JP4897142B2 - 気体流から粒子および／または液滴形態の物質を分離する方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、気体流から粒子および／または液滴形態の物質を分離する方法に関し、本方法においては外壁が接地されている採集チャンバ中に気体流を導くと共に、採集チャンバ内に配置したイオン発生チップに高電圧をかけることによって、所望の物質を気体流から分離するイオン・ビームを、採集表面となる壁面に向かって発生させる。本発明はさらに、前記方法を適用するための装置にも関する。
【０００２】
現在、フィルタ、サイクロン、または電気フィルタやイオン吹き付け法などの電気的方法が、気体浄化システムおよび気体流からの粒子の分離に使用されている。
【０００３】
フィルタを用いる場合には、繊維フィルタまたは金属フィルタ中では、気体流の速度が増すと強い空気抵抗を生ずるために、気体流の速度は低く抑える必要がある。またフィルタの分離度は、速度の増加と共に減少する。マイクロ・フィルタを例にとると、気体流速は大体において毎秒０．５ｍ未満である。さらに、ナノメートル級の粒子（すなわち、直径が１から数十ナノメートルの粒子）になると、公知の技術では良い浄化結果を達成することは不可能である。
【０００４】
サイクロンの運転は、気体流速を低下させることにより、気体流中の重量粒子を採集装置中に落下させることに基づいている。したがってサイクロンは、重量粒子の分離に適用可能であり、それはこれらの粒子の落下速度が大きいからである。
【０００５】
電気フィルタにおいては、気体から採集プレートまたはパイプの内表面上に粒子を分離する。電気フィルタ中の気体流の速度は、一般に毎秒１．０ｍ未満にする必要があり、製造メーカの推奨では毎秒約０．３〜０．５ｍである。気体流速を低く保つ理由は、流速を高くするとプレート上に積もった粒子が放出されることによって、大幅に分離度が低下するためである。電気フィルタの作動は、静電気による粒子の帯電に基づいている。しかし、ナノメートル級の粒子を電気的に帯電させることは不可能である。さらに、例えばステンレス鋼のように、すべての物質が電気的に帯電するわけではない。
【０００６】
電気フィルタにおいては、採集プレートの浄化ステージの理由からも、低い気体流速を使用する必要がある。プレートを浄化する時には、プレートにブロー（ｂｌｏｗ）を当てて、採集した粒子物質を放出させる。ここで意図することは、浄化ステージで、プレートから放出した粒子物質が、気体流に戻るのをできるだけ少なくすることである。気体流速を低くすることで、粒子の流出を許容できる量に抑えることができる。
【０００７】
次に、添付の図面を参照して公知の技術について記述する。図１は、公知技術によるイオン・ブロー法に使用される装置を示し、図２は、公知技術のイオン・ブロー法による気体の浄化方法を示す。
【０００８】
図１には、公知技術による気体浄化用の装置を示してある。図の装置は、浄化しようとする流入気体の入口１、浄化済気体の出口２、電圧ケーブル３、絶縁器４、接地された採集チャンバ５、数個のイオン発生チップ７を備える通電取付け棒６、バイブレータ機構８、採集した粒子の回収チャネル９、および電源１０を備えている。
【０００９】
図１において、例えば、ビルディングに流入する空気または回収すべき空気は、浄化のために採集チャンバ５に導かれる。浄化すべき空気は、入口１を介して採集チャンバ５に入り、上に上昇し、浄化後に出口２を介して外に出る。浄化は、通電取付け棒６に配置したイオン発生チップ７で気体をイオン化することで実施され、イオン発生チップは電圧ケーブル３を介して電源１０に接続されており、電圧源１０は正または負（図示のとおり）の高電圧を、取付け棒６に印加することができる。
【００１０】
換言すると、正または負に帯電したイオン・ブローを気体に当てて、イオンおよび帯電粒子、さらに帯電していない粒子もイオン・ブローと共に採集面５に搬送される。イオン発生チップ７は、粒子の採集面の役割をする接地された採集チャンバ５に向けてある。採集チャンバ５は、絶縁器４によって、通電される部品６、７から絶縁されている。約７０〜１５０ｋＶの電圧がイオン発生チップ７に給電され、これらと採集チャンバ５の距離は、円錐型のイオン・ブロー効果を生じさせるように配置してあり、これによって帯電粒子および非帯電粒子が採集チャンバ５の壁面に運ばれて、採集チャンバ５の壁面の０電荷とイオン・ブローの電荷との間の荷電の差によってそこに付着する。イオン発生チップと採集壁５との距離は、通常２００〜８００ｍｍである。
【００１１】
図１は、さらに振動によって採集チャンバ５を浄化するためのバイブレータ機構８を示している。このバイブレータ機構は、チャンバを振動させながら、採集した粒子が落下し、回収チャネル９を介して外に出るように設計されている。採集した物質は、水で洗い落すことによっても取り除くことができる。
【００１２】
イオン・ブロー法の特徴は、高電圧によって得られるコロナ作用によって、電圧値が増大して、イオン発生チップから所望の設置構造に向かってイオン・ブロー効果が発生することである。気体分離の各用途には、いくつかのイオン発生チップが必要であり、その数は別に計算される。イオン・ビーム法については、例えば特許刊行物ＥＰ−４２４３３５に、より詳細に記載されている。
【００１３】
公知技術によるイオン・ブロー法を用いた採集チャンバ内での気体浄化の解決策を、図２に示してある。図２は、浄化された気体の出口２、接地された採集チャンバ５、およびいくつかのイオン発生チップ７を備える通電取付け棒６を示している。さらに、図はイオン・ブロー１１、採集チャンバ５内の累積粒子１２、１３、１４、および気体流１５を示している。図１および２の解決策は、リング２２内のイオン発生チップの位置に特徴があり、このリングを用いることにより、イオン発生チップおよび採集面との距離が短縮されている。
【００１４】
特に産業界においては、大規模な気体流から１秒間に数キログラムの物質を、分離する必要があり、特に高電圧を使用することが理由で、イオン・ビーム装置は比較的大型である。
いくつかの製造ラインでは、イオン・ブロー法に用いる装置に必要なスペースを見つけるのが難しい。
【００１５】
本発明の目的は、気体流から粒子および／または液滴形態の物質を分離し、かつ電力要求を大幅に低減し、さらに採集プレートに集積した粒子物質の除去方法を改良するための方法および装置を提供することである。
【００１６】
本発明の方法においては、プッシュプル法（ｐｕｓｈ−ｐｕｌｌ ｍｅｔｈｏｄ）によって気体流から不純物を分離し、この方法の特徴は、導電採集面を外部ケーシングから電気的に絶縁してあること、およびイオン発生チップにかける高電圧と反対の直流電圧符号の高電圧を採集面にかけることである。前述の公知のイオン・ブロー法と比較すると、その差異は、本発明の方法ではイオン発生チップと採集チャンバの壁との間に、付加的な力として電界が存在することである。採集面に高電圧をかけると、採集面の前方に電界が発生し、反対符号のイオンおよび逆電荷を帯びた粒子を採集面へと引きつける。前記のプッシュプル法を用いることで、粒子の分離が改善され、イオン発生チップをリング上に配置する必要がなく、取付け棒に直接取付けることができる。
【００１７】
本発明の方法を用いることにより、使用電圧は、図２の公知の技術による方法と比較して、１／３から１／４に減少する。同時に、同量の空気と同じ清浄度を達成するためのコストは、大幅に減少し、１／３になることさえある。
【００１８】
本発明のさらなる目的は、前述の本発明を実行するための装置を提供することである。本発明の装置の特徴は、導電採集面を外部ケーシングと電気的に絶縁してあること、および電源から採集表面に高電圧をかけ、この高電圧がイオン発生チップにかける高電圧と逆の直流電圧符号を有することである。本発明の一実施形態においては、電気絶縁体と外部ケーシングとの間に空隙が設けられている。
【００１９】
次に、添付した以下の図面を参照して、本発明をより詳細に記述する。
これまで、図１および図２について記述した。次に本発明の実施形態を示す図３を参照して、本発明による解決策について記述する。
図３は、本発明の分離装置と、その構造および作動原理を示している。図は、浄化気体の出口２、接地された外部ケーシング５、およびいくつかのイオン発生チップ７を備える通電取付け棒６を示している。
【００２０】
図はさらに、イオン・ビーム１１と気体流１５を示している。さらに図には、採集チャンバの外部ケーシング５と電気絶縁層１７との間に配置したエア・ギャップ１６および電気絶縁層１７の内部表面上の導電表面１８を示している。電気絶縁層１７は、ファスナ２１によって外部ケーシング５に取付けてある。イオン発生チップ７にかける高電圧（図では負）と、逆の直流電圧符号、図では正符号の電圧が、導電表面１８にかけられる。したがって、電圧は反対符号、すなわちイオン発生チップ７では正、導電表面１８では負であるか、あるいはイオン発生チップで負、導電表面で正となる。イオン発生チップ７の電圧は実質上、採集面、すなわち導電表面１８の電圧と等しいが、異なる値の電圧を用いることも可能である。電圧を等しくすることの利点は、高電圧センタの構造がより簡単になることである。また等電圧によって浄化結果も改善される。
【００２１】
図３は、さらに導電表面１８の前方で正の電界に帯電した空隙１９を示しており、空隙１９が正に帯電しているのは、正の高電圧が表面１８にかけられているからである。導電表面１８の電荷が逆転すると、すなわちこの場合には負になると、電界が集積した粒子を解放するため、集積した物質は放出されて、採集チャンバの底にある回収チャネル（図１の参照番号９）に落下する。したがって、本発明の装置には振動機構は必要でない。しかし、所望の場合には使用することができる。最も一般的な採集面の浄化は、液体洗浄により自動的に実施される。したがって所望の浄化間隔と浄化時間をプログラムすることも可能である。液体洗浄においては、浄化液は射出チューブ２０から供給され、この浄化液が採集表面１８に沿って流れながら、集積した粒子を表面１８から取り除く。所望の場合には、浄化剤中に例えば殺菌剤を使用することも可能である。
【００２２】
以上に示したように、導電採集面１８の電荷を変えることによって、集積した物質は、採集面に滞留させられるか、またはそこから離脱させられる。装置で使用する電荷は約１０〜６０ｋＶ、好ましくは３０〜４０ｋＶであり、電流は約０．０５〜５．０ｍＡ、好ましくは約０．１〜３．０ｍＡである。
【００２３】
図３に示す、通電採集面１８に配置された電気絶縁体１７はガラス、プラスチック、または高電圧を絶縁するその他の類似の材料でよく、好ましくは絶縁体１７はアクリル・ニトリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）である。
【００２４】
さらに、図３に示す、電気絶縁体１７上に配置された導電平面層は、絶縁層上に金属薄板またはフィルムなどの金属で作られるか、あるいは絶縁層上またはその内部に部分的または全体に配置したワイヤ・メッシュで作られる。特に好ましいのは、導電機構が、絶縁層上に配置され、真空金属蒸着によって製作された硬質クロム層を備えることである。金属フィルム接着や他の金属被覆法などの、他の取付け方法を用いることも可能である。
【００２５】
本発明による方法を用いると、粒子および液滴形態の非常に微細な固体粒子も気体流から効果的に分離することができる。気体の処置は、チャンバ、トンネルまたはチューブ構造中で行い、その内部で気体をイオン・ビームに当てる。イオン・ビームは、採集面に対して採集された物質に衝撃力を及ぼし、同時にキャパシタンスを有する粒子を電気的に帯電させる。採集表面にもたらされた反対符号の電界は、粒子または液滴形態の物質に採集表面上のけん引力を与える。したがって、イオン・ビームの衝撃力および電界のけん引力は気体流からの粒子除去に利用可能である。
【００２６】
本発明の方法によると、イオン生成は、負イオンを発生するタイプまたは正イオンを発生するタイプのどちらでもよい。
本発明によるイオン・ビーム装置は、例えば、少なくとも直径１ナノメートルの粒子がＤＮＡ鎖から放出される遺伝子研究実験室に装置することができる。これらの実験室では、ナノメートル級の粒子を帯電させることができないために、従来型の電気フィルタは満足に機能を果たさない。
【００２７】
本発明による気体浄化は通常、空気浄化において実行され、したがって非常に適した用途としては、例えば病院の隔離室、手術室、マイクロチップの製造工場、および生物兵器を撃退すべき部屋などの空気取入れ口などがある。
【００２８】
したがって、本発明の使用には、すべての部屋ならびに吸入および排出空気の浄化が含まれる。粒子および液滴サイズ１ｎｍから１００，０００ｎｍにおける空気浄化が本発明により可能である上に、洗浄モードが多量の液体を必要とする場合、採集面の電圧が遮断された時に、採集面の洗浄中に空気を連続浄化することも可能である。
【００２９】
本発明の方法はさらに、気体および煙道ガスの種々な浄化装置、例えば気流フィルタ、サイクロン、電気フィルタ、マテリアル・ディバイダ、またはイオン・ブロー法に基づく浄化装置に適用できる。本方法の標準モデルは、家庭やオフィスの部屋の空気浄化に適している。
【００３０】
本発明の方法を用いることにより、直径が１ナノメートルから直径数百マイクロメートルの粒子の分離を実施することができる。粒子の比重ｎ、または静電容量のどちらも分離の障害とはならない。気体は、異なる粒子サイズ部分について、純気体レベルまで浄化できる。
【００３１】
気体流から粒子および／または液滴形態の物質を分離する方法と装置が、前述の例に限定されることなく、請求の範囲に基づくことは、当業者には明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 イオン・ブロー法で用いる公知技術の装置を示す図である。
【図２】 イオン・ブロー法を用いて気体を浄化する公知技術の方法を示す図である。
【図３】 本発明による分離装置の構造と作動原理を示す図である。

Claims (10)

1. 気体流から粒子および／または液滴の形態の物質を分離する方法であって、
   外壁（５）が接地されている採集チャンバ中に気体流（１５）を導き、
   前記採集チャンバ内に配列されたイオン発生チップ（７）に高電圧をかけることにより、イオン発生チップ（７）から採集面（１８）に向かって、所望の物質を気体流から分離するイオンビーム（１１）を発生させ、
   導電採集面（１８）が、その採集面（１８）の全領域にわたって採集チャンバの外壁（５）と電気的に絶縁されており、かつ
   イオン発生チップにかける高電圧と反対符号の直流電圧の高電圧を採集面（１８）にかける方法において、
   導電採集面（１８）が、絶縁層（１７）の内表面上または絶縁層（１７）の内側に全体的または部分的に配置された導電平面層であることを特徴とする方法。
2. 使用する電圧が１０〜６０ｋＶであり、かつ使用する電流が０．０５〜５．０ｍＡであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 導電表面（１８）の電荷を変えることによって、壁面上に集積した物質を壁面から離脱させることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 採集面（１８）を液体ですすぐことによって、壁面上に集積した物質を除去することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
5. 気体流から粒子および／または液滴の形態の物質を分離する装置であって、
   浄化しようとする流入空気の入口（１）と、
   外壁（５）が接地されている採集チャンバと、
   浄化された気体の出口（２）と、
   アクチュエータを備える電圧源（１０）と、
   イオン発生チップ（７）が配置されている通電取付け要素（６）とを備える装置であって、
   イオン発生チップ（７）に高電圧を導き、イオン発生チップ（７）から採集面（１８）に向かってイオン・ビーム（１１）を発生させ、
   導電採集面（１８）が採集チャンバの外壁（５）と電気絶縁体により電気的に絶縁されており、かつ
   イオン発生チップ（７）にかける高電圧と反対符号の直流電圧の高電圧を電圧源（１０）から採集面（１８）にかける装置において、
   導電採集面（１８）が、電気絶縁層（１７）の内表面上または絶縁層（１７）の内側に全体的または部分的に配置された導電平面層であることを特徴とする装置。
6. 電気絶縁層（１７）と採集チャンバ（５）との間に空隙（１６）が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 採集面の電気絶縁層（１７）がガラス、プラスチック、または高電圧を絶縁する類似の材料であることを特徴とする請求項５または６に記載の装置。
8. 前記絶縁層（１７）がアクリル・ニトリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）であることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記の導電採集面（１８）が金属製であることを特徴とする請求項５〜８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記採集面（１８）が、真空蒸着金属被覆法を用いて絶縁層（１７）上に設けられた薄い金属層であることを特徴とする請求項９に記載の装置。

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