(57)【要約】【課題】少ない圧力損失で、無帯電の微小粒子を、捕獲できる静電エアフイルタを提供する。【解決手段】エレクトレットまたは強誘電体からなる半永久帯電体５と、対向電極６とを、対向に設置し、前記半永久帯電体の面積と、前記対向電極の面積に差を設け、前記半永久帯電体と前記対向電極の間を通過する空気流中の無帯電微小粒子７を、空気流の移動方向と異なる方向に移動させることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エレクトレットまたは強誘電体からなる半永久帯電体と、対向電極とを、対向に設置し、
前記半永久帯電体の面積と、前記対向電極の面積に差を設け、
前記半永久帯電体と前記対向電極の間を通過する空気流中の無帯電微小粒子を、空気流の移動方向と異なる方向に移動可能な静電グラディエントエアフイルタ。
【請求項２】
前記半永久帯電体が大面積で、前記対向電極が小面積であることを特徴とする請求項１に記載の静電グラディエントエアフイルタ。
【請求項３】
前記半永久帯電体と前記対向電極との間を通過する空気流の方向に、交互に逆転し、対向に設置することを特徴とする請求項１または２に記載の静電グラディエントエアフイルタ。
【請求項４】
前記対向電極の形状が、針状であることを特徴とする請求項１から３に記載の静電グラディエントエアフイルタ。
【請求項５】
請求項４に記載の対向電極が、静電植毛で針状に作製されることを特徴とする静電グラディエントフイルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、エレクトレットまたは強誘電体からなる半永久帯電体が形成する収束電界により、無帯電粒子に働く静電グラディエント（勾配）力で、無帯電粒子を空気流中より捕獲する静電グラディエントエアフイルタに関する。
【背景技術】
【０００２】  通常、空気や水等の流体中から異物を分離回収する場合、フイルタを使用する。異物がフイルタの網に引っかかって留められるわけである。異物が小さい場合には、フイルタの目を細かくする。しかし、目が細かいと、流体も動きにくくなるので、粗いフイルタを多段に重ねて使用する。たとえば、０．３ミクロンの微粒子に対して９９．９７％以上の粒子捕集率を規定されている業務用マスクＨＥＰＡがあげられる。これは、フイルタを蛇腹状にして重ねている。そのため、空気の流通が妨げられ、その形状は、天狗のお面状になる。また、コストも高い。そのため、普通の人々が、日常生活で使用するのは大変困難である。【０００３】  また、帯電していない微粉末を帯電させて、静電気力で回収するために、マスク内に、コロナ放電発生機構を入れて、帯電させて回収する装置が特許文献１に記載されている。しかしながら、いまだ商品化はされていない。多分、高圧電源も必要になり、重たくて、コストが高く、感電の危険性もあるためだと思われる。【０００４】  また、特許文献１には、「荷電ブラシによって形成される不平等電界により、その間を通過する中性粒子は誘導分極し、グレーディエント力によって荷電ブラシ方向に引き寄せられて吸着し、集塵が行われる。」との記載があり、空気中に、浮遊している無帯電の微粉末に収束電界を向けて、これを移動させて回収するアイディアが開示されている。【０００５】  しかしながら、従来の静電グラディエントフイルタは、いずれも、エレクトレット糸をランダムに絡めただけなので、その効率が充分に発揮されていない。例えば、図９の上部に示すように、エレクトレット糸３に接近して、エレクトレット糸４を置くと、その間の電位は、図９の下部のように、ほとんど平になって、電界も、電界の変化も弱くなって電界勾配力は、ほとんど働かなくなる。すなわち、エレクトレット糸間には、適切な間隔があり、離れすぎても、近すぎても、トータルのグラディエント力は弱くなるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献１】  特開平９−２８８２５公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  すなわち、静電エアフイルタの課題は、少ない圧力損失で、無帯電の微小粒子を捕獲することである。【０００７】  本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、少ない圧力損失で、無帯電の微小粒子を、捕獲できる静電エアフイルタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  上記の課題を解決するため、本発明による静電エアフイルタは、エレクトレットまたは強誘電体からなる半永久帯電体と、対向電極とを、対向に設置し、前記半永久帯電体の面積と、前記対向電極の面積に差を設け、前記半永久帯電体と前記対向電極の間を通過する空気流中の無帯電微小粒子を、空気流の移動方向と異なる方向に移動させることを特徴とする。（請求項１）【０００９】  このとき、半永久帯電体を大面積に、対向電極を小面積にすることが好ましい。（請求項２）【００１０】  また、前記半永久帯電体と、前記対向電極とが、その間を通過する空気流の方向に、交互に逆転し、対向に設置することが好ましい。（請求項３）【００１１】  また、対向電極の形状を、針状とすることが好ましい。（請求項４）【００１２】  そのとき、針状の対向電極は、静電植毛で作製されることが好ましい。（請求項５）
【発明の効果】
【００１３】  本発明によれば、半永久帯電体のみならず、規則的に対向電極も加えているため、規則的に、収束電界が形成されて、空気の流通を阻害することなく効率的に空気中より無帯電微粒子を捕獲することができる。（請求項１）【００１４】  また、半永久帯電体と対向電極の面積を大きく変えているので、強い、収束電界を形成することができる。（請求項２）【００１５】  また、半永久帯電体と対向電極の位置関係を、その間を流れる空気流を挟んで、空気流の流れ方向で、逆転させているので、空気中より無帯電微粒子をムラなく捕獲することができる。（請求項３）【００１６】  対向電極の形状が、針状であるため、強い収束電界が形成できる。（請求項４）【００１７】  針状対向電極が、静電植毛で作製されるため、製造コストが削減される。（請求項５）
【発明を実施するための形態】
【００１８】  以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。まず、本発明に係る規則的な構成の静電グラディエントエアフイルタの主要部の一例について図１を参照して説明する。エレクトレット５と対向電極６が、図示しない、厚さ２００ミクロンのスペーサフイルムを介して向かい合わせられている。
【００１９】  エレクトレット５は、図１の上下方向に連続的に形成され、厚さ２５ミクロンのポリエステルフイルム５０の表面をコロナ放電して作製される。その表面電荷密度は０．１ｍＣ／ｍ２である。
【００２０】  対向電極６は、厚さ２５ミクロンのポリエステルフイルム６０の表面に、１００ミクロン間隔で、幅５０ミクロンのスリット状に平行に多数形成される。該スリット状の対抗電極６は、導電性インクを使ってインクジェットで容易に形成できる。このような該対向電極は、電極内を電荷が高速で移動する必要がないので、高い導電性を有さなくとも、低抵抗の電極で十分機能を発揮する。
【００２１】  なお、図示しないが、上記スリット状の対抗電極６は、その端面で互いに接続されて筐体接地されている。
【００２２】  図１に示すように、前記エレクトレット５と前記対向電極６とが形成され、対向に設置されることによって、両者の間に、エレクトレット５から対向電極６に向けて絞り込まれる収束電界が形成される。空気流８が、エレクトレット５と対向電極６間を流れるとき、そこに含まれる無帯電の微小粒子７には、対向電極向きに、グラディエント（電界勾配）力が働く。その結果、無帯電の微小粒子７、例えば、直径０．５ミクロンの微粒子は、空気流の移動方向と異なる、対向電極に近づく方向に移動して、対向電極６またはその支持板（フイルム）６０に着地してそこに捕獲される。
【００２３】  なお、微小粒子７が、正帯電していると、クーロン力で引かれて、対抗電極６に着地し、負帯電の場合は、逆に、エレクトレット５に着地して捕獲される。
【００２４】  ここで、直径０．５ミクロンの無帯電粒子に働く、グラディエント力を求める。そのためには、この間の電界を知る必要がある。
【００２５】  まず、図２に、エレクトレット５と対向電極６の中心を結ぶ線分上の電位を示す。この電位は、エレクトレットと対向電極間を、縦横１０ミクロンの格子に分割して、二次元差分法で求めた。図２から、エレクトレット５から対向電極６に向かって、その中間地点までは、一定の割合で電位が下がっていることが分かる。しかし、そこから、対向電極６までは、その電位の下がり方がだんだん大きくなる。
【００２６】  また、図３に、エレクトレット５と対向電極６の中心を結ぶ線分上の電界を示す。図３から、エレクトレット５から対向電極６に向かって、その中間地点までは、電界は実質一定であることが分かる。しかし、そこから、対向電極までに、電界はしだいに強くなる。
【００２７】  次に、グラディエント力を計算する。グラディエント力は、微小粒子の場合、次の（近似）公式で計算できる。（静電気ハンドブック  １９９８年版  Ｐ．１１９６）
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ａ：半径
ε０  ：真空の誘電率
ε  ：粒子の誘電率
▽：ナプラ（三次元偏微分）
Ｅ０  ：粒子周囲の電界
（１）式において、図１の配置では、エレクトレット５と対向電極６の中心間の線分を含む格子のＺ方向とＹ方向の電界は等しいので、Ｘ方向のみを微分した。
【００２８】  具体的には、図４に示すように、対象とする粒子の、右面の電界Ｅ２の二乗から、左面の電界Ｅ１の二乗を引いて、粒子の直径０．５ミクロンで割った。この計算方法が、実質、上記（１）式にと等価であることの説明は省略するが、その詳細は、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｓ６７（２００９）Ｐ．６７−７２に記載されている。
【００２９】  なお、格子の横幅、１０ミクロンごとの電界Ｅ２００、Ｅ１００間の電界の変化は直線と仮定して、比例配分で、粒子の右面と左面に相当する位置の電界Ｅ２０、Ｅ１０を求めた。通常、微小物体の周囲では、電界は微小物体に集中して強くなる。この場合、その集中係数を１．５と推定し、Ｅ２０、Ｅ１０をそれぞれ、１．５倍して、粒子の右面と左面の電界Ｅ２、Ｅ１を求めた。
【００３０】  このように、求められた、０．５ミクロン無帯電粒子に作用する、グラディエント力を、粒子の位置ごとに、図５に示す。図５より、エレクトレットから中間地点までは、実質、力は働かないが、そこから、対向電極まで、グラディエント力が急激に大きくなるのが分かる。
【００３１】  次に、このグラディエント力によって生じる、０．５ミクロン無帯電粒子の移動速度を通常の運動方程式で求めた。その際、該粒子に作用する空気抵抗は、該粒子の形状が球形であると仮定して、ストークスの法則で計算した。該粒子が、エレクトレットと対向電極の中間地点に置かれたときの該粒子の移動速度を、その通過地点ごとに、図６に示す。
【００３２】  次に、各格子（１０ミクロン幅）内の速度から、各格子を横切るのに必要な時間を求め、それを積算して移動時間を算出した。すなわち、エレクトレット５と対向電極６の中間に置かれた、直径０．５ミクロンの無帯電粒子が、１０ミクロン進むごとの、そこに到達するまでのトータル時間を求めた。その結果を図７に示す。
【００３３】  図７より、エレクトレット５と対抗電極６が形成する収束電界中に置かれた直径０．５ミクロンの無帯電の粒子７が、中間点から１００ミクロン先の対向電極６表面に到達するまでの時間は、７０ｍｓｅｃ弱であることが分かる。この間に、流速０．１ｍ／ｓｅｃの空気流に乗って移動する無帯電粒子７は、約７ｍｍ移動する。
【００３４】  このままでは、エレクトレット５と対向電極６間の対向電極６側の微小粒子７しか捕獲できないので、続いて、エレクトレット５と対向電極６の位置を反転して、逆側の微小粒子７を捕獲する必要がある。すなわち、フイルタの厚さは１４ｍｍになる。
【００３５】  上記のようなフイルタは、例えば図８に示すように、ベースフイルム９０の表面に、適当な間隔で、全面にコロナ放電が施されて、全面がエレクトレット（灰色で示す）化された幅７ｍｍのエレクトレット形成部５００と、水平細線で示す幅５０ミクロンの対向電極が、垂直方向に１５０ミクロンピッチで形成された、幅７ｍｍの対抗電極形成部６００が隣接して形成された電界形成フイルム１１、１２を用いて形成されてもよい。この電界形成フイルム１１，１２は、例えば、厚さ２５ミクロンのポリエステル製のベースフイルム９０に、エレクトレット５は、コロナ放電をＯＮ／ＯＦＦすることで、対向電極６は、インクジェットをＯＮ／ＯＦＦすることで容易に作製できる。
【００３６】  なお、このような上下の電界形成フイルム１１、１２を作成し、図示しないスペーサーでエレクトレット形成部５００と対向電極形成部６００が向かい合うように複数配置して使用すればよい。
【００３７】  フイルタの厚さをより薄くするためには、収束電界をより強くして、グラディエント力をより強くし、移動速度を速くすればよい。収束電界をより強くするもっとも簡単な方法は、エレクトレット５と対向電極６の間隔を縮めることである。例えば、エレクトレット５と対向電極６の間隔を、２００ミクロンから、２０ミクロンに縮めると、グラディエント力は１０倍になり、移動距離は１／１０になるので、必要な厚さは、１／１００の、０．１４ｍｍになる。
【００３８】  また、間隔を変えずに、エレクトレットの電荷密度をより濃くしてもよい。例えば、シミュレーションで使用した電荷密度は、エレクトレットの標準的な値であるが、コロナ放電電圧を高くすることで、１０倍に大きくするは容易である。さらに、電荷密度を上げるためには、エレクトレットに代えて強誘電体を使用すればよい。現状、強誘電体の電荷密度は、最大１６０ｍＣ／ｍ２にもなる。
【００３９】  さらに、間隔も変えずに、エレクトレットの電荷密度も変えずに、収束電界を強くするためには、対向電極の形状を変えればよい。平板状に変えて、針状にすれば、電界集中で、そこに収束する電界はより強くなる。針電極は製造が難しくコストも高くなるが、同一の効果を静電植毛で得ることができる。基板となるポリエステルフイルム６０の表面を導電性処理し、そこに、導電性糸を、適当な間隔（密度）で、静電植毛すれば、低コストで、高効率の針状対向電極６を製造できる。
【００４０】  本発明のフイルタは、不織布フイルタと異なり、空気が何の抵抗も受けずに、エレクトレット５と、対抗電極６の間を、ストレートに移動するので、圧力損失が非常に少ない。すなわち、本発明の規則的な構成を有する静電グラディエントエアフイルタでは、従来品と異なり、微小粒子７の捕獲と、通気性を両立させることができる。
【００４１】  なお、以上すべて、エレクトレットで説明したが、エレクトレットに代えて、強誘電体を使用することも、もちろん可能である。強誘電体の方が、エレクトレットよりも、高電荷密度が得られるので、より効率的に微小粒子を捕獲することができる。強誘電体の、具体的な材料やその製法に関しては、例えば、特開２００７−２９８２９７に詳細に開示されている。
【００４２】  また、このようなエアフイルタは、花粉用のマスクに好適に適用できる。花粉症の主原因は、花粉の表面に付着しているアレルゲンと呼ばれる微小粒子であり、粒径が、０．５ミクロンと非常に小さい。アレルゲンは、花粉より離脱して単独で飛翔するため、花粉症の完全解決のためには、アレルゲンが、鼻に入る前に捕獲することが必須である。
よって、本発明の静電グラディエントエアフイルタを応用することで、帯電していないアレルゲンも捕獲でき、通気性が高く、コストの低いマスクを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】大面積のエレクトレットに対向してスリット状の対向電極を規則的に配した本発明の基本構成図である。
【図２】図１の構成におけるエレクトレットと対向電極間の電位を示すグラフである。
【図３】図１の構成におけるエレクトレットと対向電極間の電界を示すグラフである。
【図４】直径０．５ミクロンの微小粒子の前後に加わる電界を格子の電界から求める計算手法の説明図である。
【図５】図１の構成におけるエレクトレットと対向電極間の電界勾配力を示すグラフである。
【図６】図１の構成においてエレクトレットと対向電極間の中間に置かれた無帯電の直径０．５ミクロンの粒子が移動する時の速度を示すグラフである。
【図７】図１の構成においてエレクトレットと対向電極間の中間に置かれた無帯電の直径０．５ミクロンの粒子が移動する時の経過時間を示すグラフである。
【図８】本発明の電界形成フイルムの一例の構成図である。
【図９】従来のエレクトレットフイルタに見られる、２本の孤立したエレクトレット糸が接近した時のその間に形成される電位の説明図である。
【符号の説明】
【００４４】３  エレクトレット糸
４  エレクトレット糸
５  エレクトレット
５０  ポリエステルフイルム
６  対向電極
６０  ポリエステルフイルム
７  無帯電直径０．５ミクロン粒子（アレルゲン）
８  空気流
９０  ベースフイルム
５００  エレクトレット形成部
６００  対向電極形成部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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