JP2008183540A - 電気集塵デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】環境に影響されることなく安定して高い集塵効率を得ることが可能であり、火花放電を抑制できる電気集塵デバイスを得ることを目的とする。
【解決手段】イオン化部５において、放電電極２と対向電極である接地電極３との間でコロナ放電を生じさせて空気中の塵埃を帯電させ、コレクタ部６において、イオン化部５によって帯電された塵埃を高電圧極４による反発力と接地（集塵）電極３による吸引力により、接地電極３に吸着させる。このとき、高電圧極４は半導電性のフィラーと分散剤を熱可塑性樹脂に混合させて練り込んで一体成形した帯電防止性樹脂であり、体積抵抗１.０Ｅ＋１０〜１.０Ｅ＋１５Ωｃｍ、表面抵抗１.０Ｅ＋９〜１.０Ｅ＋１４Ω／□の半導電性樹脂となっているため、高電圧極４と接地（集塵）電極３の反発力と吸引力が最大となり、集塵率が最大となる。
【選択図】図２

Description

この発明は、空気中の浮遊粒子である塵埃を捕捉する空気清浄装置の電気集塵デバイスに関するものである。

近年、建物内や車両内の空気を常に清浄化された状態に維持するために空気清浄装置が広く使用されている。空気清浄装置は産業用の大型装置から家庭用の小型装置まで種々のタイプがあり、空気清浄装置単独で用いたり、送風機を伴った装置の内部に装着されたりしている。
近年普及している空気清浄装置は、気流中の微粒子に対してコロナ放電等により電荷を与えて、この荷電粒子が電荷中を通過する間に静電気力により荷電粒子を集塵して除去するもので、電気集塵デバイスと呼ばれている。

従来の空気清浄装置の電気集塵デバイスは、先端が鋭角な放電電極やワイヤ放電電極に平行に接地平板電極を対向電極として配置し、高電圧を先端が鋭角な放電電極やワイヤ放電電極に印加することで電極間にコロナ放電が発生し空気中の微粒子を帯電させるイオン化部を設け、その下流側にイオン化部で帯電した微粒子を捕集するコレクタ部もしくは集塵フィルタを設けて空間の微粒子を除去している（例えば、特許文献１参照）。

特許第３５１６７２５号公報（段落００２５、図２）

一般的に、電気集塵デバイスは、空気中の浮遊粉塵を帯電させるイオン化部と、帯電された浮遊粉塵を捕集するコレクタ部とにより構成され、集塵効率を向上させるためには、如何にイオン化部で浮遊粉塵を帯電させるか、また如何にコレクタ部において帯電した浮遊粉塵をしっかり捕集するかが重要となる。
従来の電気集塵デバイスは、導電性の金属をコレクタ部の高電圧極に使用していたため、高電圧極と集塵電極間の火花放電が発生することがあった。そのため、高電圧極の表面を樹脂で被覆する方法、高電圧極自体を樹脂で構成し、その樹脂の中にカーボンブラックや金属フィラー等の導電性材料を添加する方法がとられていた。しかし、高電圧極の表面を樹脂で被覆した場合、被覆樹脂の劣化やピンホール等により火花放電が発生することがあった。また、高電圧極自体を樹脂で構成し、その樹脂の中にカーボンブラックや金属フィラー等の導電性材料を添加した場合、一定電圧以上を印加した場合、局所的に導電路が形成され、火花放電が発生することがあった。火花放電が発生した場合、不快な音や光が発生すると同時に、火花放電は局所的かつ断続的な限定放電となるため、大幅な集塵効率低下を引き起こす。

また、この問題を解決するために、コレクタ部の高電圧極に例えば、ＡＢＳ樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂等にポリアミド系、ポバール系、アクリル酸塩系等の吸湿性樹脂を混合したものを使用し、樹脂に吸着された水分により高電圧極の抵抗値を制御し、所定の抵抗値とすることで火花放電を抑制し、集塵効率を増加させる方法が提案されている。しかし、この方法の場合、これらの樹脂は高い吸水性を示し、使用環境中の水分を樹脂が吸着することで、抵抗値が変動するため、抵抗値の制御が困難であった。例えば、乾燥時に低抵抗で制御した場合、高湿度環境ではさらに抵抗値が低下し、火花放電を発生する。また、高湿度環境で高抵抗になるよう制御した場合、乾燥時にはさらに抵抗が高くなり、所定の抵抗値が得られず、集塵効率が大幅に低下する。そのため、家庭用等で夏場と冬場で湿度が大幅に変化する場合、安定した集塵効率を得られないという問題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、第１の目的は環境に影響されることなく安定して高い集塵効率を得ることが可能であり、火花放電を抑制できる電気集塵デバイスを得るものである。

この発明に係る電気集塵デバイスは、放電電極と対向電極との間でコロナ放電を生じさせて空気中の塵埃を帯電するイオン化部と、イオン化部によって帯電された塵埃を集塵する集塵電極と対向電極である高電圧極とを有するコレクタ部とを備え、コレクタ部の高電圧極を半導電性のフィラーと分散剤を熱可塑性樹脂に混合させて成る帯電防止性樹脂により一体成形したものである。

この発明の電気集塵デバイスは、上記構成により環境に影響されることなく安定して高い集塵効率を得ることが可能であり、さらに火花放電を抑制できるという効果がある。

実施の形態．
図１はこの発明の実施の形態における電気集塵デバイスの分解斜視図であり、図２はこの発明の実施の形態における電気集塵デバイスの原理を示す断面図である。
図１に示すように電気集塵デバイスは、ケーシング１、平板上に一体で先端が鋭角な突起を備えた放電電極２、平板状の接地（集塵）電極３、平板状の高電圧極４で構成される。図２では、放電電極２と接地（集塵）電極３の風上部分で空気中の塵埃を帯電するイオン化部５が構成され、複数個積層された高電圧極４、接地（集塵）電極３で、イオン化部５で帯電された塵埃を集塵するコレクタ部６が構成される。接地（集塵）電極３は、イオン化部の接地電極とコレクタ部の集塵電極を一体で構成したものである。放電電極２はステンレスなどの金属で形成され、平板上に一体で先端が鋭角な突起を片側もしくは両側に配置している。放電電極２はタングステン線や酸化タングステン線等のワイヤ線でも良い。また、金メッキ等によるメッキを施しても良い。接地（集塵）電極３はステンレスなどの金属やカーボンファイバーや金属微粒子などが練りこまれた導電性樹脂などの導電性の材質で形成され、体積抵抗１.０Ｅ＋０〜１.０Ｅ＋４Ωｃｍ、表面抵抗１.０Ｅ＋０〜１.０Ｅ＋４Ω／□の物性をもつ。但し、１.０Ｅ＋０は１．０×１０の０乗を表し、１.０Ｅ＋４は１．０×１０の４乗を表す。接地（集塵）電極３は本実施形態では、一体としたが、イオン化部５とコレクタ部６で分離してそれぞれ接地電極、集塵電極としても良い。高電圧極４は半導電性のフィラーが練りこまれた体積抵抗１.０Ｅ＋１０〜１.０Ｅ＋１５Ωｃｍ、表面抵抗として体積抵抗より１オーダー低い１.０Ｅ＋９〜１.０Ｅ＋１４Ω／□の半導電性樹脂が使用される。半導電性のフィラーには、カーボン、酸化錫、酸化亜鉛のうち１種類以上を使用すると良い。カーボンの場合は、通常のカーボンブラックやカーボンファイバーよりも抵抗が高く、導電性が低い、半導電性のフィラーを使用することが望ましい。酸化錫、酸化亜鉛はもともと、導電性材料と比較して、抵抗が高く、導電性が低い。これらの物質は、環境中の水分を吸収しにくい物質となっている。これらの物質を練り込む樹脂基材としては、ＡＢＳ樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ポリプロピレン樹脂、ＰＥＴ樹脂、ポリカーボネート樹脂等の熱可塑性樹脂が望ましい。これらの樹脂に、半導電性のフィラーを数十％程度含有させて、所定の体積抵抗を満たすよう構成される。このとき、半導電性のフィラーは分散性が悪いため、樹脂の全体に均一に混合させるために分散剤を使用することが望ましい。また、この樹脂の中に難燃剤等を混合させても良い。難燃剤を含有させた場合、火災に対する安全性を向上させることが可能となる。このように構成された樹脂は、射出成形が可能なため、高電圧極として一体成形が可能である。一般に高電圧極４と接地（集塵）電極３は極間距離を短くし、できるだけ多く積層したほうが集塵面積が大きくなり、集塵効率も高くなる。しかし、極間距離を短くすると導電体同士の場合、火花放電が発生する。ところが、本実施形態では、高電圧極４に半導電性のフィラーが練りこまれた半導電性樹脂を使用するため、火花放電を抑制し、集塵効率を向上させることが可能となる。放電電極２には直流１〜１０ｋＶのプラスもしくはマイナスの高電圧を供給するイオン化部高圧電源７が接続され、高電圧極４には同様に直流１〜１０ｋＶのプラスもしくはマイナスの高電圧を供給するコレクタ部高圧電源８が接続される。本実施形態では、イオン化部高圧電源７とコレクタ部高圧電源８を別の電源としたが、１つの電源でも良い。接地（集塵）電極３は接地される。

次に動作について説明する。
このように構成された電気集塵デバイスにおいては、流入した塵埃９はイオン化部５において放電電極２の突起先端と接地（集塵）電極３の間で発生するコロナ放電により荷電される。荷電された塵埃９は、コレクタ部に流入し、高電圧極４による反発力と接地（集塵）電極３による吸引力により、接地（集塵）電極３に吸引され付着する。このとき、高電圧極４は半導電性のフィラーが練りこまれた体積抵抗１.０Ｅ＋１０〜１.０Ｅ＋１５Ωｃｍ、表面抵抗１.０Ｅ＋９〜１.０Ｅ＋１４Ω／□の半導電性樹脂で構成されているため、高電圧極４と接地（集塵）電極３の反発力と吸引力が最大となり、集塵率が最大となる。

実施例１
図３に従来例１として吸湿性樹脂を高電圧極４に使用したときの体積抵抗値の印加電圧依存を示す。吸湿性樹脂としては、ＡＢＳ樹脂にポリアミド系を数十％混合したものを使用した。この場合、環境中の温度２５℃、相対湿度が５０％、６０％時は、印加電圧に関係なく、体積抵抗は約１.０Ｅ＋１２Ωｃｍとなっている。従って、この条件下では所定の体積抵抗値であるため、良好な集塵効率を得ることが可能であり、火花放電も抑制可能である。しかし、相対湿度が８０％時は、体積抵抗は約１.０Ｅ＋１０Ωｃｍ未満となっており、抵抗値が２桁減少している。さらに相対湿度が９０％時は、体積抵抗は約１.０Ｅ＋８Ωｃｍ未満となっており、火花放電の発生が懸念されることがわかった。このとき、表面抵抗は体積抵抗の１オーダー低い値であった。例えば、環境中の温度２５℃、相対湿度が５０％、６０％時は、印加電圧に関係なく、表面抵抗は約１.０Ｅ＋１１Ω／□となった。また、相対湿度が８０％時は、表面抵抗は約１.０Ｅ＋９Ω／□未満であった。この場合、湿度変化があった場合、表面から水分が吸収されるため、表面抵抗の減少の方が短い時間でおこる。火花放電は、表面で発生するため、環境が変化したとき、表面抵抗の減少が短い時間でおこり、火花放電発生の頻度が高くなる可能性がある。

図４に従来例２としてＡＢＳ樹脂にカーボンを練り込んだ樹脂を高電圧極４に使用したときの体積抵抗値の印加電圧依存を示す。カーボンは導電性が非常に高く、体積抵抗は約１.０Ｅ＋１Ωｃｍ以下となっている。従って、導電性樹脂に使用される場合が多い。カーボンを用いて本実施形態に係る体積抵抗値を達成するためには、カーボン含有量を少なくする必要があり、含有量は数％のオーダーとなっている。この場合、カーボンは水を吸いにくいため、環境中の温度湿度に影響されず体積抵抗値および表面抵抗値は一定の値を示す。しかし、カーボンの含有量数％の調整は非常に難しく、少しでもこの値が変化すると、導電性が大きく変化し、火花放電を発生するおそれが高くなるという問題がある。また、カーボンは導電性が非常に高く電圧の影響を受け易いため、印加電圧を増加させることにより、体積抵抗値および表面抵抗値は大きく減少し、数ｋＶ以上で火花放電が発生する。図４では、２種類のカーボン練り込み樹脂を使用し、環境中の温度２５℃、相対湿度が６０％時の体積抵抗値の印加電圧依存を測定した。その結果、印加電圧１０Ｖで体積抵抗値約１.０Ｅ＋１２Ωｃｍとなっているものが、印加電圧を増加させることで、体積抵抗値約１.０Ｅ＋９Ωｃｍ以下まで低下し、４ｋＶ以上の電圧を印加すると、火花放電を発生した。これは含有するカーボンが、４ｋＶ電圧以上の電圧を印加することにより、部分的に短絡し、大電流が流れたことによる。特にカーボンは分散性が悪く、局所的に片寄って分布する場合が多い。そのため、電気集塵デバイスの高電圧極として使用する印加電圧である直流１〜１０ｋＶのプラスもしくはマイナスの高電圧を印加した場合、火花放電が発生し、集塵効率も大幅に低下する。従って、カーボン含有量をさらに低下させ、体積抵抗値をさらに上げることが考えられるが、カーボン含有量をさらに低下させた場合、半導電性樹脂としての物性を保てなくなり、絶縁の樹脂と同等となってしまい、集塵することができなくなってしまう。

図５に本発明の実施例としてＡＢＳ樹脂に半導電性有機フィラーを練り込んだ樹脂を高電圧極４に使用したときの体積抵抗値の印加電圧依存を示す。半導電性有機フィラーとしては、カーボン系のものが使用される。Ａ１、Ａ２、Ａ３と半導電性有機フィラーの練り込み量を変化させて、体積抵抗値を変えた。ここで、有機フィラーの練り込み量の関係は、Ａ１＞Ａ２＞Ａ３となっている。この場合の練り込み量は多く数十％のオーダーである。この場合、図４のＡＢＳ樹脂にカーボンを練り込んだ樹脂と同様に、環境中の温度湿度に影響されず体積抵抗値は一定の値を示すが、印加電圧を増加させることにより、体積抵抗値は減少する。しかし、１ｋＶ以上の電圧印加時にはほぼ一定の体積抵抗値を示し、実際に使用する直流１〜１０ｋＶのプラスもしくはマイナスの高電圧を印加した場合は、ほぼ一定の体積抵抗値となる。またこのとき、練り込み量がＡ３の場合には、集塵に適した体積抵抗値１.０Ｅ＋１０〜１.０Ｅ＋１５Ωｃｍ、表面抵抗１.０Ｅ＋９〜１.０Ｅ＋１４Ω／□を維持することができ、高集塵効率を得ることが可能となる。

また、図６にＡＢＳ樹脂に半導電性無機フィラーを練り込んだ樹脂を高電圧極４に使用したときの体積抵抗値の印加電圧依存を示す。半導電性無機フィラーとしては、酸化錫、酸化亜鉛等が使用される。Ｂ１、Ｂ２と半導電性無機フィラーの練り込み量を変化させて、体積抵抗値を変えた。ここで、有機フィラーの練り込み量の関係は、Ｂ１＞Ｂ２となっている。この場合の練り込み量は多く数十％のオーダーである。この場合、図４のＡＢＳ樹脂にカーボンを練り込んだ樹脂、図５のＡＢＳ樹脂に半導電性有機フィラーを練り込んだ樹脂と同様に、環境中の温度湿度に影響されず体積抵抗値は一定の値を示す。しかし、印加電圧を増加させることにより、体積抵抗値は減少する。そのため、実際に使用する直流１ｋＶ〜１０ｋＶのプラスもしくはマイナスの高電圧を印加した場合に、集塵に適した体積抵抗値１.０Ｅ＋１０〜１.０Ｅ＋１５Ωｃｍ、表面抵抗１.０Ｅ＋９〜１.０Ｅ＋１４Ω／□となるよう、半導電性無機フィラーの練り込み量を制御する。この樹脂を使用した場合、火花放電は発生せず、高集塵効率を得ることが可能となる。
なお、上記図５、図６に示したフィラーの練り込み量Ａ１〜Ａ３、Ｂ１〜Ｂ２は数十％のオーダーであるため、カーボンの調整の場合と異なり、練り込み量の値が少しならば変化しても導電性に大きな変化がなく火花放電を発生するおそれがない。このため練り込み量の調整が極めて容易である。

次に、図５および図６で使用した樹脂の諸特性を図７に示す。上記１ｋＶ〜１０ｋＶの電圧条件の一例として６０００Ｖでの体積抵抗値は、図５、図６に示す通りである。図３に示す吸湿性樹脂の場合は、樹脂に吸着された水分により高電圧極の抵抗値を制御し、所定の抵抗値を得るため、樹脂の吸水率が高くなっているが、図５および図６で使用した樹脂では、吸水率は低くなっている。温度５０℃で２４時間乾燥した後、温度７０℃相対湿度６５％環境下に４８時間静置した後の重量差を測定した結果、図５および図６で使用した樹脂では０．６％以下であることがわかった。これに対し、図３に示す吸湿性樹脂の場合は、０．７％以上の吸水率であった。従って、図５および図６で使用した樹脂の場合、樹脂への吸水率が低く、環境中の温度湿度に影響されず体積抵抗値は一定の値を示す。

温度２０℃相対湿度６０％環境下で、図５および図６で使用した樹脂の一点に１０００Ｖ以上の電圧を印加したとき、電圧印加点から１ｃｍ以上離れた電極表面の表面電位が、印加電圧と同オーダーで維持されるか否かを検証した。図８に実験の方法を示す。高電圧極４に各樹脂を使用し、高圧電源１０からの１０００Ｖ以上の高電圧を高電圧極４の一点に接続された給電部１１に印加する。このとき高電圧極４の表面の電位変化を表面電位計１２で測定した。表面電位計１２には測定用のプローブ１３が接続されており、プローブ１３を高電圧極４の表面に当てることで表面電位を測定することができる。測定の結果、Ａ２、Ａ３、Ｂ１では印加電圧と同オーダーの表面電位が維持されることがわかった。Ｂ２では、電圧印加点から１ｃｍ以上離れることにより、表面電位が低下する。集塵のための高電圧極４による反発力と接地（集塵）電極３による吸引力を得るためには、高電圧極４の表面電位が高いことが必須条件であり、Ｂ２は高電圧極としては不適であることがわかった。また、火花放電の有無を検証した結果では、Ａ１では多湿状態で火花放電が発生し、Ａ２、Ｂ１でもわずかに火花放電が発生した。Ａ３、Ｂ２では火花放電は確認できなかった。Ａ３、Ｂ２では高電圧極４と接地（集塵）電極３を接触（短絡）し、直流のプラスもしくはマイナスの１０ｋＶを印加しても１μＡ以下の漏洩電流であり、火花放電が発生する電流に至らないことがわかった。

以上のように、コレクタ部の高電圧極を半導電性のフィラーと分散剤を熱可塑性樹脂に混合させて成る帯電防止性樹脂により一体成形したことにより、所定の体積抵抗値と表面抵抗値を得ることが可能となり、これにより高い集塵効率を得ることと、火花放電の抑制が可能となる。また、コレクタ部の高電圧極に混合する半導電性のフィラーは、環境中の水分を吸収しにくい物質、例えば、カーボン、酸化錫、酸化亜鉛のうち１種類以上を混合することにより、高電圧極の吸水率を、乾燥状態と、温度７０℃相対湿度６５％環境下に４８時間静置した後の重量差で０．６％以下とし、環境に影響されることなく安定して所定の体積抵抗値と表面抵抗値を得ることが可能となり、これにより高い集塵効率を得ることと、火花放電の抑制が可能となる。
このとき、コレクタ部の高電圧極の体積抵抗は、印加電圧６０００Ｖ時に１．０Ｅ＋１０ｃｍオーダー以上、表面抵抗は体積抵抗の１オーダー低い値が望ましく、この体積抵抗値に制御することで、火花放電を抑制し、高い集塵効率を得ることが可能となる。さらに、コレクタ部の高電圧極は、温度２０℃相対湿度６０％環境下で、一点に１０００Ｖ以上の電圧を印加したとき、電圧印加点から１ｃｍ以上離れた電極表面の表面電位が、印加電圧と同オーダーで維持されるように制御したことにより、電極表面に高電位を維持することが可能となり、集塵のための高電圧極による反発力と接地（集塵）電極による吸引力を得て、高い集塵効率を得ることが可能となる。

この発明の実施の形態の電気集塵デバイスの分解斜視図である。 この発明の実施の形態の電気集塵デバイスの原理を示す断面図である。 この発明の実施の形態の吸湿性樹脂の体積抵抗値の印加電圧依存図である。 この発明の実施の形態のカーボン練り込み樹脂の体積抵抗値の印加電圧依存図である。 この発明の実施の形態の半導電性有機フィラー練り込み樹脂の体積抵抗値の印加電圧依存図である。 この発明の実施の形態の半導電性無機フィラー練り込み樹脂の体積抵抗値の印加電圧依存図である。 この発明の実施の形態の半導電性有機フィラー練り込み樹脂、半導電性無機フィラー練り込み樹脂の諸特性を示す図である。 この発明の実施の形態の表面電位の測定方法を示す図である。

符号の説明

１ ケーシング、２ 放電電極、３ 接地（集塵）電極、４ 高電圧極、５ イオン化部、６ コレクタ部、７ イオン化部高圧電源、８ コレクタ部高圧電源、９ 塵埃、１０ 高圧電源、１１ 給電部、１２ 表面電位計、１３ プローブ。

Claims (8)

1. 放電電極と対向電極である接地電極を有し、前記放電電極と前記対向電極との間でコロナ放電を生じさせて空気中の塵埃を帯電するイオン化部と、
   高電圧極と対向電極である接地電極を有し、前記イオン化部によって帯電された塵埃を前記対向電極に集塵するコレクタ部と、を備え、
   前記コレクタ部の高電圧極を半導電性のフィラーと分散剤を熱可塑性樹脂に混合させて成る帯電防止性樹脂により一体成形したことを特徴とする電気集塵デバイス。
2. 前記半導電性のフィラーは、環境中の水分を吸収しにくい物質で形成されたことを特徴とする請求項１記載の電気集塵デバイス。
3. 前記半導電性のフィラーは、カーボン、酸化錫、酸化亜鉛のうち１種類以上からなることを特徴とする請求項２記載の電気集塵デバイス。
4. 前記高電圧極の吸水率は、乾燥状態と、温度７０℃相対湿度６５％環境下に４８時間静置した後の重量差で０．６％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電気集塵デバイス。
5. 前記高電圧極の体積抵抗は、印加電圧６０００Ｖ時に１．０Ｅ＋１０Ωｃｍオーダー以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電気集塵デバイス。
6. 前記高電圧極の表面抵抗は、前記体積抵抗より１オーダー低い値であることを特徴とする請求項５記載の電気集塵デバイス。
7. 前記高電圧極は、温度２０℃相対湿度６０％環境下で、一点に１０００Ｖ以上の電圧を印加したとき、電圧印加点から１ｃｍ以上離れた電極表面の表面電位が、印加電圧と同オーダーで維持されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の電気集塵デバイス。
8. 前記高電圧極と接地電極は、対で積層されたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の電気集塵デバイス。

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