JP5119937B2

JP5119937B2 - 静電フィルタ装置

Info

Publication number: JP5119937B2
Application number: JP2008007709A
Authority: JP
Inventors: 和哉島田; 一男梨本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2008-01-17
Filing date: 2008-01-17
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2028-01-17
Also published as: JP2009165974A

Description

本発明は、粉塵を捕捉する空気清浄装置に使用される静電フィルタに関する。

従来、この種の静電フィルタは、ワイヤーメッシュとして電気絶縁材のフェラメントを十字形模様に形成した静電フィルタが知られている（例えば、特許文献１参照）。

以下、その静電フィルタについて図６を参照しながら説明する。

図６に示すように、ワイヤーメッシュ１０１は、電気的に絶縁された導電性のワイヤー１０２と十字形に位置した電気的に絶縁された導電性のワイヤー１０３とで構成され、ワイヤー１０２をセットとして導電性母線１０４とワイヤー１０３をセットとして導電性母線１０５とで結合されている。導電性母線１０４と導電性母線１０５には、交流電圧供給源１０６が接続され、交流電圧供給源１０６より電圧が印加され、導電性のワイヤー１０２と導電性のワイヤー１０３に通電され、導電性のワイヤー１０２と導電性のワイヤー１０３の間に電位が保たれ、ワイヤーメッシュ１０１を通過する帯電した粒子が導電性のワイヤー１０２と導電性のワイヤー１０３に付着する。
特許第２９０５０３６号公報

このような従来の静電フィルタは、大気塵のように粒径が小さく、かつ帯電量の低い、すなわち集塵し辛い粉塵を捕捉するためのスペックが与えられていたために、粒径が大きく、帯電量の高い粉塵を集塵するには過剰性能であるという課題があり、粒径の大きい粉塵を選択的に捕捉する技術が要求されていた。

また、捕捉した粉塵に含まれるアレルゲン物質を不活化する手段を持ち合わせていないために、フィルタから脱離して再飛散した際には、人間に悪影響を与えるという課題があり、これを予防する技術が要求されていた。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、粒径が大きい粉塵のみを選択的に捕捉することができ、また、捕捉した粉塵に含まれるアレルゲン物質を不活化することのできる静電フィルタ装置を提供することを目的としている。

本発明の静電フィルタ装置は、導電性を有する導電繊維と、導電繊維の表面が絶縁体で被覆された絶縁繊維と、導電繊維と絶縁繊維の間に電位を印加する電圧電源とを備え、導電繊維と絶縁繊維の線径が１００から３００μｍで、かつ導電繊維と絶縁繊維の配置間隔が５０から３００μｍであり、前記導電繊維と前記絶縁繊維の線径φ（ｍｍ）と、前記導電繊維と前記絶縁繊維の配置間隔ｄ（ｍｍ）がφ≧８．４２ｄ²を満たすものである。

この手段により、粒径１０から５０μｍの粉塵を７０％以上という高い集塵効率で捕捉することのできる静電フィルタ装置が得られる。また、粒径１０から５０μｍの粉塵を選択的に集塵することができる静電フィルタ装置が得られる。

また、他の手段は、導電繊維と絶縁繊維とが平行かつ一本ずつ相互に配された構造としたものである。

この手段により、捕捉した粉塵の保持量を高めた静電フィルタ装置が得られる。

また、他の手段は、導電繊維と絶縁繊維とが十字状に交差したメッシュ構造であり、導電繊維と絶縁繊維は平行かつ一本ずつ相互に配された構造としたものである。

この手段により、捕捉した粉塵の保持量をさらに高めた静電フィルタ装置が得られる。

また、他の手段は、導電繊維が銅を含む金属からなるものである。

この手段により、粉塵の捕捉部位に偏りがなく、フィルタ面に一様に集塵できる静電フィルタ装置が得られる。

また、他の手段は、導電繊維に被覆した絶縁体がポリエステル、ポリウレタンであるものである。

この手段により、絶縁破壊を予防し、安全に運転することができる静電フィルタ装置が得られる。

また、他の手段は、電圧電源の出力が１００から２００Ｖであるものである。

この手段により、効率的に粒径の大きい粉塵を捕捉できると同時に、絶縁体の絶縁破壊を予防し、安全に運転することができる静電フィルタ装置が得られる。

また、他の手段は、導電繊維と絶縁繊維の間を通過する風速が０．０１から１ｍ／ｓであるものである。

この手段により、効率的に粒径の大きい粉塵を捕捉できると同時に、この範囲の風速を持つ様々な空気清浄装置に組み込みやすい静電フィルタ装置が得られる。

また、他の手段は、絶縁繊維に被覆した絶縁体の表面にアレルゲン不活化物質を添着するものである。

この手段により、捕捉した粉塵に含まれるアレルゲン物質を不活化することのできる静電フィルタ装置が得られる。

また、他の手段は、電圧電源により導電繊維を絶縁繊維よりも高い電位にするものである。

この手段により、粉塵を絶縁繊維上に多く捕捉することができ、アレルゲン不活効果を高めた静電フィルタ装置が得られる。

本発明によれば、粒径１０から５０μｍの粉塵を７０％以上という高い集塵効率で捕捉することのできる静電フィルタ装置が得られる。また、線径１００から３００μｍの導電繊維、絶縁繊維は、柔軟性に富み、非常に加工がしやすく、フィルタの形成が容易であり、また、導電繊維と絶縁繊維の配置間隔が５０から３００μｍは、電圧電源による低電圧の印加でも高い電界を生成することができ、それにより粉塵がクーロン力を受けた結果、集塵が達成される。集塵対象である粒径１０から５０μｍといった大きい粉塵を高効率で集塵することができる。空気中には１０μｍ以下の大きさの粉塵が圧倒的に多く、これらの粉塵は、本発明の静電フィルタに捕捉されることがないため、フィルタの目詰まりが起こりにくく、常に粒径１０から５０μｍの粉塵のみを捕捉するプレフィルタとしての効果のある静電フィルタ装置を提供できる。

また、捕捉した粉塵に含まれるアレルゲン物質を不活化することができるため、仮に捕捉した粉塵がフィルタから脱離して再飛散した場合においても、人間に与える悪影響を低減するという効果のある静電フィルタ装置を提供できる。

本発明の請求項１に記載の静電フィルタ装置は、導電性を有する導電繊維と、導電繊維の表面が絶縁体で被覆された絶縁繊維と、導電繊維と絶縁繊維の間に電位を印加する電圧電源とを備え、導電繊維と絶縁繊維の線径が１００から３００μｍで、かつ導電繊維と絶縁繊維の配置間隔が５０から３００μｍであり、前記導電繊維と前記絶縁繊維の線径φ（ｍｍ）と、前記導電繊維と前記絶縁繊維の配置間隔ｄ（ｍｍ）がφ≧８．４２ｄ ² を満たすとしたものであり、粒径１０から５０μｍの粉塵を７０％以上という高い集塵効率で捕捉することのできる静電フィルタ装置が得られる。粒径１０から５０μｍの粉塵を集塵するとしたものであり、電圧電源により導電繊維と絶縁繊維の間に電位差を与えることで、電界が形成される。

１０から５０μｍの粉塵は空気中での帯電量が大きいために、電界によるクーロン力を受け、導電繊維または絶縁繊維に引き寄せられた結果、約半数以上が捕捉されるという作用を有する。

また線径１００から３００μｍの導電繊維、絶縁繊維は、柔軟性に富み、非常に加工がしやすく、フィルタの形成が容易であるという作用を有する。また、導電繊維と絶縁繊維の配置間隔が５０から３００μｍは、電圧電源による低電圧の印加でも高い電界を生成することができ、それにより粉塵がクーロン力を受けた結果、集塵が達成されるという作用を有する。

また、請求項２に記載の静電フィルタ装置は、導電繊維と絶縁繊維とが平行かつ一本ずつ相互に配された構造としたものであり、導電繊維、絶縁繊維からなる電極間の距離が一定、すなわち電界強度が一様な分布となるため、電極における粉塵の捕捉部位に偏りのない一様な集塵が見込まれる。結果的に、粉塵保持能を高めるという作用を有する。

また、請求項３に記載の静電フィルタ装置は、導電繊維と絶縁繊維とが十字状に交差したメッシュ構造であり、導電繊維と絶縁繊維は平行かつ一本ずつ相互に配された構造としてものであり、電極表面積が大きいため、粉塵保持能のさらなる向上が見込まれるという作用を有する。また、電極面積が大きくなることから、粉塵の物理的吸着といった機械的集塵の効率も上昇するという作用を有する。

また、請求項４に記載の静電フィルタ装置は、導電繊維が銅を含むフィラメントからなるものであり、導電体の中でも比較的内部抵抗値の低い銅を含む金属を電極として用いることで、電極内における電圧分布を一様にすることができ、結果的にフィルタ面に一様に粉塵を捕捉できるため、粉塵保持量を高めるという作用を有する。また、銅の抗菌作用により、捕捉した粉塵に付着した微生物を殺菌することができるという作用を有する。

また、請求項５に記載の静電フィルタ装置は、絶縁繊維に被覆した絶縁体がポリエステル、ポリウレタンのいずれかから選択されるものであり、導電繊維の絶縁破壊を避けると同時に導電繊維と絶縁繊維の間の導通を避けて安全に運転できるという作用を有する。

また、請求項６、７に記載の静電フィルタ装置は、電圧電源の出力が１００から２００Ｖ、風速が０．０１から１ｍ／ｓであるとしたものであり、これらの条件により、粒径１０から５０μｍの粉塵を効率的かつ安全に集塵するという作用を有する。また、これらの条件は多くの空気清浄装置に一般的であるため、様々な空気清浄機器への組み込み性が高いという作用を有する。

また、請求項８に記載の静電フィルタ装置は、絶縁繊維に被覆した絶縁体の表面にアレルゲン不活化物質を添着するものであり、絶縁繊維上に捕捉された１０から５０μｍの粉塵に含まれる花粉やダニの死骸といったアレルゲン物質を不活化させるという作用を有する。

また、請求項９に記載の静電フィルタ装置は、電圧電源により導電繊維を絶縁繊維よりも高い電位にするものであり、空気中で粉塵のほとんどはプラスに帯電していることから、それらは絶縁繊維上に捕捉されるため、粉塵に含まれるアレルゲン物質と絶縁繊維上のアレルゲン不活化物質との接触確率を高めるという作用を有する。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１に、導電性を有する導電繊維１と、導電繊維１の表面が絶縁体２で被覆された絶縁繊維３と、導電繊維１と絶縁繊維３の間に電位を印加する電圧電源４とを備えた本発明の静電フィルタ装置５を示す。

本発明の静電フィルタ装置５による粉塵の集塵は、電圧電源４により導電繊維１と絶縁繊維３の間に電位差を与えることで、電界が形成され、それにより帯電した粉塵はクーロン力を受けることにより、捕捉されることとなる。集塵対象となる粉塵は、粒径１０から５０μｍに限り、このような粉塵は割合は少ないものの、大気中に存在する。

図１の構成において、導電繊維１は銅を含む金属である。銅は電気抵抗値の低い金属であるため、銅のみで構成された線を導電繊維１に用いると、電圧電源４で印加した電圧値をほとんど損失することなくフィルタ前面に付与することができる。加えて、銅は抗菌作用が示唆されていることから、導電繊維に付着した粉塵に含まれる微生物を殺菌することが可能となり、本発明の静電フィルタ装置５の付加価値を高めることができる。

銅以外では、銀やアルミニウムも電気抵抗値が低いため、導電繊維１として使用可能であるが上記のような銅の特性に加え、価格も考慮すると、銅を含む方が好ましい。また、導電繊維１は、単線、撚り線は問わないが、粉塵の保持量を考えると、撚り線を用いた方が好ましい。

絶縁体２はポリエステル、ポリウレタンを用いることで、導電繊維１、絶縁繊維３間の導通を回避することができる。ポリエステル、ポリウレタン以外では、エナメルやフッ素樹脂、マイカを使用することも可能であるが、価格や作り易さ、耐久性を考慮するとポリエステルまたはポリウレタンが好ましい。また、絶縁体２として、チタン酸バリウムに代表される強誘電体を用いると、集塵効率を高められると考えられるが、導電繊維１表面に薄膜状のコーティングを作製することは非常に難しい。

絶縁繊維３は、導電繊維１の表面を絶縁体２で被覆したものであり、被覆方法は、コーティングやらせん状に巻き付ける紡績手法を採用しても良い。絶縁繊維３中の導線繊維１は、導電繊維１単体のものと同じ線径である必要はない。しかし、本発明の静電フィルタを作製する際には、導電繊維１と絶縁繊維３は同じ太さのものを用いた方が作製し易いため好ましい。また、絶縁体２の被覆厚さは絶縁破壊に至らない値であれば良い。

電圧電源４は、導電繊維１と絶縁繊維３との間に電位差を与えるものであり、導線６で導電繊維１と絶縁繊維３に接続されている。出力方法は交流／直流どちらでも良いが、交流を用いた方が粉塵の集塵効率が高いため効果的である。

（実施の形態２）
図２または図３に、導電性を有する導電繊維１と絶縁繊維３の構成の拡大図を示す。

図２は、導電繊維１と絶縁繊維３とが平行かつ一本ずつ相互に配された構造である。本発明は、導電繊維１、絶縁繊維３の間に電位差を与え、生成する電界が帯電した粉塵に与えるクーロン力により粉塵を捕捉するものであり、電界強度は電位差を電極間距離で除した値であることを考慮すると、電極間距離はできるだけ狭めた方が効果的である。また、導電繊維１と絶縁繊維３とが平行であるため、フィルタ前面に一様な電界が生成されるため、粉塵の捕捉部位に偏りが出るのを防止することができる。

図３は、導電繊維１と絶縁繊維３とが十字状に交差したメッシュ構造であり、導電繊維１と絶縁繊維３が平行かつ一本ずつ相互に配された構造である。この場合も、上記と同様の理論で集塵が達成されることとなるが、導電繊維１と絶縁繊維３の総表面積が大きいため、粉塵保持量が高いことが特徴である。

図２、図３の構成は線径１００から３００μｍの導電繊維、絶縁繊維で配置間隔５０から３００μｍに設定されるべきである。ここで、配置間隔は図２、図３中のＡで示す部分の距離を示す。線径１００から３００μｍの導電繊維、絶縁繊維は非常に柔軟性に富み、配置間隔５０から３００μｍに配置することが可能となる。図２や図３に示す構成は、自動編み機を用いて作製されるが、線径が１００μｍ以下の場合、強度の低さから、配置間隔５０から１００μｍでの作製は困難である。逆に、線径が３００μｍを越える場合、導電繊維１の柔軟性が下がるため、上記の配置間隔での作製は困難である。

ここで図４に、導電繊維、絶縁繊維の線径３００μｍ、配置間隔２５０μｍとし、粒径１０μｍ、帯電量１０^-15Ｃの粉塵の集塵効率を電圧電源４の出力値をパラメータとして検討した結果を示す。この結果から、電圧電源４の出力値が１００Ｖ以上であれば、集塵効率９０％を達成でき、空気質の改善に大きく寄与できる。より集塵効率を高める必要がある場合には、電圧電源４の出力値を２００Ｖに高めることで、ほぼ１００％の集塵効率を達成できる。

よって電圧電源４の出力値は１００〜２００Ｖとするのが好ましい。２００Ｖを越えてもほぼ１００％の集塵効率を達成できるが、安全面から２００Ｖ以下が好ましい。

（実施の形態３）
請求項１に記載の導電繊維１、絶縁繊維３の線型１００から３００μｍ、配置間隔５０から３００μｍは集塵効率約５０％であるが、より精度の高い静電フィル装置を作製するべく、以下の検討を行った。

図５に１０から５０μｍの粉塵の主たる例である花粉の模擬粒子として石松子（比重１．０５ｇ／ｃｍ³、粒径３５μｍ）を用いて行った本発明の静電フィルタ装置５の集塵検討結果を示す。

電圧電源の出力値を１００Ｖ、風速１ｍ／ｓとし、導電繊維１、絶縁繊維３の線径と配置間隔を変化させて実験を行った。その結果、各線径、配置間隔における集塵効率が得られた。そして、各集塵効率に対応する線径、配置間隔の組み合わせを電気集塵の理論式であるドルチェの式で近似した。ここで、石松子の帯電量は事前の検討から得られた１０^-15Ｃを用いた。集塵効率９０％、８０％、７０％を達成できる導電繊維１、絶縁繊維３の線径と配置間隔の関係の近似式を図５に示す。図５に示す集塵効率７０％を示す線は、導電繊維、絶縁繊維の線径をφ、配置間隔をｄとすると、φ＝８．４２ｄ²で表すことができる。よって、φ≧８．４２ｄ²を満たすことで、集塵効率７０％以上が達成されることから、より高品質の静電フィルタ装置が得られる。

また、図５中のＡで示す部分は、請求項１に記載の導電繊維１、絶縁繊維３の線型１００から３００μｍ、配置間隔５０から３００μｍで集塵効率約５０％を達成できる領域を示している。

（実施の形態４）
粉塵は空気中で正に帯電していると言われており、電圧電源４により導電繊維１を絶縁繊維３よりも高い電圧にせしめることにより、粉塵は主に絶縁繊維３の表面に捕捉される。よって、絶縁繊維３の表面にアレルゲン不活化物質（図示せず）を添着しておくことで、捕捉した粉塵のアレルゲン物質を不活化することができる。

アレルゲン物質には、スギ、ヒノキ、ブタクサ、マツ、イネ、シラカバ、ハンノキ、ヤシャブシ、オバヤシャブシといった花粉やダニの死骸、動物の表皮や毛、ホコリといった粉塵がこれに該当する。アレルゲン物質が人間の体内に取りこまれると、免疫反応により抗体が作られ、細胞に付着し、この抗体の付着した細胞がアレルゲンと結合することにより、細胞からヒスタミンなどの物質を放出され、炎症を引き起こす可能性がある。

アレルゲン不活化物質は、花粉やダニ、動物の表皮といったアレルゲン物質を含む媒体と接触してアレルゲン物質を分解または、囲い込みにより抗原抗体反応を抑制する作用を有する物質であれば良く、例えば、フェノール系ポリマーやフェノールオリゴマー、酵素、植物抽出物、光触媒、フタロシアニンが挙げられる。

本発明の静電フィルタ装置を用いて花粉に代表される１０から５０μｍの粒径を持つ粉塵のみを効果的に集塵することができる。集塵した花粉はフィルタ上で不活化されるため、フィルタから脱離した場合も人間に与える悪影響を低減することができる。本発明のフィルタ装置を例えば、空気清浄機や除湿機、加湿器、換気扇やエアコン、掃除機、衣類乾燥機といった家電製品、また工場のクリーンルームの入り口に組み込むことで、空質を改善に寄与することができる。

本発明の実施の形態１の静電フィルタ装置の構成を示す図本発明の実施の形態２の静電フィルタ装置の拡大図本発明の実施の形態２の静電フィルタ装置の第二の拡大図本発明の実施の形態３の印加電圧と集塵効率の関係を示すグラフ本発明の実施の形態３の導電／絶縁繊維の線径と配置間隔と集塵効率の関係を示すグラフ従来の静電フィルタの構成を示す図

符号の説明

１導電繊維
２絶縁体
３絶縁繊維
４電圧電源
５静電フィルタ装置
６導線

Claims

粒径１０から５０μｍの粉塵を集塵する静電フィルタ装置であって、導電性を有する導電繊維と、導電繊維の表面が絶縁体で被覆された絶縁繊維と、前記導電繊維と前記絶縁繊維の間に電位を印加する電圧電源とを備え、前記導電繊維と絶縁繊維の線径が１００から３００μｍで、かつ前記導電繊維と前記絶縁繊維の配置間隔が５０から３００μｍであり、前記導電繊維と前記絶縁繊維の線径φ（ｍｍ）と、前記導電繊維と前記絶縁繊維の配置間隔ｄ（ｍｍ）が下記式（１）の関係を満たすことを特徴とする静電フィルタ装置。
前記導電繊維と前記絶縁繊維とが平行かつ一本ずつ相互に配された構造であることを特徴とする請求項１に記載の静電フィルタ装置。
前記導電繊維と前記絶縁繊維とが十字状に交差したメッシュ構造であり、前記導電繊維と前記絶縁繊維は平行かつ一本ずつ相互に配された構造であることを特徴とする請求項１に記載の静電フィルタ装置。
前記導電繊維は銅を含む金属からなることを特徴とする請求項１から３いずれか１項に記載の静電フィルタ装置。
前記導電繊維に被覆した絶縁体がポリエステル、ポリウレタンのいずれかから選択されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の静電フィルタ装置。
前記電圧電源の出力が１００から２００Ｖであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の静電フィルタ装置。
前記導電繊維と前記絶縁繊維の間を通過する風速が０．０１から１ｍ／ｓであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の静電フィルタ装置。
前記絶縁繊維に被覆した絶縁体の表面にアレルゲン不活化物質を添着することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の静電フィルタ装置。
前記電圧電源により導電繊維を絶縁繊維よりも高い電位にすることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の静電フィルタ装置。