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HEPA（/ ˈhɛpə /、高効率粒子状空気[ 1 ]または高効率粒子状物質除去[ 2 ] ）は、空気フィルターの効率基準です。[ 3 ] HEPAフィルターは、この基準を満たす空気フィルターです。
HEPAフィルターは一定の効率レベルを満たす必要があります。一般的な規格では、HEPAエアフィルターは通過する空気から、直径が0.3μmの粒子を少なくとも99.95%（ ISO、欧州規格）[ 4 ] [ 5 ]または99.97%（ASME、米国エネルギー省）[ 6 ] [ 7 ]除去する必要があり、ろ過効率は粒子の直径が0.3μm未満と0.3μmを超える両方の場合に向上します。[ 8 ] HEPAフィルターは、花粉、汚れ、ほこり、水分、細菌（0.2～2.0μm）、ウイルス（0.02～0.3μm）、およびサブミクロン液体エアロゾル（0.02～0.5μm）を捕集します。[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]アスペルギルス・ニガー、ペニシリウム・シトリナム、表皮ブドウ球菌、枯草菌などの一部の微生物は、光触媒酸化（PCO）を備えたHEPAフィルターによって捕捉されます。HEPAフィルターは、0.3 μm以下のウイルスや細菌も捕捉できます。[ 12 ] HEPAフィルターは、バクテロイデス、クロストリジウム、バチルスを含む床のほこりも捕捉できます。[ 13 ]
HEPAは1950年代に商品化され、当初の用語は登録商標となり、後に高効率フィルターの一般名称となった。 [ 14 ] HEPAフィルターは、ハードディスクドライブ、医療機器、半導体、原子力、食品、医薬品の製造など、汚染制御が必要な用途のほか、病院、 [ 15 ]家庭、車両などで使用されている。
HEPAフィルターは、ランダムに配置された繊維のマットで構成されています。[ 16 ]繊維は通常、直径が0.5～2.0マイクロメートルのポリプロピレンまたはグラスファイバーで構成されています。ほとんどの場合、これらのフィルターは、細い繊維が絡み合った束で構成されています。これらの繊維は、空気が通過する狭く曲がりくねった経路を作り出します。最大の粒子がこの経路を通過するとき、繊維の束は、粒子が通過するのを物理的にブロックする台所のふるいのように機能します。しかし、より小さな粒子が空気とともに通過するとき、空気がねじれたり曲がったりすると、小さな粒子は空気の動きについていけず、繊維に衝突します。最小の粒子は慣性が非常に小さく、個々の空気分子との衝突の結果としてランダムに動きます（ブラウン運動）。その動きのために、最終的に繊維に衝突します。[ 17 ]その機能に影響を与える主な要因は、繊維径、フィルターの厚さ、および面速度です。面速度とは、暖房換気空調（HVAC）システムの入口または出口で測定された空気速度です。面速度はm/sで測定され、体積流量（m 3 /s）を面面積（m 2）で割ることによって計算できます。HEPAフィルター繊維間の空気空間は、通常0.3 μmよりはるかに大きくなっています。開口部や孔よりも小さい粒子が通過できるふるいや膜フィルターとは異なり、HEPAフィルターはさまざまなサイズの粒子を対象とするように設計されています。これらの粒子は、次の3つのメカニズムの組み合わせによって捕捉されます（繊維に付着します）。
0.1 μm の直径の粒子サイズでは拡散が優勢であり、0.4 μm を超えると衝突と遮断が優勢になります。[ 18 ]その中間、最も透過しやすい粒子サイズ (MPPS) 0.21 μm 付近では、拡散と遮断の両方が比較的非効率的です。[ 19 ]これはフィルターの性能の最も弱い点であるため、HEPA 規格では、このサイズ (0.3 μm) 付近の粒子の保持を使用してフィルターを分類します。[ 18 ]ただし、MPPS より小さい粒子は、MPPS よりも高いろ過効率を持たない可能性があります。これは、これらの粒子が主に凝縮の核生成サイトとして機能し、MPPS 付近の粒子を形成する可能性があるためです。 [ 19 ]
HEPAフィルターは、非常に細かい粒子を効果的に捕捉するように設計されていますが、ガスや臭気分子をろ過しません。揮発性有機化合物、化学蒸気、タバコ、ペット、またはおならの臭いをろ過する必要がある状況では、HEPAフィルターの代わりに、またはHEPAフィルターに加えて、活性炭（木炭）または他のタイプのフィルターを使用する必要があります。 [ 20 ]気体汚染物質の吸着において粒状活性炭よりもはるかに効率的であるとされているカーボンクロスフィルターは、高効率ガス吸着フィルター（HEGA）として知られており、元々は化学兵器に対する防御として英国軍によって開発されました。[ 21 ] [ 22 ]
HEPAバッグフィルターは、より高価なHEPAフィルターの使用寿命を延ばすために、プレフィルター（通常は活性炭）と併用することができます。[ 23 ]このような構成では、ろ過プロセスの最初の段階は、空気中の大きなほこり、毛髪、PM10、花粉粒子のほとんどを除去するプレフィルターで構成されています。2番目の段階の高品質HEPAフィルターは、プレフィルターを通過したより細かい粒子を除去します。これは、エアハンドリングユニットで一般的です。
米国エネルギー省（DOE）の基準で定義され、ほとんどの米国産業で採用されているHEPAフィルターは、直径0.3マイクロメートル（μm）のエアロゾルの少なくとも99.97%を除去します。[ 24 ]フィルターの空気の流れに対する最小抵抗、つまり圧力損失は、通常、公称体積流量で約300パスカル（0.044psi ）と規定されています。[ 7 ] [ 25 ]
欧州連合で使用されている規格、ISO 29463 の由来となった欧州規格 EN 1822-1:2019 [ 4 ]では、特定の最大透過粒子サイズ (MPPS) での保持率によって、いくつかのクラスのフィルターが定義されています。効率的な粒子状空気フィルター(EPA)、高効率粒子状空気フィルター(HEPA)、および超低粒子状空気フィルター(ULPA) です。フィルターの平均効率は「全体」と呼ばれ、特定のポイントでの効率は「局所」と呼ばれます。[ 4 ]
比較のために、エアフィルターのさまざまなクラスも参照してください。
呼吸用保護具については、MSHAとNIOSH は、30 CFR 11 および 42 CFR 84 の下で、 0.3 ミクロンのDOP粒子を 99.97% 以上遮断するフィルターを HEPA と定義しています。1995 年に 42 CFR 84 に移行して以来、電動式空気浄化呼吸用保護具を除いて、HEPA という用語の使用は廃止されています。[ 26 ]ただし、ANSI Z88.2-2015 では、定義上、N100、R100、P100、および HE を HEPA フィルターとみなしています。[ 27 ]
一部の企業は、自社の空気清浄機がHEPA規格を満たしていることを消費者に保証するために、「True HEPA」というマーケティング用語を使用していますが、この用語には法的または科学的な意味はありません。[ 28 ]「HEPAタイプ」、「HEPAライク」、「HEPAスタイル」、または「99% HEPA」として販売されている製品は、HEPA規格を満たしておらず、独立した研究所でテストされていない可能性があります。そのようなフィルターはHEPA規格にかなり近いものもありますが、大幅に不足しているものもあります。[ 29 ]
一般的に（空気流量、ろ過される粒子の物理的特性、フィルター媒体の特性だけでなくろ過システム全体の設計のエンジニアリングの詳細などの要因によって多少の変動はあるものの）、HEPAフィルターは0.15～0.2μmのサイズ範囲の粒子を捕集するのが最も困難です 。[ 30 ] HEPAろ過は、それぞれマイナスイオンとオゾンガスを使用するイオン処理技術やオゾン処理技術とは異なり、機械的な手段で機能します。そのため、HEPA空気清浄機では、喘息[ 31 ]やアレルギーなどの肺の副作用を引き起こす可能性がはるかに低くなります。[ 32 ]
HEPAフィルターが効率的に機能するようにするには、商業施設では少なくとも6か月ごとにフィルターを点検して交換する必要があります。住宅では、一般的な周囲の空気の質にもよりますが、これらのフィルターは2～3年ごとに交換できます。HEPAフィルターを適時に交換しないと、機械やシステムに負荷がかかり、空気中の粒子を適切に除去できなくなります。さらに、システムの設計で選択されたガスケット材料によっては、HEPAフィルターが目詰まりすると、フィルターの周囲で空気の流れが大幅に迂回する可能性があります。[ 33 ]
医療用ろ過システムは、極端紫外線照射装置を使用し、抗菌コーティングを施したパネルを用いて、HEPAフィルター媒体に捕捉された生きた細菌やウイルスを効果的に殺菌します。
最高評価のHEPAフィルターの中には、99.995%という高い効率を誇るものもあり、空気感染による病気の伝播に対して非常に高いレベルの保護効果を保証します。
HEPAフィルターは、フィルター内に生きたウイルスが存在する空気中から、COVID-19を含むウイルスを除去することができます。そのため、感染リスクを軽減するために、パンデミックの間、病院ではHEPAフィルターの導入が急増しました。COVID-19パンデミック中にHEPAフィルターの導入を妨げていたサプライチェーンとコストの問題に対処するため、カリフォルニア大学デービス校の教授は、 crbox（コルシ・ローゼンタールボックス）と呼ばれるシンプルな自作空気清浄機を考案しました。これは、4つのMERV-13フィルターを立方体状に配置し、底を段ボールで作り、フィルターの側面をテープで密閉し、上部にファンを取り付けるというものです。MERV-13は、COVID-19の原因となる粒子を含む粒子を除去することもできます。これらの粒子は、他の物質と混ざり合って、実際のウイルスよりもかなり大きな粒子を形成します。さらに、新型コロナウイルス感染症のパンデミックにより、ダイソンやシャオミといった新規ブランドや既存ブランドから、新しい空気清浄機製品が市場に急増した。
多くの掃除機は、ろ過システムの一部としてHEPAフィルターを使用しています。これは、HEPAフィルターがアレルギーや喘息の症状を引き起こす微粒子（花粉やハウスダストダニの糞など）を捕らえるため、喘息やアレルギー患者にとって有益です。掃除機のHEPAフィルターが効果を発揮するには、掃除機が吸い込まれた空気がすべてフィルターを通して排出され、空気が漏れないように設計されている必要があります。これは「密閉型HEPA」または、より曖昧な「真のHEPA」と呼ばれることもあります。単に「HEPA」と表示されている掃除機にはHEPAフィルターが搭載されている場合もありますが、必ずしもすべての空気がフィルターを通過するわけではありません。最後に、「HEPAライク」として販売されている掃除機のフィルターは、通常、 HEPAと同様の構造のフィルターを使用していますが、ろ過効率は劣ります。真のHEPAフィルターは密度が高いため、HEPA掃除機は十分な清掃力を発揮するために、より強力なモーターを必要とします。
高品質の HEPA フィルターは、直径 0.3 ミクロンの塵粒子の 99.97% を捕らえることができます。比較のために、人間の髪の毛の直径は約 50 ～ 150 ミクロンです。つまり、真の HEPA フィルターは、人間の髪の毛の幅の数百分の 1 の粒子を効果的に捕らえていることになります。[ 34 ]一部のメーカーは、「HEPA 4」などのフィルター規格を謳っていますが、その意味を説明していません。これは、最小効率報告値(MERV) 定格を指します。これらの定格は、空気がフィルターを通過する際に空気から塵を除去する空気清浄機フィルターの能力を評価するために使用されます。MERV は、フィルターの全体的な効率を測定するために使用される規格です。MERV スケールは 1 ～ 16 の範囲で、10 ～ 0.3 ミクロンサイズの粒子を除去するフィルターの能力を測定します。定格の高いフィルターは、空気からより多くの粒子を除去するだけでなく、より小さな粒子も除去します。
暖房、換気、空調（HVAC）[ 35 ]は、HEPAフィルターなどのエアフィルターを使用して、屋内または車両内の空気から汚染物質を除去する技術です。汚染物質には、煙、ウイルス、粉末などが含まれ、屋外または屋内で発生する可能性があります。HVACは、快適な環境を提供するため、また汚染された都市で健康を維持するために使用されます。
現代の旅客機は、循環空気中の空気中の病原体の拡散を減らすためにHEPAフィルターを使用しています。批評家は、飛行機の客室内の空気の大部分が循環していると考えているため、空気ろ過システムの有効性とメンテナンス状況について懸念を表明しています。実際には、加圧された航空機内の空気のほぼすべては外部から取り込まれ、客室内を循環し、その後、航空機の後部にある排気弁から排出されます。[ 36 ]客室内の空気の約40%はHEPAフィルターを通過し、残りの60%は機外から取り込まれます。認定された空気フィルターは、空気中の粒子の99.97%を遮断および捕集します。[ 37 ]
2016年に、テスラ モデルXにはテスラ車としては世界初のHEPAグレードのフィルターが搭載されると発表されました。 [ 38 ]モデルXの発売後、テスラはモデルSにもオプションでHEPAエアフィルターを搭載するようにアップデートしました。[ 39 ]
HEPAフィルターの開発の着想は、第二次世界大戦で戦った兵士が着用していたガスマスクから生まれた。ドイツ軍のガスマスクに挿入されていた紙片は、化学煙に対する捕集効率が非常に高かった。イギリス陸軍化学部隊はこれを模倣し、自軍のガスマスク用に大量生産を開始した。作戦司令部では個人用ガスマスクが実用的ではないため、別の解決策が必要だった。陸軍化学部隊は、プリーツ状に深く折り畳まれたセルロースアスベスト紙とプリーツ間にスペーサーを組み込んだ、機械式送風機と空気清浄機を組み合わせた装置を開発した。これは「絶対」空気フィルターと呼ばれ、HEPAフィルターの開発に向けたその後の研究の基礎を築いた。[ 40 ]
HEPAフィルターの次の段階は1940年代に設計され、空気中の放射性汚染物質の拡散を防ぐためにマンハッタン計画で使用されました。[ 41 ]米陸軍化学部隊と国防研究委員会は、空気から放射性物質を除去するのに適したフィルターを開発する必要がありました。陸軍化学部隊は、ノーベル賞受賞者のアーヴィング・ラングミュアに、これらの放射性粒子をろ過する材料を作成するためのフィルター試験方法やその他の一般的な推奨事項を推奨するよう依頼しました。彼は、0.3ミクロンサイズの粒子が「最も透過しやすいサイズ」であり、最も困難で懸念されるサイズであると特定しました。[ 42 ]
1950年代に商品化され、元の用語は登録商標となり、後に高効率フィルターの一般名称となった。[ 14 ]
数十年にわたり、フィルターは進化を遂げ、航空宇宙、製薬業界、病院、医療、核燃料、原子力発電、集積回路製造など、さまざまなハイテク産業における空気質の要求の高まりに対応してきた。