空気清浄器

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背景

空気清浄機は、花粉、動物の皮屑、ほこり、カビの胞子などのアレルゲンに対する人々の反応に応じて進化しました。反応（くしゃみ、鼻水、目がかすれる、喘息発作などのさらに深刻な結果）は、家庭で見つかった抗原の結果です。これらの抗原は喘息の主要な引き金であり、米国だけで1,700万人以上の喘息患者がいます。空気清浄機はこれらの粒子の一部を除去するため、アレルギータイプの反応を軽減します。

アレルゲンはサイズが非常に小さいため、標準の掃除機バッグを通過して空中に再分配され、数日間滞在します。猫にアレルギーのある600万から1000万人のアメリカ人のほとんどで、1マイクログラムの猫アレルゲンでさえアレルギー反応を引き起こすのに十分です。バクテリアやウイルスなどの他の浮遊粒子は病気を引き起こす可能性があり、その一部は致命的です。アレルギー、喘息、致命的な病気など、米国では毎年何百万もの空気清浄機が販売されている理由はたくさんあります。

空気中の病気やアレルギーの原因となる粒子の一部またはすべてを除去できる空気清浄機には、2つの一般的なタイプがあります。機械式フィルター（最も効果的なものは高効率粒子状空気フィルター（HEPAフィルター）に分類されます）と電気集じん器です。

HEPAフィルターは、直径が1ミクロン未満の非常に細いガラスネジでできています（ミクロンは0.00004インチ、0.001 mmです）。比較すると、人間の髪の毛の直径は約75ミクロン（0.003インチ、0.07 mm）です。細いガラス糸を絡ませて圧縮し、フィルターマットを形成します。個々の糸は非常に微細であるため、マットのほとんどは空気で構成されています。マットの開口部は非常に小さく、通常0.5ミクロン（0.00002インチ、0.0005 mm）未満です。 HEPAフィルターは、直径0.3ミクロン（0.00001インチ、0.0003 mm）までの粒子を収集します。フィルタの幅はわずか0.10インチ（2.5 mm）ですが、2,500層のガラス糸で構成されます。

電気集じん器は、空気から粒子を取り除くために静電力に依存しています。それらは、塵の粒子が通過することを強制される自由電子の雲を作成することによって機能します。ほこりの粒子がプラズマを通過すると、それらは帯電し、収集しやすくなります。電気集じん器は、直径0.01ミクロン（0.00001 mm）までの粒子を集めることができます。

HEPAフィルターも電気集じん器も空気から揮発性有機化合物を除去できないため、臭いを減らすために何もしません。このため、ほとんどの空気清浄機には、活性炭で構成されたプレフィルターまたはポストフィルターが装備されています。活性炭は、炭素源（ココナッツの殻、古いタイヤ、骨など）を酸素のない状態で非常に高温で加熱することによって生成されます。このプロセスは、熱分解または破壊蒸留としても知られています。熱分解は、原料に含まれる他の材料から純粋な炭素を分離します。次に、純炭素は1,500°F（800°C）の蒸気にさらされます。高温蒸気が炭素を活性化します。活性化プロセスは、炭素粒子に何百万もの亀裂を形成します。これらの亀裂の直径は約0.002ミクロン（0.000002 mm）です。亀裂が非常に多いため、活性化プロセスにより、重量あたりの表面積が約6.5エーカー/オンス（1,000 m ² ）になります。 / g）。何百万もの亀裂が、有機化合物を吸着できる場所を提供します。さらに、炭素の表面には残留電荷があり、非極性の化学物質（正電荷と負電荷が分離されていない化学物質）を引き付けます。活性炭は臭気発生化合物の吸着に非常に効果的です。

歴史

人間が集団で生活している限り、空気の純度は懸念事項でした。狩猟採集民が遊牧民である理由の1つは、定期的にゴミ捨て場やトイレから離れる必要があることです。 A.D. 61、ローマの哲学者セネカは、ローマに絶えずぶら下がっている煙突の煙のミアズマについて不平を言いました。 1306年、イギリスのエドワード1世は、大気中に大量の汚染物質が残っていたため、ロンドンでの石炭の燃焼を禁止しました。

18世紀と19世紀の産業革命は、問題を悪化させるだけでした。電気と燃料列車を生産するために石炭を燃やすと、世界のすべての主要な産業の中心地に暗い煙の雲が発生し、都市全体がすすで覆われました。この問題に対処するために、エンジニアはより高い煙突を構築して、空中の廃棄物を発生源からさらに遠ざけました。煙突がどれほど高くなったとしても、風下の人々は、灰と石炭燃焼（酸性雨の源）からの酸性ガスが彼らの作物を破壊することについて不平を言いました。第二次世界大戦後、自動車が工業化された世界の主要な輸送手段になったとき、大気汚染はさらに悪化しました。自動車のスモッグは、ロサンゼルスに世界で最も悪い空気の質をもたらしました。

原材料

HEPAフィルターと電気集じん器の両方に入る材料は次のとおりです：プラスチック製のケース、フィルターを通る空気の流れを誘発する電動ファン、フィルター自体、およびファンの速度を制御して空気清浄機を回すための制御スイッチオンとオフ。 HEPAフィルターは、ホウケイ酸ガラス繊維またはプラスチック繊維（ポリプロピレンなど）を最大5％のアクリルバインダー（ラテックス塗料を家に結合するのと同じ化合物）で結合したものです。電気集じん器は、接地された鋼製充電プレートの間に設置された鋼線に非常に高い正の直流電圧を流すことによってイオンを生成します。ケースはほとんどの場合、プラスチック、通常は耐衝撃性の高いポリスチレン、ポリ塩化ビニル、高密度ポリエチレン、またはポリプロピレンでできています。ほとんどの空気清浄機には、通常、活性炭で構成されたポストフィルターが装備されています。

デザイン

HEPAフィルターは、除去する粒子のサイズと必要な空気流量に基づいて設計されています。 HEPA材料の細孔が細かいほど、空気から除去される粒子は細かくなります。ただし、より細かい粒子を収集することは、フィルター材料がより早く詰まり、より頻繁に交換する必要があることを意味します。設計者は、ガラス繊維の直径と、フィルターの細孔サイズを固定するフィルターファブリックのマット密度を指定します。 HEPAフィルターは、追加の強度を提供するバインダーを含むことができますが、これはまた、より早く詰まるフィルターを生成します。

電気集じん器の設計はかなり複雑です。家庭用電気集じん器は通常、イオン化コンポーネント（電子雲が生成される場所）と収集コンポーネント（帯電したダスト粒子が空気から引き出される場所）の2つのコンポーネントを持つように設計されています。収集コンポーネントは、一連の平行な鋼板で構成されています。半分は接地され、半分は正の直流電圧を流します。したがって、交互のプレートは正または負に帯電します。電離ユニットは、コレクタープレートに平行であるがその前に設置された、接地された鋼製電離プレートの別個のセットの間に張られた細いワイヤーで構成されています。細いワイヤーは非常に高い正の電圧の直流を運びます（家庭用空気清浄機で最大25,000ボルト）。ワイヤーの正電荷は、ワイヤーと隣接する電離板の間に電子の流れを引き起こします。ワイヤーには非常に高い電圧があるため、重力加速度の約1,000倍の加速度で電子がワイヤーに向かって押し出され、電子が非常に高速に加速されます。たとえば、ヒョウヒダニの排泄物の粒子がワイヤーを通過して浮遊すると、高速電子が粒子の分子内の電子と衝突してノックします。 電気集じん器とそのコンポーネントの例。それらのいくつかは無料です。これらの分子が電子を失うと、それらは正の電荷を帯び、したがって負に帯電したコレクタープレートに引き付けられます。設計者は、集塵器を通過する粒子をイオン化するのに十分な数の電子を生成するのに十分な高さの電圧を選択し、集じん器ファンがそれらを引っ張る前にイオン化されたダスト粒子がプレートに捕捉されるように、コレクタープレートを十分に接近させて配置する必要があります完全に空気清浄機を通過します。

製造
プロセス

ケース

• 1原材料（耐衝撃性ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、高密度ポリエチレン、またはポリプロピレン）のペレットをホッパーに供給し、融点300〜590°F（150〜310°C）まで加熱します。 。
• 2溶融プラスチックを高圧下でケースの金型に射出します。金型は通常、熟練した金型メーカーによって工具鋼で作られています。金型内の通気孔により、プラスチックが入るときに連行空気を逃がすことができます。金型設計者は、金型がプラスチックで均一に充填され、混入した空気がすべて逃げることができることを確認する必要があります。そうしないと、最終部品に小さな気泡やボイドが含まれる可能性があります。
• 3金型に組み込まれたチャネルに水を強制的に通して、溶融プラスチックから環境に熱を伝達します。部品が十分に冷えると（最大2分かかる場合があります）、金型が開きます。油圧作動のピンが部品を開いた金型から受け入れビンに押し出します。

ファン

• 4扇風機を使用して、空気清浄機から空気を吸い込みます。ファンは通常、小さな部品のサプライヤーから購入します。ファンは、モーターのパワーテイクオフに取り付けられた金属製のファンブレードを備えた小さな電気モーターで構成されています。ファンブレードは通常、カラーにスポット溶接され、カラーはパワーテイクオフに滑り込ませてボルトで固定されます。
• 5ファンは通常、スチール製のネジでケースに取り付けられています。

HEPAフィルター

1. HEPAフィルターを構成するガラス繊維は、溶融ガラスまたはプラスチックを回転ノズルの非常に細かい細孔に通すことによって作成されます。得られたガラス繊維は、直径が小さいため、ほぼ瞬時に冷却および硬化します。
2. 回転するノズルは、繊維が集められる移動するコンベヤーベルトの上を前後に移動します（ガラス繊維がウェブを形成します）。コンベヤーベルトの速度によってフィルター材料の厚さが決まります。コンベヤーベルトが遅いと、ベルト上により多くのガラス繊維が蓄積します。
3. 繊維の溶融と冷却により、繊維がある程度結合します。コンベヤーが進むにつれて、ラテックスバインダーが布にスプレーされて強度が増します。生地は、機械の実用的なサイズまでの任意の幅にすることができ、生地をローラーに巻き取る前に、顧客が指定したサイズにカットすることができます。
4. HEPAマットが形成されると、自動フォルダーでアコーディオンパターンに折りたたまれます。アコーディオンパターンでは、最大50フィート ² が可能です。 （5 m ² ）小さなスペースに囲まれるフィルター材料の。
5. 次に、アコーディオン型のフィルターは、通常は開いたワイヤーグリッドで構成されるフィルターケースに入れられます。フィルターケースの目的は、フィルターをサポートすることです。

電気集じん器

1. 電気集じん器収集システムは、多くの場合手作業で組み立てることにより、鋼板をプラスチックケースに封入することによって製造されます。ケース内のプレートは互いに平行に配置されています。
2. 次に、ワイヤを代替プレートに接続します。このプレートを介して、高電圧の正の直流電流がプレートに印加されます。他のプレートは接地されています。
3. イオン化ユニットは、コレクタープレートの前に小径のワイヤーを配線することで構成されています。
4. 115ボルトの家庭用交流を高電圧直流に変換するために使用される変圧器が沈殿器ケースに固定されています。この電圧は、正に帯電したコレクタープレートと電離線の両方に流れます。

活性炭フィルター

• 1活性炭フィルター（臭気低減用）は通常、カーボンを染み込ませた布またはフォームで構成されています。これは、原料に粉末活性炭を注入することによって製造されます。
• 2次に、カーボンフィルターをHEPAフィルターの内側または外側に巻き付けるか、電気集じん器の入口または出口のいずれかでフレームに引き伸ばします。

アセンブリ

• 3空気清浄機にはコンポーネントがほとんどありません。このため、通常はベンチで組み立てられます。ベンチアセンブリでは、コンベヤを動かすと、個々のコンポーネントまたはサブアセンブリ（たとえば、すでにケースに取り付けられているファン）がベンチに運ばれ、そこで人が手で組み立てます。一般的なHEPA空気清浄機では、組み立てが必要なコンポーネントは、ケーシング、ファン、パティキュレートフィルター、カーボンフィルター、オン/オフスイッチの5つだけです。

品質管理

フィルター効率は、空気清浄機の最も重要な品質管理テストです。米国材料試験協会（ASTM）は、フィルターが特定のアプリケーションで使用される前、またはHEPAフィルターとして販売される前に満たす必要のある品質管理テストを公開しています（例：ASTM-F50：空気中の粒子の連続的なサイジングとカウントの標準的な方法単一のサブマイクロメートル以上の粒子を検出できる機器を使用した粉塵管理区域およびクリーンルーム）。米国国防総省は、フタル酸ジオクチル（DOP）粒子をフィルターに吹き込む規格を公布しました。合格するには、フィルターは流入DOPの99.97％を除去する必要があります。

副産物/廃棄物

製造の副産物には、活性炭の製造から蒸留された非炭素材料、仕様フィルター材料、およびHEPAフィルターの製造で廃棄しなければならない余分な材料が含まれます。他の製造廃棄物のほとんど、射出成形機からのプラスチックランナー、および余分な板金はリサイクルできます。

エアフィルターの操作中に追加の廃棄物が発生します。電気集じん器によって生成されたイオンは、空気中の酸素と相互作用してオゾンを生成します。高濃度では、オゾンは有毒です。家庭用電気集じん器で生成されるオゾンレベルが危険なレベルに達する可能性は低いですが、一部の人々は低レベルのオゾンにさえ敏感です。電気集じん器のコレクタープレートは定期的に清掃する必要があります。

HEPAフィルターは、フィルターを通してろ過される空気の量と空気中の粒子の量に応じて、寿命が限られています。ほとんどのメーカーは、数年ごとに交換することを推奨しています。使用済みのフィルターはリサイクルできないため、最終的には埋め立て処分されます。

活性炭はリサイクルできますが、家庭用空気清浄機に含まれる少量の炭素を取り扱うコストは法外なものになります。一般的に、それは完全に使用された後、埋め立て地にもなります。

未来

科学者が環境汚染物質とそれらが人間の健康に与える影響についてさらに学ぶにつれて、家庭やオフィスでよりきれいな空気を提供する必要性は高まるばかりです。現世代のHEPAフィルターは、直径0.3ミクロン（0.00001インチ、0.0003 mm）までの粒子しか除去できませんが、直径0.1ミクロン（0.0001 mm）までの粒子は、肺組織に機械的損傷を引き起こす可能性があると考えられています。ウイルスは、直径0.02ミクロン（0.00002 mm）まで小さくすることができます。明らかに、室内空気汚染の管理にはまだ進歩があります。現在の技術の方向性は、これまで以上に微細なフィルター材料に向かっています。ろ過の新しい標準は、Ultra Low PenetratingAirの略であるULPAフィルターです。 ULPAフィルターは、直径0.12ミクロン（0.00012 mm）までの粒子を除去できる必要があります。これは、HEPAフィルターが除去できる最小の粒子の直径の約3分の1です。

詳細情報

本

クーパー、デビッドC.、およびF.C.アレイ。 大気汚染防止：設計アプローチ。 イリノイ州プロスペクトハイツ：Waveland Press、Inc.、1994年。

ゴディッシュ、サド。 屋内環境品質。 ニューヨーク：ルイス出版社、1999年。

Mycock、John C.、etal。 大気汚染防止工学と技術のハンドブック。 ニューヨーク：ルイス出版社、1995年。

定期刊行物

Christiansen、S。C.、etal。 「サンディエゴの都心部で喘息を患う主にヒスパニック系の子供たちの環境アレルゲンへの曝露と感作。」 Journal of Allergy and Clinical Immunology （1996年8月）：288-294。

その他

「電気集じん器」。 Tin Works、Inc。 2001年6月3日。。

「フィルターメディア」 Mac機器。 2001年6月3日。。

「プラスチック：射出成形」。 アメリカインダストリアルデザイナー協会。 2001年6月17日。。

ジェフ 雨