エアフィルタ用濾材
【課題】圧力損失が極めて低く高風量での気体濾過処理に最適であり、且つ微細な粉塵を高効率で捕集できるエアフィルタ用濾材を得る。
【解決手段】本発明にかかるエアフィルタ濾材１０は、ナノ繊維が三次元的に交絡されてなるシート状のナノ繊維構造体層１２と、ナノ繊維構造体層１２の濾過上流側の面に一体に積層される上流側多孔質体層１４と、ナノ繊維構造体層１２の濾過下流側の面に一体に積層される下流側多孔質体層１６とを備える。上流側多孔質体層１４と下流側多孔質体層１６のナノ繊維構造体層１２と一体に積層される側の面は、ケバ状の突起物がなく平滑であり、下流側多孔質体層１６は、エア流速１ｍ／秒に於ける圧力損失が１００ｐａ以下となる通気性を備えている。
【解決手段】本発明にかかるエアフィルタ濾材１０は、ナノ繊維が三次元的に交絡されてなるシート状のナノ繊維構造体層１２と、ナノ繊維構造体層１２の濾過上流側の面に一体に積層される上流側多孔質体層１４と、ナノ繊維構造体層１２の濾過下流側の面に一体に積層される下流側多孔質体層１６とを備える。上流側多孔質体層１４と下流側多孔質体層１６のナノ繊維構造体層１２と一体に積層される側の面は、ケバ状の突起物がなく平滑であり、下流側多孔質体層１６は、エア流速１ｍ／秒に於ける圧力損失が１００ｐａ以下となる通気性を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エアフィルタ用濾材に関し、特に例えば、圧力損失が極めて低く高風量での気体濾過処理に最適であり、且つ微細な粉塵を高効率で捕集できるエアフィルタ用濾材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来エアフィルタとしては、捕集粉塵の大きさと捕集効率によってプレフィルタ、中性能フィルタ、高性能（ＨＥＰＡ）フィルタ、超高性能フィルタ（ＵＬＰＡ）フィルタが工場・ビル・病院等の空調設備に広く使用されている。工場空調のクリーンルームに使用される高性能ＨＥＰＡフィルタは、例えば縦６１０ｍｍ×横６１０ｍｍ×奥行き５０ｍｍのケース内に、プリーツ加工が施されたフィルタ濾材がセットされ、フィルタユニットとしては０．３μｍ以上の粉塵の捕集効率９９．９９％以上で、処理風量１０ｍ3／ｍｉｎ・圧力損失３００ｐａ・処理風速０．５ｍ／ｓ（濾材内風速０．０５ｍ／秒前後）で使用されている。また中性能フィルタはフィルタ材が縦５９４ｍｍ×横５９４ｍｍ×奥行き９６ｍｍのケース内にプリーツ加工されてセットされ、０．３μｍ以上の粉塵の捕集効率６５％以上で処理風量５０ｍ3／ｍｉｎ・圧力損失１７０ｐａ・処理風速２．０ｍ／ｓ（濾材内風速０．０６ｍ／秒前後）で使用されている。これらエアフィルタユニットに使用されるエアフィルタ用濾材では、グラスファイバーと合成繊維で構成された不織布のＨＥＰＡフィルタ材としての性能（プリーツ加工をせずに平板での性能）は面風速５．３ｃｍ／秒に於いて０．３〜０．５μｍの初期粉塵捕集効率が約９７％であり、またメルトブローン等の不織布が使用される中性能フィルタ材は面風速５．３ｃｍ／秒に於いて初期粉塵効率が約５０％である。ナノ繊維を使用したエアフィルタは高効率が期待できるが、例えば特許文献１に見られるようにナノ繊維層がエア流におかれた時に特異な状態を示す事が十分に把握されずに使用されている。
【特許文献１】特表２００５−５２７３４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来使用されているエアフィルタに於いては、濾材内設計風速は中性能フィルタ・ＨＥＰＡフィルタにおいては５〜６ｃｍ／秒でＵＬＰＡフィルタにおいては５ｃｍ／秒以下で使用されている。濾材内設計風速以上の環境で使用すると、風速が上昇するにしたがって圧力損失が増大し、捕集した粉塵等が再飛散しフィルタの粉塵捕集効率が低下する。これはエア流速が上昇すると、エアフィルタの下流で発生するカルマン渦・乱流渦が次第に大きくなり濾材全体を下流方向に引っぱる力が働き粉塵が脱落していき、ついにはフィルタを構成する繊維がエア流方向に対して垂直方向に固有振動する事によって濾材内に捕集された粉塵が次第に移動してエア流下流に流れていく事によって捕集効率が低下する。また、ナノ繊維によって構成されるエアフィルタにおいてはナノ繊維に接するフリーの繊維あるいはケバ状の繊維があると前記のカルマン渦・乱流渦で激しく振動してナノ繊維の配列を乱しあるいは損傷の発生も生まれ、やはり捕集効率の低下につながる。従来使用されているエアフィルタ材は主に短繊維によって構成されているのでこの現象を発生し易い。本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、圧力損失が極めて低く高風量での気体濾過処理に最適であり、且つ微細な粉塵を高効率で捕集できるエアフィルタ用濾材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】
【０００４】
請求項１に記載の発明は、ナノ繊維が三次元的に交絡されてなるシート状のナノ繊維構造体層と、ナノ繊維構造体層の濾過上流側の面に一体に積層される上流側多孔質体層と、ナノ繊維構造体層の濾過下流側の面に一体に積層される下流側多孔質体層とを備え、上流側多孔質体層および下流側多孔質体層のナノ繊維構造体層と一体に積層される側の面は、ケバ状の突起物がなく平滑であり、下流側多孔質体層は、エア流速１ｍ／秒に於ける圧力損失が１００ｐａ以下となる通気性を備え、濾過下流側において乱流を発しないことを特徴とする、エアフィルタ用濾材である。
【０００５】
請求項２に記載の発明は、ナノ繊維構造体層は、層毎に繊維径の異なる複数以上の層からなり、ナノ繊維構造体層を構成する各層のナノ繊維の繊維径は、濾過下流側の層にいくにしたがって小さくなる、請求項１に記載のエアフィルタ用濾材である。
【０００６】
請求項３に記載の発明は、汎用エアフィルタ用濾材と、請求項１または請求項２に記載のエアフィルタ用濾材とを組合せてなるエアフィルタ用濾材であって、請求項１または請求項２に記載のエアフィルタ用濾材を、汎用エアフィルタ用濾材の濾過下流側の面に密着した状態で配置した又は汎用エアフィルタ用濾材の濾過下流側の気流の乱れの範囲内の距離を置いて配置した、エアフィルタ用濾材である。
【０００７】
請求項４に記載の発明は、汎用エアフィルタ、エアフィルタ用濾材のいずれか一方または双方がユニット化された請求項３に記載のエアフィルタ用濾材である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明にかかるエアフィルタ用濾材によれば、圧力損失が極めて低く高風量での気体濾過処理に最適であり、且つ微細な粉塵を高効率で捕集できるエアフィルタ用濾材を提供する事が可能であり、これによりエア処理設備の高性能化、イニシャルコストの低減，ランニングコストの低減を可能となる。さらには、工業製品、衛生製品用の優れた資材を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、本発明にかかるエアフィルタ用濾材の一実施の形態を示す断面図解図である。エアフィルタ用濾材１０は、ナノ繊維構造体層１２を含む。ナノ繊維構造体層１２は、ナノ繊維１２ａが３次元的に交絡されてなるシート状の繊維構造体からなる。ナノ繊維構造体層１２は、公知のナノ繊維ウェブ製造方法などの繊維構造体製造方法により作製されるが、ナノ繊維１２ａの繊維径、ウェブの目付け，ポアサイズの制御が容易なことによりエレクトロスピニング法により作製されるのが好ましい。ナノ繊維１２ａの繊維径およびナノ繊維構造体層１２の目付は、ナノ繊維構造体層１２のポアサイズを決定する要素であり、繊維径が細く、目付が大きいほど形成されるポアサイズは小さくなり、細かい粉塵を捕集する事が可能となるが、繊維径が略５００ｎｍより小さくなるほど被濾過気体が抜け易くなることより、ナノ繊維１２ａの繊維径は５００ｎｍ以下とされるのが好ましい。
【００１０】
ナノ繊維１２ａの原料としては、ポリアクリロニトリル，６ナイロン，６６ナイロン，ポリエチレン，ポリプロピレン，ポリエチレンテレフタレート，ポリ塩化ビニル，ポリ塩化ビニリデン，ポリスチレン，ポリエチレンオキサイド，セルロース，ポリエーテルウレタン，導電性高分子，ポリ乳酸，ポリカプロラクタン，フィブロイン，コラーゲンその他のタンパク質等のポリマーを使用することができる。なお、ナノ繊維構造体層１２の作製方法については、後段において詳述する。
【００１１】
ナノ繊維構造体層１２の濾過上流側の面には、上流側多孔質体層１４が一体に積層されている。上流側多孔質体層１４は、ナノ繊維構造体層１２のプレフィルタとして機能する多孔質体である。すなわち、本発明にかかるエアフィルタ用濾材１０では、粒径の大きな粉塵は上流側多孔質体層１４により捕集し、捕集のメイン対象とする大きさの粉塵はナノ繊維構造体層１２により捕集行うように構成されている。上流側多孔質体層１４は、ナノ繊維構造体層１２のプレフィルタとして機能するために、ナノ繊維構造体層１２のポアサイズより大きなポアサイズを有する多孔質体が用いられるのが好ましい。
【００１２】
上流側多孔質体層１４には、有機繊維または無機繊維からなる不織布、ウェブ、織物、紙、ネット、有孔フィルム等の被濾過気体を通過させることのできるポアまたは流路に有しているものが適用可能である。なお、上流側多孔質体層１４のナノ繊維構造体層１２と一体に積層される面は、繊維状のケバがなく平滑な表面とされている。その理由は、被濾過気体を濾過している状態において上流側多孔質体層１４の下流には幾分かのカルマン渦や乱流渦が発生する。カルマン渦や乱流渦が発生した状態で、フリーの繊維あるいはケバ状の繊維が存在するとその繊維またはケバは激しく振動し、ナノ繊維構造体層１２中のナノ繊維１２ａの配列を乱したり、損傷する可能性が生じ、その結果、エアフィルタ用濾材１０の捕集効率の低下を招くためである。この現象は、上流側多孔質体層１が短繊維からなる多孔質体から形成されているときに生じやすい。この問題を鑑みれば、上流側多孔質体層１４には、連続繊維により構成され表面にケバがなく平滑なスパンボンド不織布を使用することが望ましい。しかしながら、上流側多孔質体層１４に適用可能な多孔質体は、スパンボンド不織布に限られるのではなく、ナノ繊維構造体層１２と接触する面のケバ焼き処理や熱ロール加工、樹脂コーティング加工によって表面をケバがなく平滑な状態にすることにより、上述の材料からなる中性能フィルタ，ＨＥＰＡフィルタ，ＵＬＰＡフィルタ等の汎用エアフィルタ用濾材が使用することができる。なお、上流側多孔質体層１４は、エアフィルタ用濾材１０の製品寿命を考慮して、所望の粉塵保持容量を備えるものを適宜選択して使用されればよい。
【００１３】
ナノ繊維構造体層１２の濾過下流側の面には、下流側多孔質体層１６が一体に積層されている。下流層多孔質体層１６は、ナノ繊維構造体層１２を濾過下流側から支持し、被濾過気体より加えられる風圧等によりナノ繊維構造体層１２が破損しないようにするためのものである。下流側多孔質体層１６としては、上流側多孔質体層１４と同様に、有機繊維または無機繊維からなる不織布、ウェブ、織物、紙、ネット、有孔フィルム等の被濾過気体を通過させることのできるポアまたは流路に有しているものが適用可能であるが、ナノ繊維構造体層１２をスムーズに流れてきたエア流を乱さないように圧力損失が低いものでなければならない。また、下流側多孔質体層１６の濾過上流側の面に繊維状のケバなどがあると、上流側多孔質体層１４と同様に、ナノ繊維構造体層１２中のエア流の流れの妨げになるばかりか、ケバ状の繊維が激しく振動し、ナノ繊維構造体層１２中のナノ繊維１２ａの配列を乱したり、損傷する可能性が生じ、その結果、エアフィルタ用濾材１０の捕集効率の低下を招く可能性がある。このことより、下流側多孔質体層１６にはエア流速１ｍ／ｓにおいて圧力損失が１００ｐａ以下となる多孔質体であることが好ましい。また、ケバにより生ずる問題に対処するため、上流側多孔質体層１４と同様に、連続繊維により構成され表面にケバがなく平滑なスパンボンド不織布を使用することが望ましい。しかしながら、下流側多孔質体層１６に適用可能な多孔質体は、スパンボンド不織布に限られるのではなく、ナノ繊維構造体層１２と接触する面のケバ焼き処理や熱ロール加工，樹脂コーティング加工によって表面にケバが存在せず、表面が平滑な状態にすることにより、上述の材料からなる中性能フィルタ，ＨＥＰＡフィルタ，ＵＬＰＡフィルタ等の汎用エアフィルタ用濾材が使用可能である。さらには、下流側多孔質体層１６には、上述した条件を具備したものであれば、多孔質体とネット材などのような強度保持材とが複合された複合体が使用されてもよい。
【００１４】
従来のフィルタでは、被処理気体の風速が上昇すると、濾材の濾過下流側に発生するカルマン渦や乱流により濾材が振動し、捕集・保持した粉塵が再び飛散する再飛散現象が発生し粉塵捕集効率が低下するが、本発明にかかるエアフィルタ用濾材１０では、上述した構成により、カルマン渦，乱流渦が発生しにくく、被濾過流体がスムーズに流れるので、再飛散が無く粉塵捕集効率が高風量下においても低下することがない。
【００１５】
図２は、本発明にかかる別の実施の形態を示す断面図解図である。この実施の形態のエアフィルタ用濾材２０は、図１に示す実施の形態とはナノ繊維構造体層の構造が異なる。ナノ繊維構造体層２２は、濾過上流側よりナノ繊維構造体層２２ａ，ナノ繊維構造体層２２ｂ，ナノ繊維構造体層２２ｃの順に構成された複数の層から形成されている。ナノ繊維構造体層２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、全て繊維径が５００ｎｍ以下のナノ繊維により形成されているが、濾過下流側の層にいくにしたがって、層を構成するナノ繊維２３の繊維径が小さくなっている。これによりこの実施の形態では、図１に示す実施の形態が奏する効果に加え、ナノ繊維構造体層２２内でふるい効果が発生することにより、さらに効率的に濾過粉塵を捕集することが可能であり、また製品の高寿命化が可能となる。なお、本実施の形態においては、ナノ繊維構造体層２２を３層構造としたが、これに限らず、所望の粉塵捕集効率、製品寿命が得られるように適宜な数に層は増減されてもよい。
【００１６】
図３は、本発明にかかるさらに別の実施形態を示す図解図である。本実施の形態は、図１または図２に示すエアフィルタ用濾材１０，２０と汎用エアフィルタ用濾材３２とを一体に配置・組合せることにより構成したエアフィルタ用濾材３０である。なお、本発明で示す汎用エアフィルタ用濾材３２とは、従来よりある中性能フィルタ，ＨＥＰＡフィルタ，ＵＬＰＡフィルタ等のような気体濾過に使用されるエアフィルタ用濾材のことを指す。
【００１７】
本実施の形態のエアフィルタ用濾材３０では、エアフィルタ用濾材１０またはエアフィルタ用濾材２０の濾過上流側の面に、汎用エアフィルタ用濾材３２が一体に配置されている。本実施の形態では、上述の構成とすることで、汎用エアフィルタ用濾材３２がその濾過下流側において発生するカルマン渦，乱流渦を、エアフィルタ用濾材１０またはエアフィルタ用濾材２０が整流し消滅させる。これにより、この実施の形態のエアフィルタ用濾材３０では、汎用エアフィルタ濾材３２を単独で使用したときと比較して、カルマン渦等が原因により生ずる粉塵の再飛散が起こりにくくなり、汎用エアフィルタ濾材３２が処理可能な風速が約１０倍前後向上させることが可能である。なお、汎用エアフィルタ濾材３２は、エアフィルタ用濾材１０，２０の濾過上流側の面に密着させて配置することが最も好ましい。しかし、汎用エアフィルタ濾材３２が影響をうけるカルマン渦や乱流が生じている範囲内にエアフィルタ用濾材１０，２０を配置すれば、汎用エアフィルタ濾材３２へカルマン渦等の影響が小さくすることができるので、汎用エアフィルタ濾材３２が影響を受けるカルマン渦、乱流等が発生する範囲内に、エアフィルタ用濾材１０，２０が配置されればよい。また、この実施の形態においては、汎用エアフィルタ濾材３２と、エアフィルタ用濾材１０，２０とを平らなシート状のまま使用したが、汎用エアフィルタ濾材３２とエアフィルタ用濾材１０，２０とが双方とも又はいずれか一方がプリーツ加工などを施してユニット化されてもよい。
【００１８】
引き続き、エアフィルタ用濾材１０の製造方法を例にして、本発明にかかるエアフィルタ用濾材１０の製造方法について説明を行う。なお、本エアフィルタ用濾材１０を製造するに使用するエレクトロスピニング装置は、従来より存在するエレクトロスピニング装置を使用することより、エレクトロスピニング装置およびその各部に関する説明について割愛する。
【００１９】
まず、ナノ繊維構造体層１０をエレクトロスピニング方法により形成するために、ナノ繊維構造体層１２の材料である段落０００７で例示したポリマーを、それぞれのポリマーをエレクトロスピニングするに最適な溶剤（アセトン、クロロホルム、エタノール、メタノール、トルエン、キシロール、シクロヘキサン、ジメチルホルアミド、蟻酸、酢酸等）に溶解し、２〜２０重量％の濃度の溶解液を作製する。
【００２０】
次に、この溶解液をエレクトロスピニング装置の針状ノズル電極から放出して、コレクタ電極上にナノ繊維１２ａを堆積させてナノ繊維構造体層１２を形成する。溶解液は、１ＫＶ〜５ＫＶ／ｃｍの電界強度でもって放出してコレクタ電極上にナノ繊維構造体層１２を形成させるが、ナノ繊維構造体層１２自体だけでは、エアフィルタ用濾材としての強度を備えていないため、コレクタ電極上に下流側多孔質体層１６を配置し、下流側多孔質体層１６上にナノ繊維構造体層１２を堆積させて形成する。
【００２１】
このとき、ナノ繊維構造体層１２を堆積させる下流側多孔質体層１６の表面に繊維状ケバなどの極端な凹凸が存在すると、ナノ繊維１２ａの配列が乱れて均一なポアサイズのナノ繊維構造体層１２が形成されない。特に、１０μｍ以上の長さの繊維状ケバ付近では、図４に示すように、針状ノズル電極から飛んできたナノ繊維１２ａがケバの上を滑り、ケバの根元で略Ｕ字状に堆積してしまう。また、ケバの上をナノ繊維１２ａが滑らない場合には、図５に示すように、ケバを支えにしてナノ繊維１２ａがトンネル状に堆積され、欠陥である大きなポアを造り易い。従って、下流側多孔質体層１６は、ケバがなく表面が平滑な多孔質体が使用されるのが好ましく、段落００１７で述べた理由からも、連続繊維で構成されたスパンボンド不織布が使用されるのが好ましい。なお、ここでは、コレクタ電極上に下流側多孔質体層１６を配置させナノ繊維構造体１２を形成させたが、これに限らず、コレクタ電極上に上流側多孔質体層１４を配置させてナノ繊維構造体層１２を形成されてもよい。この場合においても、本段落で述べた理由から上流側多孔質体層１４の表面は、ケバなどがなく平滑であることが好ましい。また、上流側多孔質体層１４に汎用エアフィルタ用濾材等を使用する場合には、少なくとも上流側多孔質体層１４のナノ繊維構造体層１２が積層される面は、ケバ焼き処理や熱ロール加工，樹脂コーティング加工によってケバがなく表面が平滑な状態とされるのが好ましい。
【００２２】
次に、下流側多孔質体層１６の表面上にナノ繊維構造体層１２を堆積・形成させた直後、上流側多孔質体層１４がナノ繊維構造体層１２に積層され一体とされる。なお、上流側多孔質体層１４とナノ繊維構造体層１２とを強固に一体化させるために後処理で、超音波融着、熱ロール等の後処理が施されてもよい。また、上流側多孔質体層１４上にナノ繊維構造体層１２を堆積・形成させた場合にも、下流側多孔質体層１６がナノ繊維構造体層１２に積層され一体とされればよい。
【００２３】
上述した工程を経て製造されたエアフィルタ用濾材１０は、ナノ繊維構造体層１２に繊維の乱れや欠陥となる大きなポアは形成されず、また、ナノ繊維構造体層１２中のエア流の妨げとなったり、ナノ繊維１２ａの配列を乱したり，損傷する原因となるケバがない良好な状態である。
【００２４】
なお、本実施の形態では、ナノ繊維構造体層１２を一層により構成した場合について説明を行ったが、濾過下流の層にいくにしたがって繊維径が細くなる複数の層よりナノ繊維構造体層１２を構成する場合には、エレクトロスピニングを行う条件を層毎に違えて、上流側多孔質体層１４または下流側多孔質体層１６上にナノ繊維構造体層１２が形成されればよい。
【実施例１】
【００２５】
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。請求項に記載した範囲内で適宜変更することにより、所望のエアフィルタ用濾材が作製されればよい。
【００２６】
ナノ繊維構造体層１２の材料としてナイロン６ペレット（ユニチカ株式会社製Ａ１０３０ＢＲＬ、分子量１６０００）を使用した。このナイロン６ペレットを１５ｇを蟻酸（キシダ化学株式会社製 濃度９８％）８５ｇ中に常温溶解させて１５重量％濃度のナイロン６溶液を作成した。このナイロン６溶液をルアーロック先注射筒に入れエレクトロスピニング装置（株式会社フューエンス製Ｅｓｐｒａｙｅｒ ＥＳ−２０００）に装着し、コレクタ電極上の載置した下流側多孔質体層１６となる縦１３ｃｍ×横１２ｃｍの大きさのスパンボンド上にエレクトロスピニングすることによりナノ繊維構造体層１２を作製した。なお、下流側多孔質体層１６には、エア流１ｍ／ｓの時の圧力損失が５０ｐａであるナイロン６製スパンボンド（目付２０ｇ／ｍ2、厚み０．１１ｍｍ、縦引張強力７ｋｇ／５ｃｍ巾）を使用した。また、このときのエレクトロスピニングの条件は、スプレーノズルとして内径φ０．２１ｍｍのＭＮ−２７Ｇ−１３（岩下エンジニアリング株式会社製）を使用して、溶液送液速度１μｌ／ｍｉｎ、ノズルコレクタ電極間電圧２０ｋＶ、ノズルコレクタ電極間距離１０ｃｍとした。上述の条件によりナイロン６製スパンボンド上に、平均繊維径１００ｎｍ，平均ポアサイズ１４０ｎｍとなるように目付がそれぞれ０．２ｇ／ｍ2、０．１９ｇ／ｍ2、０．１５ｇ／ｍ2の３種を形成した。
【００２７】
その後、ナノ繊維構造体層１２上に下流側多孔質体層１６に用いたスパンボンドと同じスパンボンドを上流側多孔質体層１４として一体に積層化させて目付の異なる３種の実施例を作製した。
【実施例２】
【００２８】
（エア流試験１）
実施例１のナノ繊維構造体層１２の目付が０．２ｇ／ｍ2のエアフィルタ用濾材１０の濾過下流側に線径０．１ｍｍの網戸用ポリエチレンネット（エア流速１ｍ／ｓにおける圧力損失５ｐａ）を重ね置き、これを縦８５ｍｍ×横８５ｍｍにカットして実施例２を作製し、エア流状態の観察試験を行った。また、比較例１として実施例２と同じサイズで、平均繊維径２０μｍのメルトブローン不織布製の中性能フィルタ（金井重要工業株式会社製 品番９０ｐ、目付１２０ｇ／ｍ2，厚み０．４ｍｍ）を作製して、同様にエア流状態の観察試験を行った。
【００２９】
エアフィルタ用濾材を通過するエア流を観察するために、図６に示す装置を使用した。透明風洞４として、アクリル板（厚み３ｍｍ）を成形して外形が縦８０ｍｍ×横８０ｍｍ×長さ１６０ｍｍの中空角柱を２本作り、中央部にエアフィルタ用濾材６をセットしてアルミシールテープでアクリル板中空角柱２本と一体接着固定した。透明風洞のエア出口は連結プラスチックダクト７でエア吸引装置３に連結した。透明風洞のエア吸い込み口には蚊取り線香を用意し、蚊取り線香の煙（粒径０．１〜０．１５μｍ）の流れにメタルハライドファイバー照明装置（株式会社住田光学ガラス製ＬＳ−Ｍ２５０）の光を当てて、高速度カメラ（株式会社日本ローバ製Ｍｏｔｉｏｎｓｃｏｐｅ−Ｍ２）で撮影し、画像をパソコンに取り込んだ。
【００３０】
図７は、実施例２の風速１ｍ／秒におけるエア流を高速度カメラで撮像した画像であり、図８は、比較例１の風速１ｍ／秒におけるエア流を高速度カメラで撮像した画像である。図８を見て明らかなように、比較例１では、濾材の上流側までは煙が直線状に流入してくるが、濾材を通過した後は、煙が渦を巻くジグザグ状となっている。渦状のところでは煙濃度高くそれ以外では煙濃度が低くなることから、比較例１の下流側において激しい乱流が発生していることが確認できる。他方、実施例２では、図７の画像が示すように、濾材の上流側まで煙が直線状に流入し、濾材１２内を拡散して煙の巾が広くなって出て行くが、出て行く煙に濃淡が無く均一である。実施例２ではカルマン渦及び乱流渦発生が無くエアがスムーズに出て行くことが確認することができた。
【００３１】
〔実施例３〕
〔実施例４〕
（組合せエアフィルタ用濾材試験１）
次に、従来の中性能フィルタとＨＥＰＡフィルタとを汎用エアフィルタ用濾材３２に適用し、これら濾材と実施例２のエアフィルタ用濾材１０とを組合わせて段落００１４に示すエアフィルタ用濾材３０を構成した実施例３および実施例４について、エア風速と粉塵捕集効率について試験を行った。合成ゴムシート（縦２５０ｍｍ×横２５０ｍｍ×厚み１ｍｍ）に縦８０ｍｍ×横８０ｍｍの開口部を開け、エア上流側に中性能フィルタ（縦９０ｍｍ×横９０ｍｍ）下流側にエアフィルタ用濾材１０（縦９０ｍｍ×横９０ｍｍ、目付０．１９ｇ／ｍ2）を重ねて取り付けアルミシールテープで周囲を接着固定して実施例２を作製した。また、エア上流側に上記の寸法のＨＥＰＡフィルタと下流側にエアフィルタ用濾材１０（縦９０ｍｍ×横９０ｍｍ、目付０．１５ｇ／ｍ2）を重ねて取り付け、上記と同様の処理をした実施例３を作製した。また、実施例３，４と同様の寸法の中性能フィルタのみをゴムシートの開口部に固定したものを比較例２として、さらに、実施例３，４と同様の寸法のＨＥＰＡフィルタのみをゴムシートの開口部に固定したものを比較例３として作製した。フィルタ性能試験装置としては、株式会社日本カノマックス製のフィルタ濾材試験装置Ｓ０３０９５１を使用した。
【００３２】
性能測定用の粉塵としては、一般室内大気に含まれる粉塵を使用した。室内空気を試験装置により吸引してフィルタの上流側と下流側のエアを小径チューブでそれぞれパーティクルカウンタに一定量導入し、０．３〜０．５μｍの粒径粉塵数を計測して粉塵捕集効率を算出した。試験方法は、試験フィルタサンプルを試験装置に取付けた後、風速を０．０５ｍ／秒から１ｍ／秒まで段階的に上げて行き、各風速での捕集効率を算出し、その後適当な時間間隔をおいて同様の計測作業を実施した。その試験結果を表およびグラフに示す。
【００３３】
【表１】
【００３４】
【表２】
【００３５】
【表３】
【００３６】
【表４】
なお、表１は、比較例２の各風速に対する濾過効率の値を示す表であり、図９は、表１の値をグラフ化した図である。また、表２は、比較例３の各風速に対する濾過効率の値を示す表であり、図１０は、表２の値をグラフ化した図である。表３は、実施例３の各風速に対する濾過効率の値を示す表であり、図１１は、表３の値をグラフ化した図である。また、表１は、実施例４の各風速に対する濾過効率の値を示す表であり、図１２は、表４の値をグラフ化した図である。
【００３７】
図９を見て明らかなように、比較例２では、中性能フィルタが通常使用される濾材内風速０．０５ｍ／秒で粉塵捕集効率約５０％から風速が上がるほど粉塵捕集効率が低下していく。図１０が示すように、比較例３についても同様の傾向を示す。しかしながら、図１１が示すように、実施例３では、中性能フィルタが通常使用される風速０．５ｍ／秒、粉塵捕集効率約９５％から風速上昇とともに粉塵捕集効率が上昇し、風速０．８ｍ／秒において極大点を示す。また、図１２に示すように、実施例４では、粉塵捕集効率は次第に上昇し、風速１．１ｍ／秒に於いて１００％となった。
【００３８】
〔実施例５〕
ナノ繊維構造体層１２の材料としてポリアクリロニトリル繊維（分子量約６万、帝人テクノプロダクツ株式会社製）を使用した。このポリアクリロニトリル繊維１０ｇをＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（和光純薬工業株式会社製、濃度９９．５％、）９０ｇで常温溶解して１０重量％濃度ポリアクリロニトリル溶液１００ｇを作製した。このポリアクリロニトリル溶液をルアーロック先注射筒（容量１ｍｌ、硬質ガラス）に入れエレクトロスピニング装置（株式会社フューエンス製Ｅｓｐｒａｙｅｒ ＥＳ−２０００）に装着し、コレクタ電極上の載置した下流側多孔質体層１６となる縦１３ｃｍ×横１２ｃｍの大きさのスパンボンド上にエレクトロスピニングすることによりナノ繊維構造体層１２を作製した。なお、下流側多孔質体層１６には、エア流１ｍ／ｓの時の圧力損失が５０ｐａであるナイロン６製スパンボンド（目付２０ｇ／ｍ2、厚み０．１１ｍｍ、縦引張強力７ｋｇ／５ｃｍ巾）を使用した。また、このときのエレクトロスピニングの条件は、スプレーノズルとして内径φ０．５２ｍｍのＭＮ−２１Ｇ−１３（岩下エンジニアリング株式会社製）を使用して、溶液送液速度６μｌ／ｍｉｎ、ノズルコレクタ電極間電圧１４ｋＶ、ノズルコレクタ電極間距離１５ｃｍとした。上述の条件によりナイロン６製スパンボンド上に、平均繊維径１９０ｎｍ，平均ポアサイズ２３０ｎｍとなるように目付がそれぞれ０．３６ｇ／ｍ2と０．２ｇ／ｍ2の２種を形成した。
【００３９】
〔実施例６〕
（エア流試験２）
エア流観察試験１と同様の要領で、実施例５のナノ繊維構造体層１２の目付が０．２ｇ／ｍ2のエアフィルタ用濾材１０の濾過下流側に線径０．１ｍｍの網戸用ポリエチレンネットを重ね置き、これを縦８５ｍｍ×横８５ｍｍにカットして実施例６を作製し、エア流状態の観察試験を行った。図１３は、実施例６の風速１ｍ／秒におけるエア流を高速度カメラで撮像した画像であるが、画像から明らかなように、実施例２と同様に実施例６の下流に於いてカルマン渦，乱流渦は発生していない。
【００４０】
〔実施例７〕
〔実施例８〕
（組合せエアフィルタ用濾材試験２）
組合せエアフィルタ用濾材試験１と同様の要領で、従来の中性能フィルタとＨＥＰＡフィルタとを汎用エアフィルタ用濾材３２に適用し、これら濾材と実施例６のエアフィルタ用濾材１０とを組合わせて段落００１４に示すエアフィルタ用濾材３０を構成した実施例７および実施例８について、エア風速と粉塵捕集効率について試験を行った。その試験結果を表およびグラフに示す。
【００４１】
【表５】
【００４２】
【表６】
表５は、実施例７の各風速に対する濾過効率の値を示す表であり、図１４は、表５をグラフ化した図である。また、表６は、実施例８の各風速に対する濾過効率の値を示す表であり、図１５は、表６をグラフ化した図である。図１４が示すように、実施例７においては風速０．３ｍ／秒近傍に於いて捕集効率８５％の極大点が存在し、中性能フィルタが通常使用される風速０．５ｍ／秒に於ける粉塵捕集効率５０％より向上した。また、実施例８においては、図１５が示すように、風速が上がるに従って捕集効率は向上した。グラフ上には図示していないが、後の実験によって風速１ｍ／秒近傍に於いて捕集効率１００％の極大点が存在する事が判明した。なお、グラフには記入できていないが、後の実験によって風速１ｍ／秒近傍に於いて捕集効率１００％の極大点が存在する事が判明した。
【００４３】
以上の結果より、通常のフィルタは処理風速が上昇すると再飛散現象によって粉塵捕集効率が低下するが、本発明にかかるエアフィルタ用濾材では、その下流にカルマン渦，乱流渦が発生しにくく、エアがスムーズに流れるので、再飛散が無く高性能のフィルタ材を得ることが可能である。また、従来より存在するあらゆるエアフィルタ用濾材のエアー下流側に本発明にかかるエアフィルタ用濾材を配置したエアフィルタ用濾材は処理風速を１０倍以上にする事が可能となると同時に粉塵捕集効率が大きく上昇する。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明にかかるエアフィルタ用濾材の一実施の形態を示す断面図解図である。
【図２】本発明にかかる別の実施の形態を示す断面図解図である。
【図３】本発明にかかるさらに別の実施形態を示す図解図である。
【図４】針状ノズル電極から飛んできたナノ繊維がケバの上を滑り、ケバの根元で略Ｕ字状に堆積した状態を示す図解図である。
【図５】ケバを支えにしてナノ繊維がトンネル状に堆積された状態示す図解図である。
【図６】エア流を観察するための試験装置を撮影した画像である。
【図７】実施例２の風速１ｍ／秒におけるエア流を高速度カメラで撮像した画像である。
【図８】比較例１の風速１ｍ／秒におけるエア流を高速度カメラで撮像した画像である。
【図９】表１の値をグラフ化した図である。
【図１０】表２の値をグラフ化した図である。
【図１１】表３の値をグラフ化した図である。
【図１２】表４の値をグラフ化した図である。
【図１３】実施例６の風速１ｍ／秒におけるエア流を高速度カメラで撮像した画像である。
【図１４】表５をグラフ化した図である。
【図１５】表６をグラフ化した図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０，２０，３０ エアフィルタ用濾材
１２，２２ ナノ繊維構造体層
１４ 上流側多孔質体層
１６ 下流側多孔質体層
３２ 汎用エアフィルタ用濾材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エアフィルタ用濾材に関し、特に例えば、圧力損失が極めて低く高風量での気体濾過処理に最適であり、且つ微細な粉塵を高効率で捕集できるエアフィルタ用濾材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来エアフィルタとしては、捕集粉塵の大きさと捕集効率によってプレフィルタ、中性能フィルタ、高性能（ＨＥＰＡ）フィルタ、超高性能フィルタ（ＵＬＰＡ）フィルタが工場・ビル・病院等の空調設備に広く使用されている。工場空調のクリーンルームに使用される高性能ＨＥＰＡフィルタは、例えば縦６１０ｍｍ×横６１０ｍｍ×奥行き５０ｍｍのケース内に、プリーツ加工が施されたフィルタ濾材がセットされ、フィルタユニットとしては０．３μｍ以上の粉塵の捕集効率９９．９９％以上で、処理風量１０ｍ3／ｍｉｎ・圧力損失３００ｐａ・処理風速０．５ｍ／ｓ（濾材内風速０．０５ｍ／秒前後）で使用されている。また中性能フィルタはフィルタ材が縦５９４ｍｍ×横５９４ｍｍ×奥行き９６ｍｍのケース内にプリーツ加工されてセットされ、０．３μｍ以上の粉塵の捕集効率６５％以上で処理風量５０ｍ3／ｍｉｎ・圧力損失１７０ｐａ・処理風速２．０ｍ／ｓ（濾材内風速０．０６ｍ／秒前後）で使用されている。これらエアフィルタユニットに使用されるエアフィルタ用濾材では、グラスファイバーと合成繊維で構成された不織布のＨＥＰＡフィルタ材としての性能（プリーツ加工をせずに平板での性能）は面風速５．３ｃｍ／秒に於いて０．３〜０．５μｍの初期粉塵捕集効率が約９７％であり、またメルトブローン等の不織布が使用される中性能フィルタ材は面風速５．３ｃｍ／秒に於いて初期粉塵効率が約５０％である。ナノ繊維を使用したエアフィルタは高効率が期待できるが、例えば特許文献１に見られるようにナノ繊維層がエア流におかれた時に特異な状態を示す事が十分に把握されずに使用されている。
【特許文献１】特表２００５−５２７３４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来使用されているエアフィルタに於いては、濾材内設計風速は中性能フィルタ・ＨＥＰＡフィルタにおいては５〜６ｃｍ／秒でＵＬＰＡフィルタにおいては５ｃｍ／秒以下で使用されている。濾材内設計風速以上の環境で使用すると、風速が上昇するにしたがって圧力損失が増大し、捕集した粉塵等が再飛散しフィルタの粉塵捕集効率が低下する。これはエア流速が上昇すると、エアフィルタの下流で発生するカルマン渦・乱流渦が次第に大きくなり濾材全体を下流方向に引っぱる力が働き粉塵が脱落していき、ついにはフィルタを構成する繊維がエア流方向に対して垂直方向に固有振動する事によって濾材内に捕集された粉塵が次第に移動してエア流下流に流れていく事によって捕集効率が低下する。また、ナノ繊維によって構成されるエアフィルタにおいてはナノ繊維に接するフリーの繊維あるいはケバ状の繊維があると前記のカルマン渦・乱流渦で激しく振動してナノ繊維の配列を乱しあるいは損傷の発生も生まれ、やはり捕集効率の低下につながる。従来使用されているエアフィルタ材は主に短繊維によって構成されているのでこの現象を発生し易い。本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、圧力損失が極めて低く高風量での気体濾過処理に最適であり、且つ微細な粉塵を高効率で捕集できるエアフィルタ用濾材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】
【０００４】
請求項１に記載の発明は、ナノ繊維が三次元的に交絡されてなるシート状のナノ繊維構造体層と、ナノ繊維構造体層の濾過上流側の面に一体に積層される上流側多孔質体層と、ナノ繊維構造体層の濾過下流側の面に一体に積層される下流側多孔質体層とを備え、上流側多孔質体層および下流側多孔質体層のナノ繊維構造体層と一体に積層される側の面は、ケバ状の突起物がなく平滑であり、下流側多孔質体層は、エア流速１ｍ／秒に於ける圧力損失が１００ｐａ以下となる通気性を備え、濾過下流側において乱流を発しないことを特徴とする、エアフィルタ用濾材である。
【０００５】
請求項２に記載の発明は、ナノ繊維構造体層は、層毎に繊維径の異なる複数以上の層からなり、ナノ繊維構造体層を構成する各層のナノ繊維の繊維径は、濾過下流側の層にいくにしたがって小さくなる、請求項１に記載のエアフィルタ用濾材である。
【０００６】
請求項３に記載の発明は、汎用エアフィルタ用濾材と、請求項１または請求項２に記載のエアフィルタ用濾材とを組合せてなるエアフィルタ用濾材であって、請求項１または請求項２に記載のエアフィルタ用濾材を、汎用エアフィルタ用濾材の濾過下流側の面に密着した状態で配置した又は汎用エアフィルタ用濾材の濾過下流側の気流の乱れの範囲内の距離を置いて配置した、エアフィルタ用濾材である。
【０００７】
請求項４に記載の発明は、汎用エアフィルタ、エアフィルタ用濾材のいずれか一方または双方がユニット化された請求項３に記載のエアフィルタ用濾材である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明にかかるエアフィルタ用濾材によれば、圧力損失が極めて低く高風量での気体濾過処理に最適であり、且つ微細な粉塵を高効率で捕集できるエアフィルタ用濾材を提供する事が可能であり、これによりエア処理設備の高性能化、イニシャルコストの低減，ランニングコストの低減を可能となる。さらには、工業製品、衛生製品用の優れた資材を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、本発明にかかるエアフィルタ用濾材の一実施の形態を示す断面図解図である。エアフィルタ用濾材１０は、ナノ繊維構造体層１２を含む。ナノ繊維構造体層１２は、ナノ繊維１２ａが３次元的に交絡されてなるシート状の繊維構造体からなる。ナノ繊維構造体層１２は、公知のナノ繊維ウェブ製造方法などの繊維構造体製造方法により作製されるが、ナノ繊維１２ａの繊維径、ウェブの目付け，ポアサイズの制御が容易なことによりエレクトロスピニング法により作製されるのが好ましい。ナノ繊維１２ａの繊維径およびナノ繊維構造体層１２の目付は、ナノ繊維構造体層１２のポアサイズを決定する要素であり、繊維径が細く、目付が大きいほど形成されるポアサイズは小さくなり、細かい粉塵を捕集する事が可能となるが、繊維径が略５００ｎｍより小さくなるほど被濾過気体が抜け易くなることより、ナノ繊維１２ａの繊維径は５００ｎｍ以下とされるのが好ましい。
【００１０】
ナノ繊維１２ａの原料としては、ポリアクリロニトリル，６ナイロン，６６ナイロン，ポリエチレン，ポリプロピレン，ポリエチレンテレフタレート，ポリ塩化ビニル，ポリ塩化ビニリデン，ポリスチレン，ポリエチレンオキサイド，セルロース，ポリエーテルウレタン，導電性高分子，ポリ乳酸，ポリカプロラクタン，フィブロイン，コラーゲンその他のタンパク質等のポリマーを使用することができる。なお、ナノ繊維構造体層１２の作製方法については、後段において詳述する。
【００１１】
ナノ繊維構造体層１２の濾過上流側の面には、上流側多孔質体層１４が一体に積層されている。上流側多孔質体層１４は、ナノ繊維構造体層１２のプレフィルタとして機能する多孔質体である。すなわち、本発明にかかるエアフィルタ用濾材１０では、粒径の大きな粉塵は上流側多孔質体層１４により捕集し、捕集のメイン対象とする大きさの粉塵はナノ繊維構造体層１２により捕集行うように構成されている。上流側多孔質体層１４は、ナノ繊維構造体層１２のプレフィルタとして機能するために、ナノ繊維構造体層１２のポアサイズより大きなポアサイズを有する多孔質体が用いられるのが好ましい。
【００１２】
上流側多孔質体層１４には、有機繊維または無機繊維からなる不織布、ウェブ、織物、紙、ネット、有孔フィルム等の被濾過気体を通過させることのできるポアまたは流路に有しているものが適用可能である。なお、上流側多孔質体層１４のナノ繊維構造体層１２と一体に積層される面は、繊維状のケバがなく平滑な表面とされている。その理由は、被濾過気体を濾過している状態において上流側多孔質体層１４の下流には幾分かのカルマン渦や乱流渦が発生する。カルマン渦や乱流渦が発生した状態で、フリーの繊維あるいはケバ状の繊維が存在するとその繊維またはケバは激しく振動し、ナノ繊維構造体層１２中のナノ繊維１２ａの配列を乱したり、損傷する可能性が生じ、その結果、エアフィルタ用濾材１０の捕集効率の低下を招くためである。この現象は、上流側多孔質体層１が短繊維からなる多孔質体から形成されているときに生じやすい。この問題を鑑みれば、上流側多孔質体層１４には、連続繊維により構成され表面にケバがなく平滑なスパンボンド不織布を使用することが望ましい。しかしながら、上流側多孔質体層１４に適用可能な多孔質体は、スパンボンド不織布に限られるのではなく、ナノ繊維構造体層１２と接触する面のケバ焼き処理や熱ロール加工、樹脂コーティング加工によって表面をケバがなく平滑な状態にすることにより、上述の材料からなる中性能フィルタ，ＨＥＰＡフィルタ，ＵＬＰＡフィルタ等の汎用エアフィルタ用濾材が使用することができる。なお、上流側多孔質体層１４は、エアフィルタ用濾材１０の製品寿命を考慮して、所望の粉塵保持容量を備えるものを適宜選択して使用されればよい。
【００１３】
ナノ繊維構造体層１２の濾過下流側の面には、下流側多孔質体層１６が一体に積層されている。下流層多孔質体層１６は、ナノ繊維構造体層１２を濾過下流側から支持し、被濾過気体より加えられる風圧等によりナノ繊維構造体層１２が破損しないようにするためのものである。下流側多孔質体層１６としては、上流側多孔質体層１４と同様に、有機繊維または無機繊維からなる不織布、ウェブ、織物、紙、ネット、有孔フィルム等の被濾過気体を通過させることのできるポアまたは流路に有しているものが適用可能であるが、ナノ繊維構造体層１２をスムーズに流れてきたエア流を乱さないように圧力損失が低いものでなければならない。また、下流側多孔質体層１６の濾過上流側の面に繊維状のケバなどがあると、上流側多孔質体層１４と同様に、ナノ繊維構造体層１２中のエア流の流れの妨げになるばかりか、ケバ状の繊維が激しく振動し、ナノ繊維構造体層１２中のナノ繊維１２ａの配列を乱したり、損傷する可能性が生じ、その結果、エアフィルタ用濾材１０の捕集効率の低下を招く可能性がある。このことより、下流側多孔質体層１６にはエア流速１ｍ／ｓにおいて圧力損失が１００ｐａ以下となる多孔質体であることが好ましい。また、ケバにより生ずる問題に対処するため、上流側多孔質体層１４と同様に、連続繊維により構成され表面にケバがなく平滑なスパンボンド不織布を使用することが望ましい。しかしながら、下流側多孔質体層１６に適用可能な多孔質体は、スパンボンド不織布に限られるのではなく、ナノ繊維構造体層１２と接触する面のケバ焼き処理や熱ロール加工，樹脂コーティング加工によって表面にケバが存在せず、表面が平滑な状態にすることにより、上述の材料からなる中性能フィルタ，ＨＥＰＡフィルタ，ＵＬＰＡフィルタ等の汎用エアフィルタ用濾材が使用可能である。さらには、下流側多孔質体層１６には、上述した条件を具備したものであれば、多孔質体とネット材などのような強度保持材とが複合された複合体が使用されてもよい。
【００１４】
従来のフィルタでは、被処理気体の風速が上昇すると、濾材の濾過下流側に発生するカルマン渦や乱流により濾材が振動し、捕集・保持した粉塵が再び飛散する再飛散現象が発生し粉塵捕集効率が低下するが、本発明にかかるエアフィルタ用濾材１０では、上述した構成により、カルマン渦，乱流渦が発生しにくく、被濾過流体がスムーズに流れるので、再飛散が無く粉塵捕集効率が高風量下においても低下することがない。
【００１５】
図２は、本発明にかかる別の実施の形態を示す断面図解図である。この実施の形態のエアフィルタ用濾材２０は、図１に示す実施の形態とはナノ繊維構造体層の構造が異なる。ナノ繊維構造体層２２は、濾過上流側よりナノ繊維構造体層２２ａ，ナノ繊維構造体層２２ｂ，ナノ繊維構造体層２２ｃの順に構成された複数の層から形成されている。ナノ繊維構造体層２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、全て繊維径が５００ｎｍ以下のナノ繊維により形成されているが、濾過下流側の層にいくにしたがって、層を構成するナノ繊維２３の繊維径が小さくなっている。これによりこの実施の形態では、図１に示す実施の形態が奏する効果に加え、ナノ繊維構造体層２２内でふるい効果が発生することにより、さらに効率的に濾過粉塵を捕集することが可能であり、また製品の高寿命化が可能となる。なお、本実施の形態においては、ナノ繊維構造体層２２を３層構造としたが、これに限らず、所望の粉塵捕集効率、製品寿命が得られるように適宜な数に層は増減されてもよい。
【００１６】
図３は、本発明にかかるさらに別の実施形態を示す図解図である。本実施の形態は、図１または図２に示すエアフィルタ用濾材１０，２０と汎用エアフィルタ用濾材３２とを一体に配置・組合せることにより構成したエアフィルタ用濾材３０である。なお、本発明で示す汎用エアフィルタ用濾材３２とは、従来よりある中性能フィルタ，ＨＥＰＡフィルタ，ＵＬＰＡフィルタ等のような気体濾過に使用されるエアフィルタ用濾材のことを指す。
【００１７】
本実施の形態のエアフィルタ用濾材３０では、エアフィルタ用濾材１０またはエアフィルタ用濾材２０の濾過上流側の面に、汎用エアフィルタ用濾材３２が一体に配置されている。本実施の形態では、上述の構成とすることで、汎用エアフィルタ用濾材３２がその濾過下流側において発生するカルマン渦，乱流渦を、エアフィルタ用濾材１０またはエアフィルタ用濾材２０が整流し消滅させる。これにより、この実施の形態のエアフィルタ用濾材３０では、汎用エアフィルタ濾材３２を単独で使用したときと比較して、カルマン渦等が原因により生ずる粉塵の再飛散が起こりにくくなり、汎用エアフィルタ濾材３２が処理可能な風速が約１０倍前後向上させることが可能である。なお、汎用エアフィルタ濾材３２は、エアフィルタ用濾材１０，２０の濾過上流側の面に密着させて配置することが最も好ましい。しかし、汎用エアフィルタ濾材３２が影響をうけるカルマン渦や乱流が生じている範囲内にエアフィルタ用濾材１０，２０を配置すれば、汎用エアフィルタ濾材３２へカルマン渦等の影響が小さくすることができるので、汎用エアフィルタ濾材３２が影響を受けるカルマン渦、乱流等が発生する範囲内に、エアフィルタ用濾材１０，２０が配置されればよい。また、この実施の形態においては、汎用エアフィルタ濾材３２と、エアフィルタ用濾材１０，２０とを平らなシート状のまま使用したが、汎用エアフィルタ濾材３２とエアフィルタ用濾材１０，２０とが双方とも又はいずれか一方がプリーツ加工などを施してユニット化されてもよい。
【００１８】
引き続き、エアフィルタ用濾材１０の製造方法を例にして、本発明にかかるエアフィルタ用濾材１０の製造方法について説明を行う。なお、本エアフィルタ用濾材１０を製造するに使用するエレクトロスピニング装置は、従来より存在するエレクトロスピニング装置を使用することより、エレクトロスピニング装置およびその各部に関する説明について割愛する。
【００１９】
まず、ナノ繊維構造体層１０をエレクトロスピニング方法により形成するために、ナノ繊維構造体層１２の材料である段落０００７で例示したポリマーを、それぞれのポリマーをエレクトロスピニングするに最適な溶剤（アセトン、クロロホルム、エタノール、メタノール、トルエン、キシロール、シクロヘキサン、ジメチルホルアミド、蟻酸、酢酸等）に溶解し、２〜２０重量％の濃度の溶解液を作製する。
【００２０】
次に、この溶解液をエレクトロスピニング装置の針状ノズル電極から放出して、コレクタ電極上にナノ繊維１２ａを堆積させてナノ繊維構造体層１２を形成する。溶解液は、１ＫＶ〜５ＫＶ／ｃｍの電界強度でもって放出してコレクタ電極上にナノ繊維構造体層１２を形成させるが、ナノ繊維構造体層１２自体だけでは、エアフィルタ用濾材としての強度を備えていないため、コレクタ電極上に下流側多孔質体層１６を配置し、下流側多孔質体層１６上にナノ繊維構造体層１２を堆積させて形成する。
【００２１】
このとき、ナノ繊維構造体層１２を堆積させる下流側多孔質体層１６の表面に繊維状ケバなどの極端な凹凸が存在すると、ナノ繊維１２ａの配列が乱れて均一なポアサイズのナノ繊維構造体層１２が形成されない。特に、１０μｍ以上の長さの繊維状ケバ付近では、図４に示すように、針状ノズル電極から飛んできたナノ繊維１２ａがケバの上を滑り、ケバの根元で略Ｕ字状に堆積してしまう。また、ケバの上をナノ繊維１２ａが滑らない場合には、図５に示すように、ケバを支えにしてナノ繊維１２ａがトンネル状に堆積され、欠陥である大きなポアを造り易い。従って、下流側多孔質体層１６は、ケバがなく表面が平滑な多孔質体が使用されるのが好ましく、段落００１７で述べた理由からも、連続繊維で構成されたスパンボンド不織布が使用されるのが好ましい。なお、ここでは、コレクタ電極上に下流側多孔質体層１６を配置させナノ繊維構造体１２を形成させたが、これに限らず、コレクタ電極上に上流側多孔質体層１４を配置させてナノ繊維構造体層１２を形成されてもよい。この場合においても、本段落で述べた理由から上流側多孔質体層１４の表面は、ケバなどがなく平滑であることが好ましい。また、上流側多孔質体層１４に汎用エアフィルタ用濾材等を使用する場合には、少なくとも上流側多孔質体層１４のナノ繊維構造体層１２が積層される面は、ケバ焼き処理や熱ロール加工，樹脂コーティング加工によってケバがなく表面が平滑な状態とされるのが好ましい。
【００２２】
次に、下流側多孔質体層１６の表面上にナノ繊維構造体層１２を堆積・形成させた直後、上流側多孔質体層１４がナノ繊維構造体層１２に積層され一体とされる。なお、上流側多孔質体層１４とナノ繊維構造体層１２とを強固に一体化させるために後処理で、超音波融着、熱ロール等の後処理が施されてもよい。また、上流側多孔質体層１４上にナノ繊維構造体層１２を堆積・形成させた場合にも、下流側多孔質体層１６がナノ繊維構造体層１２に積層され一体とされればよい。
【００２３】
上述した工程を経て製造されたエアフィルタ用濾材１０は、ナノ繊維構造体層１２に繊維の乱れや欠陥となる大きなポアは形成されず、また、ナノ繊維構造体層１２中のエア流の妨げとなったり、ナノ繊維１２ａの配列を乱したり，損傷する原因となるケバがない良好な状態である。
【００２４】
なお、本実施の形態では、ナノ繊維構造体層１２を一層により構成した場合について説明を行ったが、濾過下流の層にいくにしたがって繊維径が細くなる複数の層よりナノ繊維構造体層１２を構成する場合には、エレクトロスピニングを行う条件を層毎に違えて、上流側多孔質体層１４または下流側多孔質体層１６上にナノ繊維構造体層１２が形成されればよい。
【実施例１】
【００２５】
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。請求項に記載した範囲内で適宜変更することにより、所望のエアフィルタ用濾材が作製されればよい。
【００２６】
ナノ繊維構造体層１２の材料としてナイロン６ペレット（ユニチカ株式会社製Ａ１０３０ＢＲＬ、分子量１６０００）を使用した。このナイロン６ペレットを１５ｇを蟻酸（キシダ化学株式会社製 濃度９８％）８５ｇ中に常温溶解させて１５重量％濃度のナイロン６溶液を作成した。このナイロン６溶液をルアーロック先注射筒に入れエレクトロスピニング装置（株式会社フューエンス製Ｅｓｐｒａｙｅｒ ＥＳ−２０００）に装着し、コレクタ電極上の載置した下流側多孔質体層１６となる縦１３ｃｍ×横１２ｃｍの大きさのスパンボンド上にエレクトロスピニングすることによりナノ繊維構造体層１２を作製した。なお、下流側多孔質体層１６には、エア流１ｍ／ｓの時の圧力損失が５０ｐａであるナイロン６製スパンボンド（目付２０ｇ／ｍ2、厚み０．１１ｍｍ、縦引張強力７ｋｇ／５ｃｍ巾）を使用した。また、このときのエレクトロスピニングの条件は、スプレーノズルとして内径φ０．２１ｍｍのＭＮ−２７Ｇ−１３（岩下エンジニアリング株式会社製）を使用して、溶液送液速度１μｌ／ｍｉｎ、ノズルコレクタ電極間電圧２０ｋＶ、ノズルコレクタ電極間距離１０ｃｍとした。上述の条件によりナイロン６製スパンボンド上に、平均繊維径１００ｎｍ，平均ポアサイズ１４０ｎｍとなるように目付がそれぞれ０．２ｇ／ｍ2、０．１９ｇ／ｍ2、０．１５ｇ／ｍ2の３種を形成した。
【００２７】
その後、ナノ繊維構造体層１２上に下流側多孔質体層１６に用いたスパンボンドと同じスパンボンドを上流側多孔質体層１４として一体に積層化させて目付の異なる３種の実施例を作製した。
【実施例２】
【００２８】
（エア流試験１）
実施例１のナノ繊維構造体層１２の目付が０．２ｇ／ｍ2のエアフィルタ用濾材１０の濾過下流側に線径０．１ｍｍの網戸用ポリエチレンネット（エア流速１ｍ／ｓにおける圧力損失５ｐａ）を重ね置き、これを縦８５ｍｍ×横８５ｍｍにカットして実施例２を作製し、エア流状態の観察試験を行った。また、比較例１として実施例２と同じサイズで、平均繊維径２０μｍのメルトブローン不織布製の中性能フィルタ（金井重要工業株式会社製 品番９０ｐ、目付１２０ｇ／ｍ2，厚み０．４ｍｍ）を作製して、同様にエア流状態の観察試験を行った。
【００２９】
エアフィルタ用濾材を通過するエア流を観察するために、図６に示す装置を使用した。透明風洞４として、アクリル板（厚み３ｍｍ）を成形して外形が縦８０ｍｍ×横８０ｍｍ×長さ１６０ｍｍの中空角柱を２本作り、中央部にエアフィルタ用濾材６をセットしてアルミシールテープでアクリル板中空角柱２本と一体接着固定した。透明風洞のエア出口は連結プラスチックダクト７でエア吸引装置３に連結した。透明風洞のエア吸い込み口には蚊取り線香を用意し、蚊取り線香の煙（粒径０．１〜０．１５μｍ）の流れにメタルハライドファイバー照明装置（株式会社住田光学ガラス製ＬＳ−Ｍ２５０）の光を当てて、高速度カメラ（株式会社日本ローバ製Ｍｏｔｉｏｎｓｃｏｐｅ−Ｍ２）で撮影し、画像をパソコンに取り込んだ。
【００３０】
図７は、実施例２の風速１ｍ／秒におけるエア流を高速度カメラで撮像した画像であり、図８は、比較例１の風速１ｍ／秒におけるエア流を高速度カメラで撮像した画像である。図８を見て明らかなように、比較例１では、濾材の上流側までは煙が直線状に流入してくるが、濾材を通過した後は、煙が渦を巻くジグザグ状となっている。渦状のところでは煙濃度高くそれ以外では煙濃度が低くなることから、比較例１の下流側において激しい乱流が発生していることが確認できる。他方、実施例２では、図７の画像が示すように、濾材の上流側まで煙が直線状に流入し、濾材１２内を拡散して煙の巾が広くなって出て行くが、出て行く煙に濃淡が無く均一である。実施例２ではカルマン渦及び乱流渦発生が無くエアがスムーズに出て行くことが確認することができた。
【００３１】
〔実施例３〕
〔実施例４〕
（組合せエアフィルタ用濾材試験１）
次に、従来の中性能フィルタとＨＥＰＡフィルタとを汎用エアフィルタ用濾材３２に適用し、これら濾材と実施例２のエアフィルタ用濾材１０とを組合わせて段落００１４に示すエアフィルタ用濾材３０を構成した実施例３および実施例４について、エア風速と粉塵捕集効率について試験を行った。合成ゴムシート（縦２５０ｍｍ×横２５０ｍｍ×厚み１ｍｍ）に縦８０ｍｍ×横８０ｍｍの開口部を開け、エア上流側に中性能フィルタ（縦９０ｍｍ×横９０ｍｍ）下流側にエアフィルタ用濾材１０（縦９０ｍｍ×横９０ｍｍ、目付０．１９ｇ／ｍ2）を重ねて取り付けアルミシールテープで周囲を接着固定して実施例２を作製した。また、エア上流側に上記の寸法のＨＥＰＡフィルタと下流側にエアフィルタ用濾材１０（縦９０ｍｍ×横９０ｍｍ、目付０．１５ｇ／ｍ2）を重ねて取り付け、上記と同様の処理をした実施例３を作製した。また、実施例３，４と同様の寸法の中性能フィルタのみをゴムシートの開口部に固定したものを比較例２として、さらに、実施例３，４と同様の寸法のＨＥＰＡフィルタのみをゴムシートの開口部に固定したものを比較例３として作製した。フィルタ性能試験装置としては、株式会社日本カノマックス製のフィルタ濾材試験装置Ｓ０３０９５１を使用した。
【００３２】
性能測定用の粉塵としては、一般室内大気に含まれる粉塵を使用した。室内空気を試験装置により吸引してフィルタの上流側と下流側のエアを小径チューブでそれぞれパーティクルカウンタに一定量導入し、０．３〜０．５μｍの粒径粉塵数を計測して粉塵捕集効率を算出した。試験方法は、試験フィルタサンプルを試験装置に取付けた後、風速を０．０５ｍ／秒から１ｍ／秒まで段階的に上げて行き、各風速での捕集効率を算出し、その後適当な時間間隔をおいて同様の計測作業を実施した。その試験結果を表およびグラフに示す。
【００３３】
【表１】
【００３４】
【表２】
【００３５】
【表３】
【００３６】
【表４】
なお、表１は、比較例２の各風速に対する濾過効率の値を示す表であり、図９は、表１の値をグラフ化した図である。また、表２は、比較例３の各風速に対する濾過効率の値を示す表であり、図１０は、表２の値をグラフ化した図である。表３は、実施例３の各風速に対する濾過効率の値を示す表であり、図１１は、表３の値をグラフ化した図である。また、表１は、実施例４の各風速に対する濾過効率の値を示す表であり、図１２は、表４の値をグラフ化した図である。
【００３７】
図９を見て明らかなように、比較例２では、中性能フィルタが通常使用される濾材内風速０．０５ｍ／秒で粉塵捕集効率約５０％から風速が上がるほど粉塵捕集効率が低下していく。図１０が示すように、比較例３についても同様の傾向を示す。しかしながら、図１１が示すように、実施例３では、中性能フィルタが通常使用される風速０．５ｍ／秒、粉塵捕集効率約９５％から風速上昇とともに粉塵捕集効率が上昇し、風速０．８ｍ／秒において極大点を示す。また、図１２に示すように、実施例４では、粉塵捕集効率は次第に上昇し、風速１．１ｍ／秒に於いて１００％となった。
【００３８】
〔実施例５〕
ナノ繊維構造体層１２の材料としてポリアクリロニトリル繊維（分子量約６万、帝人テクノプロダクツ株式会社製）を使用した。このポリアクリロニトリル繊維１０ｇをＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（和光純薬工業株式会社製、濃度９９．５％、）９０ｇで常温溶解して１０重量％濃度ポリアクリロニトリル溶液１００ｇを作製した。このポリアクリロニトリル溶液をルアーロック先注射筒（容量１ｍｌ、硬質ガラス）に入れエレクトロスピニング装置（株式会社フューエンス製Ｅｓｐｒａｙｅｒ ＥＳ−２０００）に装着し、コレクタ電極上の載置した下流側多孔質体層１６となる縦１３ｃｍ×横１２ｃｍの大きさのスパンボンド上にエレクトロスピニングすることによりナノ繊維構造体層１２を作製した。なお、下流側多孔質体層１６には、エア流１ｍ／ｓの時の圧力損失が５０ｐａであるナイロン６製スパンボンド（目付２０ｇ／ｍ2、厚み０．１１ｍｍ、縦引張強力７ｋｇ／５ｃｍ巾）を使用した。また、このときのエレクトロスピニングの条件は、スプレーノズルとして内径φ０．５２ｍｍのＭＮ−２１Ｇ−１３（岩下エンジニアリング株式会社製）を使用して、溶液送液速度６μｌ／ｍｉｎ、ノズルコレクタ電極間電圧１４ｋＶ、ノズルコレクタ電極間距離１５ｃｍとした。上述の条件によりナイロン６製スパンボンド上に、平均繊維径１９０ｎｍ，平均ポアサイズ２３０ｎｍとなるように目付がそれぞれ０．３６ｇ／ｍ2と０．２ｇ／ｍ2の２種を形成した。
【００３９】
〔実施例６〕
（エア流試験２）
エア流観察試験１と同様の要領で、実施例５のナノ繊維構造体層１２の目付が０．２ｇ／ｍ2のエアフィルタ用濾材１０の濾過下流側に線径０．１ｍｍの網戸用ポリエチレンネットを重ね置き、これを縦８５ｍｍ×横８５ｍｍにカットして実施例６を作製し、エア流状態の観察試験を行った。図１３は、実施例６の風速１ｍ／秒におけるエア流を高速度カメラで撮像した画像であるが、画像から明らかなように、実施例２と同様に実施例６の下流に於いてカルマン渦，乱流渦は発生していない。
【００４０】
〔実施例７〕
〔実施例８〕
（組合せエアフィルタ用濾材試験２）
組合せエアフィルタ用濾材試験１と同様の要領で、従来の中性能フィルタとＨＥＰＡフィルタとを汎用エアフィルタ用濾材３２に適用し、これら濾材と実施例６のエアフィルタ用濾材１０とを組合わせて段落００１４に示すエアフィルタ用濾材３０を構成した実施例７および実施例８について、エア風速と粉塵捕集効率について試験を行った。その試験結果を表およびグラフに示す。
【００４１】
【表５】
【００４２】
【表６】
表５は、実施例７の各風速に対する濾過効率の値を示す表であり、図１４は、表５をグラフ化した図である。また、表６は、実施例８の各風速に対する濾過効率の値を示す表であり、図１５は、表６をグラフ化した図である。図１４が示すように、実施例７においては風速０．３ｍ／秒近傍に於いて捕集効率８５％の極大点が存在し、中性能フィルタが通常使用される風速０．５ｍ／秒に於ける粉塵捕集効率５０％より向上した。また、実施例８においては、図１５が示すように、風速が上がるに従って捕集効率は向上した。グラフ上には図示していないが、後の実験によって風速１ｍ／秒近傍に於いて捕集効率１００％の極大点が存在する事が判明した。なお、グラフには記入できていないが、後の実験によって風速１ｍ／秒近傍に於いて捕集効率１００％の極大点が存在する事が判明した。
【００４３】
以上の結果より、通常のフィルタは処理風速が上昇すると再飛散現象によって粉塵捕集効率が低下するが、本発明にかかるエアフィルタ用濾材では、その下流にカルマン渦，乱流渦が発生しにくく、エアがスムーズに流れるので、再飛散が無く高性能のフィルタ材を得ることが可能である。また、従来より存在するあらゆるエアフィルタ用濾材のエアー下流側に本発明にかかるエアフィルタ用濾材を配置したエアフィルタ用濾材は処理風速を１０倍以上にする事が可能となると同時に粉塵捕集効率が大きく上昇する。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明にかかるエアフィルタ用濾材の一実施の形態を示す断面図解図である。
【図２】本発明にかかる別の実施の形態を示す断面図解図である。
【図３】本発明にかかるさらに別の実施形態を示す図解図である。
【図４】針状ノズル電極から飛んできたナノ繊維がケバの上を滑り、ケバの根元で略Ｕ字状に堆積した状態を示す図解図である。
【図５】ケバを支えにしてナノ繊維がトンネル状に堆積された状態示す図解図である。
【図６】エア流を観察するための試験装置を撮影した画像である。
【図７】実施例２の風速１ｍ／秒におけるエア流を高速度カメラで撮像した画像である。
【図８】比較例１の風速１ｍ／秒におけるエア流を高速度カメラで撮像した画像である。
【図９】表１の値をグラフ化した図である。
【図１０】表２の値をグラフ化した図である。
【図１１】表３の値をグラフ化した図である。
【図１２】表４の値をグラフ化した図である。
【図１３】実施例６の風速１ｍ／秒におけるエア流を高速度カメラで撮像した画像である。
【図１４】表５をグラフ化した図である。
【図１５】表６をグラフ化した図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０，２０，３０ エアフィルタ用濾材
１２，２２ ナノ繊維構造体層
１４ 上流側多孔質体層
１６ 下流側多孔質体層
３２ 汎用エアフィルタ用濾材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノ繊維が三次元的に交絡されてなるシート状のナノ繊維構造体層と、
前記ナノ繊維構造体層の濾過上流側の面に一体に積層される上流側多孔質体層と、
前記ナノ繊維構造体層の濾過下流側の面に一体に積層される下流側多孔質体層とを備え、
前記上流側多孔質体層および前記下流側多孔質体層の前記ナノ繊維構造体層と一体に積層される側の面は、ケバ状の突起物がなく平滑であり、
前記下流側多孔質体層は、エア流速１ｍ／秒に於ける圧力損失が１００ｐａ以下となる通気性を備え、
濾過下流側において乱流を発しないことを特徴とする、エアフィルタ用濾材。
【請求項２】
前記ナノ繊維構造体層は、層毎に繊維径の異なる複数以上の層からなり、
前記ナノ繊維構造体層を構成する各層のナノ繊維の繊維径は、濾過下流側の層にいくにしたがって小さくなる、請求項１に記載のエアフィルタ用濾材。
【請求項３】
汎用エアフィルタ用濾材と、請求項１または請求項２に記載のエアフィルタ用濾材とを組合せてなるエアフィルタ用濾材であって、
前記請求項１または請求項２に記載のエアフィルタ用濾材を、前記汎用エアフィルタ用濾材の濾過下流側の面に密着した状態で配置した又は前記汎用エアフィルタ用濾材の濾過下流側の気流の乱れの範囲内の距離を置いて配置した、エアフィルタ用濾材。
【請求項４】
前記汎用エアフィルタ、前記エアフィルタ用濾材のいずれか一方または双方がユニット化された請求項３に記載のエアフィルタ用濾材。
【請求項１】
ナノ繊維が三次元的に交絡されてなるシート状のナノ繊維構造体層と、
前記ナノ繊維構造体層の濾過上流側の面に一体に積層される上流側多孔質体層と、
前記ナノ繊維構造体層の濾過下流側の面に一体に積層される下流側多孔質体層とを備え、
前記上流側多孔質体層および前記下流側多孔質体層の前記ナノ繊維構造体層と一体に積層される側の面は、ケバ状の突起物がなく平滑であり、
前記下流側多孔質体層は、エア流速１ｍ／秒に於ける圧力損失が１００ｐａ以下となる通気性を備え、
濾過下流側において乱流を発しないことを特徴とする、エアフィルタ用濾材。
【請求項２】
前記ナノ繊維構造体層は、層毎に繊維径の異なる複数以上の層からなり、
前記ナノ繊維構造体層を構成する各層のナノ繊維の繊維径は、濾過下流側の層にいくにしたがって小さくなる、請求項１に記載のエアフィルタ用濾材。
【請求項３】
汎用エアフィルタ用濾材と、請求項１または請求項２に記載のエアフィルタ用濾材とを組合せてなるエアフィルタ用濾材であって、
前記請求項１または請求項２に記載のエアフィルタ用濾材を、前記汎用エアフィルタ用濾材の濾過下流側の面に密着した状態で配置した又は前記汎用エアフィルタ用濾材の濾過下流側の気流の乱れの範囲内の距離を置いて配置した、エアフィルタ用濾材。
【請求項４】
前記汎用エアフィルタ、前記エアフィルタ用濾材のいずれか一方または双方がユニット化された請求項３に記載のエアフィルタ用濾材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００７−３０１４３６（Ｐ２００７−３０１４３６Ａ）
【公開日】平成１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１２９６８５（Ｐ２００６−１２９６８５）
【出願日】平成１８年５月８日（２００６．５．８）
【出願人】（０００１６３７７４）金井重要工業株式会社 (12)
【出願人】（３０２０６４５８８）株式会社 フューエンス (12)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月８日（２００６．５．８）
【出願人】（０００１６３７７４）金井重要工業株式会社 (12)
【出願人】（３０２０６４５８８）株式会社 フューエンス (12)
【Ｆターム（参考）】
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