に対応している。
上記理論解析の結果は、従来の遠心送風機のＬＥＤ照明除菌送風機への改変が、本願発明で合理的に行えることを示している。

粒径１μｍ以上の飛沫、飛沫核に対し９０％以上の除菌率、粒径５μｍ以上の飛沫、飛沫核に対し９９％以上の除菌率を持つ機器として除菌送風機を種々の感染症防止対策に使用できることを定量的に説明したが、さらに小さな飛沫核による感染、いわゆる空気感染を含む感染症対策には、さらに除菌率を高める必要性がある。その場合は、ミストサイズ依存性のない殺菌法との複合が有効である。本出願人の先願特許（特許文献５～９）では、ミストサイズ依存性のない紫外線殺菌法を空気殺菌法として利用し９９．９％殺菌をうたっている。この手法は送風機を用いるので、そこを除菌送風機に替えれば相乗効果で、除菌効率が向上し、飛沫感染、空気感染あらゆる事態に高度な感染防止対策が可能となる。一般に、従来の送風機を除菌送風機に替え、いわば予備除菌としての機能を付加すれば、その後の除菌への負荷を軽減する意味で経済的にも有利な状況が生まれる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について具体的に説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良または変形を行なうことができる。

送風機に新たに除菌機能を付加した本願機は、第１義的には、送風機能と除菌機能を合わせ持つあらゆる有用機器において除菌機能部位を無用化もしくは強化する形で利用される。その対象機器としては、本出願人の出願した空気殺菌装置（特許文献５～９）を含めた除菌空気清浄機一般や送風機付き殺菌装置などがある。第２義的には、送風機能のみもつ有用機器において、新たに除菌機能という価値を付加する形で利用される。対象機器としては、一般家庭や学校、オフィス、工場、劇場、映画館、車や飛行機などの移動体、などに設置された空調装置一般、扇風機、給排気装置、熱交換送風機などの風を送る有用機器一般がある。その他、送風機を用いるあらゆる機器一般に対し利用可能である。このため新型コロナウイルスの感染拡大を防止できる極めて有用な機器として社会や産業のあらゆる面において大いに利用される可能性がある。

１ 除菌送風機
１０ 羽根車
１１ 羽根
１５ シュラウド
１６ シュラウドトップ
２１ ケーシング天井面
２２ａ～２２ｑ 気流衝突板
２３ ケーシング吸込み口側面
２４ ケーシング磁石保持側面
２５ モーター
２６ 回転軸
２８ 吸込み口遮蔽板
３１ 吸込み口
３２ 吸込み口気流
３３ 送風機吐出開口
３４ 吐出口気流
３５ 回転気流
４０ 給電部（４３＋４４＋４７＋４８）
４１ 紫外ＬＥＤ
４２ 整流回路（４３＋＋４７＋４８）
４３ ダイオードブリッジ
４３ａ ダイオード
４４ コイル
４５ 鉄心
４６ ケーシング側面上磁石
４７ 制限抵抗
４８ 平滑化コンデンサー

理論で考察すべき内容は、上記及び図４に示す諸元を入れたとき実験結果をどのような意味あいで再現するかである。その考察を通し遠心送風機の特性および発明課題を抽出する。特に微小ミスト捕集に係るパラメーターを特定し課題につなぐ考察を行う。以下箇条書きに理論解析の過程を記載する。
１、羽根車から出て回転流路に入った粒子が羽根車１回転以内に（安全係数を考え計算では半回転とした）ケーシング内壁に衝突し捕集される条件の検討。

５、ｖ_ｒ２は入口気流絶対速度の半径方向成分ｖ_ｒ１と流量係数η、羽根車の内径外径比ｅより：ｖ_ｒ２＝ηｅｖ_ｒ１
６、ｖ_ｃは遠心力と空気の摩擦抵抗つり合いから与えられる：ｖ_ｃ＝（ρ_ｐｄ_ｐ ^２Ｄ_２ω^２）／３６μ、ここでρ_ｐ粒子密度（水なので１とする）、ｄ_ｐは粒子直径、Ｄ_２は羽根車外径、μは空気の摩擦係数、ωは角速度である。

は、ｄ_ｐ＝７μｍ（３１００ｒｐｍ）、８μｍ（２４００ｒｐｍ）、９．５μｍ（１７００ｒｐｍ）である。これより、粒径１０μｍ以上のミスト径領域は遠心力が支配的と考えられる。
８、ミストの粒子径が５μｍ以下の場合、羽根車出口の気流速度半径成分ｖ_ｒ２が支配的となる。そこで３、

／ｖ_ｒ２＜３０／ｆは以下の羽根車構造パラメーターによる表式に書き換えられる。

遠心送風機（シロッコファン型）におけるミスト捕集観察例。Ａ、吐出口より覗いたケーシング天井壁の水滴観察 Ｂ、吐出口内部観察用の撮影セットアップ。吐出気流と吸込気流は直交している。 実験に用いた市販遠心送風機（携帯扇風機）の内部構造。Ａ、吐出口を制限した原型機 Ｂ、ケーシング内壁に気流衝突板を設置しかつ吐出口を制限した改良型 Ｃ、吸込口を持つ羽根車の覆い蓋。ハッチ部分は吸込口を制限した時の吸込開口部 ミスト捕集実験セットアップの概要写真。Ａ、粒子数計測に使用されたパーティクルカウンター（東京ダイレック製） Ｂ、ミスト遮蔽板に囲まれた送風機の上部からの観察。送風機吸込み口は気流導入パイプに連結された制限吸込口板で覆われている。パーティクルカウンター吸込み口に接続された拡張パイプの先端が気流導入パイプとミスト吐出口の中間に置かれている。Ｃ、粒子数計測の全容写真。右側から風洞に向けミストがミスト発生器より放出されＢに示す送風機設置部位に導かれ、２台のパーティクルカウンターにより吸込み側と吐出側の気流中のミストがカウントされる。クリーンルーム使用により背景の塵埃ノイズは除去され、ミストのみがカウントされた。Ｄ、吐出側に設定されたパーティクルカウンター。制限された吐出口に向けてパーティクルカウンター吸込み口が設置された。 ミスト捕集の理論推計に用いられる除菌送風機簡易構造図（アルファベット記号の説明は本文［００１４］参照）。Ａ、羽根車を強調した横断面図 Ｂ、吐出口側から見た正面図 Ｃ、理論推計に用いた羽根車近傍の気流の速度ベクトル図 除菌送風機の基本形態とミスト捕集効率化のための改良形態の図。Ａ、遠心型除菌送風機の基本形態。Ｂ、改良形態１ Ｃ、改良形態２ Ｄ、改良形態３ Ｅ、改良形態４ ＬＥＤへの電力供給を行う羽根車内蔵給電部を示す概要図（アルファベット記号の説明は［００６０］参照）。Ａ、羽根車に内蔵された発電機（鉄心、コイル）、整流回路及びＬＥＤを示す図 Ｂ、羽根車内蔵発電機の鉄心コイルと協働するケーシング側面に固定された磁石の図 Ｃ、送風機の羽根車横断面（Ａ、Ｂの図を貫く一点鎖線での裁断面）で示す発電部模式図 Ｄ、ＬＥＤを含む整流回路模式図

Claims (16)

1. 遠心送風機であって、吸込み気流中の飛沫や飛沫核などのミストをケーシングの内壁に９０％以上の効率で捕集し、
   捕集されたミスト中の感染源をその場で殺菌するための殺菌機器を前記ケーシングに内蔵している
   ことを特徴とする除菌送風機。
2. 前記殺菌機器は、電力供給する発電部と共に、
   羽根車に内蔵される紫外線発生装置である
   ことを特徴とする請求項１に記載の除菌送風機。
3. 前記紫外線発生装置は、波長範囲が１８０ｎｍから３７９ｎｍのいずれかに中心波長をもつ紫外線を発生する１個乃至複数個の紫外線ＬＥＤであって、
   前記羽根車の外周側に固定され、
   ミスト捕集したケーシング内壁を羽根車回転時に全面照明する
   ことを特徴とする請求項２に記載の除菌送風機。
4. 前記発電部は、前記ケーシングに固定された磁石と協働する電磁誘導発電機を前記羽根車に持ち、
   羽根車回転時に発生した交流電力を、
   前記発電部に付随する整流回路を通じ、
   羽根車内蔵の前記紫外線ＬＥＤに供給する
   ことを特徴とする請求項２に記載の除菌送風機。
5. 前記殺菌機器は、前記ケーシング内壁に付着したミスト中の感染源を高温殺菌するため に、前記ケーシングの外壁に装着される加熱機器である
   ことを特徴とする請求項１に記載の除菌送風機。
6. 前記加熱機器は、前記ケーシング内壁を６０℃から１２０℃に保持しうる電力容量を持つヒーターである
   ことを特徴とする請求項５に記載の除菌送風機。
7. 前記ヒーターは、リボンヒーター、セラミックヒーター、ゴムヒーターのいずれかである
   ことを特徴とする請求項６に記載の除菌送風機。
8. 前記殺菌機器は、付着したミスト中の感染源を抗菌または殺菌するために、
   前記ケーシング内壁に担持される抗菌塗膜である
   ことを特徴とする請求項１に記載の除菌送風機。
9. 前記抗菌塗膜は、銀系抗菌剤、植物由来抗菌剤、金属イオン系抗菌剤、光触媒機能素材のいずれかよりなる塗布膜である
   ことを特徴とする請求項８に記載の除菌送風機。
10. 前記ケーシングは、飛沫、飛沫核などのミスト捕集効率を向上するために、
    前記ケーシング内壁に気流衝突板を複数有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の除菌送風機。
11. 前記ケーシングは、飛沫、飛沫核などのミスト捕集効率を向上するために、
    前記ケーシング内壁と前記羽根車外側間距離を通常設定の距離より小さく、例えば半分以下に設定されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の除菌送風機。
12. 前記ケーシングは、飛沫、飛沫核などのミスト捕集効率を向上するために、
    送風機吐出開口部として渦巻き形状の伸長気流ダクトを有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の除菌送風機。
13. 前記ケーシングは、飛沫、飛沫核などのミスト捕集効率を向上するために、
    前記羽根車に空気を送る吸込み口の開口形状が改変され、
    気流路のスクロール舌部位からはじまり吐出口から遠ざかるような半円弧様の吸込み口形状を有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の除菌送風機。
14. 前記ケーシング内壁は、送風圧による送風機外部への再飛散を防ぎ捕集率を高めるために、
    捕集ミストを強固に保持する親水性塗膜を有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の除菌送風機。
15. 前記親水性塗膜は、有機または無機の親水性塗料の塗布膜である
    ことを特徴とする請求項１４に記載の除菌送風機。
16. 前記無機親水塗料は、有機物破壊の光触媒機能を持つ酸化チタンである
    ことを特徴とする請求項１５に記載の除菌送風機。

Images