JP5126502B2 - 流体浄化装置及びフィルターハウジング - Google Patents

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Description

本発明は、気体や液体などの流体浄化に用いられる流体浄化装置に関するものであり、より詳述すれば、流体吸引導入方式、及び／又は流体加圧導入方式の流体浄化装置において、その圧力損失を可及的に低減した流体浄化装置、及びかかる流体浄化装置を実現するフィルターハウジングに関する。
流体（気体や液体等）中に含まれる不純物や匂い成分を取り除く手段としては、吸着剤、吸着剤を基体に付着させた複合体、中空糸膜、不織布、紙、といった濾材（本発明においては、これらを総称して「フィルター材」と呼ぶ）を単品で、又はそれらを組み合わせて容器（フィルターハウジング）内に充填したフィルターを用いる方法が一般的である（例えば、特開平０９−０７０５１０号公報、特開２００４−３２２０２７号公報）。このようなフィルターの圧力損失値としては、流体を移動させるポンプやブロアー、配管方法その他への制限をできるだけ排除する観点から、可能な限り低減されたものであることが好ましい。
ここで、フィルターハウジングに充填する吸着剤やフィルター材料の充填量を減らせばフィルターの圧力損失値は低減するが、フィルター能力が損なわれる不都合が生じる。フィルターの高い吸着性能乃至濾過性能と、フィルターの低い圧力損失とをできるだけ両立するフィルターの開発が望まれていた。
特開平０９−０７０５１０号公報 特開２００４−３２２０２７号公報
本発明は、フィルターの高い吸着性能乃至濾過性能と、フィルターの低い圧力損失とを高度な次元で両立する流体浄化装置、及びフィルターハウジングを提供することを目的とする。
本発明者は、フィルターハウジングの流体流入口や流体流出口の口径が同一であり、フィルターハウジングに充填するフィルター材が同一材料／同一容量であっても、フィルターハウジングへのフィルター材の充填方法により圧力損失が大きく異なることを見出した。そして、フィルターハウジングへフィルター材を充填した後に生じる新たなフィルターの構造的要因による圧力損失を最小限に抑制する方法につき検討を加えた結果、フィルターハウジングの流体流入口や流体流出口と、フィルターハウジング内に充填されるフィルター材との間に、前記流体流入口や流体流出口の口径に応じた一定の空間を設けることにより、前記フィルターの構造的要因による圧力損失を可及的に低減させ得ることを知見し、本発明をなすに至った。
即ち、本発明者は、以下の流体浄化装置を提供する。
請求項１：
流体流入口並びに流体流出口を有するフィルターハウジングと、前記流体流入口から前記流体流出口に至る流体の流路を横断して前記フィルターハウジング内に収容されるフィルター材とからなり、気体を流通させて該気体を浄化する流体浄化装置であって、
前記フィルター材が、三次元網状骨格構造を有するフィルター基材を具備すると共に、破砕状、ペレット状又は球体状の流体浄化用吸着剤の少なくとも一部がこのフィルター基材の三次元網状骨格を被覆して固定されたものであり、
また、前記流体流出口の口径ａと、前記流体流出口の内側周縁部のうち前記フィルター材に対し最も離間した位置とフィルター材とを結ぶ最短距離ｂとが、ｂ≧ａなる関係を有し、かつ、前記フィルター材の流入口側端面の面積Ｓ fu と、前記流体流入口の開口面積Ｓ u とが、Ｓ fu ＝Ｓ u なる関係を有することを特徴とする流体浄化装置。
請求項２：
前記流体流入口の口径ｃと、前記流体流入口の内側周縁部のうち前記フィルター材に対し最も離間した位置とフィルター材とを結ぶ最短距離ｄとが、ｄ≧ｃなる関係を有する請求項１記載の流体浄化装置。
請求項３：
前記フィルター材の流出口側端面の面積Ｓfdと、前記流体流出口の開口面積Ｓdとが、Ｓfd≧Ｓdなる関係を有する請求項１又は２記載の流体浄化装置。
請求項４：
前記流体浄化用吸着剤が、椰子柄活性炭、木質活性炭、石油ピッチ系球状活性炭、ペレット状成型活性炭、天然ゼオライト、合成ゼオライト、活性白土、界面活性剤、陽イオン交換樹脂、陰イオン交換樹脂、陽イオン交換繊維、陰イオン交換繊維、キレート樹脂、キレート化合物、無機系陽イオン吸着剤、無機系陰イオン吸着剤、無機系合成化学脱臭剤、多孔質吸着体に中和反応等の化学反応を利用して対象ガス成分を化学的に分解除去する化合物を担持させたもの、多孔質吸着体に貴金属又は卑金属からなる酸化又は還元触媒を担持させたもの、及び、光励起触媒を担持又はコーティングさせたものよりなる群から選択された１種又は２種以上である請求項１，２又は３記載の流体浄化装置。
請求項５：
前記フィルター基材及び前記流体浄化用吸着剤が、流体流通性を有するカートリッジ内に収容されてなる請求項１乃至４のいずれか１項に記載の流体浄化装置。
請求項６：
前記フィルターハウジングが、前記流体浄化用吸着剤の飛散を防止する目的、若しくは供給流体中に含まれる塵埃を除去する目的で、不織布、ろ紙、ネット状体、又は帯電処理された不織布を備える請求項１乃至５のいずれか１項に記載の流体浄化装置。
本発明の流体浄化装置は、フィルターの高い吸着性能乃至濾過性能と、フィルターの低い圧力損失とを高度な次元で両立するものである。本発明の流体浄化装置は、一般的な空気や水の浄化用途のみならず、燃料電池へ供給する原料ガスの浄化や固体高分子膜の加湿用循環水の浄化、業務用、家庭用、車載用の空気清浄乃至浄水用途に好適に適用可能である。
また、本発明のフィルターハウジングは、前記流体浄化装置を形成するのに用いられるフィルターハウジングである。
本発明の一例を示す流体浄化装置の縦断面図である。 本発明の他の例を示す流体浄化装置の縦断面図である。 本発明の別の例を示す流体浄化装置の縦断面図である。
以下、図面を参照し、本発明を更に詳しく説明する。図１は、本発明の一例を示す流体浄化装置１の縦断面図である。流体浄化装置１は、上流側から下流側へと流体を通ずる円筒体２１と、円形の流体流出口２２１を有しかつ円筒体２１の下流側開口を覆って設置される流出口側蓋板２２と、円形の流体流入口２３１を有しかつ円筒体２１の上流側開口を覆って設置される流入口側蓋板２３と、を備えるフィルターハウジング２、及びこのフィルターハウジング２内に収容されるフィルター材３からなる流体浄化装置である。
図１に示すとおり、前記流体流出口２２１の口径ａと、前記流体流出口２２１の内側周縁部のうち前記フィルター材３に対し最も離間した位置とフィルター材３とを結ぶ円筒体２１の軸線に沿った距離（流体流出口２２１の内側周縁部のうち前記フィルター材３に対し最も離間した位置とフィルター材３とを結ぶ最短距離）ｂとは、ｂ≧ａなる関係を有し、また、前記流体流入口２３１の口径ｃと、前記流体流入口２３１の内側周縁部のうち前記フィルター材３に対し最も離間した位置とフィルター材３とを結ぶ円筒体２１の軸線に沿った距離（流体流入口２３１の内側周縁部のうち前記フィルター材３に対し最も離間した位置とフィルター材３とを結ぶ最短距離）ｄとは、ｄ≧ｃなる関係を有している。
ここで、前記「流体流出口２２１」又は「流体流入口２３１」とは、流体の排出若しくは導入のための開口部を意味する。
また、前記「流体流出口２２１の内側周縁部のうち前記フィルター材３に対し最も離間した位置」又は「流体流入口２３１の内側周縁部のうち前記フィルター材３に対し最も離間した位置」とは、流体の排出若しくは導入のための開口部の内側周縁部のうちフィルター材との最近接位置に対向した位置を意味する。つまり、上記流体流出口又は流体流入口の外周縁部のうちフィルター材と最も離間した位置とフィルター材との最短距離は、フィルター材と流体流出口又は流体流入口の内側周縁部との最短距離に流体流出口又は流体流入口の内径を加えた距離に対応する。
本発明の流体浄化装置１は、ｂ≧ａなる関係を有するため、実測される圧力損失に関し、フィルターハウジングへフィルター材を充填した後に生じる新たな構造的要因による圧力損失を最小限に食い止めることができる。
ここで、（筒体の最大内径）≧ａ＞０、（筒体の長さ）×（１／２）≧ｂ＞０であることが好ましい。上記ａ値とｂ値がこれらの関係を逸脱すると、ハウジングに吸着剤やフィルター材を充填した際に、構造的圧力損失が大きくなる場合がある。
一方、本発明の流体浄化装置１は、ｄ≧ｃなる関係を有するため、実測される圧力損失に関し、フィルターハウジングへフィルター材を充填した後に生じる新たな構造的要因による圧力損失を最小限に食い止めることができる。
ここで、（筒体の最大内径）≧ｃ＞０、（筒体の長さ）×（１／２）≧ｄ＞０であることが好ましい。上記ｃ値とｄ値がこれらの関係を逸脱すると、ハウジングに吸着剤やフィルター材を充填した際に、構造的圧力損失が大きくなる場合がある。
なお、流体浄化装置を設計するに際し、ｂ≧ａという構成、又はｄ≧ｃという構成を採用することは、フィルター材の充填量が減少する傾向となるためこれまで当業者には採用されにくい構成であったが、上記フィルターの構造的要因による圧力損失を最小限に抑制する観点からは有効な構成であることを本発明者が見出したものである。
流体浄化装置１において、フィルター材３は円筒体２１内を閉塞するように（流体流入口２３１から流体流出口２２１に至る流体の流路を横断閉塞して）充填、配設されており、流体流出口２２１に面する流出口側端面３１、及び、流体流入口２３１に面する流入口側端面３２を有している。
そして、流体浄化装置１は、流出口側端面３１の面積Ｓfdと流体流出口２２１の開口面積ＳdとがＳfd≧Ｓdなる関係を有するように構成され、また、流入口側端面３２の面積Ｓfuと流体流入口２３１の開口面積ＳuとがＳfu≧Ｓuなる関係を有するように構成されている。
そして、流体浄化装置１をＳfd≧Ｓdなる関係、及び／又はＳfu≧Ｓuなる関係を有するように形成することにより、流体浄化装置と吸引／加圧ポンプ等の流体駆動源とを接続する際にしぼり込みが必要な場合にも適用が可能である。
なお、上記Ｓfu値とＳu値がこれらの関係を逸脱した場合、又は上記Ｓfd値とＳd値がこれらの関係を逸脱した場合には、圧力損失が極端に上昇する場合がある。
ここで、流体流入口の面積Ｓuがフィルター材の流入口側端面の面積Ｓfuよりも小さく、しかもフィルター材３と流体流入口２３１との空間距離（上記ｄ値）が流体流入口２３１の口径（上記ｃ値）よりも小さい場合は、流体流入口２３１近傍で流体の流れ方に急激な変化が生じるため、圧力損失が上昇し、且つ、充填フィルター材や充填吸着剤において有効活用されない部位が生じるため好ましくない。
本発明において、フィルターハウジング２を構成する円筒体２１、流出口側蓋板２２、及び流入口側蓋板２３を形成する素材としては、金属、樹脂など特に限定するものではないが流体導入時の圧力変化に対して耐えられるものであり、使用時における寸法変化の少ないものが望ましい。
一方、フィルターハウジング２に充填するフィルター材３としては、適用する流体の物性に応じて適宜選定することが可能であるが、フィルターの内部ろ過機能を最大限に発揮させる観点から、三次元網状構造のフィルター基材に吸着剤が担持されたものや、ハニカム状のフィルター基材に吸着剤が担持されたもの、若しくは破砕状、ペレット状、又は球状の流体浄化用吸着剤を用いることが好適である。
流体浄化用吸着剤としては、目的に応じた不純物を除去するといった観点から、例えば椰子柄活性炭、木質活性炭、石油ピッチ系球状活性炭、ペレット状成型活性炭、天然ゼオライト、合成ゼオライト、活性白土、界面活性剤、陽イオン又は陰イオン交換樹脂、陽イオン又は陰イオン交換繊維、キレート樹脂、キレート化合物、無機系陽イオン又は陰イオン吸着剤、無機系合成化学脱臭剤、多孔質吸着体に中和反応等の化学反応を利用して対象ガス成分を化学的に分解除去する化合物を担持させたもの、及び、多孔質吸着体に貴金属又は卑金属からなる酸化又は還元触媒を担持させたものや酸化チタン等の光励起触媒を担持又はコーティングさせた物など用いることができる。
また、本発明においてフィルター材３としては、フィルターハウジング内に一定の空間を確保しつつフィルター材を収容する作業を容易かつ確実に行なう観点から、三次元網状骨格構造を有するフィルター基材を具備すると共に、前記流体浄化用吸着剤の少なくとも一部がこのフィルター基材の三次元網状骨格を被覆して固定されたものを用いることが好適である。
なお、フィルター材３としては、ハンドリング性、作業性、メンテナンス性の観点から、流体流通性（通気性や通液性）を有するカートリッジ内に収容されたものを用いることが好適である。
更に、フィルターハウジング２としては、前記流体浄化用吸着剤の飛散を防止する目的、若しくは供給流体中に含まれる塵埃を除去する目的から、不織布、ろ紙、ネット状体、又は帯電処理された不織布を備えることが好適である。このような不織布、ろ紙、又はネット状体としては、帯電処理されたポリプロピレン製の不織布またはＨＥＰＡ、ＵＬＰＡ、などのフィルター材を挙げることができる。これらはハウジングの流入口側及び／又は排出口側に設置すればよい。
上記流体浄化装置１において円筒体２１、流出口側蓋板２２、及び流入口側蓋板２３はそれぞれ別体であったが、これらは一体に成形されたものであっても良い。流体流入口２３１や流体流出口２２１の設置位置についても特に限定はなく、円筒体２１、乃至円筒体２１に相当する位置に設置されても良い（図２，３に、本発明の他の例を示す流体浄化装置１’、又は別の例を示す流体浄化装置１”について各々の縦断面図を示した。）。
なお、これら装置１’，１”において、２’，２”はそれぞれフィルターハウジング、３，３’はフィルター材であり、ａ，ｂ，ｃ，ｄはそれぞれ上記と同じ意味を示す。
また、フィルター材３は平坦な端面３１，３２を有するが、端面には凹凸があっても良い。上記端面３１，３２は円筒体２１の軸線に対して垂直に形成されているが、端面は筒体の軸線に対して傾きをもって形成されたものであってもよい。
更に、円筒体２１や流体流出口２２１、流体流入口２３１は、円筒体２１の軸線に対する断面形状として円形状を有するものであるが、かかる断面形状に特に制限はなく、四角形や五角形等の多角形状であっても良いし楕円形状であっても良い。断面形状が平面視円形状でない場合、本発明にいう「口径」とは「最小内径」を意味する。
以下、製造例、実施例、及び比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記実施例に制限されるものではない。
〔製造例〕
三次元網状骨格構造を有するウレタンフォーム（（株）ブリヂストン製 商品名ＨＲ−１０ ５ｍｍ厚み）に固形分５０％のアクリル系エマルジョンバインダー（綜研化学（株）製 商品名Ｅ−１０５４−６）を固形分で２５ｇ／Ｌになる様に含浸した後、１００℃で５分間乾燥させその表裏面から平均粒子径３０メッシュの椰子柄活性炭を付着加工させ余剰分の活性炭を振るい落とす事により活性炭付着量が１５０±２０ｇ／Ｌの活性炭フィルターシートを得た。
この活性炭フィルターシートを６７ｍｍφに打ち抜き、その２６枚を重ねてフィルター材とした（総厚み１３０ｍｍ）。
［実施例１〜３，比較例１，２］
下表１に示す条件下、流体吸引導入方式のフィルターハウジング（内径６７ｍｍφ×充填高さ１７５ｍｍの円筒型形状。流体流出口及び流体流入口は平面視円形状を有すると共に、それら円形状の中心を通る法線はフィルターハウジングの軸線に一致する。）内に、フィルターハウジングの軸線に直交するように上記フィルター材を設置し、得られた流体浄化装置についてその圧力損失を評価した。結果を下表１に併記した。
Figure 0005126502
口径
流体流入口又は流体流出口の口径。口径が６７ｍｍφであることは、フィルターハウジングの内壁と段差無く流体流入口又は流体流出口の流路内壁面が形成されていることを意味する。
距離
流体流入口の中心位置又は流体流出口の中心位置からフィルター材の端面に至る、フィルターハウジングの軸線に沿った距離。
吸引側、排気側
「吸引側」とは流体流入口が設置された側を意味し、「排気側」とは流体流出口が設置された側を意味する。
圧力損失
フィルターを含むフィルターハウジングの流体流出口側（下流側）に吸引ポンプを接続すると共に、流量計及び圧力計をフィルターハウジングと吸引ポンプとの間に設置して圧力損失測定装置を構成した。まず、測定対象となる、フィルターを含むフィルターハウジングを接続した状態で吸引流量５０Ｌ/ｍｉｎで空気を吸引し、その際の圧力損失を測定した。なお、流体流入口側のハウジング内壁の全周をガムテープでテーピングする事により充填した活性炭フィルターが脱落するのを防止すると共に、フィルターハウジングの上部には開口径を５ｍｍφに加工した排気口を設け、ここから活性炭フィルターにより浄化された空気が得られる様にした。
次に、フィルターを含むフィルターハウジングを外した以外は同じ条件にてブランクの圧力損失を測定し、上記圧力損失からブランクの圧力損失を差し引くことによって、上表１にいう「圧力損失」値を算出した。
［実施例４〜６，比較例３〜５］
排気側の口径を１０ｍｍに設定し、上表１と同様にフィルターの圧力損失を評価した。結果を下表２に示した。
Figure 0005126502
［実施例７〜９，比較例６〜８］
排気側の口径を１５ｍｍに設定し、上表１と同様にフィルターの圧力損失を評価した。結果を下表３に示した。
Figure 0005126502
［参考例１〜４，比較例９］
吸引側の口径を１０ｍｍ、排気側の口径を１０ｍｍに設定し、上表１と同様にフィルターの圧力損失を評価した。結果を下表４に示した。
Figure 0005126502

Claims (6)

  1. 流体流入口並びに流体流出口を有するフィルターハウジングと、前記流体流入口から前記流体流出口に至る流体の流路を横断して前記フィルターハウジング内に収容されるフィルター材とからなり、気体を流通させて該気体を浄化する流体浄化装置であって、
    前記フィルター材が、三次元網状骨格構造を有するフィルター基材を具備すると共に、破砕状、ペレット状又は球体状の流体浄化用吸着剤の少なくとも一部がこのフィルター基材の三次元網状骨格を被覆して固定されたものであり、
    また、前記流体流出口の口径ａと、前記流体流出口の内側周縁部のうち前記フィルター材に対し最も離間した位置とフィルター材とを結ぶ最短距離ｂとが、ｂ≧ａなる関係を有し、かつ、前記フィルター材の流入口側端面の面積Ｓ fu と、前記流体流入口の開口面積Ｓ u とが、Ｓ fu ＝Ｓ u なる関係を有することを特徴とする流体浄化装置。
  2. 前記流体流入口の口径ｃと、前記流体流入口の内側周縁部のうち前記フィルター材に対し最も離間した位置とフィルター材とを結ぶ最短距離ｄとが、ｄ≧ｃなる関係を有する請求項１記載の流体浄化装置。
  3. 前記フィルター材の流出口側端面の面積Ｓfdと、前記流体流出口の開口面積Ｓdとが、Ｓfd≧Ｓdなる関係を有する請求項１又は２記載の流体浄化装置。
  4. 前記流体浄化用吸着剤が、椰子柄活性炭、木質活性炭、石油ピッチ系球状活性炭、ペレット状成型活性炭、天然ゼオライト、合成ゼオライト、活性白土、界面活性剤、陽イオン交換樹脂、陰イオン交換樹脂、陽イオン交換繊維、陰イオン交換繊維、キレート樹脂、キレート化合物、無機系陽イオン吸着剤、無機系陰イオン吸着剤、無機系合成化学脱臭剤、多孔質吸着体に中和反応等の化学反応を利用して対象ガス成分を化学的に分解除去する化合物を担持させたもの、多孔質吸着体に貴金属又は卑金属からなる酸化又は還元触媒を担持させたもの、及び、光励起触媒を担持又はコーティングさせたものよりなる群から選択された１種又は２種以上である請求項１，２又は３記載の流体浄化装置。
  5. 前記フィルター基材及び前記流体浄化用吸着剤が、流体流通性を有するカートリッジ内に収容されてなる請求項１乃至４のいずれか１項に記載の流体浄化装置。
  6. 前記フィルターハウジングが、前記流体浄化用吸着剤の飛散を防止する目的、若しくは供給流体中に含まれる塵埃を除去する目的で、不織布、ろ紙、ネット状体、又は帯電処理された不織布を備える請求項１乃至５のいずれか１項に記載の流体浄化装置。
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