JP2023097751A - 空気清浄機 - Google Patents

Abstract

【課題】高集塵率かつ低オゾン濃度で空気を清浄する空気清浄機の提供。【解決手段】吸い込み口から吹き出し口に空気を流すダクトと、前記ダクト内から前記吹き出し口に空気を排出するファンと、前記ダクト内の空気に含まれる微粒子を帯電させる帯電部と、帯電した微粒子を静電力によって捕集する捕集部と、を備え、前記帯電部は、筒部を有する接地電極と、前記筒部の内部に配置された板状の荷電電極と、を有し、前記筒部の内面と前記荷電電極の外周縁部との間にギャップがあり、前記外周縁部の厚さは、０．１ｍｍ以下である、空気清浄機。【選択図】図２

Description

本開示は、空気清浄機に関する。

従来、鋸歯形状の放電電極と放電電極に対向する平板電極とを用いて発生させたコロナ放電によって、空気中の微粒子を帯電させ、帯電した微粒子を静電力によって捕集する、電気集塵式の空気清浄機が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、板状の対向電極とイオン化線との間にコロナ放電を発生させて、空気に含まれる塵を帯電させ、帯電した塵を捕集する電気集塵機が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０２０－１５１６５５号公報 特開２０１７－１１９２４４号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、鋸歯状電極の先端歯同士間の電界が弱く、微粒子に帯電させる正の電荷が不足する領域が存在し、微粒子の集塵率が低下する可能性がある。また、コロナ放電より生成されるオゾンの濃度が高い場合がある。また、特許文献２の技術では、イオン化線が断線する場合がある。

本開示は、高集塵率かつ低オゾン濃度で空気を清浄する空気清浄機を提供する。

本開示の一態様では、
吸い込み口から吹き出し口に空気を流すダクトと、
前記ダクト内から前記吹き出し口に空気を排出するファンと、
前記ダクト内の空気に含まれる微粒子を帯電させる帯電部と、
帯電した微粒子を静電力によって捕集する捕集部と、を備え、
前記帯電部は、
筒部を有する接地電極と、
前記筒部の内部に配置された板状の荷電電極と、を有し、
前記筒部の内面と前記荷電電極の外周縁部との間にギャップがあり、
前記外周縁部の厚さは、０．１ｍｍ以下である、空気清浄機が提供される。

本開示の一態様によれば、高集塵率かつ低オゾン濃度で空気を清浄できる。

一実施形態の空気清浄機の構造例を示す図である。 帯電部の第１構造例を示す図である。 荷電電極と接地電極の第１構造例を示す図である。 荷電電極と接地電極の第２構造例を示す図である。 荷電電極と接地電極の第３構造例を示す図である。 荷電電極の第１形状例を側方視で示す断面図である。 荷電電極の第２形状例を側方視で示す断面図である。 帯電部の第２構造例を示す図である。 捕集部の構造例を示す図である。 微粒子の粒径とオゾン濃度と集塵率との関係を実測した結果の一例を示す図である。

以下、実施形態を説明する。なお、空気清浄機は、電気集塵機とも称される。

図１は、一実施形態の空気清浄機の構造例を示す図である。図１に示す空気清浄機１００は、空気を清浄化するための機器である。空気清浄機１００は、空気を清浄化するための装置類を収納する筐体１０を備える。筐体１０は、空気清浄機１００の外部の空気を吸い込む吸い込み口３と、筐体１０内の装置類により清浄化された空気を空気清浄機１００の外部に吹き出す吹き出し口６とを有する。

図１に示す例では、吸い込み口３は、筐体１０の一方の端部（例えば、下部）に設けられ、吹き出し口６は、筐体１０の他方の端部（例えば、上部）に設けられる。吸い込み口３及び吹き出し口６の各々の位置は、これに限られず、他の箇所でもよい。吸い込み口３及び吹き出し口６の各々の設置数は、一つでも複数でもよい。

空気清浄機１００は、ダクト７、帯電部２、捕集部１、ファン５及び電源部４を備える。

ダクト７は、吸い込み口３と吹き出し口６との間に介在し、吸い込み口３から吹き出し口６に空気を流す導管である。図１に示す例では、ダクト７は、筐体１０の内部に存在する流路である。ダクト７は、例えば、吸い込み口３から吹き出し口６まで接続され、吸い込み口３から流入する空気を吹き出し口６に向けて流す。

帯電部２は、ダクト７内の空気（以下、"空気Ａ"とも称する）に含まれる微粒子を帯電させる装置である。帯電部２は、例えば、空気Ａに含まれる微粒子をコロナ放電によって帯電させる。

微粒子とは、ウイルス又は細菌であるが、ウイルス又は細菌を含む塵埃などの微小物質でもよい。微粒子には、微小粒子状物質（ＰＭ２．５）が含まれてもよい。ＰＭ２．５とは、空気中に浮遊する粒子のうち、粒径が２．５μｍ以下の粒子をいう。

捕集部１は、帯電部２を通過した空気Ａから、帯電した微粒子を静電力により捕集する装置である。捕集部１は、例えば１０ｎｍ以上１００μｍ以下の粒径の微粒子を捕集する能力を有する場合、３０ｎｍ程度の小さなウイルス、１００ｎｍ程度の新型コロナウィルス（ＣＯＶＩＤ－１９）、又は数μｍのウイルス飛沫や病原性細菌を捕集できる。なお、捕集部１が捕集可能な微粒子の粒径は、特に制限されなくてもよい。

ファン５は、ダクト７内から吹き出し口６に空気Ａを排出する。ファン５は、空気清浄機１００の外部の空気を吸い込み口３からダクト７内に導入し、帯電部２及び捕集部１を通過した空気Ａを吹き出し口６に排出する。ファン５は、モータによって回転する。ファン５の回転によって、空気Ａは、吹き出し口６から排出される。

電源部４は、帯電部２、捕集部１及びファン５に電力を供給する電源装置である。

捕集部１は、所望の捕集機能を満たせば、その配置位置は、特に限定されない。図１に示す例では、捕集部１は、帯電部２と吹き出し口６との間で、帯電した微粒子を空気Ａから静電力により捕集する。これにより、帯電部２において帯電した微粒子が捕集部１に供給されやすくなるので、帯電した微粒子の捕集能力が向上する。ファン５が帯電部２と吹き出し口６との間に介在する場合、捕集部１は、帯電部２とファン５との間で、帯電した微粒子を空気Ａから静電力により捕集するのが好ましい。これにより、帯電した微粒子の捕集能力が向上する。

ファン５は、所望の排出機能を満たせば、その配置位置は、特に限定されない。図１に示す例では、ファン５は、捕集部１と吹き出し口６との間に配置されている。空気Ａに含まれる微粒子は、捕集部１において捕集されるので、ファン５が捕集部１と吹き出し口６との間に配置されることで、ファン５が汚れた空気Ａで汚染し難くなる。その結果、例えば、ファン５の交換や洗浄などのメンテナンスにおける安全性が向上する。

空気清浄機１００は、空気Ａに含まれるオゾン（コロナ放電によって生成されたオゾンを含んでよい）の濃度を低減させるフィルタを、捕集部１と吹き出し口６との間に備えてもよい。これにより、吹き出し口６から吹き出す空気に含まれるオゾンの濃度を低減する効果が高まる。ファン５が捕集部１と吹き出し口６との間に介在する場合、フィルタは、ファン５の上流側に設けられることが好ましく、具体的には、ファン５と捕集部１との間に介在するのが好ましい。フィルタをファン５の上流側に設けることにより、電線被覆の劣化などオゾンによる機器の劣化を抑制する効果が高まる。フィルタの触媒として、例えば、酸化マンガンを使用することで、オゾン濃度の低減効果は向上する。なお、ファン５が捕集部１と吹き出し口６との間に介在する場合、フィルタは、ファン５と吹き出し口６との間に介在してもよい。

図２は、帯電部の第１構造例を示す図である。図２に示す帯電部２は、コロナ放電を発生させる。帯電部２は、ダクト７内に配置される接地電極２２と、接地電極２２に対向する板状の荷電電極２１と、接地電極２２の筒部２５内の荷電電極２１を支持するロッド２３と、荷電電極２１と筐体１０との間を絶縁する碍子２４とを有する。

荷電電極２１は、円盤状の中心電極である。荷電電極２１は、接地電極２２に形成された中空の筒部２５の内部に配置されている。筒部２５の内面は、接地された表面である。帯電部２は、電源部４により生成される高電圧を荷電電極２１と接地電極２２との間に印加することで、荷電電極２１と接地電極２２との間にコロナ放電を発生させ、接地電極２２の筒部２５内を通る微粒子を帯電させる。

荷電電極２１は、正極性でも負極性でもよい。正極性の荷電電極２１とは、接地電極２２に対してプラスの高電圧が印加される電極であり、負極性の荷電電極２１とは、接地電極２２に対してマイナスの高電圧が印加される電極である。

帯電部２は、接地電極２２と正極性の荷電電極２１との間にプラスの高電圧を印加して両電極間にコロナ放電を発生させることで、ダクト７内のオゾン濃度の抑制と、捕集部１での微粒子の捕集率の向上とが可能となる。

筒部２５は、ダクト７の一部を構成する部分であり、空気Ａが流れる上下方向に貫通する。筒部２５の数は、一つでも複数でもよい。図２には、同じ形状の複数の筒部２５が縦横に配列された構造が例示されている。荷電電極２１、ロッド２３及び碍子２４は、複数の筒部２５内のそれぞれに配置されている。

筒部２５の内面と荷電電極２１の外周縁部２６との間にギャップがあり、且つ、外周縁部２６の厚さが０．１ｍｍ以下であると、コロナ放電によるオゾン生成量の抑制と捕集部１での高集塵率を実現できる。特に、外周縁部２６の厚さが０．１ｍｍ以下であり、且つ、筒部２５の内面と荷電電極２１の外周縁部２６とのギャップ長Ｇが全周に亘って均一になると、コロナ放電によるオゾン生成量の抑制と捕集部１での高集塵率を実現できる。ギャップ長Ｇが全周に亘って均一になると、外周縁部２６の一部でコロナ放電が集中することを抑制できる。したがって、空気清浄機１００は、高集塵率かつ低オゾン濃度で空気を清浄できる。ギャップ長Ｇを全周に亘って均一にするため、筒部２５の中心軸は、荷電電極２１の中心軸と同じであるのが好ましい。

ギャップ長Ｇは、１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下であると、コロナ放電によるオゾン生成量の抑制と捕集部１での高集塵率を実現できる。好ましくは、１２ｍｍ以上２８ｍｍ以下であり、より好ましくは、１４ｍｍ以上２６ｍｍ以下である。

荷電電極２１の直径をＤ１、筒部２５の内径をＤ２とする。このとき、直径比Ｐ（＝Ｄ１／Ｄ２）は、０．７以下であると、コロナ放電によるオゾン生成量の抑制と捕集部１での高集塵率を実現できる。直径比Ｐの下限は、特に限定されないが、例えば、０．３としてもよい。好ましくは、直径比Ｐは、０．３５以上０．６５以下であり、より好ましくは、０．４０以上０．６０以下である。

外周縁部２６の単位長さ当たりに流れる放電電流は、０．５μＡ／ｍｍ以下であると、外周縁部２６の劣化が抑制され、耐放電性能が向上する。好ましくは、０．４５μＡ／ｍｍ以下であり、より好ましくは、０．４０μＡ／ｍｍ以下である。

筒部２５の内面の断面（中心軸に直交する断面）の形状は、外周縁部２６の外周の形状と同一又は相似であると、ギャップ長Ｇが全周に亘って均一になるので、コロナ放電によるオゾン生成量の抑制と捕集部１での高集塵率を実現できる。その形状は、例えば、円又は六角形以上の多角形である。

図３は、荷電電極と接地電極の第１構造例を示す図である。円盤状の荷電電極２１と円筒状の筒部２５を採用することで、筒部２５の内面と荷電電極２１の外周縁部とのギャップ長Ｇが全周に亘って均一になる。ギャップＧが全周に亘って均一になることで、ダクト７内に低オゾン濃度かつ均一なコロナ放電の発生が可能となる。

図４は、荷電電極と接地電極の第２構造例を示す図である。外周縁部２６の外周形状が六角形の荷電電極２１と内面形状が六角形の筒部２５を採用することで、筒部２５の内面と荷電電極２１の外周縁部とのギャップ長Ｇが全周に亘って均一になる。ギャップＧが全周に亘って均一になることで、ダクト７内に低オゾン濃度かつ均一なコロナ放電の発生が可能となる。荷電電極２１の六角形の各辺は、筒部２５の六角形の対応する辺に平行に対向することが好ましい。

図５は、荷電電極と接地電極の第３構造例を示す図である。外周縁部２６の外周形状が八角形の荷電電極２１と内面形状が八角形の筒部２５を採用することで、筒部２５の内面と荷電電極２１の外周縁部とのギャップ長Ｇが全周に亘って均一になる。ギャップＧが全周に亘って均一になることで、ダクト７内に低オゾン濃度かつ均一なコロナ放電の発生が可能となる。荷電電極２１の八角形の各辺は、筒部２５の八角形の対応する辺に平行に対向することが好ましい。

荷電電極２１の外周縁部２６の外周形状が多角形であると、複数の角部が外周縁部２６にできるので、電気力線がこれらの複数の角部に集中し、放電がしやすくなる。また、荷電電極２１の外周縁部２６の外周形状は、筒部２５の内面形状と異なってもよい。例えば、外周縁部２６の外周形状が多角形で、筒部２５の内面形状が円形でもよいし、外周縁部２６の外周形状が円形で、筒部２５の内面形状が多角形でもよい。

図６は、荷電電極の第１形状例を側方視で示す断面図である。図７は、荷電電極の第２形状例を側方視で示す断面図である。図６は、外周縁部２６の先端形状が片刃である場合を示し、図７は、前記外周縁部２６の先端形状が両刃である場合を示す。

荷電電極２１は、例えば、厚さｄが０．１ｍｍ以上の中央部２７の周りに、厚さが０．１ｍｍ以下の外周縁部２６を有する。これにより、コロナ放電によるオゾン生成量の抑制と捕集部１での高集塵率を実現できる。

外周縁部２６は、荷電電極２１又は筒部２５の中心軸に直交する平面に対する角度θが鋭角の先端を有すると、コロナ放電によるオゾン生成量の抑制と捕集部１での高集塵率を実現できる。図６及び図７は、角度θが鋭角の場合を例示する。低オゾン濃度と高集塵率の実現の点で、角度θは、４５°以下がよく、４０°以下が好ましく、３５°以下がより好ましい。角度θの下限は、特に限定されないが、例えば破損のし難さの観点で、５°以上が好ましい。

外周縁部２６は、空気Ａの流れに対向する傾斜面２８を有すると、傾斜面２８に当たった空気Ａの流れの方向が滑らかに変更され、空気Ａは、荷電電極２１に対して空気Ａが到来する側とは反対側に流れていく。これにより、ダクト７内の圧力損失が低減し、微粒子は効率的に集塵可能となる。傾斜面２８は、空気Ａの流れに対して傾斜する。

外周縁部２６の先端は、硬質クロムめっき処理、セラミックコーティング処理などのコーティング処理が施されてもよい。これにより、外周縁部２６の先端の劣化が抑制され、耐放電性能が向上する。

図８は、帯電部の第２構造例を示す図である。図８に示す帯電部２は、複数の荷電電極２１が筒部２５の内部に配列された構造を有する。これにより、外周縁部２６の先端の劣化が抑制され、耐放電性能が向上する。複数の荷電電極２１は、中心軸に平行な方向に同一の間隔を空けて積層している。なお、上述の通り、荷電電極２１の外周縁部２６の外周形状は、筒部２５の内面形状と異なってもよい。

図９は、捕集部の構造例を示す図である。図９に示す捕集部１は、複数の荷電平板電極１１と複数の接地平板電極１２を有する集塵部である。荷電平板電極１１と接地平板電極１２は、一定の間隔で交互に配置されている。空気Ａは、荷電平板電極１１と接地平板電極１２との隙間を通る。荷電平板電極１１と接地平板電極１２は、空気Ａの流れに平行となるように配置されている。

印加電圧の抑制及び高集塵率を実現するため、荷電平板電極１１と接地平板電極１２との隣接間隔は、３ｍｍ以上１２ｍｍ以下が好ましい。数キロ～数十キロボルト（例えば、１ｋＶ～２０ｋＶ）の電圧が荷電平板電極１１と接地平板電極１２との間に印加されることで、荷電平板電極１１と接地平板電極１２との間に高電界が発生する。帯電部２において帯電した微粒子は、捕集部１を通過する際に、荷電平板電極１１と接地平板電極１２との間の電界により、正の電荷に帯電した微粒子は、接地平板電極１２に付着する。捕集部１において微粒子が除去された空気は、ファン５により吹き出し口６から排出される。

図１０は、微粒子の粒径とオゾン濃度と集塵率との関係を実測した結果の一例を示す図である。

実測時、帯電部２は、円筒状の筒部２５を有する接地電極２２と筒部２５内に配置された荷電電極２１とを有する縦３列横３列のセル構造を採用した（図２参照）。筒部２５と荷電電極２１は、中心軸が一致する。接地電極２２の円筒状の筒部２５は、内径８７ｍｍ、外径８８ｍｍ、肉厚み０．５ｍｍのステンレス材金属円筒を利用した。荷電電極２１は、直径４５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのステンレス材であって、先端の角度θが２１°の両刃状の円盤電極を利用した（図７参照）。荷電電極２１と筒部２５との直径比Ｐは、０．５１である。電源部４から荷電電極２１に印加される電圧は、１５．５ｋＶとした。これにより、筒部２５の内面と荷電電極２１の外周縁部２６との間のギャップに、電流０．４５ｍＡ（一つの荷電電極２１の周長１４１ｍｍ、単位長さ当たりの放電電流０．３５μＡ／mm）のコロナ放電が発生する。空気が帯電部２の電極ギャップ間を通る際に、コロナ放電の電荷が微粒子に付着し、微粒子が帯電する。

実測時、捕集部１は、交互に配置した荷電平板電極１１と接地平板電極１２を有する構造を採用した（図９参照）。平板電極間の距離は、４．５ｍｍであり、電源部４から両平板電極間に６．６ｋＶを印加することで、平板電極間に約１．５ｋＶ／ｍｍ（空気絶縁破壊電界３ｋＶ/ｍｍの半分）の電界が形成される。集塵メカニズムは、帯電した微粒子は、捕集部１を通る際に、前記電界の影響で平板電極表面へ移動し、平板電極表面に付着する。微粒子が除去された清浄な空気は、ファン５へ移動し、ファン５より外部に排出される。

図１０は、各粒子径の微小粒子物に対して、１時間当たりの風量が２７０ｍ^３／ｈの場合の集塵率を示している。低オゾン濃度０．０１ｐｐｍに対して、直径３０ｎｍ以上の粒子の集塵率は、９０％以上となり、高集塵率かつ低オゾン濃度が実現した。

以上、実施形態を説明したが、本開示の技術は上記の実施形態に限定されない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が可能である。

例えば図１のように、帯電部２は、捕集部１とは別体に構成された構造に限られない。帯電部２は、帯電部２で帯電した微粒子を静電力によって捕集する捕集部を組み込んだ構造でもよい。

１ 捕集部
２ 帯電部
３ 吸い込み口
４ 電源部
５ ファン
６ 吹き出し口
７ ダクト
１０ 筐体
１１ 荷電平板電極
１２ 接地平板電極
２１ 荷電電極
２２ 接地電極
２３ ロッド
２４ 碍子
２５ 筒部
２６ 外周縁部
２７ 中央部
２８ 傾斜面
１００ 空気清浄機

Claims (16)

1. 吸い込み口から吹き出し口に空気を流すダクトと、
   前記ダクト内から前記吹き出し口に空気を排出するファンと、
   前記ダクト内の空気に含まれる微粒子を帯電させる帯電部と、
   帯電した微粒子を静電力によって捕集する捕集部と、を備え、
   前記帯電部は、
   筒部を有する接地電極と、
   前記筒部の内部に配置された板状の荷電電極と、を有し、
   前記筒部の内面と前記荷電電極の外周縁部との間にギャップがあり、
   前記外周縁部の厚さは、０．１ｍｍ以下である、空気清浄機。
2. 前記内面の形状は、前記外周縁部の外周の形状と同一である、請求項１に記載の空気清浄機。
3. 前記内面の形状は、前記外周縁部の外周の形状と異なる、請求項１に記載の空気清浄機。
4. 前記内面と前記外周の少なくとも一方の形状は、円又は六角形以上の多角形である、請求項２又は３に記載の空気清浄機。
5. 前記筒部の中心軸は、前記荷電電極の中心軸と同じである、請求項１から４のいずれか一項に記載の空気清浄機。
6. 前記荷電電極は、厚さが０．１ｍｍ以上の中央部の周りに、厚さが０．１ｍｍ以下の前記外周縁部を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の空気清浄機。
7. 前記外周縁部は、鋭角の先端を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の空気清浄機。
8. 前記鋭角は、４５°以下である、請求項７に記載の空気清浄機。
9. 前記外周縁部の先端形状は、片刃である、請求項７又は８に記載の空気清浄機。
10. 前記外周縁部の先端形状は、両刃である、請求項７又は８に記載の空気清浄機。
11. 前記外周縁部は、前記空気の流れに対向する傾斜面を有する、請求項７から１０のいずれか一項に記載の空気清浄機。
12. 複数の前記荷電電極が前記筒部の内部に配列された、請求項１から１１のいずれか一項に記載の空気清浄機。
13. 前記筒部の内面と前記外周縁部との間に１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下のギャップ長を有する、請求項１から１２のいずれか一項に記載の空気清浄機。
14. 前記筒部の内面と前記外周縁部との間のギャップ長は、全周に亘って均一である、請求項１から１３のいずれか一項に記載の空気清浄機。
15. 前記荷電電極の直径をＤ１、前記筒部の内径をＤ２とするとき、Ｄ１／Ｄ２は、０．７以下である、請求項１から１４のいずれか一項に記載の空気清浄機。
16. 前記外周縁部の単位長さ当たりに流れる放電電流は、０．５μＡ／ｍｍ以下である、請求項１から１５のいずれか一項に記載の空気清浄機。

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