JPH07501745A - ガス状流動体の微粒子材料用フィルタ並びに方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ガス状流動体の微粒子材料用フィルタ並びに方法発明の分野 本発明は、空気のようなガス状流動体から小さな微粒子材料を除去するためのフ ィルタに関し、更に詳細には、微粒子材料を捕獲するためのファンデルワールス 力に主として基づく静電気フィルタに関する。

発明の背景 車両や産業工程の排出ガスあるいは空気のようなガスから塵埃や煙等の小さな微 粒子材料を除去するため、多くのタイプの静電気フィルタが提案されてきた。典 型的には、そのようなフィルタは、摩擦によるか又は高電圧電場による微粒子材 料のイオン化にどのみち依存し、それらは静電気力によって捕獲・保持され得る 。イオン化する静電気フィルタの共通する不利益は、高価な絶縁材及び安全策並 びに実質的パワーを必要とするために充分に高い電圧でそれらが動作し、しかも 人体の危険を構成するオゾンをそれらが発生させる、ということである。

また、イオン化しない静電気フィルタが過去に提案されたが、それらの利用は、 ディーゼル排気からの部分的に導電性のすす微粒子の捕獲のような、特別の状況 に限定される傾向にある。

電場を用いない（超低貫通型の空気フィルタ（ＵＬＰＡ）及び高効率型の微粒子 空気フィルタ（ＨＥＰＡ）を包含する）機械的フィルタはよくあるが、それらは 、基本的にその孔寸法よりも小さな微粒子を捕獲することができず、また、それ らは、捕獲微粒子によって相当はやくに目詰まりし易い。詰まりは、たいていフ ィルタの流入部分に起き、微粒子を保持するためのフィルタ材料の厚さは、利用 されない。

発明の要約 本発明は、通常の静電気フィルタよりも実質的に低い電圧で作動し且つ電気的強 化フィルタ材料に風媒微粒子を捕獲するためのイオン化しない電場及び自然ファ ンデルワールス力の間の相互作用を利用する、簡単で高効率の省エネルギ型の静 電気微粒子フィルタを提供する。この構造により、オゾンの形成が無く、且つ詰 まりの機会が殆ど無い、広い寸法範囲の微粒子をより効率的に捕獲することが可 能となる。

ファンデルワールス力は、空気のようなガス中に浮遊する異物（異質微粒子）と 生来的に関係する分子静電場である。これらの力の共通する発現は、塵埃が樹脂 又は他の面に引きつけられる、という事実である。微粒子が面に一度接触すれば 、ファンデルワールス力が１　／　ａ　’に比例する（ａは、面からの微粒子の 有効距離）ので、この力は、機械的に除去されるまで微粒子を面に付着させる。

従って、この力は、接触が一度構築されると、強力な固着力を提供する。

面から大きく離れたところでは、ファンデルワールス力は、（パン・ノストラン ド（Ｖａｎ　Ｎｏ５ｔｒａｎｄ）の科学百科事典で原子間又は分子間の吸引力と 定義される）極めて小さい力であり、流速が高すぎてファンデルワールスによっ て微粒子を捕獲できないので、それらは、通常の静電気フィルタにおいて作用し ない。

本発明のフィルタは、フィルタ材料を通して、流動体に浮遊する微粒子が実質的 にファンデルワールス力によってフィルタ材料中に捕獲・保持されるようなとこ ろに至る空気又は他のガス状流動体の流れを遅くさせるフィルタ幾何学的構造を 用いることにより、その目的を達成する。更に、フィルタ材料を通る空気流路の 長手方向の空気流れが特別の幾何構造によって遅延されると、電極間の微粒子の 一般的に横断方向の活性動作は、微粒子かフィルタ材料に接するという機会を実 質的に増大させる。従って、フィルタ材料は、その孔寸法よりも小さい微粒子を 捕獲し、それは、フィルタの目詰まりを最小化する。同じ証拠により、孔寸法が 微粒子よりも大きくなると、フィルタ材料の厚さは、通常のフィルタのフィルタ 材料と比較して実質的に増加し得る。従って、フィルタ材料の厚さの増加は、効 果的な濾過に著しく貢献し得る。進歩的なフィルタにおいては、ファンデルワー ルス力の作用を促進させ、且つその捕獲を容易にする横方向の動きを微粒子に付 与するためにのみ、電場が用いられる。

制限内において、本発明のフィルタの作用は、フィルタ材料の絶対的な電圧差に のみ依存し、通常の静電気フィルタのボルト／センチメートルという場の強さに 依存しない。従って、フィルタ材料の厚さは、電気的要素を変更することなく、 異なる環境に適合するように変更され得る。

本発明の別の態様によれば、ファンデルワールス力の作用は、一方の電極がフィ ルタ材料に接触するようにし且つ、他方の電極がそれとフィルタ材料との間の空 気のギャップを有するようにすることにより、あるいは、フィルタ材料に導電性 繊維を織り混ぜるか又は埋めることにより、実質的に促進され得る。埋め込まれ る導電性繊維は、微細ではあるか強力な電場を空気ギャップ及びフィルタ材料全 体に発生させる導電性繊維の先端部の間の無数の空気ギャップを生成する、（共 に絶縁されたか、あるいは絶縁されない）刻まれた微細な物質から成る。しかし ながら、このタイプの材料は、材料繊維の間の内部アークにより静的な電気の解 放を伴う適用のために一般的に設計されるが、本発明における電圧は低過ぎるの でアークを生じさせない。この結果、ファンデルワールス力による微粒捕獲は大 きく促進され、より効率的な濾過が得られる。

図面の簡単な説明 図１は、本発明の好適実施例によって構成されたフィルタの立面図である。

図２は、図１の２−２線に関する要部詳細図である。

図３は、図１の変更例の立面図である。

図４は、本発明を試験するための装置のブロック線図である。

図５ａは、本発明の別の実施例の立面図である。

図５ｂは、電極の別の設計例の要部詳細図である。

図６は、別のフィルタ構造の要部詳細図である。

好適実施例の説明 図１は、本発明に従って構成されたフィルタを示す。フィルツハウジング１０は 、その上部に入口バイブ１２、その下部に出ロノくイブ１４をそれぞれ存する。

塵や煙のような浮遊する微粒子材料で汚染される、空気のようなガス状流動体は 、ポンプ１５として図解的に示された適当な促進手段により入口バイブ１２から 出口バイブ１４への流路を介して搬送される。ハウジング１０は、入口ブレナム ２１と出口ブレナム２３との間で、チャンバ１６の軸線を横断する方向に一対の 開口電極１８、２０が配置されるようなフィルタチャンバ１６を内包する。電極 １８゜２０は、金属メツシュ又は穿孔金属板を有して成るか、あるいは、それ自 体がフィルタ材料２４の炭化層から成り得るが、いずれにしても、電極１８．２ ０の開口は、チャンバ１６を流通する空気に重大な影響を及れている。電極１８ ．２０の極性は、普通の場合において本発明の作動に多大な影響を及ぼさない。

しかしながら、粒子の最適な捕獲に関しては、交番電位の少なくとも３つの電極 がフィルタ材料の層と互い違いになっているような層構造を用いることが好まし い。また、最も効果的な濾過のための極性は、例えば、（好ましくは下流側が正 である）煙草の煙のような部分的導電性の粒子に対する（好ましくは上流側が正 である）フタル酸ジオクチルのような絶縁性の粒子などの濾過された粒子の性質 に多少依存する。電極１８及び／又は２０は、フィルタ材料２４の粒子の蓄積に より電極１８．２０の間の抵抗の極端な減少又は不足を回避するために絶縁材料 で被覆され得る。

電極１８．２０間に配置されるのは、以下に詳述する形状を有する多孔性フィル タ材料２４である。材料２４は、好ましくはメツシュを形成する非吸湿性の材料 である。フィルタ材料２４は、絶縁性又は部分的導電性を存し得るが、後者が好 ましい。絶縁材料の例としては、紙、ガラス繊維、合成繊維、綿のような天然繊 維（これらは微細寸法の溝（チャネル）のために好ましい）、あるいは日本国の 東し社のトリミクロン（Ｔｏｒｉ−Ｍｉｃｒｏｎ）又は３Ｍ社のフィルトレット （Ｆｉｌｔｒｅｔｅ）のような自然静電気帯電性を有する材料がある。適当な導 電性材料の例としては、東し社によって開発され且つ日本国のシガ・ショクサン （Ｓｈｉｇａ　５ｈｏｋｕｓａｎ）社によって［ツルジオン紙（Ｓｏｌｄｉｏｎ 　ｐａｐｅｒ）Ｊという名称の下で売買される金属含浸タイプの繊維シートがあ る。

メツシュの平均的な孔寸法は、好ましくは、捕獲されるべき粒子の平均直径の約 １０〜５０倍である。しかしながら、平均的孔寸法が５００分の１より小さい粒 子であっても、流速が充分に遅ければ、相当程度まで捕獲され得る。出願に従う と、材料２４は、約０．５〜Ｉｃｍの肉厚を有する典型的なひだ状フィルタ材料 と比較して、（均一な、又は密度変化タイプの、あるいは多層の構造から成る） 　２５ｍａ＋の肉厚を存し得る。これは、粒子捕獲が材料２４の全肉厚に相当均 一に起きるので、フィルタの性能を非常に促進する。ＨＥＰＡ、　ＵＬＰＡに通 常用いられるような積み重ねタイプのひだ状フィルタ材料、及び同様なフィルタ は、好ましくは、以下の記載のように流動体を遅くさせるに必要な領域拡大を簡 単に実現するために用いられる。

本発明のフィルタが捕獲されるべき微粒子と関係するファンデルワールス力を効 果的に利用するため、ガス状流動体の流速は、流動体が通り得る流路の少なくと も幾つかの点において約０．１メ一トル／秒より低くなければならない。最適の 濾過のため、０．０３メ一トル／秒の流速が好ましい。例えば、もし材料２４が 図２に示すように曲折されるならば、入口側又は出口側の材料２４の表面領域は 、面２６のチャンバ１６の領域の（１／ｃｏｓα）倍である。従って、面２６に おける流速は、（０，１／　ｃｏｓα）メートル７秒を実質的に越えてはならな い。もしくα）が４５°ならば、面２６における最大流速は、０゜１４メ一トル ／秒である。もし面２８の入口バイブ１２の領域が例えば面２６のチャンバ領域 の１００分の１であるならば、入口バイブ１２の流速は、α＝４５°で、１４メ 一トル／秒より速くなり得る。フィルタの全表面領域にわたって出来るだけ均一 になるように空気流れを維持するためには、材料の急な曲がりが回避されねばな らない。フィルタ材料の好ましい表面輪郭は、シヌソイド曲線形状と同様であり 、それにより、材料の肉厚は、全面にわたって均一となる。電極１８．２０は、 図５ｂに示すように、フィルタ材料の表面の起伏に従うように形成され得る。

流れ方向の微粒子の遅い流速は、捕獲するのに充分な時間だけ微粒子をフィルタ 材料２４内に保持せしめる。しかしながら、流れ方向に一般的に交差する方向に おいて、静電界は、フィルタ材料２４を通過中にファンデルワールス力によって 捕獲されるべきフィルタ材料繊維に充分に接近する機会を非常に促進させる乱流 動を微粒子に付与する。この目的のために、微粒子の殆どが材料の下流側表面で 捕獲されるような一般的なフィルタとは反対に、進歩的なフィルタのフィルタ材 料２４が、流れ方向に関して所定肉厚（例えば、２〜３ａｎ）を有することが好 ましい。

本発明に従い、電極１８．２０間の直流電位差は、少なくとも２ｋＶであるべき であるが、１０ｋＶより大きくなく、好ましくは、３〜９ｋＶの範囲にあるべき であり、最適には、約７ｋＶである。正確な電圧の選択は、関係する微粒子材料 、フィルタの多孔性、使用されるフィルタ材料の形式、及びフィルタを通る空気 流れの速度に依存する。

１０ｋＶ以上において、濾過は僅かに改善され続ける。しかしながら、この改善 は、約８ｋＶで局所領域に起き始める、人工的に誘導される微粒子のイオン化に よる。これに伴う問題は、フィルタ自体がイオン化された微粒子を発生させると きに、それらの微粒子の一部が空気流れによって伴出され、それ自体がフィルタ 下流側のダクト又は壁に付着する、ということである。そのような状態において 、微粒子は、空気への予想外の解放タイミングで汚染され、例えばクリーンルー ム雰囲気に望ましくない状況となってしまう。要するに、高すぎる電圧はエネル ギを無駄にし、フィルタ性能の重大な改善を伴うことなく、イオン化の危険をも たらす。低すぎる電圧は、フィルタ性能を劣化させる。

電極１８．２０間の間隔ｄは、材料２４の捕獲能力に殆ど影響しない所定電圧に おいて実質的範囲にわたって変動し得る。実際には、間隔ｄは、効果的な濾過の ために約５〜４０市の範囲に維持されることが好ましい。小さすぎる間隔は、ア ークの危険を生じさせ、大きすぎる間隔は、フィルタ性能を劣化させる。電圧レ ベルは、捕獲され得る微粒子の寸法、並びに、フィルタ材料２４に浸透する深さ に影響する。

本発明の特性は、以下の例に従って説明されよう。

例■ 約１ｍｍ平方の平均的開口の穴を具えたメツシュのような構造を存する一対の電 極１８．２０は、約７．５ａｎの内径を有する樹脂製ハウジング１０内において 、約２５ｍｍの相互間隔で配置された。約１０ミクロンの平均的な孔寸法を有す る約２ｍの肉厚の偏平な紙繊維材料の層２４は、ハウジングｌＯによって形成さ れるチャンバ１６内において、それに平行に、それと同じ空間的に、そしてそれ から離隔されて、電極１８゜２０間に配設された。約０，０１ミクロン〜１ミク ロンの微粒子寸法を有する煙草の煙で汚染された空気は、入口バイブ１２を通る 約０．０１メ一トル／秒の流速を生じる速度でチャンバ１６内に導入され、従っ て、フィルタ材料及び電極における流速は、極めて遅かった。（極性が実質的に 重要であると思われるが、下流側の正の電極に関して）直流電源２２の電圧が変 動するので、以下のように計測された。

電位が１０ｋＶのときには、煙の微粒子は、電極１８を貫通することができず、 且つ入口ブレナム２１に蓄積された。煙の微粒子の泡状の雲は、この電位におい て第１の電極１８の上に形成された。観察可能な個々の微粒子はこの雲内を極め て迅速に移動していた、ということに留意されるべきである。しかしながら、フ ィルタ材料２４が所定位置にないまま電位が９ｋＶから３ｋＶに大きく低下され たとき、雲のような煙の微粒子の層は、空間２９を貫通した。電圧が低下される と、層は、第２の電極２０に接近するようにそれ自体を低下させた。しかしなが ら、煙の微粒子は、下側の電極２ｏを貫通することなく空間２９内に留まった。

フィルタ材料２４が所定位置にあって実験が行われたとき、実質的に総ての煙の 微粒子は、９ｋＶと３ｋＶとの間の電位範囲を有する材料２４に付着した。２ｋ Ｖより下で材料２４の無い場合、雲の層は何も観測されず、煙は、電極間でなく なり、２３を通って１４に退出した。フィルタ材料のある場合、材料の通常の濾 過作用を越えて、付加的な濾過作用は、殆どあるいは全く起きなかった。

電圧が除去され、あるいは実験電圧（９ｋＶ〜３　ｋＶ）から０ボルトまで低下 されるとき、付着した微粒子は、材料２４から離れて行かなかった。

２０Ｍまでの厚い材料２４で実験を繰り返したところ、肉厚材料は、微粒子がフ ィルタ材料の表面に付着する可能性を増大させることによってより優れた濾過を 提供する、ということが理解された。

空気速度か０．１メ一トル／秒を越えて増大されると、空気流れの力は、微粒子 を押圧して第１電極１８、フィルタ材料２４、そして第２電極２０を通過させた 。前記現象は、容易に観察されず、濾過は、極めて粗悪であった。

例■ 例■の装置において、電極１８．２０間の空間は、約５０ｍａ＋まで増大された 。同一電圧において、例Ｉと同様の現象が観察された。

本発明の別の実施例について以下説明すると、第１に、空気流れが両電極を通し て引き出される必要がない、第２に、フィルタ材料が均一の肉厚を有する必要が ない、という２つの要点を図３に示している。

図３において、チャンバ１６の一対の電極３０．３２は、それらの間に配設され るフィルタ材料３４を存する。電極３０．３２は共に図１の電極１８、２０のよ うに穿孔され得るが、フィルタ材料３４の上流側である電極３２の下流側の出口 ３６を通って空気流れがチャンバ１６を退出するので、電極３２は、図３の実施 例において固体であり得る。（代わりに、両電極が固体で形成され得るし、空気 入口が電極３ｏと材料３４との間のチャンバ１６の側部に配置され得る。）固体 電極３２は、メツシュ状の電極よりも、僅かではあるがより均一な場を材料３４ に生じさせる。しかしながら、いずれにしても、電極の主たる不連続性が該場を 非均−なパターンに集中させようとするので、電極３０．３２　（並びに電極１ ８．２０）は、実質的に円滑に、鋭い曲がりの無いように形成されねばならない 。しかしながら、（ＭＡまれだ金属メツシュの面のような）均一に分配された不 規則性は、２つの電極間の空間にわたって電界の良好な分配を生じさせ、これに より、フィルタ材料２４にはより良いわなが形成される。

図３の実施例のフィルタ材料は、多孔性の卵籠タイプの樹脂製の発泡材料として 図示されている。上記例Ｉの流速及び寸法パラメータを用いることにより、最大 流速における面３８に沿って材料３４に入る空気の流入速度が約０．１メ一トル ／秒を楽に越えているが、材料３４の内部の幾何的配列は、空気流れを分散させ 、これにより、より大きな面４０に沿って材料３４から流出する際のその速度は 、０．１メ一トル／秒の目標をうまく越える。これは、広い寸法範囲の微粒子が わなに掛けられるべきであるような場合の詰まりを減少させるのに便利である。

極めて大きな微粒子は、面３８の近傍で機械的にわなに掛けられ易く、他方、よ り小さい微粒子のわな掛けは、面４ｏの近傍で起きるような最大のわな掛けが材 料３４に分配される。この作用は、異なる多孔性を具えた多層のフィルタ材料を 用いることにより促進５０ａｎ　Ｘ　３１ａｎ　Ｘ　２６ａｎの寸法を有するチ ャンバ５０を用いる実験用のフィルタ装置が図４に示すように構成された。

２つの同等の円筒状の空気フィルタ５２．５４　（プロレータ（Ｐｕｒｏｌａｔ ｏｒ）自動空気フィルタＡＦ３０８０型）は、チャンバ５０内に並んで配設され た。各空気フィルタは、ひだ状のフィルタ材料２４を包含し、それは、１２ｍｕ ＋だけ離隔された２つの電極間にサンドイッチにされ、且つ円筒構造に形成され た。実験のため、各空気フィルタの下部は、閉塞され、上部は空気フィルタ５２ 又は５４をそれぞれ貫通する残余煙微粒子を収集する監視薄膜５６．５８に連結 された。空気排出は、真空ポンプ６０により薄膜５６．５８を通して吸い出され る。空気フィルタ材料の多孔性は、約１０ミクロンであった。寸法が０．０１〜 １ミクロンの煙微粒子は、煙草から引き出された。空気が（煙を生じる）燃えて いる煙草６２を通して引き出され、且つ約１　ｃｆｍ（４７２ｃｕｂｉｃ　ｃｍ ｓ／５ｅｃ）の割合でチャンバ内に導入された。次いで煙は、等しい割合で２つ の同等の空気フィルタを通して分離的に引き出され、薄膜５６゜５８を通して円 筒中心の外及び上並びにチャンバの外に排出された。

７ｋＶの電圧が空気フィルタ５４の電極を横切るように付加された。

空気フィルタ５２には、電圧が付加されなかった。空気フィルタ５２の下流側の 薄膜５６は、こげ茶色の材料の堆積（煙微粒子の蓄積）を表示した。空気フィル タ５４の下流側の薄膜５８は、殆ど無い微粒子の堆積を示し、殆ど総ての微粒子 は、フィルタ５４の電極間のフィルタ材料２４に吸収された。

薄膜５６．５８の相対的な変色を観測することによって決定される能率比は、１ ０００対ｌよりも良いと概算された。装置が新規且つ清潔であるときには、フィ ルタ５２．５４のフィルタ材料２４を通る空気速度は、０．１メ一トル／秒より も実質的に低く、６ｋＶと９ｋＶとの間の電圧が付加されるときには、煙草のに おいでさえ、５４及び５８を通ってのフィルタ装置からの排出における空気から 検知され得なかった。

これらの発見の意義は、静電気電圧のない場合において、１０ミクロンの多孔性 を有するフィルタ材料２４か、１０ミクロン以下の殆ど総ての微粒子がフィルタ 材料２４を通過するのを可能ならしめる、ということである。例■は、空気フィ ルタ材料の多孔性が寸法的に概ね１０ミクロンであるが、本発明の特定の状態が 満足されるとき（すなわち、（１）２つの電極間に配置されたフィルタ材料の効 果的な排出面領域が、ユニット領域光たりの空気速度を０．１メ一トル／秒より もかなり低い速度まで低下させるのに充分なほど大きいこと、（２）微粒子及び ファンデルワールス力の効果を促進するためのフィルタ材料の電圧が３ｋＶ〜９ ｋＶであること）には、実際上、０．０１ミクロンまでの寸法にわたる総ての微 粒子が捕獲される。

例■ 東し社（日本国）のトリミクロン（Ｔｏｒｉ−Ｍｉｃｒｏｎ）又は３Ｍ社のフィ ルトレット（Ｆｉ　Ｉｔｒｅｔｅ）のような自然静電気帯電性を有するフィルタ 材料は、市場に提供されている。このようなフィルタは、光磁気ディスク（電子 計算機のメモリーシステムに用いられる最近開発された技術）に清浄な空気を供 給するのに使用される。また、最近これらのフィルタ材料は、家庭内の空気濾過 の市場に提供されている。

そのような自然静電気材料を用いて実験が行われた。以下にその条件を明らかに する。図１に示された構成のフィルタ材料２４は、電極１８及び２０を横切るよ うに直流７ｋＶの電圧が付加されて、あるいは付加されないで、試験が行われた 。材料２４０表面空気速度は、０．０１メートル７秒であった。使用された汚染 物は、煙草の煙であった。

フィルタ材料２４は、０．０１６メ一トル／秒の空気速度で０．３ミクロンの微 粒子の６５％を捕獲するように見積もられた。実験は、電圧なしの場合に得られ る濾過と比較して、電極に７ｋＶの電位をもたらすことによる濾過に関する１０ ００％以上の改善を示した。電極の極性を逆転させることに関しては、特に変更 はなかった。１．０メ一トル／秒と高い空気速度の際に、濾過効率は著しく低下 したが、７ｋＶの電圧の付加により濾過に関する注目的な相違及び改善があった 。

電極間の間隔が１センチメートル、２センチメートル、そして７ｋＶの電圧で、 同様の実験が行われた。濾過能力には、注目的な差異がなかった。実験の結論は 、電界（電場）のファンデルワールス力による微粒子捕獲の促進が（電圧を間隔 で割ることによって表示される）電界密度に直接関係しないが、絶対的な電位に は多少関係する、ということであった。

例Ｖ ９９．９％程度のＨＥＰＡフィルタ材料は、図１乃至図３と同等の構成で試験さ れた。空気流れに使用される微粒子は、フタル酸ジオクチル（ＤＯＰ）の見本汚 染物が通常的に用いられた。先ず、０．０６５〜０．３ミクロンのＨＥＰＡフィ ルタ材料の効率は、０．１メ一トル／秒の表面空気速度において６ｋＶの電場電 位の影響を伴って、あるいは伴わないで、計測された。それらの計測の要点を利 用して、０．１ミクロンの微粒子寸法におけるＨＥＰＡフィルタ材料の効率は、 電子計算機の補外法によって予想された（０．０６５　ミクロン以下の微粒子を 計測する市販の計測機器は容易に入手し得ない）。６ｋＶの電位の付加は、１の オーダーの大きさく約１０００％）だけＨＥＰＡの効率向上をもたらした。従っ て、３０００ボルト〜９０００ボルトの電位における電極間の微粒子捕獲及びフ ァンデルワールス力の組み合わせを用いることにより、また、材料のユニット領 域当たりの空気速度が０．１メ一トル／秒よりも充分に低いようにフィルタ材料 の表面を設計することにより、本進歩的方法に従って、ガラス繊維のＨＥＰＡフ ィルタ材料が改善され得る、ということが理解される。

例■ この実験において、（合計２ａｎの厚さを有する）綿シートの１６の層が、図１ に示された構成で電極１８．２０間に配設された。空気速度は、０．０３メ一ト ル／秒であった。導入された微粒子は、煙草の煙がらであった。平均的な綿の孔 寸法は、約１００ミクロンであると概算された。試験は、２度行われた。１度目 は、７ｋＶの電圧が電極を横切るように付加され、上流側の電極１８は、電極２ ０に対して正であった。２度目は、電圧が付加されなかった。いずれの場合にお いても、２つの煙草の連続的燃焼の後、綿の層は、分離されて試験された。

電位の無い場合、煙草の微粒子がフィルタを貫通するがその通過中にフィルタ材 料中に微粒子が多少堆積する、ということを示すような軽度の着色が、フィルタ 材料２４の全体に観測された。電圧負荷の場合、微粒子は、最初の４つの層に完 全に吸収され、第１の層は、大量の茶色の汚れを有していた。第２層及び第３層 においては、この着色は急激に減少し、第４層では、微かな変色のみであった。

低程度（１０％程度）のフィルタ材料（合計３ｍの厚さ）の３つの層を用いて、 別に実験が行われた。ＤＯＰ微粒子の見本が用いられた。

空気速度は０．１メ一トル／秒であった。電場の無い場合には、フィルタは、０ ．３ミクロンの微粒子寸法で４０％の捕獲率を示した。電場付加の場合ニハ、捕 獲率は、６　ｋＶテア０％、８　ｋＶ１’９３！％、１０ｋＶテ９８．６％まで 上昇した。

例■のこれらの実験結果を以下に示す。

（１）フィルタ材料２４の厚さの増加は、フィルタ材料の表面と微粒子との間の ファンデルワールス力の引力が電気的に促進されて空気速度が充分低い（０，１ メ一トル／秒より低いが、好ましくは０．０３メ一トル／秒）とき、イオン化す る静電場の下で濾過効率を実質的に改善する。本発明において、孔寸法は、関係 する微粒子の寸法よりも遥かに大きく、フィルタを横切る異なる大きな圧力を発 生させることなく厚いフィルタ材料を設計することが可能となる。

（２）フィルタ材料２４の粗さく多孔度）は、多孔度を調整することにより材料 の全厚さにわたって微粒子でフィルタ材料を充填するように、層から層に（又は 連続して）変化され得る。例えば、大きな多孔性材料で始めから次第に小さな孔 寸法の材料に進めていくことは、微粒子が均等に捕獲され且つ材料の全厚さにわ たって分配され、大きな微粒子保持能力をもたらす、ということに役立つ。

例■ 図１に基本的示されたシステムを用いて、一連の実験が行われた。

フィルタ材料２４は、電極１８．２０間に配設された。１０ｋＶの電位が、電極 １８．２０に付加された。５０％程度のフィルタ材料が用いられた。下流側の電 極２０が負であるときには、計測されたＯＶでの捕獲率５６％か、１０ｋＶでの ８０％まで上昇し、下流側の電極２０が正であるときには、９８％まで上昇した 。

総ての条件が同一であり、ｌＯ％程度のフィルタ材料２４が用いられた。結果的 には、下流側の電極２０が負であるときには、Ｏｖで計測された捕獲率５６％が 、４０％まで上昇し、下流側の電極２０が正であるときには、９０％まで上昇し た。

例■は、本発明によれば、低い程度のフィルタ材料（例えば、大きな多孔度の材 料）が高い程度の材料と殆ど同じような捕獲率を実現できる、ということを示し た。大きな多孔度のフィルタ材料は、表面に遭遇するような低い空気圧力を提供 する。フィルタに遭遇するような所定圧力の場合、より厚い低い程度の材料は、 微粒子の衝撃の可能性として、より良い濾過を提供するように適合され、あるい は、フィルタ繊維との接触は、フィルタ材料の厚さが増加するにつれて増加する 。

また例■は、電極電位が９ｋＶを越えて上昇されると、電極電位の極性がひょっ として初期のイオン化効果のために、大きく増加するようになる、ということを 示した。

図５ａは、実質的に改善された濾過を提供する図１の構成の変更例を示す。この 実施例において、フィルタ材料２４は、上流側の電極１８ではなくて下流側の電 極２０に接触するように配置される。代わりに、材料２４が、下流側の電極２０ ではない電極の方に接触してもよい。

風媒微粒子（例えば、煙草の煙、ＤＯＰ等）のタイプと適合するように電源の極 性を選択することにより、より良い結果が得られる。

一方の電極と接触するフィルタ材料２４と他方の電極との間の空間的間隙は、濾 過を改善し、また、電極間の電流を減少させる。

例■ 図１に示された通常の構成から成る図４の空気フィルタ５４においては、電極１ ８及び２０の間の空間にフィルタ材料２４が支持されるようにするよりも、フィ ルタ材料２４が下流側の電極２０と接触するようにすることにより、実験が行わ れた。

使用されたフィルタ材料は、多孔度５０〜６０ミクロン程度の厚さ１．２ミリメ ートルの薄いＨＥＰＡ材料であり、有効寸法は、１３．３ｃｍＸ２０、３ａｎで あった。付加電圧は７ｋＶであった。煙草の煙からの微粒子は、寸法０．０１− １ミクロンであった。フィルタ組立体５４の通過後においては、捕獲されなかっ た煙りの微粒子が、薄膜５８に収集され、且つ変色により観測された。

フィルタ材料２４を通る約０．０２６メ一トル／秒の空気速度においては、２つ の実験が行われた。第１の実験においては、フィルタ材料２４と電極２０との間 に所定空間が確保され、薄膜５８は完全にこげ茶色であった。第２の実験におい ては、フィルタ材料２４は電極２ｏに接触することができ、薄膜５８は、フィル タ５４のより優れた効率を披露するように、殆どその元の白い色のままであった 。

流速は、十倍増加され、実験が繰り返された。フィルタ５４の効率が実質的に低 下したが、２つの実験結果には、（フィルタ材料２４と電極２０との間の空間の 有無に拘わらず）大きな差が存在する。電極１８及び２０の間の極性は、逆転し た。いずれの極性においても、同じ結果が観測された。しかしながら、下流側の 電極２０を正にすることは、フィルタ効率を僅かに良好にした。

フィルタ材料２４を下流側の電極１８に接触させるようにすることにより、同様 の結果が得られた。しかしながら、この場合、（通常機械的に弱い）フィルタ材 料２４のために、補助的な機械的なサポートが要求された。また、上流側の電極 の前にフィルタ材料を配置することにより、同様の結果が得られた。

例■ 実質的に図４のシステムのようなものを用いたが、両フィルタ５２及び５４に関 して図６に示すような二重層フィルタ構造を用いて、別の実験が行われた。（図 ６の構造は、交互の極性を存する３つの電極＋８．２０．７０、及びフィルタ材 料の２つの層２４．７２を使用し、材料７２は、材料２４より繊細である。フィ ルタ５４に付加された電位は、８ｋＶであった。

表面速度は、約０．１メ一トル／秒であった。−握りの刻んだニンニクが、発生 源として加熱された。フィルタ５２からの排出物は、呼吸するのに我慢できない ものであった。他方、フィルタ５４からの排出物は、極めて心地よい芳香に包ま れ、料理の良いにおいによく似ていた。

この実験結果は、８ｋＶでの電位を有したフィルタ構造５４が、０．００１１ミ クロンの範囲の微粒子寸法を存するニンニクの蒸気及び芳香を消去する、といっ たことであった。ＤＯＰ微粒子、煙、及び蒸気の分布の大きさを知ることにより 、結論として、実験構造は、ガス状流動体から公知のバクテリア（寸法０．３〜 ４０ミクロン）及びビールス（寸法０．００３〜０．０６　ミクロン）を濾過す るに好適であった。

同一の実験が、煙及び芳香を消去するために油中で燃焼される食品、醤油、及び たまねぎについて行われた。煙及び芳香を最小にすることに関して、似たような 優れた結果が得られた。

例Ｘ 図５ａの導電性フィルタ材料（あるいは導電性物質で被覆又は処理されたフィル タ材料）の代わりに、１ミクロン以下の直径の金属ワイヤが内部混合された特別 のフィルタ材料が用いられた。ワイヤは、刻まれ、紙フイルタ材料と共に混合さ れる。刻まれた極微細の金属片を具えたこのフィルタ材料は、図５ａに示された ように配設された。表面空気速度は、０．０３メ一トル／秒であった。フィルタ 材料の金属片は、電極２０に直接接触しなかったのだが、各金属片の周りの誘導 された電場は、微粒子に対するファンデルワールス力及びフィルタ材料の間の相 互作用を著しく促進させ、これにより、電位の無い同一フィルタ材料と比較して 優秀な濾過作用が得られた。また、このフィルタ材料構造は、ファンデルワール ス力に基づく濾過技術による必要な電場を生じさせるために必要な電位を（２０ ００ボルト以下にまで）最小化した。本発明の原理が、構造変更の下で実施され 得る、ということは勿論である。

補正書の翻訳文提出書。

（特許法第１８４条の７第１項） 平成６年り月？日

Claims (23)

【特許請求の範囲】
1. １．ガス状流動体の流れに浮遊する微粒子を捕獲するためのフィルタにおいて、 （ａ）入口及び出口の間に流路を面成するフィルタチャンバ手段と、 （ｂ）フィルタ材料の孔寸法が捕獲されるべき微粒子よりも実質的に大きい、流 路内に配置される多孔性フィルタ材料と、（ｃ）ガス状流動体流れとその中に浮 く微粒子が流路に沿って多孔性フィルタ材料を貫流するようにさせる推進手段と 、（ｄ）多孔性フィルタ材料によって微粒子を捕獲させるため、ガス状流動体が 多孔性フィルタ材料を貫通する際に多孔性フィルタにおける内在時間を増やすた めの、多孔性フィルタ材料に作用的に関係するように配置された電極手段、とを 有することを特徴とするフィルタ。
2. ２．上記電極手段は、その間の多孔性フィルタ材料と隔たった関係で配置された 一対の電極を含み、フィルタ材料は、誘電性の繊維質の材料を含むことを特徴と する請求項１に記載のフィルタ。
3. ３．非イオン化電位を上記一対の電極に付与するための電圧源手段を更に有する ことを特徴とする請求項２に記載のフィルタ。
4. ４．上記フィルタ材料は、流路の長手方向に実質的に２〜３センチメートルの厚 さを有することを特徴とする請求項３に記載のフィルタ。
5. ５．上記フィルタ材料は、事前帯電される電荷を支持する材料であることを特徴 とする請求項１に記載のフィルタ。
6. ６．上記フィルタ材料は、実質的に０．５〜１０ミクロンの範囲内の平均的な孔 寸法を有し、捕獲されるべき微粒子の大きさは、実質的に０．０１〜１ミクロン の範囲全体に分配されることを特徴とする請求項１に記載のフィルタ。
7. ７．上記電極は、実質的に相互に平行であり、それらの間の間隔は、実質的に５ 〜４０ミリメートルの範囲内であることを特徴とする請求項４に記載のフィルタ 。
8. ８．上記電位は、実質的に約２〜１０ＫＶの範囲内であることを特徴とする請求 項３に記載のフィルタ。
9. ９．上記フィルタ材料のガス伏流動体の流れの流速は、実質的に０．０３メート ル／秒であることを特徴とする請求項１に記載のフィルタ。
10. １０．上記フィルタ材料は、ガス状流動体の流れのための出口面及び入口面を有 し、それらの面の一方は、他方よりも実質的に大きいことを特徴とする請求項１ に記載のフィルタ。
11. １１．上記流動体流れは、少なくとも１つの電極を貫通し、該流動体流れが通る 電極は、流動体流れの流速に実質的に影響を及ぼさないように適切に穿孔されて いることを特徴とする請求項２に記載のフィルタ。
12. １２．上記フィルタ材料は、一方の電極に接触し得るように配設されることを特 徴とする請求項２に記載のフィルタ。
13. １３．上記フィルタ材料は、流路の下流側の電極対の電極に接触することを特徴 とする請求項１２に記載のフィルタ。
14. １４．上記フィルタ材料は、各電極から実質的に離設されていることを特徴とす る請求項２に記載のフィルタ。
15. １５．上記電極は、実質的に偏平であることを特徴とする請求項２に記載のフィ ルタ。
16. １６．上記電極は、実質的に均一な金属メッシュで形成されることを特徴とする 請求項１５に記載のフィルタ。
17. １７．上記フィルタ材料は、実質的に均一な厚さを有し、且つ、不連続さの無い 面を有することを特徴とする請求項１に記載のフィルタ。
18. １８．上記フィルタ材料は、少なくとも部分的に導電性を有することを特徴とす る請求項１に記載のフィルタ。
19. １９．上記フィルタ材料は、金属含浸性の繊維質材料であることを特徴とする請 求項１８に記載のフィルタ。
20. ２０．上記電極手段は、実質的に相互に平行に配置された交番電位の少なくとも ３つの電極を含み、フィルタ材料の層は、各対の電極の間に配置されることを特 徴とする請求項１に記載のフィルタ。
21. ２１．空気の流れ過ら微粒子汚染物を濾過する方法において、（ａ）微粒子汚染 物の直径よりも実質的に大きい孔寸法を有する繊維質材料を通して空気の流れを 引き、（ｂ）繊維質材料による微粒子汚染物の捕獲を促進させるために、繊維質 材料における微粒子汚染物の内在時間を増やすべく、繊維質材料内部の静電場を 利用する、 というステップを有することを特徴とする方法。
22. ２２．上記電場は、非イオン化することを特徴とする請求項２１に記載の方法。
23. ２３．ガス伏流動体の流れに浮いている微粒子を捕獲するためのフィルタにおい て、 （ａ）入口及び出口の間に流路を画成するフィルタチャンバ手段と、 （ｂ）該流路内に配置される多孔性フィルタ材料と、（ｃ）ガス状流動体流れと その中に浮く微粒子が流路に沿って多孔性フィルタ材料を貫流するようにさせる 推進手段と、（ｄ）ガス伏流動体流れよりも低速な多孔性フィルタ材料内の速度 を有する微粒子を、多孔性フィルタ材料によって捕獲するのを促進させるため、 多孔性フィルタ材料内に微粒子を保持するための、多孔性フィルタ材料に作用的 に関係するように配置された電極手段、とを有することを特徴とするフィルタ。