JP6263736B2

JP6263736B2 - 電気集塵フィルタユニット

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Publication number: JP6263736B2
Application number: JP2013242759A
Authority: JP
Inventors: 加藤　亮; 亮加藤
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2013-09-17
Filing date: 2013-11-25
Publication date: 2018-01-24
Anticipated expiration: 2033-11-25
Also published as: JP2015083293A

Description

本発明は、空気中の大気塵を除去する空気清浄用フィルタに関するものである。

（従来技術１）
大気塵を除去して空気を清浄にする空気清浄装置として、図１３に示すような２段式電気集塵機が従来から一般的に知られている。以下、その２段式電気集塵機について説明する。

従来の２段式電気集塵機は図１３に示すように上流側から順に帯電部１０１、集塵部１０４で構成されている。

帯電部１０１は線状の放電電極１０２とそれを挟むように設けられた帯電部アース電極板１０３とで構成される。放電電極１０２には高圧電源１０７によって高電圧が印加され、帯電部アース電極板１０３にはアースが接続されて０Ｖとなっており、両者の間でコロナ放電が発生する。

集塵部１０４は高圧電極板１０５および集塵部アース電極板１０６とで構成される。高圧電極板１０５と集塵部アース電極板１０６は一定の間隔を開けて空間を設けながら交互に積層されている。高圧電極板１０５には高圧電源１０７によって高電圧が印加され、集塵部アース電極板にはアースが接続されて０Ｖとなっており、両者の間に作られた空間には電場が設けられている。

通風方向１０８に沿って空気は２段式電気集塵機に取り込まれ、その空気中に含まれる大気塵は帯電部１０１においてコロナ放電で発生した空気イオンと衝突して帯電する。帯電した大気塵は下流側にある集塵部１０４に送り込まれ、高圧電極板１０５と集塵部アース電極板１０６の間に作られた空間を通過する。そして空間に設けられた電場によってクーロン力を受け、移動する。図１３のように放電電極１０２および高圧電極板１０５にそれぞれ正極の高電圧が印加されている場合、大気塵は正に帯電し、正に帯電した大気塵は高圧電極板１０５から集塵部アース電極板１０６へと移動して集塵部アース電極板１０６に付着し、空気中から除去される。

（従来技術２）
また、別の集塵装置として、特許文献１（第１図）に記載の空気清浄装置がある。以下、図１４を用いてこの空気清浄装置を説明する。図１４に記載の空気清浄装置は上流側から順に帯電部１０１、誘電濾材１０９で構成される。帯電部１０１は先の（従来技術１）に記載のものと同じで、通過した大気塵をコロナ放電によって帯電させる。誘電濾材１０９は誘電繊維１０９ａと導電繊維１０９ｂとを混紡してシート化されたものであり、また、アースに接続されている。そして高電圧が印加された放電電極１０２と導電繊維１０９ｂとの間に電場が設けられ、その電場の中に存在する誘電繊維１０９ａは誘電分極して電荷が誘起される。

通風方向１０８に沿って帯電部１０１を通過した空気中の大気塵は帯電し、帯電した大気塵は電場によって電荷が誘起された誘電繊維１０９ａによって吸着捕集される。

（従来技術３）
また、別の集塵装置として、特許文献２（第１図）に記載のフィルタがある。以下、図１５を用いてこのフィルタを説明する。支持板１１１に無数の帯電繊維１１０が固定された帯電繊維集合体１１２が形成される。隣接する帯電繊維１１０どうしの間には帯電繊維が有する電荷によって電場が設けられている。そして通気性を有する段ボール状の中空スペーサー１１３と帯電繊維集合体１１２とを交互に４つずつ積層したものを仕切り板１１４で仕切りながらフィルタケース１１５に納めた構造となっている。

そして通風方向１０８に沿って空気はフィルタに取り込まれ、空気中の大気塵は帯電繊維１１０どうしの作る電場によって吸着捕集される。

特開昭６２−８７２６２号公報特表２００２−５０１４３３号公報

従来技術１に記載の２段式電気集塵機は、集塵部を作るために多数の高圧電極板と集塵部アース電極板を一定の間隔を開けながら交互に積層しなくてはいけないため、構造が複雑で作るのが大変難しい。また、高圧電極板には高電圧が印加されるため、安全のために人が触れないようにしたり、また、集塵部アース電極板や集塵部を納める金属製フレームとの間で短絡が起きないようにしなくてはならず、簡単に作ることができない。

また、従来技術２に記載の空気清浄装置は誘電濾材に高電圧を印加する必要がなく比較的簡単に作れるが、シート状のため通風方向が濾材に対して垂直になり、捕集した大気塵は濾材の上に堆積して通風に必要な隙間を埋めてしまう。そのため目詰まりが早く起こってしまい、通風量が短期間で減ってしまう。

また、通風方向に対して垂直な平面状の電場が１面のみ作られた構造であるため、通風方向に奥行きのある電場がなく、高い集塵性能が得られない。

また、混紡するには短い誘電繊維と短い導電繊維を溶液中に混ぜて紙を漉くように作るのが現実的だが、短い導電繊維を用いて混紡すると導電繊維どうしを接触させて導通させることが難しく、誘電濾材をアースに接続して０Ｖにすることが容易にできない。

また、従来技術３記載のフィルタは帯電繊維どうしの電位差が明確でなく、帯電繊維どうしが作る電場が強くない。そのため高い集塵性能が得られない。また、大気塵を捕集していくうちに帯電繊維の帯電が落ちてしまい、集塵性能が徐々に下がってしまう。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、簡単に作成でき、長期間において目詰まりせず、高い集塵性能を保つことが可能な電気集塵フィルタユニットの提供を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の電気集塵フィルタユニットは、上流側に空気をイオン化するイオン化手段と、下流側にフィルタ部とを備え、フィルタ部は混在した無数の帯電繊維と導電繊維からなり、両繊維は通風方向に対して水平になるよう配置され、かつ導電繊維をアースに接続する電気集塵フィルタユニットにおいて、前記フィルタ部は、フィルタ部フレームの上流側もしくは下流側の少なくともどちらか一方に、アースに接続された、通気性を有する綿状の導電体を設け、前記綿状の導電体に対して垂直に接触するように、一様に混在した無数の前記帯電繊維と導電繊維とを前記フィルタ部フレームの中に入れてなしたことにより初期の目的を達成するものである。

本発明の電気集塵フィルタユニットは、イオン化手段によって発生する空気イオンを付着させることで空気中の大気塵および帯電繊維を帯電させる。したがってアースに接続された導電繊維と帯電した帯電繊維との間に電場が常に作られる。そして帯電繊維と導電繊維を通風方向に対して水平となるよう配置するため、通風方向に奥行きのある、長くて強い電場が作られる。この長くて強い電場によって、帯電した大気塵にクーロン力を与えて繊維に付着させ、大気塵を捕集する。そのため高い集塵性能を得ることができ、かつ高い集塵性能を常に維持することができる。

また、イオンの付着によって帯電繊維を帯電させる原理のため、帯電繊維に直接高電圧を印加する必要がなく、安全かつ簡単な構造とすることができる。

また、帯電繊維と導電繊維を通風方向に対して水平となるよう配置するため、大気塵は繊維に付着したり、繊維と繊維の間に挟まれて捕集される。そのためフィルタ部は通風方向に無数の捕集面を有するような構造となり、無数の捕集面に大気塵が分散して捕集されるため長期間目詰まりしない。

また、導電繊維と綿状の導電体が接触し、また導電繊維どうしが接触することで導電繊維全体と綿状の導電体との接触導通がはかられ、帯電繊維と導電繊維との間に容易かつ確実に電場を形成することができる。

本発明の実施の形態１の部屋の自然給気口に設置した電気集塵フィルタユニットを示す構成図同下流側に送風機を接続した電気集塵フィルタユニットを示す構成図同電気集塵フィルタユニットを示す構成図同イオン化手段の構成図同別の形態のイオン化手段の構成図同フィルタ部の構成図同繊維集合体を示す構成図同面αにおける繊維集合体の断面を示す図同帯電繊維と導電繊維とが作る電場を示す図本発明の実施の形態２のフィルタ部Ａを示す構成図同フィルタ部Ｂを示す構成図同フィルタ部の集塵性能を示す図従来技術１に記載の電気集塵機を示す構成図従来技術２に記載の空気清浄装置を示す構成図従来技術３に記載のフィルタを示す構成図

本発明の請求項１記載の電気集塵フィルタユニットは、上流側に空気をイオン化するイオン化手段と、下流側にフィルタ部とを備え、フィルタ部は混在した無数の帯電繊維と導電繊維からなり、両繊維は通風方向に対して水平になるよう配置され、かつ導電繊維をアースに接続する電気集塵フィルタユニットにおいて、前記フィルタ部は、フィルタ部フレームの上流側もしくは下流側の少なくともどちらか一方に、アースに接続された、通気性を有する綿状の導電体を設け、前記綿状の導電体に対して垂直に接触するように、一様に混在した無数の前記帯電繊維と導電繊維とを前記フィルタ部フレームの中に入れてなしたものである。

これにより、イオン化手段によって発生するイオンを付着させることで空気中の大気塵および帯電繊維を帯電させる。したがってアースに接続された導電繊維と帯電した帯電繊維との間に電場が常に作られる。そして帯電繊維と導電繊維を通風方向に対して水平となるよう配置するため、通風方向に奥行きのある、長いて強い電場が作られる。この長くて強い電場によって、帯電した大気塵にクーロン力を与えて繊維に付着させ、大気塵を捕集する。そのため高い集塵性能を得ることができ、かつ高い集塵性能を常に維持することができる。

以下、本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）
本発明の電気集塵フィルタユニット１を部屋２の自然給気口３に設けた設置例を図１に示す。部屋２の天井裏には部屋の空気を室外に排出する換気扇４と、また、部屋の壁には排出した分だけ外の空気を取り入れる自然給気口３が設置されている。電気集塵フィルタユニット１は自然給気口３の中に設けられており、室内に入ってくる空気中の大気塵を除去する機能を有している。そのため通風方向５に沿って自然給気口３から清浄な空気が部屋２の中に入り、部屋２の中は清浄な空気で満たされる。

次に、電気集塵フィルタユニット１の下流側に送風機６を設けた設置例を図２に示す。電気集塵フィルタユニット１の下流側には送風機６が設けられており、送風機６によって部屋の空気は電気集塵フィルタユニット１に取り込まれる。通風方向５に沿って取り込まれた空気中の大気塵は電気集塵フィルタユニット１によって空気から除去され、大気塵が除去されて清浄になった空気は部屋２の中に戻される。部屋２の空気を取り込み、大気塵を除去して部屋２に戻すことを繰り返すことで部屋２の空気は清浄化される。

電気集塵フィルタユニット１の構造を図３に、電気集塵フィルタユニット１を構成するイオン化手段７を図４に、別の形態のイオン化手段７を図５に、フィルタ部８を図６に示す。図３に示すように電気集塵フィルタユニット１は上流側から順にイオン化手段７、フィルタ部８で構成される。空気は通風方向に沿ってイオン化手段７、フィルタ部８の順に送り込まれる。

イオン化手段７はＸ線や紫外線を照射して空気分子を電離することでイオンを作るものもあるが、ここでは最も簡単な方法であるコロナ放電を用いたイオン化手段７について説明する。図４に示すイオン化手段７は線状の放電電極９とそれを挟むように設けられたアース電極板１０とで構成される。放電電極９には高圧電源１１によって高電圧が印加され、アース電極板１０にはアースが接続されて０Ｖとなっており、両者の間でコロナ放電が発生する。イオン化手段７を通過した大気塵１２はコロナ放電で発生した空気イオン１３と衝突して付着し、帯電する。ここで、イオン化手段７の寸法や印加する高電圧の極性などはコロナ放電が発生する条件であれば一切の限定はないが、一例として、２５ｍｍの間隔で設けられた２枚のアース電極板１０の中間位置に０．１ｍｍ径のタングステンワイヤーからなる放電電極９を設け、アース電極板１０をアースに接続し、放電電極９に＋６ｋＶの電圧を印加することで正のコロナ放電を発生させることができる。

また、図５に示す別の形態のイオン化手段について以下説明する。図５に示すイオン化手段７は針状の放電電極９の横に一定の間隔を開けてアース電極板１０を設けた構造となっている。そして放電電極９に高電圧を印加し、アース電極板１０をアースに接続して０Ｖとすることによってコロナ放電を発生させる。発生したコロナ放電によって空気イオン１３が作られ、空気イオン１３が大気塵１２と結合して大気塵１２は帯電する。一例として胴半径１ｍｍ、先端半径２０〜１００μｍの先端が鋭利な針状電極を放電電極９として用い、その１０ｍｍ横にアース電極板１０を設け、アース電極板１０をアースに接続し、放電電極９に−６ｋＶの電圧を印加することで負のコロナ放電を発生させることができる。

上記説明のように、イオン化手段７によって空気中に空気イオンが発生し、かつ空気中の大気塵は帯電する。そして空気イオンおよび帯電した大気塵を含む空気が下流側にあるフィルタ部８に送り込まれる。ここで、フィルタ部８の構成を図６に、フィルタ部８を構成する繊維集合体１４の構成を図７に、図７記載の面αによる繊維集合体１４の断面図を図８に示す。

支持部１６に一様に固定化された無数の帯電繊維１７と導電繊維１８によって図７に示す繊維集合体１４が形成される。フィルタ部８は図６に示すように繊維集合体１４を並列に複数並べてフィルタ部フレーム１５に納めた構造となっている。支持部１６は導電性を有すると同時に導電繊維１８と導通しており、支持部１６をアースに接続することによって導電繊維１８はアースにつながる。したがって導電繊維の電位は０Ｖになっている。

繊維集合体１４は図８の断面図に示すようにコの字状の支持枠１９と押さえ棒２０によって無数の帯電繊維１７と導電繊維１８とを二つ折りにして固定している。作り方としては支持枠１９の上に帯電繊維１７と導電繊維１８を直交するように並べ、その上に押さえ棒２０を置いて両繊維が二つ折りになるように支持枠１９の中にはめ込み、その後支持枠１９を両側からかしめて押さえ棒２０が抜けないようにする。こうして支持枠１９および押さえ棒２０で形成される支持部１６に帯電繊維１７および導電繊維１８がしっかりと固定される。

ここで支持枠１９、押さえ棒２０ともに金属製で導電性を有するため、支持枠１９および押さえ棒２０によって接触固定された導電繊維１８は支持部１６との導通が得られている。したがって支持部１６をアースに接続することで導電繊維１８はアースに接続されている。更にしっかりした導通が得たい場合は支持枠１９のコの字の中に導電塗料を流し込んでおく、または、かしめた後に支持枠１９と押さえ棒２０の隙間に導電塗料を流し込んで乾燥させるといった方法をとるとよい。

このフィルタ部８に空気イオン１３および帯電した大気塵１２を含む空気が送り込まれる。帯電繊維１７は電荷を有する物体が付着することで帯電する性質を有する。そのため図７に示すように次から次へとやってくる空気イオン１３が付着して空気イオン１３の有する電荷が与えられる。帯電繊維１７は絶縁性であるため、導電性を有する導電繊維１８や支持部１６と接触していても電荷はなくならない。また、たとえ電荷がなくなっても上流側から常時やってくる空気イオン１３によって常に帯電した状態を保つ。

ここで、フィルタ部８を構成する帯電繊維１７と導電繊維１８が作る電場を図９に示す。帯電繊維１７は常に帯電してその表面に電荷を有した状態である。そして図９に示すようにアースに接続されている導電繊維１８には帯電繊維１７と逆極性の電荷がアースから誘電されて現れるため、両者の間に矢印で示すような電場が作られる。帯電繊維１７と導電繊維１８の間には一部が接触しながら微小な隙間が設けられている。ちなみに帯電繊維１７は絶縁性であるため導電繊維１８と接触していても全ての電荷はなくならない。そして隙間が微小であるため両者が作る電場は強く、かつ、その強い電場が、帯電繊維１７および導電繊維１８に沿って通風方向に長く奥行きのある領域全てで作られている。帯電した大気塵は電場の与えるクーロン力によって繊維に付着捕集されるが、このように強くて長い電場を作ることによって集塵性能を大きく高めている。

ここで、帯電繊維１７は一例として１０〜２００μｍの繊維径を有するポリプロピレンやポリエステル、ナイロンの繊維などが使用可能で、導電繊維１８は一例として１０〜２００μｍの繊維径を有し、繊維径中に導電性を有するカーボンが練りこまれたナイロン繊維や、表面に硫化銅が染色固定されたポリエステル繊維などが使用可能である。表面に硫化銅を染色固定した導電繊維を用いる場合、銅による抗菌作用によって捕集した菌を死滅させることができるという別の作用も得られる。

（実施の形態２）
四角い筒状のフィルタ部フレーム１５の下流側に通風性を有する綿状の導電体２１を設け、一様に混在した帯電繊維１７と導電繊維１８とを綿状の導電体２１と垂直に接触するようにフィルタ部フレーム１５の中に入れたフィルタ部８を図１０に示す。また、構造は図１０に示すものと同じ構造で、帯電繊維１７の代わりに波のようにうねった波付きの帯電繊維２２をフィルタ部ケースの中に入れたフィルタ部８を図１１に示す。綿状の導電体２１はアースに接続されており、綿状の導電体２１と接触した導電繊維１８はアースに接続されている。

以下の説明は、上述の図１０に示すフィルタ部８を特定して示す場合にはフィルタ部Ａ２３とし、図１１に示すフィルタ部８を特定して示す場合にはフィルタ部Ｂ２４とし、両者を総称して示す場合にはフィルタ部８として説明する。

フィルタ部フレーム１５の中は繊維が密集しているため、導電繊維１８は他の導電繊維１８とも接触している。そのため全ての導電繊維を確実に綿状の導電体２１と接触させなくても、他の導電繊維との接触によって全ての導電繊維１８はアースに接続されている。結果としてフィルタ部フレーム１５に入れるだけで導電繊維１８をアースに接続することができ、帯電繊維１７と導電繊維１８との間に容易に電場を形成することができる構造となっている。

また、フィルタ部フレーム１５の中に繊維を詰め込みすぎると空気が通る空間が極端に小さくなってしまい、フィルタ部８内部を空気は通りにくくなり、かつフィルタ部８内部を通過する空気の速度が過度に上昇してしまう。そうなると集塵効率の低下および圧力損失の上昇という性能の低下が起こってしまう。そこで波付きの帯電繊維２２を用いることで繊維どうしの間に適度な空間が設けられ、フィルタ部８の内部を通過する空気の速度が下がる。その結果高い集塵効率と低い圧力損失を得ることができる。

ここで上記二つのフィルタ部８を実際に作り、上流側にイオン化手段７を設けた時の集塵効率および圧力損失を測定したので結果を以下に示す。フィルタ部Ａ２３は胴回りの内寸が８０ｍｍ□、奥行きすなわち通風方向の寸法が１００ｍｍの正方形の筒状をしたフィルタ部フレーム１５の下流側開口部にスチールウールで作成した通風性を有する綿状の導電体２１を設け、もう一方、すなわち上流側の開口部から一様に混在した帯電繊維１７と導電繊維１８とを充填した構造となっている。帯電繊維１７は直径０．１３ｍｍ、長さ９０ｍｍのナイロン６１０製の直線状のフィラメントであり、また、導電繊維１８はカーボンを含有した直径０．１５ｍｍ、長さ９０ｍｍのナイロン６６製の直線状のフィラメントである。綿状の導電体２１はアースに接続されており、その結果導電繊維１８はアースに接続されている。帯電繊維１７と導電繊維１８の充填比率は１：１であり、両繊維を合わせた総充填量は２１８ｇである。

もう一方のフィルタ部Ｂ２４は直線状の帯電繊維１７の代わりに波付きの帯電繊維２２を用いており、それ以外はフィルタ部Ａ２３と同じ構造を有する。波付きの帯電繊維２２は直径０．２１ｍｍ、長さ９０ｍｍ、波と波の頂点どうしの距離、すなわち振幅が１ｍｍのナイロン６１０製の波形状を有するフィラメントである。波付きの帯電繊維２２と導電繊維１８の充填比率はフィルタ部８Ａと同様に１：１であり、両繊維を合わせた総充填量は１３０ｇである。

試験の際にフィルタ部Ａ２３およびフィルタ部Ｂ２４それぞれの上流側に設けたイオン化手段７は図４に示すような線状の放電電極９でコロナ放電を起こしてイオンを発生させるタイプのものを用いた。図４に示すアルファベット小文字が示す寸法はそれぞれａ＝２０ｍｍ、ｂ＝１００ｍｍ、ｃ＝１２ｍｍ、図４とは異なるが段数＝６（すなわち放電電極９の本数６本、アース電極板１０の枚数７枚）である。線状の放電電極９はタングステン製で直径は０．１５ｍｍであり、アース電極板１０は亜鉛鋼板製で厚みは１ｍｍである。そして放電電極に５．６ｋＶの電圧を印加することでアースに接続されたアース電極板１０との間に放電電流５０μＡのコロナ放電を起こして正の空気イオンを発生している。

フィルタ部８の下流側に設けた送風機を用いてフィルタ部８の開口に対して風速１ｍ／ｓとなるように通風させた時の集塵効率と圧力損失を測定した。集塵効率はイオン化手段７の上流側とフィルタ部８の下流側それぞれにおける粒子径０．３〜０．５μｍの微小粒子の個数濃度をレーザーパーティクルカウンターで測定し、集塵効率＝１−下流側個数濃度／上流側個数濃度の式を用いて算出した。圧力損失はイオン化手段７の上流側とフィルタ部８の下流側の間の差圧を差圧計で測定した。結果を図１２に示す。

フィルタ部Ａ２３、フィルタ部Ｂ２４ともにイオン化手段に電圧を印加して空気イオンを発生させることで大幅に集塵効率を向上させることができ、本発明の示す原理が高い効果をもたらすことを示した。特に波付きの帯電繊維２２を用いたフィルタ部Ｂ２４で非常に高い集塵効率が得られた。また、フィルタ部Ｂ２４はフィルタ部Ａ２３に比べて集塵効率が高いと同時に圧力損失が低くなっている。この結果は、繊維どうしの空間を適度に設けて空気の通り道を確保することが高い集塵効率と低い圧力損失を得るための有効な手段であることを示している。

本発明にかかる電気集塵フィルタユニットは、簡単に作成でき、長期間において高い清浄度を有する清浄空気が目詰まりなく得られるため、空気清浄をしながら室外空気を室内に取り入れる換気装置や室内空気を循環的に取り込んできれいにする空気清浄装置の集塵デバイスとして有用である。

１電気集塵フィルタユニット
２部屋
３自然給気口
４換気扇
５通風方向
６送風機
７イオン化手段
８フィルタ部
９放電電極
１０アース電極板
１１高圧電源
１２大気塵
１３空気イオン
１４繊維集合体
１５フィルタ部フレーム
１６支持部
１７帯電繊維
１８導電繊維
１９支持枠
２０押さえ棒
２１綿状の導電体
２２波付きの帯電繊維
２３フィルタ部Ａ
２４フィルタ部Ｂ

Claims

上流側に空気をイオン化するイオン化手段と、下流側にフィルタ部とを備え、フィルタ部は混在した無数の帯電繊維と導電繊維からなり、両繊維は通風方向に対して水平になるよう配置され、かつ導電繊維をアースに接続する電気集塵フィルタユニットにおいて、前記フィルタ部は、フィルタ部フレームの上流側もしくは下流側の少なくともどちらか一方に、アースに接続された、通気性を有する綿状の導電体を設け、前記綿状の導電体に対して垂直に接触するように、一様に混在した無数の前記帯電繊維と導電繊維とを前記フィルタ部フレームの中に入れてなした電気集塵フィルタユニット。