JP2622308B2 - 異質粒子を捕獲し保留する装置及び方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は異質粒子を捕獲し保留する装置及び方法に
関し、清浄度の高い空気を生成するための空気から外来
粒子を除去することができるものである。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕

空気ろ過のための先行技術には、基本的に２種類あ
る。まず第１に、機械式ろ過システムがある。かかるシ
ステムにおいては、空気入口とフィルタからの空気出口
の間にはいかなる電界も印加されない。ろ過材として作
用する、紙、ファイバグラス又はメッシュ等のような機
械的な障害物が設けられる。かかるフィルタは限定され
た量の外来粒子のみ空気からろ過するのに有効であり、
それは機械的フィルタでは空気流の抵抗が存在すること
によるものである。機械的ろ過材が微細なものであれば
あるほど、空気流は低速になり、このことは不利な条件
となる。

もう１つの異なるろ過技術は、電離（イオン化）に基
づくものである。電離プロセスでは、比較的高い電界が
反対の位置にある電極との間に形成されることが必要で
ある。空気は電界の中を通過し、外来粒子は電離され
る。粒子の捕獲は、電離フィールドから下流にある第２
の電極によって行なわれる。この第２の電極はさらに高
い電位にある。電離プロセスにみられる１つの欠点は、
環境にとって有害な性質をもつオゾンが生成されること
である。その上、電離フィルタの有効なろ過能力は、望
まれるほどには高くない。通常、電離フィルタは、約0.
05ミクロンの粒度以上の粒子をろ過するような範囲内で
作動する。フィルタに応用される電離技術を精巧かつ複
雑なものとすることで約0.01ミクロンより大きい粒子を
除去するようなろ過が実現される。

また、従来技術における電離型のフィルタは集塵効率
を高めることは可能であるが、塵埃自体がイオン化され
るため、フィルタに捕集された粒子又はフィルタに捕集
されずそのまま通過していた粒子は帯電したままであ
り、各部に付着しやすく後処理の困難をきたしていた。

本発明は粒子を実質的にイオン化させることなく、し
かも高い集塵効率を実現させることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明になる装置は、空気及び異質粒子のフィルタユ
ニット内流入のための入口、異質粒子がほぼ含まれてい
ない空気のフィルタユニットからの流出のための出口を
有し、フィルタユニットには少なくとも一対の間隔をお
いた多孔性電極がフィルタユニットのろ材を挟むように
配置され、電極は相対的に異なる電位にあり、空気及び
異質粒子は電極により得られる電界の下で電極の孔及び
ろ材内を通過し、電極の電位は異質粒子が実質的にイオ
ン化されるのを回避するべく１センチメートルあたり約
8kV未満であり、フィルタユニット中のろ材は多孔性の
多重流路を形成しており、その各孔の寸法は捕獲するべ
き異質粒子より実質的に大きく、かつろ材を通過する空
気の流速は毎秒0.1メートル未満とされ、実質的にイオ
ン化されていない異質粒子を前記電界の下でフィルタユ
ニット中のろ材の多孔性の多重流路を通過する間にろ材
を形成する材料の表面にロンドン／ファンデルワールス
の力の下で捕獲し保留することを特徴とする。

本発明になる方法は、フィルタユニットに空気及び異
質粒子を導入する段階、異質粒子がほぼ無くなった空気
をフィルタユニットから取り出す段階、相対的に異なる
電位にありかつフィルタユニットのろ材を挟むように配
置される多孔性電極を用いて電界を得る段階、電界の下
で空気及び異質粒子を電極の孔及びろ材内を通過させる
段階及び異質粒子を捕獲する段階とを具備し、電極の電
位は異質粒子の実質的なイオン化を避けるべく１センチ
メートルあたり約8kV未満であり、フィルタユニット中
のろ材は多孔性の多重流路を形成しており、その各孔の
寸法は捕獲するべき異質粒子より実質的に大きく、かつ
ろ材を通過する空気の流速は毎秒0.1メートル未満とさ
れ、実質的にイオン化されていない異質粒子を前記電界
の下でフィルタユニット中のろ材の多孔性の多重流路を
通過する間にろ材を形成する材料の表面にロンドン／フ
ァンデルワールスの力の下で捕獲し保留する段階を具備
することを特徴とする。

本発明において、“空気”という用語は複数の気体の
混合物及び単一の気体を内含するものとして用いてい
る。

本発明に基づくフィルタユニットは、細かい粒子を電
離力ではなくロンドン−ファンデルワールス（London/V
an Der Waals）力の下で作用させる。かかるユニット
は、空気から約0.001ミクロン以上の粒子を除去する能
力を有する。本発明のシステムによると、ろ材内で同じ
気孔径を用いるものの電離又は機械式ろ過技術の下で作
動するフィルタシステムに比べ、一定の気孔径のろ材の
孔径より小さい粒度の粒子を除去又は捕獲することがで
きる。

〔発明の実施の形態〕

本発明は、以下添付の図面を参照しながら説明され
る。

空気から外来粒子をろ過するための装置には、矢印11
により示されているような空気及び外来粒子の流入のた
めの入口10が含まれている。入口10はフィルタユニット
13のケーシング12に連結されている。フィルタユニット
13からの出口14が設けられ、外来粒子がろ過、除去され
た後の空気が矢印15に示されているように外側方向に流
出される。

フィルタユニット13には、少なくとも１対の間隔をお
いた円筒形電極16及び17が含まれている。第１図では、
付加的な電極18が示されている。電極16,17及び18は、
相対的に異なる電位にある。この例では相反する電位極
性は、それぞれ（＋）及び（−）の電荷符号19,20及び2
1により示されている。複数の電極16,17及び18はフィル
タユニット13の中心線22を中心にして配置されている。
空気入口10も同様に、中心線22と芯合して位置されてい
る。空気出口も又、中心線22に芯合して位置されてい
る。電極16,17及び18は、その直径が増大する円周方向
の円筒形要素である。中央電極19の内側には、空間23が
あり、電極19及び20の間には空間24があり、電極20及び
21の間には空間25がある。電極18の円周を超えて空間26
がある。空間26は、相対的に中立つまりゼロの電位にあ
る外側円周方向要素27によって区画形成されている。空
間23,24,25及び26の中には、矢印11の方向に通過する入
口10からの空気内に含まれている外来粒子を捕獲するよ
う作用するそれぞれのろ材28がある。

電極16,17及び18及び外側円周要素27は比較的多孔性
であるか又は平坦なネット又はメッシュ又はスクリーン
であり、そのため、フィルタ13を通過する外来粒子は、
矢印29（第２図）によって示されているように電極16,1
7,18及び要素27を通ってほぼ横方向に導かれうる。フィ
ルタユニット13及び外側円周方向要素27からの流出は、
出口の矢印30により示されている。

電極16,17及び18を通過する流れは、図面上は、唯一
の横断方向をもつものとして示されてはいるが、空気
は、入口10から出口14に向かって移動するにつれて漸進
的に中心線22に対して平行に及び中心線22に対して横方
向に流れることができる。このようにして、空気流は、
電極16,17及び18との関係において平行な段階及び横方
向の段階で行なわれてもよいし、又、中央の狭い入口10
とさらに広い出口14の間の基本的に横方向の半径方向又
は対角線方向の流れであってもよい。

流れは好ましくは中心線22に対して横方向であり、こ
の場合は円周方向要素27の下流端に閉鎖部材が設置され
る。このようにすることにより、軸方向における要素27
からの流出は皆無となる。外側円周方向要素27からの一
単位面積あたりの出口流速は、相対的に、入口16におけ
る面積あたりの比較流速よりも遅い。円周方向要素27か
ら流出した後、流れの面積はほぼ入口流れ面積の大きさ
まで減少しうる。

電極16,17、及び18の相対的電位は、電極16,17及び18
を通過する空気内に同伴された外来粒子の電離を有効に
防ぐように充分低く維持される。従って、外界粒子は、
電離力ではなくロンド／ファンデルワールスの力を受け
る。ロンドン／ファンデルワールスの力は、粒子の電離
特性ではなく分子のスピンに関係づけられる。電極16,1
7及び18の間の相対的に異なる電位は、１センチメート
ル当たり3.5kvから6.0kv（インチあたり9kvから15kv）
の範囲内にある。電離に要する電圧は、１センチメート
ル当たり15.7kv（１インチあたり約40kv）となろう。電
極16,17及び18の間の電圧は、１センチメートル当たり
7.8kv（１インチあたり20kv）以下、実際的には１セン
チメートル当たり5.91kv（１インチあたり約15kv）以下
に保持される。入口10と出口14の寸法の間の構成は、フ
ィルタユニット13を通る出口における流速が１分あたり
約6.1メートル（20フィート）未満に保持されるような
ものである。こうして、外来粒子に対し最適条件が適用
され、高い有効ろ過レベルを達成できることになる。

ろ材（保持用物質）28は、ろ紙又はメッシュ網の形を
している。ろ材は、Exxon FEBIS K−220（商標）のよう
な、電界下に試料粒子を保持するための濾過能力を増大
させる低蒸発液体物質を含んでいてよい。ろ材の形状
は、外来粒子の捕獲を最大にすべく選択されうる。例え
ば、折畳み形態であってもよい。

上記の条件の下で作動するフィルタユニット13につい
て、小さな外来粒子つまり0.001ミクロン以上の粒子を
入口10と出口14の間でフィルタユニット13内に有効に捕
獲できることがわかった。ロンドン／ファンデルワール
ス力は比較的弱い力である。かかる力の作用は、選択さ
れた流速と協働することで、フィルタユニット13内の空
気の精密なろ過を達成することができる。メッシュの孔
は、その性状が捕獲される粒子の粒度よりも比較的大き
くなっている。ロンドン／ファンデルワールス力は、そ
のままでは孔を通過しうる粒子をして孔の表面の上又は
中に捕獲せしめる。これと比較すると、電離又は機械式
システムにおいては、孔のサイズがろ過されるべき粒子
の最小粒度を決定する。通常、機械式システムにおいて
は、捕獲される粒子は気孔径よりも大きく、気孔径に比
べ相当小さいということはそもそもない。第４図では、
気孔径が118として概略的に示されている。

第５図、第６図及び第７図では、空気入口31及び空気
出口32を備えた実施例が図示されている。電極33,34及
び35は中心線36を持つ。基本的に空気入口31及び空気出
口32は同じ直径である。従って、空気流の入口流速及び
空気流の出口流速は基本的に同一である。フィルタユニ
ット37を通る空気流速も又、空気流入口（38）及び空気
流出口39と基本的に同一である。この実施例において
は、フィルタユニット37を通る空気は、矢印38で示され
ている空気と矢印39で示されている出口空気の間のほぼ
平行な通路を進む。従って、電極33,34及び35の横方向
の空気流は基本的に全く無い。この実施例において電極
は同様に、空気の所要ろ過を達成するのに充分な程度の
長手方向深さをもつ円筒形の構造である。電極33,34及
び35は、第１図内の電極構成と同様に異なる極性をも
つ。ろ材40が、電極33,34及び35の間に具備されてい
る。

第８図の実施例においては、異なる交互の電極41,42,
43,44,45及び46を具備する別の構成が例示されている。
電極はそれぞれらせん状の要素47及び48で構成されてい
る。中心線49を中心に巻きつけられかつ要素間に適当な
間隔50,51,52及び53を伴う２つの要素47及び48があるこ
とによって、有効なフィルタユニット54が得られる。こ
の実施例においては、ろ材55は空間50,51,52及び53の中
に充填されている。２つの要素47及び48はそれぞれ電極
41,42,43,44,45及び46を構成するものとして例示されて
いるものの、２つ以上の要素47及び48を具備することも
可能である。要素48は、電極42の一部分を構成する中央
円筒形要素56に固定されている。空気入口は、57という
番号で概略的に示され、空気出口は58という番号で示さ
れている。図示されている例においては、空気入口の方
が狭く、空気出口の方が幅広である。矢印157は横方向
の出口流を示している。別の実施例として、入口流58を
閉塞することにより出口流157のみを得ることができ
る。他の実施例として、出口流58のみ得るようにするこ
とができる。

第9,10図の実施例では電極は本質的に球状エレメント
59,60,61により夫々形成される。球状エレメント59は中
心エレメントであり、球状エレメント61は外側エレメン
トである。各エレメント59,60及び61間に空間62及び63
が形成される。これらの空間にはろ材64が設けられ、空
気入口65は概略的には中心球へ指向する入口チューブ66
を通過している。ここから、空気は、矢印68により示さ
れているように中心67から三次元方向に放射される。空
気は、増大する面積全体にわたり電極59,60及び61の各
々を進み、矢印72により示されているように出口71を通
ってフィルタユニット70のケーシング69から取出され
る。この実施例においては、空気出口71は空気入口66よ
りも相対的に広く、そのため出口71を通しての流速は空
気入口66よりも遅い。ろ過電極59,60及び61を通る空気
は、中心点67のまわりの電極の表面積が増大していくた
め、徐々に低下する速度で通過する。

本発明に基づく装置及び方法を用いたろ過は、粒度が
約0.001ミクロンより大きい異物粒子を空気から除去で
きる。かかる異物粒子としては、ウイルス、煙霧（フュ
ーム、スモッグ）及びより大きい粒度の分子が含まれる
はずである。従ってこの発明のシステムは、さまざまな
利用分野のための洗浄度の高い流出空気を提供する。

例えばわずか約0.5ミクロンよりも大きい粒度の粒子
を除去することが望まれる場合、本発明によれば従来の
電離フィルタの約50倍から100倍の流量を提供するよう
に作られている。換言すると、本発明の構成は、電離フ
ィルタと同じ流量についてより高いろ過度合を実現し、
又はこれと逆に、必要とされるろ過度合が比較的低い場
合には、比較的高いろ過量を得ることができる。ろ過保
持媒体の気孔径が機械的フィルタのものと基本的に同じ
である場合、本発明の原理を適用することにより、はる
かに高いろ過レベルを得ることができる。この代りによ
り高いろ過量を得ることができる。さらに、より高いろ
過効果とより高い流速の両方の組合せを達成する配置例
もとりえることができる。

本発明に基づくフィルタユニットは既存の濾過システ
ムにおいて組み込んで使用することが可能である。さら
に、本発明のフィルタユニットは、既存のフィルタに対
する追加型のフィルタ又はフィルタカートリッジとして
具備されるようにできる。この場合、全体からみたろ過
作動は、最初に行われる従来型の機械式又は電離フィル
タ内での比較的粗いろ過と、それに引続き実施される本
発明のフィルタユニットを用いたより細かいろ過とより
もたらされる。

使用されるろ材は高い表面積を提供するため、大量の
異物粒子の捕獲つまり保持が可能になる。ろ材は、ファ
イバメッシュやろ紙といった従来の既知のろ材で構成さ
れていてよい。

ろ過装置及び方法の利用分野としては、内燃又はディ
ーゼル構成の燃焼機関のための吸気フィルタがある。吸
入空気のろ過レベルを高くすることにより、エンジン
は、一酸化炭素といった汚染物質の生成を最小限におさ
えつつより完全に燃焼することができる。吸入空気をよ
り清浄とすることにより、エンジン性能はより高効率の
ものとなり可動部品の摩耗の可能性は少なくなる。その
結果、エンジンの寿命は延長することになる。

本発明に基づくフィルタユニットのその他の利用分野
としては、工業用煙突から大気中に生成される汚染物質
の著しい軽減がある。さらに、クリーンルームの利用が
必要な製造又は実験所施設において、浄化された空気
は、超高密度電子チップ部品、高精密機構及び光学部品
の製造を容易なものにすることができる。

さらに、保健分野では、さまざまな環境が、これまで
可能であった以上の高いレベルまで空気浄化された状態
に保たれうることになる。同様に、化学処理施設内での
利用も有利である。

浄化空気は同様に、潜在的な汚染因子を排除すること
が望ましい食品処理分野でも重要である。例えば、浄化
された空気は、真空パック製品の品質を向上し変質を防
ぐことができる。さらに、家庭及び事務所環境内では、
浄化レベルの高い空気を提供することができる。

その他の状況の下では電極を異った物質で包囲又はコ
ーティングし、電極をその劣化から保護することができ
る。電極表面上の凹凸を平滑化することによりフィルタ
ユニット内に均等な電界を生成することが可能である。

図示されている構造において、空気流入口は、フィル
タユニットの空気流出口よりも狭い。かかる配置におい
ては、フィルタユニットに対する入口流の速度は、ユニ
ットからの出口流速よりも高い。換言すれば、一定の与
えられた流量について、ろ材からの出口流速は、ろ材へ
の入口流速よりも低くなる。しかしながら、利用分野に
よっては逆のことが望まれることもあろうし、フィルタ
全体を通して空気流の速度が同一のことが望ましいこと
もありえよう。

例えば自動車のエンジンについての利用分野では、フ
ィルタには、約５ミクロン以上の粒度の粒子を捕獲する
ように作られたメッシュが含まれている。本発明に基づ
くフィルタを利用することにより、同じメッシュは、燃
焼機関にとっての有効な流速に影響を及ぼすことなく約
0.5ミクロン乃至0.05ミクロンの粒度の異物粒子を捕え
ることができる。この場合、入口流速よりも速い出口流
速で作動する。

いくつかの実施例においては、ろ材に代って、選択さ
れた電極の間にすきまがある。こうして、空気流速を望
まれるレベルに有効に変えることができ、特定の利用分
野に調整されたさまざまなろ過特性を提供する上での一
助となることができる。

さらに、さまざまな利用分野において、フィルタユニ
ット内に入る前の空気に対する除湿器を具備することが
望ましいこともある。かかる除湿器は、電極間の電力消
費量を減少させることになろう。空気の流入及び／又は
流出に対する適当な除湿及び流量制御を、フィルタユニ
ットのさまざまな利用分野について提供することが可能
である。

各々互いに細部のみが異なっているような本発明の実
施例は他にも数多く存在する。例えば、ろ材は、２本の
ロールの間で移動可能な平坦な材料である。一方のロー
ルは貯蔵用ロールであり、他方のロールは巻取りロール
である。かくして、電極間のろ材は徐々に動かされて、
粒子の捕獲のための異なるかつ新しい手段を提供するこ
とができる。

他の実施例においては、電極の入口表面は、平面状で
あり、電極の出口表面は曲線状である。電極の間にはろ
材が配置されている。この構成では、入口と出口の間の
流速は、ろ材があるために減少する。この構成では、入
口と出口の間の合計流量は同じままである。しかしなが
ら、ろ材の入口表面積と比較して出口表面積は大きいた
め、出口表面での脱出速度は表面での入口速度よりも遅
い。従って粒子捕獲効率は高い。

〔発明の効果〕

本発明によれば、多孔性の多重通路を形成するろ材を
挟むように少なくとも一対の相対的に異なった電位にあ
る多孔性電極を配置し、異質粒子の混じった空気を電極
により得られる１センチメートルあたり約8kV未満の電
界の下で電極の孔及びろ材の多孔性の多重通路を毎秒0.
1メートル未満の流速で通過させることにより、異質粒
子を実質的にイオン化させることなくろ材を形成する材
料の表面にロンドン／ファンデルワールス力によって捕
集することができ、ろ材の通路径より小さい異質粒子を
効率的に捕集することができる。本発明の捕集原理は異
質粒子のイオン化を必要とせず、異質粒子が導電性のも
のであってもロンドン／ファンデルワールス力によって
その捕集が可能となる。

図面の簡単な説明 第１図、第２図、第３図及び第４図は、本発明の第１
実施例であり、電極を半径方向に移動した後の集中した
空気入口及び軸方向空気出口を示している。

第５図、第６図及び第７図は本発明の第２実施例であ
り、軸方向に電極を通過した後の、ろ過ユニットへの軸
方向空気入口及び基本的に同じ断面全体にわたる軸線方
向空気出口を示している。

第８図は、らせん状の要素の間に形成された状態の電
極の異なる一構成の概略的斜視図である。

第９図及び第10図は、基本的に球形に形成された電極
の図である。

10…入口、12…ケーシング、 13…フィルタユニット、14…出口、 16,17…円筒形電極、28…ろ材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−107958（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−107441（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭59−65753（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭61−6707（ＪＰ，Ｂ２) 米国特許4098591（ＵＳ，Ａ)

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】空気及び異質粒子のフィルタユニット内流
   入のための入口、異質粒子がほぼ含まれていない空気の
   フィルタユニットからの流出のための出口を有し、フィ
   ルタユニットには少なくとも一対の間隔をおいた多孔性
   電極がフィルタユニットのろ材を挟むように配置され、
   電極は相対的に異なる電位にあり、空気及び異質粒子は
   電極により得られる電界の下で電極の孔及びろ材内を通
   過し、電極の電位は異質粒子が実質的にイオン化される
   のを回避するべく１センチメートルあたり約8kV未満で
   あり、フィルタユニット中のろ材は多孔性の多重流路を
   形成しており、その各孔の寸法は捕獲するべき異質粒子
   より実質的に大きく、かつろ材を通過する空気の流速は
   毎秒0.1メートル未満とされ、実質的にイオン化されて
   いない異質粒子を前記電界の下でフィルタユニット中の
   ろ材の多孔性の多重流路を通過する間にろ材を形成する
   材料の表面にロンドン／ファンデルワールスの力の下で
   捕獲し保留することを特徴とする装置。
2. 【請求項２】前記ろ材は折り畳んだ状態のファイバメッ
   シュにより構成されることを特徴とする請求の範囲１に
   記載の装置。
3. 【請求項３】電極の電位は、１センチメートルあたり約
   3.5kVから１センチメートルあたり約6kVまでの範囲内に
   あることを特徴とする、請求の範囲１に記載の装置。
4. 【請求項４】空気から異質粒子をろ過する方法におい
   て、フィルタユニットに空気及び異質粒子を導入する段
   階、異質粒子がほぼ無くなった空気をフィルタユニット
   から取り出す段階、相対的に異なる電位にありかつフィ
   ルタユニットのろ材を挟むように配置される多孔性電極
   を用いて電界を得る段階、電界の下で空気及び異質粒子
   を電極の孔及びろ材内を通過させる段階及び異質粒子を
   捕獲する段階とを具備し、電極の電位は異質粒子の実質
   的なイオン化を避けるべく１センチメートルあたり約8k
   V未満であり、フィルタユニット中のろ材は多孔性の多
   重流路を形成しており、その各孔の寸法は捕獲するべき
   異質粒子より実質的に大きく、かつろ材を通過する空気
   の流速は毎秒0.1メートル未満とされ、実質的にイオン
   化されていない異質粒子を前記電界の下でフィルタユニ
   ット中のろ材の多孔性の多重流路を通過する間にろ材を
   形成する材料の表面にロンドン／ファンデルワールスの
   力の下で捕獲し保留する段階を具備することを特徴とす
   る方法。
5. 【請求項５】前記ろ材は折り畳んだ状態のファイバメッ
   シュにより構成されることを特徴とする請求の範囲４に
   記載の方法。
6. 【請求項６】電極の電位は、１センチメートルあたり約
   3.5kVから１センチメートルあたり約6kVまでの範囲内に
   あることを特徴とする、請求の範囲４に記載の方法。