JP2023062129A - 接線流用途での角度付き吸着フィルタ媒体の設計 - Google Patents

Abstract

【課題】気相汚染物質を除去するための空気清浄システムまたはＨＶＡＣシステムに使用する、フィルタ媒体モジュールを提供する。【解決手段】フィルタ媒体モジュール２００は、フィルタフレームと、フィルタフレーム内に取り外し可能に設けられ、フィルタフレームを通過する最短経路を規定するフィルタ媒体２１４とを含み、フィルタ媒体が、フィルタ媒体を通過するチャネル２１２，２１２ａを含み、各チャネルは、最短経路より長いチャネル経路長を規定することを特徴とする。フィルタモジュールは、所定の用途に必要な滞留時間と圧力降下とを提供するために、気流に対して最適な角度に向けられたチャネルを含んでもよい。【選択図】図２Ａ

Description

近年、室内空気の浄化が、建物の居住者の健康への影響があるがゆえに、より一般的になってきている。ＥＰＡ（環境保護庁）は、室内空気品質（ＩＡＱ）を「特に建物の居住者の健康と快適性に関連する建物および構造物の内部および周囲の空気品質」と定義している。ＩＡＱの低下は、頭痛、疲労、集中力の低下、目、鼻、喉、肺の刺激などにつながり得る。空気品質はまた、建物内の各種製造工程および機器にとっても重要である。たとえば、データセンタには人がほとんどいないけれども、多くのサーバーは空気中の汚染物質に敏感である。これらの汚染物質は、粒子、生物、気相の３つの広いカテゴリに分類される。本明細書では気相汚染物質について詳細に説明するが、以下に説明するフィルタの用途はそれに限定されない。同様に、説明では「空気流」および「空気フィルタ」について言及しているが、本明細書で説明するフィルタを使用して他の流体を濾過してもよい。

気相汚染物質は、無数の屋内および屋外の発生源に由来し、建物内の居住者および各種の運転にさまざまな有害な影響を与える可能性がある。たとえば、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）は、塗料、カーペット、コピー機／プリンター、ラミネート家具、木材防腐剤、シンナー、接着剤、永久マーカー、化粧品、および特定のエアロゾルやプラスチックから出て、室内空気中に見出され得る。ＶＯＣへの曝露は、吐き気や頭痛から、肝臓や肺の損傷までの各症状を引き起こす可能性がある。さらに、建物の居住者は、ＣＯ_２を生成し、これもまた、希釈または除去する必要がある。

広範囲の気相汚染物質は、外部源から、たとえば、排気、腐敗した植生、野焼き、工業製造、水処理、および化学プラントなどからの室内空気にも見出すことがあり得る。汚染物質は、パルプおよび製紙工場のＨ_２Ｓ、ＳＯ_２およびその他の硫黄ベースの化合物から、エンジン排気中のＳＯ_２、ＮＯ_ｘ、および炭化水素に大きく変化する。

さらに、建物内での製造工程または製品が、空気が屋外に排出される前に除去されねばならない臭気および気相汚染物質を生成し、たとえばマリファナ温室や栽培施設におけるテルペンなどを生成するような多くの用途がある。

汚染物質を許容可能なレベルに維持するために、気相汚染物質を除去するか、比較的きれいな空気で希釈してもよい。どちらも建物に対しては、運転上の影響、およびエネルギー面での影響を及ぼす。屋外の空気を、希釈に使用するには、屋外の空気がきれいでなければならない。多くの都市部は、十分な品質の空気がなく、使用可能になる前に、清浄化する必要がある。さらにまた、たとえ空気が十分にきれいであっても、建物内に導入する前には、空気を調整（加熱、冷却、および／または湿度制御）する必要がある。気相汚染物質除去システムは、大きくて、高価で、設置が難しく、維持に費用がかかる。気相汚染物質の除去は、一般に、空気を、吸着剤、吸収剤、化学吸着剤、光触媒、触媒、または本明細書においてソルベと呼ばれる、除去特性を有する他の材料と接触させることにより達成されている。これらは、効果的なフィルタ媒体を形成するために、互いに組み合わせて、または他の材料と組み合わせて使用可能である。

活性炭は、気相汚染物質の除去のためにＩＡＱにおいて一般的に使用される吸着剤の１つであり、粉末、顆粒、ペレット、紙、およびハニカム構造体を含むいくつかの異なる物理的構造で存在する。活性炭は、石炭、ココナッツの殻、および木材を含む多種多様な材料から作られ得る。出発物質と活性化プロセスとは、最終活性炭製品における細孔構造と細孔容積に影響する。ほとんどの吸着はメソポアおよびミクロポア（直径５０ｎｍ未満）で行われ、それゆえ、５０ｎｍ未満のポア体積を最大にする活性炭を選択することが、これに限るわけではないが、媒体の全体的な性能における、考慮事項である。

物質移動ゾーン（ＭＴＺ）
物質移動とは、吸着媒体を使用して気流から気相汚染物質を除去するときに使用される用語である。容量ではなく、むしろＭＴＺの長さが、媒体の効率と寿命を決定するが、ＭＴＺの長さは業界では通常使用されない。というのも、これは測定が難しく、時間がかかるからである。

最終容量および物質移動ゾーン（ＭＴＺ）の長さは、気相汚染物質を捕捉する吸着剤システムを設計する際の２つの関連する因子である。最終容量とは、吸着剤が吸着可能である特定の汚染物質の総重量を指し、吸着剤の重量の割合（汚染物質の重量／吸着剤の重量）である。最終容量は通常、適用濃度をはるかに超える高濃度で測定され、各汚染物質と吸着剤との組合せによって様々である。ＭＴＺは、吸着剤の、吸着が活発に行われる部分であり、ＭＴＺの長さは吸着剤（タイプ、量、構造など）および条件（面速度、汚染物質、濃度など）に依存する。

ほとんどの用途において典型的または利用可能である、深さが比較的短い吸着媒体を使用する場合には、ＭＴＺの長さは、より重要な設計要素になる可能性がある。媒体の深さは、１００％の効率を提供するためには、少なくとも、ＭＴＺに等しくあるべきである。図１Ａに示されるように、ＭＴＺ２１は、吸着剤カラムの流入口２２から始まり、吸着剤が消費されるにつれて媒体の深さを通過して移動する。ＭＴＺ上方の吸着剤は、所定のチャレンジガス２３で飽和されており、もはや活性な吸着はない。ＭＴＺの下方には、ガス汚染物質がまだ到達していない新しい吸着剤２５がある。突破口は、ＭＴＺ２１が吸着剤のカラム全体を移動し、ＭＴＺの前縁２Ｘが吸着剤の端部に到達し、もはやガス汚染物質を捕捉しなくなったときに発生する。容量というよりはむしろ、ＭＴＺの長さが、特定の深さの媒体の効率と寿命を決定するが、ほとんどのメーカーはいまだにまだ、設計目的のために、吸着剤の媒体容量値を報告している。別の言い方をすれば、大容量は必ずしも、すべての状況において、効率と同等ではないということである。

さらなる空気濾過の背景
気相除去媒体の使用における別の因子として、空気流または圧力降下に対する抵抗がある。空気清浄は、しばしば、建物の暖房、冷房、換気（ＨＶＡＣ）システムで使用される。多くのＨＶＡＣシステムには、追加の圧力降下に十分なほどの強力なファンがなく、既存のシステムにおいての空気清浄の適用が制限されている。ファンが十分に大きく、かつ／または元の設計で空気清浄の必要性が考慮されていた場合でも、大きな圧力低下は、エネルギーと運用コストを増加させる可能性がある。

気相汚染物質を捕捉するために使用される収着材料は、ペレット形態でもよい。最も広く使用されている商用カーボン濾過システムは、カーボンペレットで満たされた、深さ１３インチの、正方形または長方形の２４×２４インチの穴あき「トレイ」を使用する。ペレットトレイモジュールは、通気に対して高抵抗であり、これらのシステムには強力なファンが必要である。さらに、カーボンペレットシステムは、カーボンダストを排出し、下流の粒子フィルタが必要であるので、追加の圧力降下と追加のスペース要件とが発生する。ペレットトレイはランダムな空気流チャネルを提供し、移動する空気はそこを通る最短経路を探し出し、ペレットトレイの一部を、未使用または使用中にする。時間の経過とともに、ペレットは、日中および季節的な、温度および湿度の変動にさらされ、また粒状残留物の破壊につながる、繰り返される振動にさらされる。最終的には、残留物は、スクリーンの材料をふさぐか、モジュールから出て下流の空気の流れに入る。振動はまた、ルーズな充填媒体に、未処理の汚染物質を含んだ空気がモジュールを通過可能とするようなチャネルまたは間隙を作らせることにつながる可能性がある。これらの問題と不確かなＭＴＺの長さとを克服するために、重要な用途のペレットシステムは非常に深くなければならず、さらに圧力損失が大きくなる。

典型的な用途では、ペレットトレイは、角度の付いたアレイに配設されて、表面積を増加させ圧力を低下させる。空気はペレットベッドを通る最短の経路を通るので、媒体経路の長さは１～３インチにすぎず、ＭＴＺの獲得に必要な長さより短い場合がある。さらに、ペレットの直径は通常２～４ｍｍであるので、特に一般的なシステムにおける空気の流れと接触時間で、ペレットの中心の吸着剤にアクセスするのが難しくなる場合がある。

活性炭などの、顆粒状またはペレット化された吸着材料を適用する別の形態は、多層媒体の層としてのものであり、吸着材料は複数層の通気性媒体の間に挟まれるか、または固定される。この媒体は十分に閉じられ、および／または吸着剤は十分に結合されて、塵が気流に移動するのを防ぐ。通常、この多層アセンブリは、全体の厚さが１／８インチから１／４インチの間であり、プリーツが付けられ、さまざまな深さのアセンブリにされる。これは、合理的な量の吸着剤を気流に取り込む効果的な手段であるが、空気は最短経路で媒体を通るので、ＭＴＺを獲得するために必要な深さはめったに達成されず、効率は通常低くなる。

ＶＯＣおよび他の気相汚染物質を捕捉するためのペレットに代わる１つの材料は、セラミック結合活性炭ハニカム構造体の使用である。通常、これらは正方形のグリッド断面を持ち、押出し、乾燥、高温焼成されて、定尺に切断され、モジュールに組み立てられる。これらのハニカム構造体には、以下の利点がある。
・ペレットトレイモジュールと比較して２０～７０％低い圧力損失。
・ペレットトレイシステムの推定された半分の重量。
・従来のペレット化されたカーボンベッドよりも、最大６倍の速度での、高速かつ効果的な媒体接触。
・吸着剤は完全にアクセス可能であり、より短いＭＴＺの長さ、より高い効率、および媒体の完全利用を可能にする。
・後濾過の必要性を排除した、安定した構造を有するダストフリーの媒体。

ハニカムモジュールは、いかなる深さでもよいが、典型的なＨＶＡＣ用途では、スペースおよび圧力降下を考慮して、通常、公称２インチの深さの正方形または長方形のパネルに配列されて、システムのフラットなまたは角度が付けられたラックに設置される。２インチの媒体は、経路長が比較的短く、特定の汚染物質のＭＴＺよりも短くなることも多い。これにより、一部の汚染物質や困難な環境で効率が低下したり、未使用の容量が生じたりする可能性がある。

この構造の有効性は、他の因子の中でも特に、接触／滞留時間の関数である。滞留時間を増やすために、利用可能な断面積が制限される場合があるので、構造に、多くの場合、気流に関して角度を付けて「Ｖ」字を形成する。これにより、空気の流れが遅くなり、滞留時間が長くなり、効率が上がり、ＭＴＺの長さが短くなる。

たとえば、ダクトは、カーボンハニカム構造の単一の平坦な２４×２４×２インチのパネルおよび２，０００ｃｆｍの空気流を備えた２４×２４インチの断面を有することが可能である。媒体速度は～５００ｆｐｍである。これらのパネルのうち２つが、気流内で「Ｖ」に形成されている場合、各パネルは、１，０００ｃｆｍとみなされ、媒体速度は２５０ｆｐｍになる。これにより、各パネルの対気速度が遅くなり、結果としてＭＴＺの長さが短くなり、媒体の効率が向上する。

ハニカムチャネルは、通常、流れに対してその形状を維持する。したがって、空気は構造体を通過して、ダクトに続くためには、急な曲がりを２回曲がらねばならない。これは圧力損失を追加させ、経路長を最大化するためのスペースの効率的な使用ではない。

これらのハニカムシステムは、現在の技術の最先端であるが、特に、空気経路長、効率、動作寿命、設計および吸着剤材料の柔軟性を高め、乱流を減らし、除去性能を改善するために改善することも可能である。少なくとも現在のところ、カーボンハニカムは他のフィルタシステムと比較して非常に高価であるので、特殊な用途以外では使用が制限されている。

図１は、フィルタ媒体と共に使用するための、エアダクトまたは通路９０内の１つの可能性のあるフィルタアセンブリ５０を示している。図示されているように、左から右への空気の流れがある。左から右に流れる空気は、２つのフィルタモジュール６０（図示されているように、より多くても、より少なくても可）を含むフィルタアセンブリ５０を通過する。フィルタモジュール６０は、取り付け端部６２で、取り付け端部６２を収容する大きさのチャネル８２を有する取り付けスリーブまたはアセンブリ８０と係合し、フィルタモジュール６０および／またはチャネル８２は、第２端部にシール８４を含んでもよく、シール８４は取り付けスリーブも含むことが可能である。シール８４は、フィルタアセンブリ５０周りの空気通過を防止する。各端部６３に臨む各フィルタモジュール６０は、フィルタアセンブリ５０の周りの空気の通過をさらに防止するフィルタモジュールシール６５で接する（実際のチャネルまたはジョイントを示すものではなく、むしろわかりやすく図示したものである）。

フィルタモジュール６０は、内部にフィルタ材料６６を含むフレーム６４を含んでもよい。フレームおよびフィルタ材料は、少なくとも、米国特許第３，２０９，０７４号；米国特許第４，６２０，６９１号；米国特許第４，６２８，３８６号；米国特許第４，６７１，１２６号；米国特許第４，７９０，２５９号；米国特許第４，９０８，６３４号；米国特許第５，１８４，７０６号；米国特許第６，５７４，１２３号；米国特許第７，６８６，８６９号；米国特許第７，６９１，１８６号；米国特許第７，７０８，８１３号；米国特許第８，０７０，８６１号；米国特許第８，２５２，０９５号；米国特許第８，２５２，０９７号；米国特許第８，７９５，６０１号；米国特許第８，８１４，９９４号；米国特許第９，７６４，３３１号；米国特許第９，７８９，４９４号；米国特許第９，８６１，９９０号、および米国特許出願公開第２０１６／０３０３４９９号に記載されているタイプのものであればよく、その内容は、本明細書に完全に記載されているかのように参照により組み込まれる。

フィルタアセンブリとダクト７０との間、および隣接するフィルタモジュール７２間の取り付け点は、空気流の通過を防止する領域を作り得る。これにより、乱流、圧力損失の増加、およびフィルタアセンブリ５０を通る不均一な空気の流れが生じる可能性がある。したがって、ハニカムモジュールを傾けると、フラットモジュールに比べて、表面積が増加し圧力降下が低下するが、その低下は、ブロックされた空気流、不均一な空気流、および方向の変化のために線形性に劣る。

また、多くの用途においては、空気、液体、または気体は、構造体との接線方向の接触を通じて何らかの変化（たとえば、加熱、冷却、洗浄）をもたらすように設計された同様の角度の付いた構造体を流れる。これの例としては、ＨＶＡＣシステムのコイル、車のラジエーター、または気流のカーボンハニカムマトリックスがある。

上記に基づいて、広範囲の用途においてフィルタを通過するフローに関連する多くの課題がある。

気相汚染物質を除去するための空気清浄またはＨＶＡＣシステムでのモジュール使用のための媒体設計。この設計では、可変媒体長、経路長、および接触時間を使用してガス汚染物除去を制御し、ＭＴＺの長さを抑えて圧力損失を低く抑えることが可能である。一実施形態では、本構成は、空気流に対してある角度が付けられたフィルタモジュールと、フィルタフレーム内に取り付けられたエアフィルタとを含む。フィルタモジュールは、所定の用途に必要な滞留時間と圧力降下とを提供するために、空気流に対して最適な角度に向けられたチャネルを含んでもよい。

明瞭にするために、以下では、水平な、ダクト配設および空気流で説明する。ただし、実際のアプリケーションでは、ダクトは、垂直または斜めに走ってもよい。さらに、モジュール自体をダクト内で回転させてもよい。

物質移動ゾーンの適用例を示す。 従来技術のフィルタ構成を示す。 図２Ａは、フィルタモジュールの側面等角図を示す。図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄおよび図２Ｅは、それぞれ、図２Ａの線２Ｂ－２Ｂ、２Ｃ－２Ｃ、２Ｄ－２Ｄおよび２Ｅ－２Ｅによる側面断面図を示す。 図３Ａおよび図３Ｂは、使用中のフィルタモジュールのフィルタアセンブリの正面図を示す。 図４Ａは、フィルタモジュールの代替正面図を示す。図４Ｂおよび図４Ｃは、それぞれ、図４Ａの線４Ｂ－４Ｂおよび４Ｃ－４Ｃによる側面断面図を示す。図４Ｄは、図４Ａの線４Ｄ－４Ｄを通る側面図を示す。 図５Ａおよび図５Ｂは、図４Ｄの図の代替側面図を示す。 図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃおよび図６Ｄは、代替のフィルタ媒体を示す。図６Ｅは、さらに別のフィルタ媒体配設を示す。 図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ、図７Ｄおよび図７Ｅは、別の代替フィルタモジュールを示す。 図８Ａおよび図８Ｂは、フィルタハウジングを示す。

フィルタ媒体モジュール
図２Ａ～図２Ｅ、図３Ａおよび図３Ｂ、図４Ａ～図４Ｄ、図５Ａ、図５Ｂに示すように、エアフィルタモジュール２００，４００は、通過する空気を濾過する空気ダクトまたは通路９０内に、それ自体取り外し可能に配設してもよいエアフィルタシステム３００（本明細書では一般に「エアフィルタ」と呼ばれる）内に取り外し可能に配設されてもよい。濾過される空気流へのフィルタ媒体２１４，４１４の露出を最大にし、圧力降下を最小にするために、フィルタモジュール２００，４００を空気流に対して傾斜させてもよく、この場合、フィルタモジュールの前面（空気の流れに面する）からフィルタモジュールの背面までの空気流のための最短経路は、断面線２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ－２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅとして示される線に沿って定義されることが理解され、この線によって、本出願全体で説明されている、チャネルを通過する空気流経路が、より長いチャネルと対比されている。

たとえば、フィルタモジュール２００，４００を通るチャネル２１２，２１２ａ，４１２，４１２ａは、フィルタモジュール２００，４００を通る圧力降下を最小限にし、空気流の経路長（および媒体２１４の気流への暴露）を増大させるために、空気流に平行に配向されてもよい。この平行なチャネル配設では、可能な経路長は、フィルタ媒体２１４にさらされるチャネル２１２内の領域内で定義され、図２Ｃではほぼ長方形であり、さらに、図２Ｂのビーズ２１７間に存在し、これによって、そこを通過するより曲がりくねった経路長が可能になる。図２Ｄ，図２Ｅ，図５Ａ，図５Ｂに示す実施形態では、しかしながら、経路長は、異なった形状に形成され、蛇行するチャネルを使用して、空気流に乱流を作ることによって、チャネルの長さおよびフィルタモジュール２００内の継続時間のためにフィルタ媒体に露出されるさらに多くの空気流を作ってもよい。

チャネルは、以下に定義される材料タイプのフィルタ媒体２１４，４１４の平行な層の間に規定される。図２Ａ～図２Ｃのフィルタモジュール２００は、垂直に配設されたフィルタ媒体２１４を有するが、このフィルタモジュール２００内では、スペーサ２１６が、チャネル２１２，２１２ａの底部および上部を規定し、フィルタ媒体２１４の平行な層を離間させる。スペーサ２１６は、エアフィルタ３００の設計要件を満たした大きさと高さを有することが可能であり、および組み立ての容易さを考えると、複数層のフィルタ媒体２１４の間に多少のスペースを有するフィルタを設計することは、スペーサの高さ／厚さを変更するという簡単な問題となる。さらに、フィルタ媒体２１４，４１４の層材は、様々な厚さおよび幅のものであってもよい。

図２Ｂが示すように、スペーサ２１６は、チャネル２１２内および同じ列内のビーズ２１７間の化合物を濾過するために、フィルタ媒体２１４を横切る空気流を導く平行列に形成された略円形ビーズ２１７とすることが可能である。ビーズ２１７は、半球形状またはより扁平な円筒形状を有してもよく、隣接するフィルタ媒体層２１４との接合を防ぐために、塗布前に硬化する接着剤または他のポリマーから形成されてもよく（ただし、このような接合は状況によっては望ましい場合もある）、またはフィルタ媒体層の両側に係合するような方法で形成されてもよい。

図２Ｃは、個々のビーズ２１７であるスペーサ２１６の代わりに、細長い形状を有するライン２１７ａとして形成される実施形態を示す。これらの細長いライン２１７ａは、チャネル２１２ａをより良好に規定し、フィルタモジュール２００を通る乱気流をより少なくすることを促すことが可能である。ライン２１７ａは、半球状の断面を有する形状としてもよく、ビーズ２１７と同様に平坦化されてもよい。

ビーズ２１７およびライン２１７ａ，２１７ｄ，２１７ｅは、フィルタモジュール２００に組み合わされてもよく、フィルタモジュール２００を通過する効果的な濾過を促進する形状であれば、任意の形状でよく、涙滴または同様の空気力学的構造を有するもの、または四角形でもよい。種々の経路２１２が、複数層のフィルタ媒体２１４の間に形成されてもよく、またはフィルタ媒体２１４の２つの同じ平行なシートの間にでも形成され得る。

ビーズ２１７またはライン２１７ａは、接着剤の粘度が、形成されたビーズが、チャネルの所望の高さを保持することを可能にすれば、シリコーン、アクリル、エポキシ、ホットメルト、またはウレタン系のものであってもよい。接着剤は、ハンドガン、移動するウェブシート布上の固定ノズル、またはプログラムされた接着機を使用して塗布可能である。

選択された接着剤は、ホットメルト接着剤であってもよく、これは迅速に硬化し、硬化後に空気中のＶＯＣに追加されず、典型的なＨＶＡＣ条件に耐える。このような接着剤の例としては、ヘンケルロックタイト接着剤（低ＶＯＣまたはゼロＶＯＣとして挙げられている、種々のものが可能）、テクノメルト２３２ホットメルト接着剤（エチレンビニルアセテート、ＥＶＡ）、３Ｍ１００％固体ホットメルト（ＥＶＡ）、またはＶＯＣを削減したダウコーニングブランドのシリコーンホットメルト接着剤がある。

接着剤はまた、ブロック（つまる）／ブラインド（塞ぐ）される吸着媒体の量を減らすために最小化されてもよい。また、形成されたチャネルは連続的である、または平行である必要はなく、接着剤は、吸着シートを分離した状態に保ち、媒体がたるむことを防ぐ方法として機能する。

スペーサ２１６は、濾過を改善する、またはフィルタ媒体に含まれない特性を追加して濾過プロセスをさらに改善する添加剤を含んでもよく、したがって構造的目的だけでなく、濾過目的にも役立つ。

図２Ｄおよび図２Ｅは、フィルタモジュール２００の別の実施形態を示し、チャネル２１２ｄ，２１２ｅは、空気流を、フィルタを通る最短経路に誘導せず、代わりに、空気流２３２に平行な部分とび空気流２５２に平行でない部分とを有する蛇行経路に空気流を誘導している。経路ｙ，ｙ’は、図示のように、ｙ＞ｘおよびｙ’＞ｘであるので、それを通る直線経路上で、フィルタ媒体２１４への追加の露出を提供し、したがって追加の経路長を作る。図２Ｅでは、経路ｙ’は、フィルタモジュール内で終了し、空気流がフィルタモジュール２００に存在する前に、フィルタモジュール２００内に乱流ゾーン２５２を提供し得る。蛇行チャネルｙおよびｙ’は、空気流のフィルタ媒体への曝露を増加させ得る。つまり、空気流の経路長を増加させる。蛇行チャネルｙ，ｙ’は、特定の増加した経路長と媒体の露出とを可能にし、フィルタ幅ｘ（ｘは通常２インチ）のみを提供する既存の基本構造を維持しながら、濾過要件を満たすことが可能である。

図４Ａ～図４Ｄのフィルタモジュール４００は、図２Ａ～図２Ｃのものと同様であるが、ただし、フィルタ媒体層４１４が、チャネル４１２，４１２ａの側面を規定しているスペーサ４１６であって、フィルタ媒体４１４の平行な層を離間させているスペーサ４１６間で水平に配向されている。図４Ｂが示すように、スペーサ４１６は、略円形ビーズ４１７であればよく、空気流をフィルタ媒体４１４を横切るように導く平行な列に形成されて、チャネル４１２内にあって、そして同じ列内のビーズ４１７間にある化合物を濾過する。

図４Ｃは、個々のビーズ４１７であるスペーサ４１６の代わりに、細長い形状を有するライン４１７ａとして形成される実施形態を示す。これらの細長いライン４１７ａは、チャネル４１２ａをより良好に規定し、フィルタモジュール４００を通る乱気流がより少なくなることを促すことが可能である。

フィルタモジュール２００，４００は、それらの長さを伸ばすために、並べて、または端と端とをつないで組み合わされてもよく、またはそのような媒体は、変形する傾向があるので、フィルタ媒体２１４，４１４のたるみを防ぐために、それらの中に中間支持体を含んでもよい。

図５Ａおよび図５Ｂは、組込みまたは限られたスペースにおいて必要になる場合がある例を示している。図５Ａは、角度付きフィルタモジュール５００であって、取り付け具８０とともに使用可能であるビーズまたはラインによって規定されたチャネル５１２を備えた角度付きフィルタモジュール５００を示す。これは、より大きな圧力降下をもたらし、フィルタモジュール５００を通過する空気流５７２が少ない領域を導き得るが、いくつかのフィルタリング環境においては、有益であることが判明し得る。

図５Ｂは、角度付きフィルタ媒体であって、互いにオフセットされず、長方形のフィルタモジュールを受け入れるように成形されたスリーブ８０を含む、より一般的なフレームラックのいくつかで使用可能な角度付きフィルタ媒体を示す。そのような構成においては、チャネル５１２ａは、スペーサ５１４ｂ間で角度を付けることが可能である。媒体を垂直に、または水平に向けることが可能であるが、いずれにしても、チャネル５１２ａの角度は経路長を長くし得るが、チャネル５１２ａが均一な高さではない、より乱流の領域５７２ｂも作る可能性がある。

空気流に対するフィルタ媒体２１４，４１４のより多くの表面積露出を達成するために、フィルタモジュールは、空気流に対して角度α傾斜させてもよく、その角度は、図３Ａおよび図３Ｂに示されているように、１２度、１８～２１度、３０度、またはその他の角度であればよく、図３Ａおよび図３Ｂにおいて、積層されたフィルタモジュール２００は、空気通路９０内にエアフィルタ３００を備える。そのようなエアフィルタ３００においては、縫い目３３０付近の流れの少ない領域３７２は、従来のフィルタにおける同様の領域７０，７２と比較すると最小化される。縫い目３３０は、溶接、接着、または密封して、そこを通る空気の流れを防止することができ、各フィルタ媒体は、空気流に向かう一方端と、空気流から離れる他端を有することが可能である。継ぎ目３３０は、フィルタフレーム８１０の三角形または他の適切な形状のチャネル８１８によって覆われてもよく（図８Ａおよび図８Ｂ）、これらのチャネル８１８は、任意のフィルタ継ぎ目３３０にあってもよいが、どちらかといえば、フィルタが面している「点」にあればよい。図３Ａおよび図３Ｂに示されたフィルタ媒体２１４は、垂直な構成で示されているが、図４Ａ～図４Ｄの水平な構成においても可能であることを理解されたい。

したがって、図示されているのは、チャネルを形成するスペーサを備えた平坦なフィルタ媒体であるが、そのフィルタ媒体６００は、図６Ａ～図６Ｃに示されているようにひだを付けることが可能である。そのようなフィルタ媒体６００では、交互のプリーツの山６２０が、そこを通る空気通過のためのチャネル６１０を形成し、フィルタ媒体６００は、そこを通るチャネル６１０を作るために、水平または垂直に向けられ得る。

ひだ付きフィルタ媒体６００は、図示のように、均等に切断された前縁（facing edge
）６３０および後縁（trailing edge）６４０を有して形成されてもよい。

そのようなプリーツフィルタ６００の別の形成は、ほぼ長方形のフィルタ媒体６５０を折り畳み、折り目６６０に沿って交互の方向に折り畳んで、図６Ｃに示すように角度付き媒体６５０をもたらすことを含み得る。プリーツフィルタ媒体６００は、平行四辺形の平坦な素材から形成されて、異なる所望のチャネル構成を形成してもよい。

図６Ｄは、プリーツフィルタ６００がエアフィルタを形成することが可能である方法において、プリーツフィルタ６００を積層することを示し、複数層のプリーツフィルタ媒体は、スペーサ６４０によって分離されて、それを通るチャネルを作っている。

図６Ｅは、フィルタ媒体間のスペーサとして作用する折り目６１７ｆを使用して、フィルタ媒体６１４ｆ内にチャネル６１２ｆを形成する代替方法を示す。図示されるように、折り目６１７ｆは、複数層の媒体６１４ｆを分離し、それ自体が濾過特性を有するスペーサ６１７ｆを追加する。

別の構成では、活性炭紙が波形にされ、次いで、波形炭素媒体をある角度で積み重ね／接着して、波形チャネルを通る、同様の結果のチャネル構造が達成される。フィルタ媒体を介してチャネルを作るさらに別の構成は、ハニカム構造体を使用することが可能である。

移動を最小限にして、媒体を保護するために、メッシュまたはスクリーンを使用して、フィルタ媒体を所定の位置に保持してもよい。

複数層のフィルタ媒体の間の間隔を維持するために、歯付きスペーサ（歯付き櫛に類似）またはチャネルを備えた予備成形メッシュを使用して、層を分離し、それらの間の間隔を維持してもよく、また強度を加えてもよい。

フィルタモジュール／媒体の、計算およびテスト

モジュールフレーム２２０の幅が２インチであり、角度α＝２０度（２４×２４ダクト内の３つのモジュールの現在の構成のおよその角度）である場合、空気の水平経路長は、Ｈまたは５．８５インチである（式１～４を参照）。これは、現在の媒体露出での経路長（２インチ）のほぼ３倍である。

試験によって、媒体を通過する面速度の低下が、効率を向上させ、汚染物質濃度の同等の低下よりもはるかに大きな影響をＭＴＺ長に与えることが示されている。たとえば、５００フィート／分における１ｐｐｍ Ｈ_２ＳでのＭＴＺ長は、１００フィート／分における２．８インチと比較して４．８インチである。対照的に、０．１ｐｐｍ Ｈ_２Ｓおよび５００フィート／分で、すなわち濃度が１０倍減少しても、ＭＴＺ長は４．６インチまでしか減少しない。１２０日後に、１ｐｐｍＨ_２Ｓを含む特定のハニカム構造媒体の効率を調べると、効率は、５００フィート／分で４５％、２５０フィート／分で９０％、１００フィート／分で１００％と測定された。

追加の試験により、フィルタの面に対して垂直に向けられ、４５度の角度で取り付けられたチャネルを備えたエアフィルタを通過する圧力降下が、同じ空気量の場合、垂直に取り付けられた同じフィルタの約２倍であることが実証された。同じ媒体を、空気流に平行なチャネルを持つ角度付きフィルタに組み立てると、圧力降下は元来の垂直圧力降下に戻った。

フィルタ媒体材料
フィルタ媒体２１４，４１４は、本明細書に記載されるものを含む、任意の効果的な媒体であればよい。フィルタ媒体２１４，４１４は、５０重量％のココナッツまたは木材活性炭で作られ得る活性炭紙媒体であってもよい（ＩＡＱ用途の場合、ハニカム構造体は３０６０重量％の炭素である）。ココナッツカーボンは、ハニカム構造体に使用され得る木材ベースのカーボンと比較して、微小孔の体積が大きいので、ＶＯＣの吸着に使用可能である。活性炭紙の製造方法により、ターゲット特異的チャレンジガスへの添加剤に対する、またはゼオライト、モレキュラーシーブ、ＭＯＦなどの代替吸着剤の追加についての柔軟性が得られる。対照的に、ハニカム構造体は多くの吸着剤を使用して作るのが難しく、バインダー系と互換性のある添加剤に制約される。

炭素紙媒体は、容易な成形性および操作性を提供し、これは、ハニカム構造体および波形材料ではあまり利用できないものである。チャンネルの寸法は、容易に調整可能であって、層間の間隔と、経路長の角度またはチャンネルの角度とを変えることによって、ＭＴＺの長さまたは圧力低下を低下させることが可能である。対照的に、ハニカム構造体は各構成（壁の厚さとチャネルの寸法）に高価なダイを必要とする。さらにまた、異なる吸着剤または特性を有する紙を、同じモジュールに組み合わせることが可能である。

本明細書に完全に記載されているかのように参照により組み込まれる米国特許第６，３５５，３３０号、米国特許第５，１４７，７２２号、および米国特許第５，７９２，５１３号に示されるような活性炭媒体の別の選択は、ポリプロピレン（ＰＰ）またはポリエチレン（ＰＥ）などのポリマーを使用し、活性炭の顆粒または粉末を結合して、薄い不織布媒体の間に挟む。そのような媒体では、中心媒体は、８０重量％を超える活性炭であり、ポリマーバインダーは活性炭の孔を塞がない。

支持フレーム部材を備えたフィルタ材料
図７Ａおよび図７Ｂは、支持ビーム７２０を含むことが可能である構造上に支持されたフィルタ媒体７１０を有するフィルタモジュール７００を示す。フィルタ媒体７１０は、ビーム７２０上に取り付けられた個々のシート部材７１０を含む。スペーサ７３０は、媒体７１０間に一貫した間隔を保証し、一貫した断面の空気チャネル７４０を形成するのに役立つ。

図７Ｃおよび図７Ｄは、支持構造についての代替実施形態を示す。図７Ｃは、部材７１０の中心を通って取り付けられたビーム７２０およびスペーサ７３０を示す。図７Ｄは、部材７１０ａの対向する縁部に取り付けられたビーム７２０ａおよびスペーサ７３０ａを示す。

図７Ａ～図７Ｄの構成は、図７Ｅに示されるように、水平方向（図示のように）または垂直方向に媒体７１０を取り付けることが可能であり、図７Ｅは、フィルタ媒体７１０ｅ、ビーム７２０ｅ、スペーサ７３０ｅを示している。

図８Ａおよび図８Ｂは、本明細書で説明されるフィルタモジュール２００，４００と共に使用するためのフィルタフレーム８００を示す。フィルタフレーム８００は、取り外し可能な粒子フィルタ８２０と、既に説明したエアフィルタ３００とを含む。粒子フィルタ８２０は、粒子を濾過して、炭素吸着剤フィルタ２００，４００が、粒子で詰まらないようにすることが可能である。チャネル８１８は、空気流に垂直に取り付けられた直立フレーム部材８１６に取り付けられて、縫い目３３０から空気流を導き、個々のモジュール２００を一緒に保持して、エアフィルタ３００全体の気相除去部を形成する。

さらに、フィルタモジュール２００，４００のバンクは、気流内で直列に組み合わされ、および／または他のシステムまたは技術と組み合わされて、必要な空気品質を実現することが可能である。

本発明を、上記の実施形態を参照して説明したが、当業者は、特許請求の範囲から逸脱することなく、様々な変更または修正を加えることが可能であることを理解するであろう。

Claims (20)

1. 汚染物質を濾過する流体フィルタに使用するためのフィルタ媒体モジュールであって、
   フィルタフレームと、
   フィルタフレーム内に取り外し可能に設けられ、フィルタフレームを通過する最短経路を規定するフィルタ媒体とを含み、
   フィルタ媒体が、フィルタ媒体を通過するチャネルを含み、各チャネルは、最短経路より長いチャネル経路長を規定することを特徴とするフィルタ媒体モジュール。
2. フィルタ媒体は、複数層のフィルタ媒体を含むことを特徴とする、請求項１に記載のフィルタ媒体モジュール。
3. 複数層のフィルタ媒体は、スペーサによって分離されていることを特徴とする、請求項２に記載のフィルタ媒体モジュール。
4. スペーサは、円形状を有することを特徴とする、請求項３に記載のフィルタ媒体モジュール。
5. スペーサは、細長い形状を有することを特徴とする、請求項３に記載のフィルタ媒体モジュール。
6. スペーサは、接着剤であることを特徴とする、請求項３に記載のフィルタ媒体モジュール。
7. 接着剤は、複数層の媒体を接続することを特徴とする、請求項６に記載のフィルタ媒体モジュール。
8. 接着剤は、ＶＯＣを発散させないことを特徴とする、請求項６に記載のフィルタ媒体モジュール。
9. 複数層のフィルタ媒体間のスペーサは、チャネルを形成することを特徴とする、請求項３に記載のフィルタ媒体モジュール。
10. 媒体は、活性炭材料を含むことを特徴とする、請求項２に記載のフィルタ媒体モジュール。
11. 活性炭材料は、不織布媒体の間に設けられた炭素の顆粒または粉末を含むことを特徴とする、請求項１０に記載のフィルタ媒体モジュール。
12. 複数層のフィルタ媒体は、水平に積層されることを特徴とする、請求項２に記載のフィルタ媒体モジュール。
13. 複数層のフィルタ媒体は、垂直に積層されることを特徴とする、請求項２に記載のフィルタ媒体モジュール。
14. 角度は１８～２１度であることを特徴とする、請求項１に記載のフィルタ媒体モジュール。
15. フィルタ媒体は、プリーツフィルタ材料を含むことを特徴とする、請求項１に記載のフィルタ媒体モジュール。
16. チャネル全体が、空気流に対して平行に向けられていることを特徴とする、請求項１に記載のフィルタ媒体モジュール。
17. チャネルは、フィルタ媒体モジュールの後端の前で終端するように向けられていることを特徴とする、請求項１に記載のフィルタ媒体モジュール。
18. チャネルは、部分的に、空気流に対して角度を付けて向けられていることを特徴とする、請求項１に記載のフィルタ媒体モジュール。
19. フィルタフレームと、
    フィルタフレーム内に取り外し可能に設けられ、フィルタフレームを通過する最短経路を規定するフィルタ媒体とを含み、フィルタ媒体が、フィルタ媒体を通過するチャネルを含み、各チャネルは、最短経路よりも長いチャネル経路長を規定する、複数のフィルタ媒体モジュールを含み、
    複数のフィルタ媒体モジュールは、互いに接続されていることを特徴とするエアフィルタ。
20. フィルタフレームと、
    フィルタフレーム内に取り外し可能に設けられ、フィルタフレームを通過する最短経路を規定するフィルタ媒体とを含み、
    フィルタ媒体が、フィルタ媒体を通過するチャネルを含み、各チャネルは、最短経路よりも長いチャネル経路長を規定することを特徴とするエアフィルタ。

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