JP6147283B2 - 浄水カートリッジ及び浄水器 - Google Patents

Description

本発明は、浄水カートリッジ及びその浄水カートリッジを備える浄水器に関する。

従来、浄水器で浄化された水道水が、飲み水や料理用の水として用いられている。一般的に、浄水器には、浄水カートリッジが組み込まれている。浄水器は、浄水カートリッジを構成する活性炭成形体によって水道水をろ過することで、水道水中の異臭の原因となる塩素等や、クロロホルムを含むトリハロメタン等の有機物を除去する。このような塩素や有機物を除去するタイプの活性炭成形体では、目詰まりを起こさないようにするためには、活性炭成形体を構成する活性炭同士が形成する間隙（細孔）を大きく設計すればよい。一方、水道水中の粒子状物質（以下、単に粒子と言う場合がある）は、活性炭成形体の細孔を大きくすると、細孔を通過しやすくなるので除去するのが難しくなる。そこで、活性炭成形体の細孔の大きさを制御することで、前述の塩素や有機物だけでなく粒子を除去する性能を浄水カートリッジに付与する技術が見出されている。

ところで、このような浄水カートリッジにおいて、活性炭成形体の表面を保護するために、活性炭成形体の表面上に不織布を配置する場合がある（例えば、特許文献１参照）。通常、不織布には、水が通過可能な細孔が形成されている。

特開２０００−３４２９１８号公報

図６は、従来の浄水カートリッジ１Ｐの断面を模式的に示す図である。図６に示すように、従来の浄水カートリッジ１Ｐは、活性炭成形体３Ｐと、活性炭成形体３Ｐの表面上に配置された不織布４Ｐと、を備える。不織布４Ｐには、水が通過可能な細孔４０Ｐが形成され、活性炭成形体３Ｐの表面は平滑化されて不織布４Ｐと密着している。

水道水は、細孔４０Ｐを通過した後に、活性炭成形体３Ｐによって濾過される。このとき、活性炭成形体３Ｐの表面は隙間無く不織布４Ｐと密着しているため、水道水中の粒子１０Ｐは水の流れ方向にしか移動できず、活性炭成形体３Ｐのろ過面積は狭くなる。その結果、粒子１０Ｐが細孔４０Ｐの周辺に堆積してしまうことで、図６に示すように目詰まりを引き起こす。このように、活性炭成形体の表面上に配置された不織布を備える浄水カートリッジは、目詰まりを生じやすく、耐久性が低い傾向にある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、活性炭成形体の表面上に配置された不織布を備えるにも関わらず、目詰まりが生じ難く耐久性の高い浄水カートリッジを提供することを目的とする。

本発明は、円筒状の活性炭成形体と、前記活性炭成形体の外周面上に配置される不織布と、を備え、前記不織布は、通気断面積が１５ｃｍ^２で通気流量が１０Ｌ／分のときの圧力損失が１０ｍｍＨ_２Ｏ以下であり、前記活性炭成形体の材料の粒子間に形成される間隙である細孔のモード径は、１５〜３０μｍであり、前記活性炭成形体の外周面の表面粗さは、ＪＩＳ Ｂ０６０１で規定される算術平均高さＰａで５０〜１００μｍであり、前記活性炭成形体の外周と前記不織布との間に前記活性炭成形体の外周面の表面粗さによって形成された隙間を有し、前記隙間において、水道水中の粒子は、水の流れ方向及び前記不織布の面方向に移動する浄水カートリッジに関する。

また本発明は、前記浄水カートリッジを備える浄水器に関する。

本発明によれば、活性炭成形体の表面上に配置された不織布を備えるにも関わらず、目詰まりが生じ難く耐久性の高い浄水カートリッジを提供することができる。

本発明の実施形態に係る浄水カートリッジの正面図である。 上記実施形態に係る浄水カートリッジの断面図である。 上記実施形態に係る活性炭成形体の製造方法における吸引成形工程について示す図である。 上記実施形態に係る活性炭成形体の製造方法における表面研磨工程について示す図である。 上記実施形態に係る浄水カートリッジの断面を模式的に示す図である。 従来の浄水カートリッジの断面を模式的に示す図である。

以下、本発明の一実施形態について詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係る浄水カートリッジ１の正面図である。図２は、本実施形態に係る浄水カートリッジ１の断面図である。
浄水カートリッジ１は円筒状である。浄水カートリッジ１は、中芯２と、活性炭成形体３と、不織布４と、封止キャップ５，６と、を備える。

中芯２は、円筒状であり、浄水カートリッジ１の最も内側に配置される。中芯２には、外側から内側に水が通過するのを許容する細孔が形成され、内部に流路２０が形成される。
中芯２としては、任意の材料を使用可能であるが、ユーザーが浄水カートリッジ１を実際に使用する際に変形しないことが求められる。このような要求を満たす中芯２の材料としては、多孔質セラミック、多孔質金属フィルタ、硬質不織布等が挙げられる。

活性炭成形体３は、円筒状であり、中芯２の外周面上に配置される。
活性炭成形体３は、粒子状活性炭を含む。活性炭成形体３は、更にフィブリル繊維やイオン交換性材料を含んでも良い。活性炭成形体を構成する材料は、粒子状あるいは繊維状のみに限定されるものではなく、粒子状材料と繊維状材料が混在していてもよい。活性炭成形体３には、外側から内側に水が通過するのを許容する細孔が形成される。活性炭成形体３の細孔モード径は、１５〜３０μｍである。活性炭成形体３の細孔モード径が、１５μｍ未満の場合には細孔に粒子が詰まりやすいことから浄水カートリッジ１の耐久性が低下する。一方、活性炭成形体３の細孔モード径が、３０μｍを超える場合には、水道水中の粒子が細孔を通過してしまうことから浄水カートリッジ１の浄化効率が低下する。
ここで、活性炭成形体３に形成される「細孔」とは、活性炭等の材料の粒子間に形成される間隙を指し、活性炭等の材料の粒子内に存在するナノメートルオーダーの細孔ではない。

活性炭成形体３の細孔モード径は、活性炭成形体３の原料となる粒子状活性炭の粒径を適宜変化させることによって調整することが可能である。より具体的には、活性炭成形体３の細孔モード径は、異なる粒径を有する複数種類の粒子状活性炭を、質量比を変更することによって調整できる。具体的には、粒径の小さい粒子状活性炭の比率を大きくした場合には、活性炭成形体３の細孔モード径が小さくなり、粒径の大きい粒子状活性炭の比率を大きくした場合には、活性炭成形体３の細孔モード径は大きくなる。

活性炭成形体の細孔モード径は、水銀圧入法に基づいて細孔分布を測定して求めることができる。具体的には、Ｑｕａｎｔａｃｈｒｏｍｅ社製の「Ｐｏｒｅｍａｓｔｅｒ ３３Ｐ」を用いて、測定圧力８．６ｋＰａ−２００ＭＰａの条件で活性炭成形体の径細孔径分布を測定することで、活性炭成形体の細孔モード径を求めることができる。

活性炭成形体３の外周面の表面粗さは、ＪＩＳ Ｂ０６０１で規定される算術平均高さＰａで１５〜１００μｍである。活性炭成形体３の外周面の算術平均高さＰａが、１５μｍ未満の場合には、粒子が詰まりやすくなることによって浄水カートリッジ１の耐久性が低下する。一方、活性炭成形体３の外周面の算術平均高さＰａが、１００μｍを超える場合には活性炭成形体３の外径のばらつきが大きくなり、浄水カートリッジ１の製造が困難になる。

活性炭成形体３の外周面の、ＪＩＳ Ｂ０６０１で規定される算術平均高さＰａは、顕微鏡を用いて測定することができる。より具体的には、この算術平均高さＰａは、株式会社キーエンス製のレーザー顕微鏡ＶＫ−９７００を用いて測定できる。測定は、例えば、倍率を２０倍、評価長さを７００μｍ、にそれぞれ設定して行い、必要に応じて位相補償フィルタ（ガウシアンフィルタ）によるフィルタ処理を行う。

不織布４は、活性炭成形体３の外周面上に配置される。不織布４は、ＪＩＳ Ｌ０２２２で規定された不織布であり、原料となる繊維の種類は特に限定されない。

不織布４の、通気断面積が１５ｃｍ^２で通気流量が１０Ｌ／分のときの圧力損失は、１０ｍｍＨ_２Ｏ以下である。この圧力損失の大きさは、不織布４の通気抵抗の指標である。つまり、不織布４は、圧力損失が大きい場合は通気抵抗も大きく、圧力損失が小さい場合には通気抵抗も小さい。不織布４の、は、通気断面積が１５ｃｍ^２で通気流量が１０Ｌ／分のときの圧力損失が、１０ｍｍＨ_２Ｏを超えると、不織布４に粒子が詰まりやすくなることから浄水カートリッジ１の耐久性が低下する。

不織布４の、通気断面積が１５ｃｍ^２で通気流量が１０Ｌ／分のときの圧力損失は、不織布４を不織布保持具（例えば、アドバンテック格式会社製のフィルタホルダＰＰ−４７）により保持して、通気断面積及び通気流量がそれぞれ１５ｃｍ^２及び１０Ｌ／分の条件における不織布４の前後の圧力差をマノメータによって測定することで求めることができる。

封止キャップ５は、活性炭成形体３の一端側を覆うことで、流路２０の一方側を塞ぐ。
封止キャップ６は、活性炭成形体３の他端側を覆う。封止キャップ６には、流路２０を流通した水が排出される排出口６０が形成される。

続いて、浄水カートリッジ１の製造方法について説明する。
本実施形態に係る浄水カートリッジ１の製造方法は、混合工程と、吸引成形工程と、乾燥工程と、表面研磨工程と、不織布巻き付け工程と、封止工程と、を備える。

混合工程においては、活性炭成形体３の原料となる粒子状活性炭及び水を（必要に応じて、フィブリル繊維やイオン交換性材料とともに）混合することで、活性炭スラリーを得る。
吸引成形工程においては、活性炭成形体３を成形する。図３は、本実施形態に係る浄水カートリッジ１の製造方法における吸引成形工程ついて示す図である。

吸引成形工程においては、まず中芯２の流路２０の一端側を、ホース７１を介して吸引ポンプ７２に接続する。この際、中芯２の流路２０の他端側は封止しておく。吸引ポンプ７２に接続された中芯２を容器７３に溜めた活性炭スラリー７４中に浸漬し、真空ポンプ等からなる吸引ポンプ７２を稼働させる。活性炭スラリー７４のうち水が中芯２を透過し、粒子状活性炭（及びフィブリル繊維）の混合物が中芯表面に残留して徐々に堆積することで活性炭成形体３（図２参照）が形成される。なお、吸引ポンプ７２に吸引された活性炭スラリー７４のうち水は、排水路７５を通じて排出される。吸引ポンプ７２が稼働されることで、規定の厚さまで活性炭成形体３が形成された後に、中芯２を活性炭スラリー７４から引き上げる。

乾燥工程においては、吸引成形工程で成形した活性炭成形体３を乾燥させる。乾燥工程において活性炭成形体３を乾燥させることで、中芯２と活性炭成形体３とを一体化させることができる。

表面研磨工程においては、活性炭成形体３の外周面を研磨する。具体的には、活性炭成形体３の外周面の表面粗さが、ＪＩＳ Ｂ０６０１で規定される算術平均高さＰａで１５〜１００μｍとなるように活性炭成形体３の外周面を研磨する。なお、従来は、活性炭成形体に不織布を被覆しやすくするために、また、端部キャップを嵌めやすくするために、活性炭成形体の表面を過度に平滑化していた。その結果、従来の浄水カートリッジは目詰まりを生じやすい傾向にあった。それに対して、本実施形態では活性炭成形体３の外周面の表面を適度に粗くする。

表面研磨工程における、活性炭成形体３の外周面を研磨する方法は特に限定されないが、例えば、図４に示した方法を適用することができる。
図４に示した方法では、活性炭成形体３をホルダ８１で挟んで中芯２の流路２０を中心にして回転させながら、円柱状の砥石８２を活性炭成形体３の外周面に接触させつつ回転させる。更に、砥石８２を回転させつつ、活性炭成形体３の軸方向に移動させる。これにより、活性炭成形体３の外周面を万遍なく均一に研磨できる。砥石８２の粒子の大きさや活性炭成形体３及び砥石８２の回転数を適宜設定することによって、活性炭成形体３の外周面の、ＪＩＳ Ｂ０６０１で規定される算術平均高さＰａを調整できる。

不織布巻き付け工程においては、表面研磨工程において研磨した活性炭成形体３の外周面に不織布４を巻き付ける。不織布の巻き付けは、例えば、外周面を研磨した後の活性炭成形体の外周よりも大きな長さを有する不織布シートを活性炭成形体外周に巻き付けて、不織布シートの両端の重なり部分を接合することで行われる。更に、不織布の材質を熱で溶融する素材にすれば、アイロン等の加熱手段や超音波によって、不織布シートの両端の重なり部分を熱溶着することができ、浄水カートリッジ１の製造が簡便になる。この際、不織布の熱溶着部分の面積を、活性炭成形体外周面の面積の１０分の１以下にすれば、浄水カートリッジろ過性能への影響はほとんどない。
封止工程においては、不織布４を巻き付けた活性炭成形体３の一端側に封止キャップ５を、他端側に封止キャップ６を、それぞれ装着する。

このように製造される浄水カートリッジ１では、不織布４を通して円筒状の活性炭成形体３の外周面側から、流路２０に水を通過させることによって、水を浄化することができる。そして浄化された水は、排出口６０から排出される。

続いて、本実施形態に係る浄水カートリッジ１の効果について説明する。
上記実施形態では、活性炭成形体３の外周面上に不織布４の配置される浄水カートリッジ１において、活性炭成形体３の外周面の表面粗さを、ＪＩＳ Ｂ０６０１で規定される算術平均高さＰａで１５〜１００μｍとした。
ここで、図５は、浄水カートリッジ１の断面を模式的に示す図である。図５に示すように、不織布４には、水が通過可能な細孔４０が形成される。活性炭成形体３の表面は、従来と比べて平滑化されておらず、適度な表面粗さ（算術平均高さＰａが１５〜１００μｍ）に調整されていることから、活性炭成形体３と不織布４とは、完全には密着せず、若干の隙間を形成する。従って、活性炭成形体３と不織布４との間に隙間が形成されることから、水道水中の粒子１０は、水の流れ方向に移動するだけでなく、細孔４０を通過した後に不織布４の面方向にも移動して拡散される。このように、浄水カートリッジ１では、活性炭成形体３のろ過面積を広くできることから、粒子１０が細孔４０の周辺に堆積せずに十分に拡散されるので、目詰まりの発生が抑制される。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
例えば、活性炭成形体の細孔モード径を成形体外周面側から内側になるに従って変化させてもよい。また、活性炭成形体を、細孔モード径の異なる２種以上の円筒成形体を組み合わせて構成してもよい。２種以上の円筒成形体を組み合わせる場合には、一の活性炭成形体の内径を、その内側に配置される活性炭成形体の外形よりも大きくし、これらを同心円となるように嵌め合わせて多重円筒とすればよい。

本実施形態に係る浄水カートリッジを実施例により具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。なお、特に断りがない限り、単位は全て質量基準である。

［実施例１］
浄水カートリッジは、上記実施形態において説明した方法により製造した（図３及び図４参照）。
まず、水に、粒子径の異なる２種類の粒子状活性炭（クラレケミカル株式会社製の「ＰＧＷ１００ＭＤ」及び「ＰＧＷ２０ＭＤ」）、非晶質チタノシリケート（ＢＡＳＦ社製の「ＡＴＳ」）及びフィブリル繊維（日本エクスシラン工業株式会社製の「Ｂｉ−ＰＵＬ」）を所定の質量比で混合することで、活性炭スラリー７４を得た。活性炭スラリー７４は、容器７３に投入した。この活性炭スラリー７４中に、吸引ポンプ７２にホース７１を介して接続された、中芯２を投入し、吸引ポンプ７２を起動して活性炭スラリー７４の吸引を開始した。その結果、湿潤活性炭成形体を得た。そして、得られた湿潤活性炭成形体を１２０℃に設定した乾燥機に入れて十分乾燥させ、円筒形状の活性炭成形体を得た。なお、中芯２は、ＳｉＯ_２を主成分とした多孔質セラミックによって作製されたものである。

得られた活性炭成形体の細孔モード径は、１５μｍであった。活性炭成形体の細孔モード径は、Ｑｕａｎｔａｃｈｒｏｍｅ社製の「Ｐｏｒｅｍａｓｔｅｒ ３３Ｐ」を用い、水銀圧入法に基づいて径細孔径分布を測定して求めた（測定圧力：８．６ｋＰａ−２００ＭＰａ）。

乾燥後の活性炭成形体は砥石を用いて、外周面の表面粗さをＪＩＳ Ｂ０６０１で規定される算術平均高さＰａで１５μｍとなるよう、表面を研磨した（図４参照）。算術平均高さＰａは、株式会社キーエンス製のレーザー顕微鏡ＶＫ−９７００を用いて、倍率２０倍、評価長さ７００μｍの条件にて測定した。また、算術平均高さＰａを求める際には、必要に応じて位相補償フィルタ（ガウシアンフィルタ）によるフィルタ処理を行った。

表面を研磨した後の、活性炭成形体の大きさは、外径が直径２５±０．５ｍｍ、内径が直径８ｍｍ、長さが９０ｍｍとなるようにした。

続いて、活性炭成形体の外周面に透水性を有する不織布を巻き付けた。なお、この不織布の、通気断面積が１５ｃｍ^２で通気流量が１０Ｌ／分のときの圧力損失（通気抵抗）は１０ｍｍＨ_２Ｏである。この圧力損失は、アドバンテック株式会社製のフィルタホルダＰＰ−４７を用いて測定した。
更に、円筒形状の活性炭成形体の一端側及び他端側に封止キャップを装着させ、他端側にもう中心部分が開口した円形状のキャップを装着させることで、浄水カートリッジを得た。

［実施例２〜１１及び比較例１〜５］
活性炭成形体を作製する際に、活性炭スラリーの成分である粒子状活性炭等の混合比を調整し、活性炭成形体の細孔モード径が表１に示された値となるようにした。また、活性炭成形体の外周面の表面粗さ（ＪＩＳ Ｂ０６０１で規定される算術平均高さＰａ）及び不織布の通気抵抗（通気断面積が１５ｃｍ^２で通気流量が１０Ｌ／分のときの圧力損失）も、表１に示した値となるように調整した。それ以外の工程、条件等については、実施例１と同様の方法にて各浄水カートリッジを得た。
なお、比較例２については、活性炭成形体の外径のばらつきが大きく、不織布をうまく巻き付けることができなかった。

得られた実施例及び比較例の各浄水カートリッジは、以下の評価に供した。

＜目詰まり寿命＞
実施例及び比較例の各浄水カートリッジをＬＩＸＩＬ株式会社製の浄水器内蔵水栓「ＪＦ−ＡＢ４６１ＳＹＸ（ＪＷ）」に装着し、ＪＩＳ Ｓ３２０１に基いて目詰まり寿命を評価した。具体的には、ＪＩＳ Ｓ３２０１で規定されたカオリンを濁り成分（粒子状物質）とした濁度２度の水を、２．５Ｌ／分の初期ろ過流量で各浄水カートリッジによって濾過し、濾過流量が初期ろ過流量の１／２に低下するまでの総ろ過水量を目詰まり寿命の指標とした。評価結果を表１に示す。なお、総ろ過水量が１２００Ｌ以上の浄水カートリッジであれば、一般家庭での使用にも十分耐えることができるだけの、十分に長い目詰まり寿命を有するものと評価できる。比較例５の浄水カートリッジは、浄水カートリッジの基本的な性能である後述の濁り除去性能が大幅に低かったことから、目詰まりを起こす可能性は低いと判断し、目詰まり寿命の評価を行わなかった。

＜濁り除去性能＞
実施例及び比較例の各浄水カートリッジをＬＩＸＩＬ株式会社製の浄水器内蔵水栓「ＪＦ−ＡＢ４６１ＳＹＸ（ＪＷ）」に装着し、ＪＩＳ Ｓ３２０１に基いて濁り除去性能（粒子状物質除去性能）を評価した。なお、濁り除去性能の評価では、ＪＩＳ Ｓ３２０１で規定されたカオリンを濁り成分（粒子状物質）とした濁度２度の水を試験原水とした。評価では、通水開始後に１０分間連続通水した後のろ過水の濁度を測定し、濁度除去率を求めた。評価結果を表１に示す。なお、濁度除去率が８０％以上であれば、一般家庭での使用にも十分耐えることができる。

表１に示した結果から、実施例９〜１１の浄水カートリッジは、比較例４の浄水カートリッジよりも、目詰まり寿命が長いことが分かった。また、表１に示した結果から、実施例９〜１１の浄水カートリッジは、比較例５の活性炭成形体よりも、濁り除去性能が高いことが分かった。これら結果から、活性炭成形の細孔モード径が１５〜３０μｍであることにより、浄水カートリッジの高い濁り除去性能と十分に長い目詰まり寿命とが両立可能になることが確認された。

表１に示した結果から、実施例７及び８の浄水カートリッジは、比較例３の浄水カートリッジよりも、目詰まり寿命が長いことが分かった。この結果から、不織布の通気抵抗（通気断面積が１５ｃｍ^２で通気流量が１０Ｌ／分のときの圧力損失）が１０ｍｍＨ_２Ｏ以下であることにより、浄水カートリッジの目詰まり寿命が十分に長くなることが確認された。

表１に示した結果から、実施例４〜６の浄水カートリッジは、比較例１の浄水カートリッジよりも、目詰まり寿命が長いことが分かった。この結果から、活性炭成形体の外周面の表面粗さ（ＪＩＳ Ｂ０６０１で規定される算術平均高さＰａ）が１５μｍ以上であることにより、活性炭成形体の外周面上に不織布を配置したとしても、浄水カートリッジの目詰まり寿命が十分に長くなることが確認された。

なお、比較例２の条件では、活性炭成形体の外径のばらつきが大きく、不織布をうまく巻き付けることができなかったことから、比較例２は評価を行えなかった。この結果は、活性炭成形体の算術平均高さＰａが大きくなると、不織布が巻き付け時に引っ掛かったり、不織布が重なった部分を押し付け溶着する際に、押し付けが不均一となることで溶着にばらつきが生じてしまうことに起因すると考えられる。このように、浄水カートリッジを製造するためには、活性炭成形体の外周面の表面粗さ（ＪＩＳ Ｂ０６０１で規定される算術平均高さＰａ）を１００μｍ以下とする必要があることが確認された。

１…浄水カートリッジ
３…活性炭成形体
４…不織布

Claims (2)

1. 円筒状の活性炭成形体と、
   前記活性炭成形体の外周面上に配置される不織布と、を備え、
   前記不織布は、通気断面積が１５ｃｍ^２で通気流量が１０Ｌ／分のときの圧力損失が１０ｍｍＨ_２Ｏ以下であり、
   前記活性炭成形体の材料の粒子間に形成される間隙である細孔のモード径は、１５〜３０μｍであり、
   前記活性炭成形体の外周面の表面粗さは、ＪＩＳ Ｂ０６０１で規定される算術平均高さＰａで５０〜１００μｍであり、
   前記活性炭成形体の外周と前記不織布との間に前記活性炭成形体の外周面の表面粗さによって形成された隙間を有し、
   前記隙間において、水道水中の粒子は、水の流れ方向及び前記不織布の面方向に移動する浄水カートリッジ。
2. 請求項１に記載の浄水カートリッジを備える浄水器。

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