JP2000515810A

JP2000515810A - 誘起電圧電極を有するフィルタ装置

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Publication number: JP2000515810A
Application number: JP10508743A
Authority: JP
Inventors: ヤマモト，ユウジロウ
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Current assignee: Individual
Priority date: 1996-07-25
Filing date: 1996-07-25
Publication date: 2000-11-28
Also published as: EP0921861B1; EP0921861A1; AU715154B2; DK0921861T3; EP0921861A4; WO1998004354A1; DE69624002D1; CA2261165A1; DE69624002T2; ES2183966T3; ATE224772T1; AU6597796A

Abstract

(57)【要約】空気等の気体状流体の流れから煙等の細かい粒子状汚染物質を除去するための、目詰まりし難いフィルタ（２４）は、誘起された電圧を有する電極（２０２）を使用して、捕捉対象の粒子の直径の何倍も大きい孔を有するフィルタ材料（２４）中に汚染物質粒子を効率的に捕捉する。このフィルタ材料（２４）は物理的に相互作用が増強されるように構成され、逆極性を有する少なくとも一対の電極（１８，２０）の間に設置されている。

Description

【発明の詳細な説明】誘起電圧電極を有するフィルタ装置発明の分野本発明は、空気等の気体状流体から小さな粒子状物質を濾過して除去するためのフィルタに関し、特に圧力低下が小さく、寿命が長く、エネルギコストが安く、且つ信頼性が高い、最近の空気浄化のニーズに適合したフィルタに関する。本発明のフィルタは誘起電圧電極を使用して、これらの利点を達成している。発明の背景従来は、空気濾過の主たる目的は、殆どが０．２ミクロン以上の粒子からなる空気中の塵埃の密度を減らすことにあった。生活、産業及び軍事的な面での最近の環境に関する関心事は、空気浄化を望む範囲を、「臭気及びビールス／微生物の抑制」にまで拡げている。しかし、最近の空気浄化法は、大きい圧力低下、短い寿命、効率の悪いエネルギ消費、低い信頼性等を伴わずに、好ましくない１ミクロン以下の粒子、微生物、臭気及び物質を効率的且つ経済的に捕捉することができないことによって、多くの用途において使用されていない。簡単に言えば、最近の空気浄化のニーズに適合した適当な方法は存在していない。空気浄化の分野において、多数の実験、研究が行われ、特許が取得されて来た。しかし、この作業のすべては三つの既存の基本原理に従ったものであった。即ち、（１）機械的フィルタ（メッシュによる空気中の粒子の機械的な遮断）（二、三百年前の、未だに最も一般的な広く用いられている方法）、（２）静電沈降装置（９０年前にCottrelleによって発明されたもので、イオン化とクーロンの法則の吸引力による濾過のための粒子の分離）、及び（３）予備帯電した合成繊維フィルタ（予備帯電した繊維がフィルタ材料の内部に静電界を発生させ、空気中の粒子と相互作用を行ってこれを捕捉する）である。これら三つの公知の原理の概要は、以下の通りである。機械的濾過法では、セルロース材料、合成繊維（HEPA及びULPAフィルタ）等の利用等の実質的な改善がなされたが、基本的な形はなお粒子の機械的な遮断である。この方法は０．２ミクロンより大きい粒子の濾過・除去には適していた。しかし、多孔性材料（０．０５ミクロン未満の）を通して１ミクロン以下の粒子（臭気、ビールス等）を濾過・除去するには多大の圧力低下、非効率的なエネルギ消費、高い操業コストを要し、実用的ではない。最近では、このニーズに応えるのに、活性炭脱臭装置等の高価な補助の装置が使用されている。空気や自動車又は工業プロセスからのの排気ガス等の気体中から塵埃、煙、ビールス等の小さな粒子状物質を除去するために、種々のタイプの静電フィルタが提案されている。多くの場合、このフィルタは固定された高電圧電界による粒子状物質のイオン化に何らかの形で依存しており、粒子状物質は静電気の力によって捕捉され、保持される。イオン化静電フィルタに共通する欠点は、非常に高い電圧で作動するので、高価な絶縁と安全対策を必要とすることと、多くの電力を消費し、オゾンを発生し、健康に害を及ぼすことである。フィルタ材料への粒子の吸引と収集がクーロンの法則に基づいて行われる公知の静電フィルタ技術には、凝集効果、予測不能な突発的な塵埃の飛散の発生、不適当な塵埃保持能力、保守の回数を多くする必要があること、その他、高電圧を使用することに伴う共通の欠点等の更に多くの付加的な問題点がある。即ち、静電濾過は、今日では主として、実際の高い性能を必要としない予備フィルタ又は商業目的の汎用フィルタとして使用されている。１９７０年に初めて、予め帯電した合成材料が導入された。代表的なものとして、正方形又は長方形断面の合成繊維を使用して、繊維材料の内部に静電荷を保持する。これは機械的濾過法と静電的濾過法とを組み合わせたものである。主たる問題は、比較的短時間で内部放電が起こってフィルタ能力が低下する点である。本発明の歴史を省みると、１９９１年にyamamotoが、空気中の粒子に電界に設置されたフィルタ媒体を通過する空気流に対して直角な方向にランダムな高速度の攪拌運動を発生させる新たな方法を発見した（米国特許5,368,635参照）。フィルタ媒体の内部でのこの攪拌運動は、粒子がフィルタ媒体を構成する繊維の表面に衝突する機会を著しく増大させる。このように、この運動と粒子と繊維表面との間に相互作用するファンデルワールス力との組合せによって、フィルタ材料全体の粒子捕捉可能性が著しく増加する。実際、この方法は、使用されているフィルタ媒体の空隙度よりもずっとずっと小さい１ミクロン以下の粒子さえも含む広い範囲の粒子を効果的に捕捉する。本発明は簡単であるが、今日知られている紙、ガラス繊維、合成繊維、布、天然繊維、発泡体及び静電気帯電材料を含む殆どのフィルタ媒体の濾過効率を劇的に向上させる。この方法は、１）濾過の高い効率、２）１ミクロン未満のサイズを含む広い範囲の粒子の捕捉、３）最小の圧力低下、４）エネルギ効率の改善、及び５）低コストの利点をもたらす。これらの利点は、フィルタの機械的性質に如何なる変化を与えることなしに得られる。発明の概要気体状流体の流れの中に浮遊している粒子の効率的な捕捉を行うためのフィルタ装置は、入口と出口の間の空気流路を規定する手段と、該空気流路に設置された捕捉対象の粒子の平均直径よりも実質的に大きい孔サイズを有する材料からなる多孔性フィルタ材料とを提供するフィルタ・チャンバを具えている。更に、このフィルタ材料は、空気流路の断面よりも実質的に大きいひだ付きの表面等の収集表面を具えている。気体状流体の流れとそれに浮遊している粒子とを流路に沿って前記多孔性フィルタを通って流す手段が設けられている。前記フィルタ材料を挟んで第１及び第２電極が設けられ、これらの電極は空気流が通過可能な開口を具えている。これらと協同して濾過効率を改善する第３の電極が設けられていることが重要である。これらの第１及び第２電極の間に電位が印加されている。この第３電極は電力源に直接接続されておらず、又、前記両電極にも結線されていないが、空気流路及び／又は漏洩経路を通って近傍の電極から電位が誘起される。前記第３電極の上又は隣に第２の多孔性フィルタ材料が置かれている。この構成によって、今日知られている空気浄化性能を実質的に改善し、１ミクロン以下の粒子を含む広い範囲の空気中の粒子を捕捉することが可能となる。正の電位を有する第３電極を設けた場合、二電極システムを上回る濾過効率の改善が得られるが、この構成は第３電極が自由状態にある（floating）三電極システム、即ち第３電極が電源や他の電極と接続されていないシステム程の効率は得られない。第２のフィルタ材料は非常に粗く、第２電極の上に載せられてもよい。しかし、実験的に示されているように、このフィルタ材料は第３電極の上又はこれに隣接して設置されることが望ましい。最も好ましい実施例は、第３電極を正電位を維持している第１又は第２電極のどちらかの外側（フィルタ・アセンブリの流入側又は流出側の端部）に設置している。別の例では、第３電極を第１及び第２電極の間に設置している。これは、電流が流れていない帯電している導体の近傍の導電性表面は等電位面になると言う原理に基づいている。この電位は、導体の各部に移動する等しい正及び負の電荷によって、導体上のすべての点における電位がシステムのすべての電荷によって一定になるように維持されている。更に詳しくは、本発明によるフィルタ装置は、第３電極に最も近い電極に印加された電圧の少なくとも４０％の電圧差で第３電極を帯電させる。第３電極は、フィルタ効率の向上が最大となるように、第１及び第２電極の間に印加された電圧の６０％以上の誘起電圧によって帯電させられることが望ましい。本発明の一実施例においては、第１、第２及び第３電極は同軸に設けられている。更に、この実施例の第３電極は第１及び第２電極の外側、内側のいずれにでも設けることができる。更に詳しくは、第１及び第２電極は、約５mm〜約５０mmの範囲の距離で互いに離れて設置されている。この間隔によって、約３０００ボルト〜約１００００ボルトの電圧が第１及び第２電極の間に印加される。この構成では、第３電極は、付与された電位の正の側にある第１又は第２電極のいずれかから約１３mm離れて設置されている。本発明の方法は、粒子が浮遊している気体状流体の流れを形成し、この気体状流体の流れを第３電極（及びこれに隣接する多孔性フィルタ材料）と、間に多孔性フィルタを挟んだ第２及び第１電極とを通過させるステップを含む。第１及び第２電極の間に電圧を印加し、多孔性フィルタの内部で粒子を攪拌して、気体状流体がこの多孔性フィルタを通過する際に粒子を捕捉する。最後に、第１、第２及び第３電極は、電気誘導によって第３電極を帯電させて粒子捕捉効率を向上させるように配置される。更に詳しくは、本発明の方法は、第１及び第２電極の間に印加される電圧の少なくとも４０％の電圧が第３電極に誘起されるように電極を配置するステップを含んでいる。図面の簡単な説明本発明の利点と特色は、添付の図面を参照して、次の説明によって更によく理解されるであろう。図１は、米国特許5,368,635に開示された発明によって構成された元のフィルタの垂直断面図である。図１−ａは図１と同様の形状の本発明の別の実施例であり、補助的な粗い多孔性のフィルタ材料に沿って隣接して設けられた第３電極を具えている。図２は、図１及び１−ａの２―２線に沿った詳細断面図である。図３は、本発明の他の実施例の垂直断面図である。図４は、ファンデルワールス力の増強手段が有る場合と無い場合とにおける、本発明のためのテスト装置のブロック・ダイアグラムである。図５は、本発明の更に別の実施例の垂直断面図である。図６は、他の電極構成の詳細断面図である。図７は、空気経路チャンバ内に偏平なフィルタが設けられている本発明の更に他の実施例の垂直断面図である。図８は、テストチャンバ内に三電極を具えた円筒状フィルタを示す。図９ａは、この三電極フィルタの円筒状の内部構造を示す。図９ｂは、図９ａの空気の流れのための反転構造を示す。図１０は、中間電極によるひだ付きフィルタ材料の頂点上の等電位線を統合して示す。図１１は、米国特許5,368,635に述べられた発明による濾過効率の改善と、本発明による更に劇的な改善とを示す実験データのグラフである。図１２は、本発明によって得られる濾過の改善を示す実験データのグラフである。図１３は、本発明によって得られる濾過の改善を示す別の実験データのグラフである。発明の詳細な説明図１には、米国特許5,368,635に述べられている発明によって構成されたフィルタが示されている。フィルタ・ハウジング１０はその上部に入ロパイプ１２を、その下部に出口パイプ１４を具えている。塵埃や煙等の浮遊している粒子状物質によって汚染された空気等の気体は、ポンプ１５として模式的に示されている適宜な推進手段によって、入ロパイプ１２から流路を経て出口パイプ１４まで運ばれる。前記ハウジング１０はフィルタ・チャンバ１６を含み、該チャンバ１６の内部にはその軸を横断して、孔空き電極１８，２０が導入用充気室２１と排出用充気室２３との間に設置されている。これらの電極１８，２０は金属メッシュ又は孔空き金属プレートで構成されたり、又はフィルタ材料の炭化層であってもよく、いずれの場合にも、チャンバ１６を通過する空気の流れに著しい影響を与えないように、電極１８，２０の開口は充分に大きく設定されている。これらの電極の一つはフィルタとして使用することができる。この例では、フィルタは導電性フィルタ材料で構成されるか、又は非導電性材料に導電性粒子又は繊維を散在させたもので構成されている。これらの電極１８，２０は、直流電源２２に接続されている。電極１８，２０の極性は、多くの場合、本発明の作用には大きな影響を与えない。電極１８と２０の間には、後に詳述する形状の多孔性フィルタ材料２４が設置されている。この材料２４は、メッシュを形成する非吸湿性材料であることが望ましい。このフィルタ材料２４は誘電性であるか、又は或る程度導電性であることが望ましい。多くのフィルタ材料が使用可能である。好ましい材料としては、紙、発泡体、ガラス繊維、合成繊維、布帛、綿等の天然繊維、３Ｍ社のFiltrete が挙げられる。好ましい導電性材料の一例は、東レによって開発さ名で市販されている、金属含浸繊維シートである。このフィルタの平均孔サイズは捕捉対象の粒子の平均直径の約１０〜５０倍であるが、流速が充分に遅い場合には、平均孔径の１／５００程度の小さい粒子でもかなりの程度捕捉可能であることが好ましい。用途に応じて、このフィルタ材料２４は（均一な又は変化する密度、又は多層構造の）２５mmの厚さを持つことができる。一方、代表的なひだ付きフィルタ材料の場合には約０．５〜１mmの厚さに過ぎない。この材料２４は空隙度が非常に大きく粒子を捕捉する能力に優れ、粒子は表面だけでなく厚さの全体にわたって捕捉されるので、このフィルタの収容力は増加する。後述するように面積を拡大させて単位面積当たりの流体の流速を遅くすることが簡単にできるので、HEPA，ULPA等のフィルタに普通に使用されている積層型のひだ付きフィルタ材料を使用することが望ましい。しかし、粒子の捕捉を最適に行うためには、空隙度を変化させたフィルタ材料の多層構造を用いることが好ましい。最も効率的な濾過のための極性は、濾過対象の粒子の性質、例えばジオクチルフタレート等の誘電性粒子（上流側が正であることが望ましい）とたばこの煙等の或る程度導電性の粒子（下流側が正であることが望ましい）とによって、少し異なっている。前記電極１８，２０は絶縁材料でコーティングされ、フィルタ材料２４への粒子の堆積によって電極１８，２０の間の短絡や抵抗の著しい低下が生じないようにしている。フィルタ材料１４と電極１８（正電位）又は電極２０（アース）との間に、空隙が設けられている。この分離によって、フィルタの効率が益々向上すると共に電力消費が実質的に減少する。通常の用途においては全体的な電力は大きいとは思われない。しかし、携帯型の電池で作動する装置の用途等の、電力が極めて限定されている場合には、この考え方は非常に有用である。本発明による更に改善された実施例２００が図１ａに示されている。この実施例２００においては、図１に示された前述の構成に第３電極２０２が使用され、更にこれに隣接して、第２の好ましくは粗い多孔性のフィルタ材料２０４が取付けられている。この実施例２００は、更に詳細に後述するように、図１に示す構成を上回る粒子捕捉効率の実質的改善をもたらす。この付加された第３電極２０２は、電力源にも他の二つの電極１８，２０にも直接には接続されていないが、最も近い方の電極１８又は２０に接近した部位に誘起された電位を有する。図において、同じ符号や数字は同じ又は対応する部分を示していることに留意されたい。本発明は、簡単な、非常に効率的な、エネルギ節約型の静電粒子フィルタを提供するものであり、このフィルタは、従来型の静電集塵装置に比べて実質的に低い電圧と無視し得る動力消費で作動し、固有のファンデルワールス力と非イオン化電界との相互作用を利用して空気中の粒子に攪拌運動を起こさせ、粒子の滞留時間を長くし、フィルタ材料への空気中粒子の捕捉の確率を大きくすることができる。この構成によって、広い範囲にわたる異なるサイズの粒子をより効率的に捕捉することが可能になり、しかも目詰まりが少なくなり、且つオゾンの形成が解消される。更に、この構成によれば、効率を低下させることなく、フィルタ材料の空隙度を捕捉対象の粒子のサイズよりも大幅に大きくすることができる。この結果、フィルタにおける空気圧の低下が大幅に減少する。ファンデルワールス力は、空気等の流体及び気体中に浮遊している外部粒子に本来的に関連している分子の静電界である。これらの力は一般的に、プラスチック等の表面への塵埃粒子の吸引として顕示される。一旦、塵埃粒子がこれらの表面に接触すると、ファンデルワールス力は劇的に増加し、粒子は表面に付着する。「ａ」を表面から粒子までの実効距離とすると、ファンデルワールス力は１／ａ⁶に比例するので、粒子は容易には離れない。こうして、一旦接触が生じた場合には、この力は強力な結合を提供する。表面から少しでも離れた場所では、ファンデルワールス力は非常に小さな力（Van NostrandのEncyclopedia of Scienc eによって、原子間又は分子間吸引力として定義されている）となり、且つ流速が高過ぎてファンデルワールス力による実効的な粒子捕捉は不可能なので、クーロンの１／ａ²の法則による帯電粒子と高い電位を有する集塵表面との間の吸引力に依存している従来型の静電集塵装置においてはファンデルワールス力は活動していない。本発明のフィルタは、空気その他の気体状流体の流れをフィルタ材料を通って減速させ、基本的にファンデルワールス力によって流体中に浮遊している粒子を捕捉してフィルタ材料中に保持するようなフィルタの形状・構造を使用することにより、その目的を達成する。更に、空気流路に沿って長手方向にフィルタ材料を通る空気の流れを特定の形状・構造によって減速させながら、電極間の粒子の積極的なほぼ横方向の運動によって、粒子がフィルタ材料に接触する機会を実質的に増加させている。その結果、フィルタ材料はその孔サイズよりもはるかに小さい粒子を捕捉し、これによって圧力低下が少なくなり、塵埃保持能力が増大し、且つフィルタの目詰まりが少なくなる。更に、孔サイズが粒子よりずっと大きい場合には、フィルタ材料の厚さを、従来のフィルタにおけるフィルタ材料に比べて実質的に増大することができる。このようにフィルタ材料の厚さが増加すると、濾過を更に効果的に行うことが可能になる。本発明のフィルタにおいては、ファンデルワールス力の作用を高めると共に、粒子にほぼ横方向の運動を与えてその捕捉を助けるのに、静電界のみが使用されている。限度内においては、本発明のフィルタの作用は、フィルタ材料２４の絶対電位差と第３電極２０２に誘起された電圧による影響だけに依存し、従来型の静電フィルタにおけるようなボルト／cmで表される電界強度には依存していない。従って、電気部品を変えることなく、フィルタ材料の厚さを変更することによって異なる環境に適応させることが可能である。本発明の他の態様によれば、ファンデルワールス力の作用は、電極１８〜２０の一方をフィルタ材料に接触させ、他方とフィルタ材料２４との間に空隙を設けることによって、又は導電性繊維をフィルタ材料２４に織り込んだり埋め込んだりすることによって、実質的に増大させることができる。フィルタ材料２４，２０４は導電性繊維と導通させたり、これを埋め込んだりすることが可能である。埋め込まれる導電性繊維は裁断された微小物質（独立した又は非独立の）からなり、これらの微小物質は導電性繊維の先端同士の間に多数の空隙を形成し、微小ではあるが強力な電界を該空隙にフィルタ材料全体にわたって発生させる。しかし、このタイプの材料は、一般的に、該材料の繊維間の内部アーク放電によって静電気を解放することを伴う用途のために構成されたものである。いずれにしても、アーク放電は避けなければならない。これによって、ファンデルワールス力による粒子の吸引が更に良好となり、更に効果的な濾過が可能となる。同様に、フィルタ材料が、活性炭等の空気中の好ましくない物質（例えば臭気、有害粒子、毒ガス、微生物等）と化学的に反応してこれを吸収する活性物質を含み、又はこれで処理され、又はこれでコーティングされている場合には、フィルタ材料の内部の静電界によって生じた粒子の攪拌運動は、フィルタ材料中の好ましくない物質（ビールス、細菌等）の化学反応、吸収及び破壊を促進する。同様に、臭気吸収用の活性炭の効果は、本発明の電界によって向上する。本発明のフィルタが捕捉対象の粒子に関連するファンデルワールス力を効果的に利用するために、気体状流体の流速は、設計の許容条件の範囲内で可能な限り低く、例えば０．１ｍ／秒未満であることが必要である。例えば、図２に示されているように、前記材料２４が折り畳まれている場合、入口側又は出口側での材料２４の表面積は１／cos αｍ／秒である。αが４５°の場合、平面２６における最大流速は０．１４ｍ／秒となる。電極１８，２０，２０２は、図６に示されているように、フィルタ材料表面の凹凸に従った形状をなしている。流れの方向における粒子の流速が遅いことは重要であり、なぜならば粒子はフィルタ材料２４と２０４に充分に長く留まって捕捉されるからである。静電界は粒子に渦流運動を与え、粒子がフィルタ材料２４，２０４を通過する際にファンデルワールス力によってこれに捕捉される機会を増加させる。この理由によって、本発明のフィルタのフィルタ材料２４，２０４は流れの方向に厚く（例えば２〜３mm）なっていることが好ましく、これは殆どの粒子が材料の上流側表面で捕捉される従来のフィルタ（厚さ０．５〜１mm）とは異なっている。本発明によれば、電極１８と２０との間の直流電位差は少なくとも３ｋＶではあるが１０ｋＶを超えてはならず、好ましくは３〜９ｋＶの範囲にあり、最も好ましくは約７ｋＶである。電極２０２上の誘起電位も３〜９ｋＶの範囲にあり、好ましくは６〜９ｋＶの範囲にある。精密な電圧は、捕捉対象の粒状物質、フィルタの空隙度、使用されるフィルタ材料のタイプ、フィルタを通過する気流の速度に応じて選ばれる。１０ｋＶを超えると、濾過は更に改善される。しかし、この改善は粒子の部分的なイオン化によるものであり、このイオン化は約１１ｋＶ以上で局部的に始まり、必要電流が突然に増加する。これに伴う問題点は、こうしてフィルタ自体がイオン化された粒子を発生させた場合、これらの粒子の一部が気流に随伴して、フィルタの下流の壁面やダクトに付着することである。これらの箇所において粒子は汚染物質となり、予測できない時期にそこから離れて気流の中に入り、例えば、クリーンルームの環境空気にとっては好ましくない状況を現出する。要するに、電圧が高過ぎると、フィルタの性能が改善されずにエネルギが浪費され、オゾン形成の危険性が生じ、一方、電圧が低過ぎると、フィルタの性能が低下する。電極１８，２０と２０４の間の距離ｄは、所与の電圧に応じて変えることができる。実際には、効果的な濾過を行うために、この距離は約１３mm程度に維持することが好ましい。距離が小さ過ぎるとアーク放電の危険性が生じ、距離が大き過ぎるとフィルタの性能が低下する。電圧レベルは捕捉可能な粒子のサイズに影響を及ぼすと共に、フィルタ材料２４と２０４内への粒子の浸透深さにも影響する。本発明のフィルタの性質を、次の実施例によって説明する。実施例Ｉ図１を参照すると、約１mm平方の平均開口を有する孔の空いたメッシュ構造の一対の電極１８，２０が、約７．５cmの内径を有するプラスチックのハウジング１０の中に互いに約２５mmの距離を置いて設置された。前記ハウジング１０によって形成されたチャンバ１６内に、約１０ミクロンの平均孔サイズを有する約２ mmの厚さの偏平な紙の繊維材料の層２４が、両電極１８，２０の間にこれらに平行に、これらに沿って、且つこれらと間隔を空けて設置された。約０．０１ミクロン〜１ミクロンの範囲の粒子サイズを有するたばこの煙で汚染された空気が、入ロパイプ１２を経て前記チャンバ１６を通って、約０．０１ｍ／秒の流速を生じる割合で引き込まれた。したがって、電極及びフィルタ材料における流速はこれよりもずっと遅くなっていた。直流電源２２の電圧（極性は基本的には重要ではないが、下流側が正の電極となっている）が変化するにつれて、次のことが観察された。電位が１０ｋＶを超えると煙の粒子は電極１８に入ることに失敗し（拒絶し）、導入用充気室２１内に堆積する。この電位で第１電極の上方に形成された煙粒子の雲を急速に攪拌することが発見された。この攪拌運動は空気流の方向にほぼ垂直に生じる。観察可能な個々の粒子はこの雲の内部で急速に動きつつあることが見られた。しかし、フィルタ材料２４を所定の位置に設けずに電位が９ｋＶから３ｋＶまで次第に低下すると、雲状の煙粒子の層は空間２９内に入り込む。電圧が低下すると、この層はそれ自体が第２電極２０の近くまで降下した。粒子の垂直方向の非常に迅速な攪拌運動は連続していた。しかし、煙粒子は、下部電極２０を貫通せずに空間２９内に留まっていた。フィルタ材料２４を所定の位置に設けて実験を行った場合には、９ｋＶ〜３ｋＶの範囲の電位において実質的にすべての煙粒子が材料２４全体（流入側だけでなく繊維の全表面をコーティングした）に付着した。２ｋＶ未満で材料２４が無い場合には、雲の層はもはや観測されず、煙は両方の電極を通過し、２３を経て１４から排出された。フィルタ材料が有り、電位が２ｋＶ未満の場合には、材料の通常の濾過作用を上回る付加的な濾過作用は殆ど又は全く生じなかった。電圧が無くなり又は実験電圧（９〜３ｋＶ）から０Ｖまで低下した場合には、付着した粒子が材料２４から取り除かれなかった。空気速度が０．１ｍ／秒を超えて増加すると、空気流の力が第１電極１８、フィルタ材料２４及び第２電極２０を通して粒子を押し、前述の現象は容易には観察されず、濾過能力は大幅に低下した。しかし、電位（９ｋＶ〜３ｋＶ）が付与されると、濾過効率は常に実質的にそれ自体（例えば紙、発泡体、合成繊維、帯電繊維等）のフィルタ材料の濾過効率より実質的に良好になった。実施例II 図３の本発明の別の実施例には、次の二つの事項が示されている。（１）空気流は両電極を通って吸引されなくてもよい。（２）フィルタ材料は均一な厚さでなくてもよい。図３において、チャンバ１６内の（粗い多孔性フィルタ材料２０４を具えた）一組の電極３０，３２，２０２は、電極３０と３２の間に設置されたフィルタ材料３４を有している。これらの電極３０，３２，２０２は、図１ａの電極１８，２０，２０２と同様にすべて多孔性であるが、図３に示された実施例では空気流は出口３６を通って排出されるので、電極３２は中実体であってもよい。中実体の電極３２は、材料３４にメッシュ状電極よりも少し均一な電界を発生させる。しかし、いずれの場合でも、電極の主表面に不連続部があると、そこに電荷が集中した不均一パターンを形成する傾向があるので、電極３０，３２，２０２（及び電極１８，２０）は実質的に平滑で鋭い湾曲部が無いことが必要である。図３の実施例におけるフィルタ材料３４は、多孔性の卵容器型のフィルタ材料として示されている。（前述の実施例Ｉの流量とサイズのパラメータとを使用すると）最大流量で表面３８に沿って材料３４内に入る空気の進入速度は０．１ｍ／秒よりずっと大きいが、材料３４の内部形状・構造によってはるかに大きい表面４０に沿って気流が広がり、材料３４から出て行く気流の速度は０．１ｍ／秒よりずっと小さくなる。非常に大きい粒子は表面３８の近傍に機械的に捕捉される傾向にあり、一方、小さい粒子は材料３４の全体に分布して捕捉され、最も多くのものは表面４０の近くで捕捉される傾向にある。この作用は、フィルタ材料３４の密度を変化させる（又は多層構造にする）ことによって増強することができる。即ち、材料の空隙度を流入側表面３８の近傍で粗くし、流出側表面４０に向かうにつれて細かくすればよい。フィルタ材料３４のこの構造によって、次の効果が得られる。（１）目詰まりが減り、（２）広い範囲のサイズの粒子を捕捉し、（３）フィルタ材料の粒子保持能力を増大させる（詳しくは実施例VIを参照のこと）。ここに述べた多層構造は、捕捉対象の粒子サイズの範囲を拡げるためばかりでなく、フィルタを、臭気やビールスの抑制及び微生物の実質的な殺菌等の今日の社会の新たな要望に応えるものとするために、本発明の実施例２００に一体化されてもよい。実施例III 本発明のテストを行うための実験用フィルタ装置が、図４に示すように、５０ cm×３１cm×２６cmのサイズを有するチャンバ５０を使用して構成された。二つの同じ円筒状空気フィルタ５２と５４がチャンバ５０内に並列して設置された。各空気フィルタはひだ付きのフィルタ材料を具え、このフィルタ材料は１２mmの間隔で設置された二つの電極の間に挟まれ、円筒状構造になるように形成された。実験のために、各空気フィルタの底部は閉鎖され、天部は空気フィルタ５２又は５４をそれぞれ通過して侵入した残存煙粒子を回収するモニタ用薄膜５６，５８に接続された。排出された空気は、薄膜５６，５８を経て真空ポンプ６０によって吸引された。この空気フィルタ材料の空隙度は約３２ミクロンであった。サイズが０．０１〜１ミクロンの煙粒子はたばこから引き出された。火の着いたたばこ６２を通じて空気が引き出され（煙を形成し）、約１ｃｆｍ（４７２cm³／秒）の割合でチャンバ内に導入された。この煙は、次に前記二つの同一の空気フィルタの壁を貫通して、同じ流量で別々に引き込まれ、薄膜５６，５８を通って円筒の中心を上昇してチャンバから排出された。７ｋＶの電圧が空気フィルタ５４の電極に印加された。空気フィルタ５２には電圧は印加されなかった。空気フィルタ５２の下流側の薄膜５６は、暗褐色の物質の沈着（煙粒子の堆積）を示した。空気フィルタ５４の下流側の薄膜５８は、粒子が殆ど沈着しない（殆どすべての粒子がフィルタ５４の電極の間のフィルタ材料に吸収された）ことを示した。薄膜５６，５８の相対的変色の観察によって求められた効率比は、１０００対１より優れているものとして評価された。この装置は新規で清潔であり、５４，５８及び６０を通る空気経路のみが使用され、６ｋＶ〜９ｋＶの範囲の電圧が印加された場合には、このフィルタ装置の排出空気中からはたばこの臭気さえも検出できなかった。これらの発見の重要性は、静電気の電圧がゼロの場合、３２ミクロンの空隙度を有するフィルタ材料２４は、３２ミクロンより小さい殆どすべての粒子を通過させることである。実施例IIIは次のことを示している。即ち、空気フィルタ材料の空隙度はほぼ３２ミクロンのサイズであるが、本発明の特定の条件に適合する場合には、即ち（１）二つの電極の間に設置されたフィルタ材料の実効排出表面積が充分に大きくて、単位面積当たりの空気速度が０．１ｍ／秒よりかなり遅い速度まで低下し、（２）粒子のファンデルワールス力が繊維表面に及ぼす相互作用の効果を増大させるためにフィルタ材料に印加される電圧が３〜９ｋＶである場合には、１ミクロンから０．０１ミクロンまでの範囲の実際上すべての粒子が捕捉される。これらの発見の他の重要性は、フィルタが０．００５ミクロンから１ミクロンまでの範囲の粒子と分子（気体）の両者で構成されているたばこの煙の臭気を事実上吸収したことである。（顕著なたばこの煙の臭気を含んだ）フィルタ５４からの排出空気のサンプルは、（前述の手段によって電気的に活性化されると）感知し得るたばこの煙の臭気を殆ど示さない。この臭気の消失は、すべての粒子が実質的にフィルタに捕捉されたばかりでなく、フィルタ材料を挟んだ電極に印加された電界が電極同士の間に臭気を捉え、電界が連続的に印加されている限りこの臭気を解放しないことを示している。実施例IV 静電荷を有するフィルタ材料が広い範囲の利用のために市場に導入されている。このような固有静電材料を用いた元の発明について、次の条件で実験が行われた。図１に示された形状・構造のフィルタ材料２４を用いて、電極１８，２０の間に７ｋＶの直流電圧を印加し、及び印加しないでテストが行われた。この材料２４の表面空気速度は０．０１ｍ／秒であった。使用された汚染物質はたばこの煙であった。フィルタ材料２４は０．０１６ｍ／秒の空気速度で０．３ミクロンの粒子の６５％を捕捉するように構成された。実験の結果、電極に７ｋＶの電位を与えることによって、電圧を印加しない場合の濾過に比べて１０００％の改善が示された。電極の極性を逆にしても目立った変化は無かった。空気速度が高くなって１．１０ｍ／秒に達すると、７ｋＶの電圧を印加することによって濾過には目立った差異と改善が見られたが、濾過効率は大幅に低下した。実施例Ｖ図１〜３に示されたものと同等の形状・構造を用いて９９．９％のグレードの HEPAのフィルタ材料のテストを行った。空気流に使用された粒子は、一般的に使用されているジオクチルフタレート（ＤＯＰ）のサンプル汚染物質であった。先ず、０．０６５〜０．３ミクロンの粒子に対するHEPAのフィルタ材料の効率を、０．１ｍ／秒の表面空気速度で、６ｋＶの電界電位を印加しそして印加せずに測定した。これらの測定点を使用して、０．０１ミクロンの粒子サイズにおけるHEPAフィルタ材料の効率を、コンピュータによる外挿法を用いて予測した。６ｋＶの電位を印加することによって、HEPAの効率が一桁（約１０００％）増大した。このように、ガラス繊維の HEPAフィルタ材料も本発明の方法によって、ファンデルワールス力と３０００〜９０００Ｖの電位を電極間に印加して粒子を捕捉することの組合せを利用し、且つフィルタ材料の単位面積当たりの空気速度を０．１ｍ／秒より充分に小さくするようにフィルタ表面を構成することによって、改善されることが判る。この発明を使用して、第３電極２０２（自由状態電極、floating electrode）を付加することにより、図１に示された構造は図１ａのように変更された。同じ HEPA材料２４、電圧及び粒子が使用された。この実験の結果によれば、元の発明の結果を上回る粒子捕捉能力の少なくとも３００〜４００％の改善が得られる。実施例VI この実験では、（全体で２cmの厚さを有する）１６層の綿のシートが、図１に示された形状・構造の電極１８，２０の間に設けられた。空気速度は約０．０３ｍ／秒であった。導入された粒子（０．０１ミクロン〜１．０ミクロンの範囲の粒子サイズ）はたばこの煙から得られた。綿層の孔の平均サイズは約１００ミクロンと推定された。実験は２回行われた。最初は電極の間に７ｋＶの電圧が印加され、上流側電極１８は電極２０に対して正の極性を有していた。２度目は、電圧を印加しなかった。それぞれの場合、２本のたばこを順次に燃焼させた後、綿層が分解されて検査された。電圧を印加しなかった場合には、フィルタ材料２４の全体にわたって僅かな汚れが観察され、煙の粒子がフィルタを通過したが、その際に一部の粒子だけがフィルタ材料に沈着したことを示した。電圧を印加した場合には、粒子は完全に最初の四つの層に吸着され、第１層が最大量の褐色の汚れを有していた。変色の度合いは第２及び第３層においては急激に減少し、第４層には僅かな変色が見られたのみであった。三層の低グレード（１０％規格）のフィルタ材料（全体で３mmの厚さ）を用いて、別の実験が行われた。ＤＯＰ粒子のサンプルが使用された。空気速度は０．１ｍ／秒であった。電界が無い場合に、このフィルタは０．３ミクロンのサイズでの捕捉効率は４０％を示した。電界が適用された場合、捕捉効率は６ｋＶで７０％に、８ｋＶで９３％に、１０ｋＶで９８．６％に向上した。実施例VIのこれらの実験は次のことを示している。（１）粒子とフィルタ材料（繊維）との間のファンデルワールス力の吸引力が電気的に増大する非イオン化静電界の下では、フィルタ材料２４の厚さが増すと、フィルタの濾過効率と粒子保持能力が実質的に改善される。フィルタは（紙、 HEPA，ULPA等のすべての従来型フィルタを含む）機械的な粒子閉塞型フィルタにおいて観察されるように、その表面だけでなく、本発明においては体積空間にも粒子を収集するので、このフィルタの粒子保持能力は増大する。本発明においては、孔サイズは対象とする粒子サイズよりもはるかに大きい。フィルタに大きな差圧を生じることなく、厚いフィルタ材料を使用することができる。（２）粗さ（フィルタ材料２４の空隙度）を層毎に（又は連続的に）変えて、この空隙度を調整することによってフィルタ材料をその厚さ全体にわたって粒子で充満させることができる。例えば、空隙度の大きい材料から始まって徐々に小さい孔サイズの材料に移行することによって、材料の厚さ全体にわたって粒子を均等に捕捉し分布させることができ、結果として大きい粒子保持能力が得られる。実施例VII 図１に基本的に表されたシステムを使用して、一連の実験が行われた。フィルタ材料２４は二つの電極１８，２０の間に設けられた。１０ｋＶの電位が電極１８，２０に印加された。５０％グレードのフィルタ材料が使用された。下流側の電極２０が負の極性の場合に、０Ｖにおいて測定された５６％の捕捉効率が１０ｋＶにおいて８０％に増加し、下流側電極２０が正の極性の場合には９８％まで増加した。すべての条件を同じにして、１０％グレードのフィルタ材料が使用された。その結果、下流側電極２０が負の場合、０Ｖにおいて２０％だった測定捕捉効率が４０％に増加し、下流側電極２０が正の場合、９０％まで増加した。実施例VIIは、本発明の技術によれば低グレードのフィルタ材料（即ちセルロース等の空隙度の大きい材料）でも高グレードの高価な材料（例えばHEPA材料等）と殆ど同等の捕捉効率が得られることを示した。空隙度の大きいフィルタ材料はその表面間の空気圧の低下が小さくなる。したがって、フィルタの圧力低下を一定とすると、はるかに厚い低グレードの材料を使用して良好な濾過を行うことが可能である。なぜならば、フィルタ材料の厚さが増すにつれて粒子がフィルタ繊維に衝突又は接触する機会が増大するからである。実施例VIIは、電極の電位が９ｋＶを超えて上昇すると、初期イオン化効果のために、電極の電位の極性が益々重要になることも示した。上述の発見は本発明において重要な役割を果しており、第３の電極２０２の付加によって濾過が更に良好に行われる。実施例VIII 図１に示された一般的な形状・構造をしている図４の空気フィルタ５４を用いて、フィルタ材料２４を電極１８と２０の間の空間に設置する代わりに、下流側電極２０に接触させて実験を行った。濾過の劇的な改善が見られた。使用されたフィルタ材料は、５０〜６０ミクロンの空隙度と１３．３cm×２０．３cmの実効サイズとなるように構成された１．２mmの厚さのHEPA材料であった。印加された電圧は７ｋＶであった。たばこの煙の粒子のサイズは０．０１〜１ミクロンであった。フィルタ・アセンブリ５４を通過した後、未捕捉の煙粒子は薄膜５８に収集され、変色によって観察された。約０．０２６ｍ／秒の空気流量でフィルタ材料２４を通過させて、２回の実験が行われた。第１の実験ではフィルタ材料２４と電極２０との間に空間を残したが、薄膜５８は完全に暗褐色になった。第２の実験ではフィルタ材料２４を電極２０に接触させたが、薄膜５８は殆ど完全に元の白色のままであった。このことは、殆どすベての粒子を捕捉して実際上粒子の存在しない状態で薄膜５８を通過させることによって、フィルタ５４の効率が大幅に増大したことを示している。流量を１０倍に増加して実験を繰り返した。空気速度が増加するにつれてフィルタ５４の効率は実質的に減少したけれども、二つの実験結果（フィルタ材料２４と電極２０との間に空間が有る場合と無い場合）の間には、なおも著しい差異が存在していた。次に電極１８と２０の間の極性を反対にした。いずれの極性の場合にも、同じ結果が得られた。しかし、下流側電極２０を正にすると、フィルタの効率は僅かに向上した。フィルタ材料２４を上流側電極１８に接触させることによって、同じ結果が得られた。フィルタ材料を上流側電極の前に置くことによっても、同じ結果が得られた。他の著しい効果が観察された。前述した各実施例においては、電極１８と２０の間に高い直流電圧（３ｋＶ〜１０ｋＶ）を印加した場合、２０μＡ〜５０μＡの範囲の僅かな電流が流れて、０．０６Ｗ〜０．５Ｗの範囲の電力が消費された。一方の電極とフィルタ材料との間に空隙を設けた場合には、この電流は実質的に減少し、電力消費が少なくなった。このことは、電力が貴重な携帯用機器用途、例えば個人用保護マスク及び装置等に本発明が適用可能なことを意味している。上述の発見は本発明において重要な役割を果しており、第３の電極２０２の付加によって濾過が更に良好に行われる。実施例IX 図４のシステムと基本的には同じシステムであるが、両方のフィルタ５２と５４に対して図９ｂに示す三つの円筒状電極を有するフィルタ構造を具えたシステムを使用して、別の実験が行われた。（図９ｂの構造は三つの電極１４３，１４４及び１４５とフィルタ材料の二つの層１４１，１４２を使用し、フィルタ材料１４１は１４２に比べて実質的に細かい構造をなしている。）フィルタ５４に（電極１４４と１４５との間に）印加される電位は８ｋＶであった。第３電極１４３に誘起される電圧は約６ｋＶであった。汚染物質を含む空気は、粗いフィルタ材料１４２、電気的に自由状態にある電極１４３、空気空間１４０、３０ミクロンの空隙度を有する紙製のフィルタ材料１４１、電極１４５を通って排出口１５１に引き込まれた。表面速度は約０．１ｍ／秒であった。一握りのにんにくが加熱されて、臭気と粒子の源として燃やされた。フィルタ５２からの排気は呼吸に耐えられないものであった。一方、フィルタ５４からの排気は予想に反して殆ど臭気を含んでおらず、この改良発明が元の発明を遙かに凌駕するものであることを示した。使用されたこの主フィルタは自動車エンジン用に普通に使用されている最も安価な紙製フィルタであったので、この結果は予期しなかったものであり、HE PA製のフィルタ材料（代表的には０．２ミクロン以上の粒子を除去する）よりも良好に機能し、０．００５ミクロン〜１ミクロンの範囲のサイズの臭気発生物質さえも除去した。煙霧、臭気、煙及びＤＯＰ粒子のサイズ分布を調べることによって、この実験に使用した構造は、気体状流体から公知の細菌（０．３〜４０ミクロンの範囲のサイズ）及びビールス（０．００３〜０．０６ミクロンの範囲のサイズ）を濾過して除去するのにも適しているものとの結論が得られた。空気流が停止した場合に、電界が解除されなければフィルタから臭気が解放されなった。即ち、臭気物質又は粒子は捕捉されたまま保持されていた。電界が解除されると、堆積した物質は出口を通じて周囲の環境に臭気を出し始めた。臭気を濾過して除去する方法は殆ど無く、通常の多くの方法は活性炭を用いている。しかし、少し時間が経つと、回収された臭気物質は再び排気（環境空気）中に放出され、嫌な臭気を発生させる。例えば、内臓のレーザー手術は医療従事者にとって非常に不快な臭気を発生する。従来の空気フィルタはHEPAフィルタと活性炭との組合せで作られている。この組合せは、発生した粒子と臭気を濾過して除去することができるが、材料費とエネルギー代が高く、且つ強力なファンが必要なので不快な大きな音を出す。本発明の場合には、粗い安価なフィルタ材料を使用し、小さい静かなファンを用いて安いコストで空気流を発生させることができる。粒子と臭気は効率的に捕捉されてフィルタ自体に保持され、電圧の印加を止めても解放されることはない。活性炭を頻繁に交換するための高価な保全費用が節約される。たまねぎ、醤油、油の中で焦げた食物による煙と臭気を除去する同じような実験を、上述のように活性炭を用いて行った。同様な良好な結果が得られ、煙と臭気を少なくすることができた。実施例Ｘ図５の導電性フィルタ材料（又は導電性物質で処理又はコーティングされたフィルタ材料）の代わりに、１ミクロン以下（sub-micron）の直径の金属ワイヤを混ぜた特殊なフィルタ材料を使用した。このワイヤは細かく切断されて紙製フィルタに混ぜられた。この細かく切断された極細の金属片を有するフィルタ材料は、図５ａに示すように設置された。表面空気速度は０．０３ｍ／秒であった。フィルタ材料中のこの金属片は、電極２０には直接接触していなかった。しかし、各金属片（非常に鋭い端を有し、そこに電子が集中してその周囲に非常に高い電界が発生している）の周囲に誘起された電界によって、フィルタ材料と粒子のファンデルワールス力との間の相互作用が著しく増強された。その結果、電位が印加されていない場合の同じフィルタ材料に比べて、優れた濾過作用が得られた。このフィルタ材料の構造は、ファンデルワールス力に依存する濾過技術のために要する電界を発生させるのに必要な電位を（２０００Ｖ以下にまで）低くした。本発明の原理は、勿論、電極を種々に組み合わせたり、電位を変えたり、フィルタ材料の位置を変えたりして色々なやり方で実行可能である。図７には本発明の別のフィルタ装置又はアセンブリ１００が示され、第１電極１０１、第２電極１０２及び第３電極１０３が、互いにほぼ並列して設けられている。これとは異なる例としては、同心円筒形（図９ａ及び９ｂ参照）又は電極同士が「平行」に維持された同様な構成でもよい。すべての電極１０１，１０２，１０３はメッシュ型をなし、空気／流体が通り抜け可能になっている。図示されているように、第１電極１０１と第２電極１０２の間にはフィルタ材料１０４が設置され、このフィルタ材料は空気導入口１０６又は１０７の断面積よりもはるかに大きい表面積を持っている。このフィルタ材料１０４は、ひだ付きの形状をなしていることが好ましい。更に、第２のフィルタ材料１０９が第３電極１０３に隣接して設置されている。このフィルタは錯綜した形状をなし、電極１０３は電気的に「自由状態」にあるので、水分その他の粒子捕捉液をこれに含ませて、フィルタ効率を高めることが重要である。本発明によれば，第３電極１０３と帯電電極１０１，１０２との間は電気的に直接に接触していないので、こうしたことが可能になる。第３電極１０３と第２フィルタ材料１０９の組合せは他の手段によって代替することが可能であり、例えば導電性の第２フィルタ材料を用いて金属製の第３電極１０３を不要にすることができる。端子１１４と１１５を通じて、電極１０１と１０２との間に高電圧源１１８が接続され、両者間に電位差を与えている。第３電極は電気的に接続されていない点が重要である。しかし、前述の発明の概要で述べた電気的原理によれば、第３電極は誘導によって帯電する。この点に関して、これらの電極を非導電性支持体を用いて相互に隔離し、適正な電圧の誘起が生じるように留意することが必要である。このような電圧を誘起された電極はこの装置のフィルタ能力を著しく高めることが見出された。図７はハウジング１０５に収容されたフィルタ・アセンブリ１００を模式的に示したものであり、粒子が浮遊している空気が導入口１０６を通じて取り入れられる。空気／流体はチャンバ１０７を通って予備フィルタ材料１０９に入り、その後、第３電極１０３、第２電極１０２、フィルタ材料１０４及び第１電極１０１を通過する。その後、濾過された空気は出口１１１を通る。自由状態にある第３電極１０３が、電極１０１，１０２から誘起電位を受けることが重要である。これによって、電極１０３は電気的にフィルタ材料１０９に影響を及ぼし、空気／流体中の粒子とフィルタ材料１０９との間の相互作用が増強される。本発明の空気フィルタ装置は、電極１０１と１０２（電気的に３０００〜１００００ボルトの間まで活性化され、フィルタ材料を間に挟んだ）と、もう一つの電極１０３（電力源とは直接に接続されずに電気的に自由状態にあるが、誘起された電圧を有する）と、その上に重ねられた粗いフィルタ材料との組合せで構成されている。適正な空間関係で配置されたこの組合せは、協同して非常に高い全体的な空気濾過効率を生む。誘起された電圧を有する第３電極の使用による予想外のフィルタ効率の向上を次に述べる。粗いフィルタ材料１０９を具えた誘起電圧を有する第３電極１０３を電気的に自由状態にした場合、全体的な濾過作用が著しく改善されることが判るであろう。第３電極１０３の誘起電圧が電極１０１，１０２の間に印加された電圧の約６０〜９０％であると、粒子捕捉効率が増大することが判る。この点に関して、電極相互の間隔、絶縁材料の選択、電極の縁の形状が重要である。前述のように、電極１０１，１０２，１０３の間の相対間隔は、第３電極に適正な電圧を誘起するのに肝要である。或る例によれば、第１、第２及び第３電極は約５〜１０インチの寸法を有し、第１，第２電極（１０１と１０２）間及び第２，第３電極（１０２と１０３）間の間隔は１／２インチである。この例では、約１００００ボルトの電圧を有する電極１０２によって、自由状態の電極１０３に約６５００〜７５００ボルトの誘起電圧が誘起される。実施例XI この実験の目的は、三つの濾過方法、即ち（１）すべてがフィルタ自体による場合、（２）同じフィルタを用いて、空気中の粒子に働くファンデルワールス力とフィルタ材料（繊維）の表面との間の相互作用が、前述のように非イオン化状態での攪拌運動によって増強された場合、（３）同じフィルタを用いて、粗いフィルタ材料が付加された第３電極（電気的に自由状態にある）を具えた場合の結果を比較することにあった。それぞれの場合、予想外の協同効果が観察された。これらの結果は図１１に要約されている。図１１は、普通の３２ミクロンの平均空隙度を有する紙製のフィルタを用いた場合の、流量と捕捉効率のグラフを示す。下方の不規則なラインのグループＡは、フィルタ材料自体の効率を示している（２５〜３０％の効率と評価された）。第２のラインのグループＢは、同じフィルタ寸法、テスト・パラメータ、材料の場合の先行発明の結果を示す。これは、低いｃｆｍ（立方フィート／分）流量（５ｃｆｍ）においては、殆ど１００％の非常に高い改善された効率を示すが、空気量が増加するにつれて効率が次第に低下することを示している。この効率の低下は、０．１〜２．０ミクロンの範囲の粒子サイズに対応して別々に示されている。第３に、同じ条件（同じ材料、同じサイズの粒子、同じ構成、同じ非イオン化電圧等）の下での本発明（第３電極を付加した）の結果がラインのグループＣに示され、先行発明の効率を遙かに凌駕する高い効率が、図１１に矢印Ｄで示すように、３２ｃｆｍの空気量（これはこのテスト装置で可能な最大の空気量であった）までずっと維持されている。０．１〜２ミクロンの範囲のサイズの粒子（及び後にはたばこの煙の０．０１〜１ミクロンの粒子）が、３２ミクロンの平均空隙度を有するフィルタ材料を通して実質的に１００％捕捉されたことに注目する必要がある。第３電極１０３と組み合わせて複合フィルタ材料１０９を使用すると、フィルタが更に改善される。例えば、上述のように、フィルタ材料１０９を蒸発し難いタイプの物質で湿すか化学処理して、粒子（例えは、有毒ガス分子）の捕捉率を向上させることもできる。このフィルタ材料１０９（又は第１及び第２電極の間のフィルタ材料１０４）に、微生物、細菌、有毒化学薬品等を吸着し、これらと反応し、又は殺す薬品を含浸させてもよい。これらのフィルタとしては、カーボン含浸合成発泡体及び好ましくない気体状分子の受容物質を含浸した発泡体フィルタ材料等を含むが、これらに限定されるものではない。実施例ＸII （１）市販されている普通のグレードの（４０ミクロンの平均空隙度を有する）安価な（約１ドル／ポンドの）紙製フィルタ材料と、（２）今日の自動車室内空気清浄器の原型と考えられる予備帯電されている合成フィルタ材料（材料コストは約４０ドル／ポンド）とを使用して発明の効果を比較するために、一連の実験が行われた。両方のフィルタ材料は、図８（及び図９ａ）に符号１２９で示された同じ構成の二つのフィルタ内に収容され、同じ条件の下で図８に符号１２６で示されたテストチャンバ内でテストされた。空気中の粒子は入口１２０を経て空間１２１内に入り、第１フィルタ１２２、第３電極１２３、電極１２３と１２４の間の空気間隙を通り、次いで電極１２４、第２フィルタ材料１３１及び最後に第１電極１２５を通る。空気はファン１２７によって吸引され、開口１２８を経て外気に出る。これらの実験の結果は図１２と１３に示されている。図１２において、下側のライン（曲線）Ａは材料（１）の効率を示し、殆ど１０％未満の非常に低い効率を示している。フィルタ繊維の表面と相互作用を行うファンデルワールス力が電位（約９ｋＶ、３５μＡの電流、約４．２ｋＶの誘起電圧）の付与によって増強されると、上方のラインＢに示す結果が得られた。図１３においては、下方の三本のライン（曲線）のグループＡは三つの別々の空気流量での材料（２）の効率を示し、一番上は１０ｃｆｍ、真ん中（点線）は３０ｃｆｍ、一番下は７０ｃｆｍにおける値である。フィルタ材料の表面とファンデルワールス力との相互作用が電位の付与によって（前述と同じ条件の下で）増強された場合には、上方の第２の三本の曲線のグループＢによって示された結果が得られた。最初のグループの一番上の曲線は第２のグループの一番上の曲線に対応し、以下同様である。本発明による改善方法によれば、非常に安価なフィルタ材料の効率が、最も高価な予備帯電されているフィルタ材料の能力を容易に凌駕することが可能である。勿論、予備帯電材料がこの方法によって増強されれば、性能の実質的な改善が得られる。本発明の効果を示すもう一つの結果の例が表Ｉに挙げられている。たばこの煙を加えない環境空気をサンプル空気源として使用して、図９ｂに示された構成の円筒状フィルタが、通路５２と５６の無い図４のテスト・チャンバにおいてテストされた。使用されたフィルタ材料は、３０ミクロンの平均空隙度を有する安価な並のグレードの紙製フィルタ（自動車エンジンの空気フィルタに普通に使用されている）であった。その結果は予想外に素晴らしいものであった。この紙製フィルタは、最も一般的なグレードの高価なHEPAのフィルタと同等の効率を示した。その上、このフィルタは更に０．１ミクロンの微粒子に対しても高い捕捉率を示した。微粒子用（０．２ミクロン未満）のHEPAのフィルタは、このフィルタを通じて空気を供給するのに高いエネルギ消費が必要なので、経済的に見て実用的でない。表Ｉファンデルワールス力を増強した場合としない場合に行われた実験図１ａに示されたフィルタへの導入空気の量（温度７６°Ｆ、湿度７０％）粒子サイズ（ミクロン）粒子数．１１．８ｅ⁺⁰⁵ ．２７．７ｅ⁺⁰⁵ ．３３．２ｅ⁺⁰⁵ ．４９２９６９．０．５１８１８３．０．７５０００．０１．０２１４６．０２．０４５４．０図１ａに示されたフィルタから排出される空気の量（３０ミクロンの空隙度、圧力低下０．０４インチ水柱）粒子サイズ（ミクロン）粒子数除去％．１８７４９．０９９．５％．２３９３４．０．３１７４５．０９９．４５％．４５２６．０．５８６．０９９．５３％．７２１．０１．０５．０９９．７７％２．０３．０空気濾過と浄化における最近の関心は、経済的で余裕のある手段による０．２ミクロンより遙かに小さいサイズの臭気及び微生物（ビールス等）の除去にある。本発明の性能を探索するための協同研究において、Harvard School of Public Healthは、本発明の原理に基づいて作られた装置が、空気中のビールスに擬した０．０５ミクロンの粒子をうまく且つ効率的に捕捉したことを確認した。要するに、空気／流体に伴われた粒子は次のようにして濾過・除去される。（１）先ず、電極１０３に誘起された電位の影響によって、大きな粒子がフィルタ材料１０９の内側で垂直運動を起こしてフィルタ材料１０９の内部に捉えられる。（２）次に、ひだ付きのフィルタ材料の面積が空気通路の断面積よりも大きいので、フィルタ材料１０４の単位面積当たりの空気速度が実質的に減少する。（３）こうして、フィルタを横切る実効粒子速度が減少し、電極１０１，１０２，１０３の電界の影響を受けて前述の攪拌運動によってフィルタ材料内の粒子の滞留時間が増加する。静電界に起因する空気／流体に伴われた粒子の横方向運動のために、フィルタ材料の空隙度を、濾過・除去されるべき粒子のサイズに比べて非常に大きくすることができる。図８は自由状態電極を使用したフィルタ構成の別の例を示す。この図においては、三層の電極１２３，１２４及び１２５によって円筒状フィルタ１２９が構成されている。このフィルタはハウジング３０内に設置されている。フィルタ材料１２２と１３１は大小サイズの粒子を収集すると共に、前述のように臭気、ビールス、微生物、気体分子の吸収等の付加的な機能を提供する。粒子を伴う空気／流体は導入口１２０を経てチャンバ１２１に取り入れられる。この空気／流体は予備フィルタ材料１２２、メッシュ状電極１２３，１２４及びフィルタ材料１３１と電極１２５を通過して最終チャンバ１２６に入り、次いで排出口１２８から排気される。フィルタを通過する空気流を発生させるためのファン１２７は、導入口１２０の側にも同様に設けることができる。電極１２３の電位は自由状態にあり（電力源には直接接続されていない）、予備フィルタ１２２がこの電極１２３上に設けられている。フィルタ材料１３１を挟んでいる電極１２４と１２５の間に電位が付与される。このフィルタ材料１３１は、電極１２３，１２４及び１２５の表面積より遙かに大きい表面積を有している。これらの電極１２３，１２４及び１２５は、基本的に互いに等しい間隔で平行に配置されている。粒子を伴う空気／流体は導入口１２０を通じてチャンバ１２１内に入る。自由状態電極１２３は電極１２４上の電位の影響による電位を保持しており、これによってフィルタ材料１２２を帯電させると共に空気／流体中の粒子に横方向の運動を起こさせ、大きい方の粒子をフィルタ材料１２２内に効率的に捕捉することができる。次に、空気／流体は電極１２３、電極１２３と１２４との間の空間、電極１２４、ひだ付きのフィルタ材料１３１、そして最後に電極１２５を通過する。ひだ付きフィルタ材料１３１の単位面積当たりの実効空気速度は、表面積が大きくなるために減少する。更に、空気／流体中の粒子の実効速度は、電極１２４，１２５の間の静電界によって生じた攪拌運動のためにもっと遅くなり、粒子はフィルタ材料１３１と相互作用してこれに接着する。フィルタ材料１３１とフィルタ材料１２２の最も好ましい形態はひだ付きのものである。構成が適正であれば、フィルタ材料１２３，１３１（図８）及び１０４，１０９（図７）は、電極を含むフィルタ・アセンブリ全体を廃棄せずに独立して交換可能であり、保守を低コストで行うことができる。図９ａは、フィルタ材料１３１，１２２と電極１２３，１２４，１２５が平行に均等な間隔で設置されていることを示している。勿論、空気／流体の流れを逆にして、このフィルタを構成する電極とフィルタ材料を再配置して、図９ｂに示すように空気／流体が外側の電極から入って内側チャンバから出るようにすることも可能である。図７は、電位との関係で電極の特別の構成（例えば電力源のプラス側が電極１０２に接続されている）を示しているが、この電位の構成を逆にし又は再配置してもよい。電極１０３を持たずにフィルタ材料１０９を「プラス」に帯電した電極１０２の流入側に設けた別の構成も可能である。別の例としては、電極１０３とフィルタ材料１０９は一つの構造体に一体化され、これによってフィルタ材料１０９は導電性材料によって構成される。予備フィルタ１０９はカーボンを含浸させた発泡体等の材料で構成され、臭気を効果的に減少させることができる。更に、フィルタ材料１０９，１０４は、空気／流体中の特定の微生物（例えば細菌）又は化学物質の通路を小さくするように選ばれ又は処理される。効果的な濾過を行うための最も好ましい実施例は最初に述べた構造であり、これによれば図７の電極１０３が電気的に自由状態であり、電極１０２が正になり電極１０１が接地されるように電極１０１と１０２の間に電位が付与されている。電極１０１と１０２の間の距離は５〜５０mmとすることができる。しかし、付与される電位が約１００００Ｖの場合には、これらの間の最良の距離は約１２〜１５mmである。電極１０２と１０３の間の間隔も５〜５０mmであるが、両者間の最良の距離は同じく約１２〜１５mmである。この場合、電極１０２に起因して電極１０３上に誘起される観測電圧は約６０００〜９０００Ｖである。図７に示された、高電圧（１００００Ｖ）を有する電極１０２が接地電極１０１と自由状態電極１０３との間に位置している前述の構造は、電位的に高電圧電極を隔離している。図８に述べられた円筒状構造は、他の電極を取り囲む接地電極１０１を持つことによって電気ショックからの安全性を更に高めている。安全に対する同様の構成は、電極の電位の関係を変えることによって得ることができる。以上、本発明にかかる気体状流体中の粒状物質のフィルタについて、本発明が好ましく使用される態様を示すために述べたが、本発明はこれらに限定されるものではないことを認識すべきである。即ち、当業者のなし得るすべての改変や構成は、本発明の範囲に入るものである。

Claims

【特許請求の範囲】１．気体状流体の流れの中に浮遊している粒子を捕捉するためのフィルタ装置であって、ａ）入口と出口の間の気流通路を形成するフィルタ・チャンバ手段と、ｂ）捕捉対象の粒子の平均直径よりも実質的に大きい孔サイズを有する材料で構成され、前記気流通路の断面よりも実質的に大きい収集表面を有し、前記気流通路内に設置された多孔性フィルタと、ｃ）前記気体状流体の流れ及びそれに浮遊している粒子を前記気流通路に沿って流し、前記多孔性フィルタを通過させるための推進手段と、そしてｄ）前記多孔性フィルタを間に挟んで設置され、空気流を通過させるための開口を形成する手段を具えた第１及び第２電極と、ｅ）前記第１、第２電極の間に選択された直流電圧を印加する手段と、そしてｆ）空気流を通過させるための開口を形成する手段を具えた第３電極と、そしてｇ）前記第３電極を前記第１及び第２電極の近傍に位置決めして支持し、誘導によって発生した前記第３電極の電圧によってて第３電極を帯電させ、フィルタ装置による粒子の捕捉を増大させるための手段とを具えた、フィルタ装置。２．前記電極が、第１及び第２電極の間に印加された電圧の少なくとも４０％の電圧が前記第３電極に誘起されるように配置されている、請求項１に記載のフィルタ装置。３．前記電極が、第１及び第２電極の間に印加された電圧の約６０％〜約７０％の電圧が前記第３電極に誘起されるように配置されている、請求項１に記載のフィルタ装置。４．前記第１、第２及び第３電極が同軸に設置されている、請求項１に記載のフィルタ装置。５．前記第３電極が前記第１及び第２電極の外側に設置されている、請求項４に記載のフィルタ装置。６．更に、前記第３電極に隣接してこれと同軸に第２の多孔性フィルタ材料が設置されている、請求項５に記載のフィルタ装置。７．前記第１及び第２電極が相互に約５mm〜約５０mmの距離を隔てて設置され、約３０００ボルト〜１００００ボルトの電圧が第１及び第２電極の間に印加されている、請求項１に記載のフィルタ装置。８．前記第３電極が前記第２電極から約１３mm離れて設置されている、請求項７に記載のフィルタ装置。９．前記多孔性フィルタが、前記気流通路に沿って孔サイズが大きくなるような変化する空隙度を有している、請求項１に記載のフィルタ装置。１０．気体状流体の流れの中に浮遊している粒子を捕捉するためのフィルタ装置であって、ａ）入口と出口の間の気流通路を形成するフィルタ・チャンバ手段と、ｂ）捕捉対象の粒子の平均直径よりも実質的に大きい孔サイズを有する材料で構成され、前記気流通路の断面よりも実質的に大きい収集表面を有し、前記気流通路内に設置された多孔性フィルタと、ｃ）前記気体状流体の流れ及びそれに浮遊している粒子を前記気流通路に沿って流し、前記多孔性フィルタを通過させるための推進手段と、ｄ）前記多孔性フィルタを間に挟んで設置され、空気流を通過させるための開口を形成する手段を具えた第１及び第２電極と、ｅ）前記第１、第２電極の間に選択された直流電圧を印加する手段と、そしてｆ）空気流を通過させるための開口を形成する手段を具えた第３電極と、そしてｇ）前記第３電極を前記第１及び第２電極の近傍に位置決めして支持し、誘導によって発生した前記第３電極の電圧によってて第３電極を帯電させ、フィルタ装置による粒子の捕捉を増大させるための手段とを具えた、フィルタ装置。１１．前記電極が、第１及び第２電極の間に印加された電圧の約６０％〜約７０％の電圧が前記第３電極に誘起されるように配置されている、請求項１０に記載のフィルタ装置。１２．前記第１、第２及び第３電極が同軸に設置されている、請求項１０に記載のフィルタ装置。１３．前記第３電極が前記第１及び第２電極の外側に設置されている、請求項１２に記載のフィルタ装置。１４．更に、前記第３電極に隣接してこれと同軸に第２の多孔性フィルタ材料が設置されている、請求項１３に記載のフィルタ装置。１５．前記第１及び第２電極が相互に約５mm〜約５０mmの距離を隔てて設置され、約３０００ボルト〜１００００ボルトの電圧が第１及び第２電極の間に印加されている、請求項１０に記載のフィルタ装置。１６．前記第３電極が前記第２電極から約１３mm離れて設置されている、請求項１７に記載のフィルタ装置。１７．前記多孔性フィルタが、前記気流通路に沿って孔サイズが大きくなるような変化する空隙度を有している、請求項１０に記載のフィルタ装置。１８．気体状流体の流れの中に浮遊している粒子を捕捉するための方法であって、粒子が浮遊している気体状流体の流れを形成し、第１、第２及び第３電極と、前記第１及び第２電極の間に設置された多孔性フィルタとを通じて前記気体状流体の流れを通過させ、前記第１及び第２電極の間に電圧を印加して、前記多孔性フィルタ中で粒子を攪拌し、前記気体状流体が前記多孔性フィルタを通過する際に前記粒子を捕捉し、前記第３電極が電圧による誘導によって帯電するように、前記第１、第２及び第３電極を配置して、粒子の捕捉を促進する、各ステップを含む方法。１９．前記電極を配置するステップによって、第３電極に、第１及び第２電極の間に印加される電圧の少なくとも４０％の電圧が誘起される、請求項１８に記載の方法。