ヘパ

ヘパ
HEPA フィルターの波形内部構造とアルミニウム サポート、およびその機能原理の説明 (高密度の不織布繊維材料による塵粒子の遮断、衝突、拡散)
概要
その他の名前	高効率微粒子空気、高効率微粒子捕集フィルター、HEPA
標準	DOE NE F 3-45、EN 1822、ISO 29463
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HEPA（/ ˈ h ɛ p ə /、高効率粒子状空気）フィルター^[1]は、高効率粒子捕集フィルター^[2]としても知られ、空気フィルターの効率基準です。^[3]

HEPA規格に適合するフィルターは、一定の効率性を満たさなければなりません。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DOE）^{[6] [7]}除去することが求められており、ろ過効率は粒子径が0.3μm未満でも0.3μmより大きい場合でも増加します。^[8] HEPAフィルターは、花粉、汚れ、ほこり、湿気、バクテリア（0.2～2.0μm）、ウイルス（0.02～0.3μm）、およびサブミクロンの液体エアロゾル（0.02～0.5μm）を捕捉します。^{[9] [10] [11]}一部の微生物、例えば、Aspergillus niger、Penicillium citrinum、Staphylococcus epidermidis、Bacillus subtilis 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 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、桿菌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、元の用語は登録商標になり、後に高効率フィルターの一般的な商標になりました。^{[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、医薬品の製造などの}汚染制御を必要とする用途のほか、病院、^[15]家庭、車両 でも使用されています。

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の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複雑な経路を作成します。最も大きな粒子がこの経路を通過するとき、繊維の束はキッチンのふるいのように動作し、粒子の通過を物理的にブロックします。ただし、より小さな粒子が空気と一緒に通過する場合、空気がねじれたり回転したりするため、より小さな粒子は空気の動きについていくことができず、繊維に衝突します。最も小さな粒子は慣性がほとんどなく、個々の空気分子との衝突の結果としてランダムに移動します（ブラウン運動）。その動きのために、繊維に衝突することになります。^[17]その機能に影響を与える主な要因は、繊維の直径、フィルターの厚さ、および面速度です。面速度は、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の速度です。面速度はm/sで測定され、体積流量（m ³ /s）を面面積（m ²）で割って計算できます。HEPAフィルターの繊維間の空気空間は、通常、0.3μmよりもはるかに大きいです。HEPAフィルターは、最小の粒子状物質を非常に高いレベルでろ過します。開口部や細孔よりも小さな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粒子サイズ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）。

1. 拡散: 0.3 μm 未満の粒子は、HEPA フィルターで拡散によって捕捉されます。このメカニズムは、最小の粒子、特に直径 0.1 μm 未満の粒子がガス 分子と衝突することによって生じます。小さな粒子は効果的に吹き飛ばされたり跳ね返ったりして、フィルター メディアの繊維に衝突します。この動作はブラウン運動に似ており、粒子が捕捉または衝突によって停止される可能性が高くなります。このメカニズムは、空気の流れが低い場合に優勢になります。
2. 捕捉: 空気流の流れに沿って進む粒子が繊維の半径内に入ってきて繊維に付着します。このプロセスによって中サイズの粒子が捕捉されます。
3. 衝突: 大きな粒子は、空気流の曲線に沿って繊維を避けることができず、繊維の 1 つに直接埋め込まれます。この効果は、繊維の分離が減少し、空気流の速度が速くなるにつれて大きくなります。

0.1μm以下の粒子サイズでは拡散が優勢ですが、0.4μmを超えると衝突と遮断が優勢です。^[18]その中間、最も透過性の高い粒子サイズ（MPPS）0.21μm付近では、拡散と遮断はどちらも比較的効率が悪いです。^[19]これがフィルターの性能の最も弱い点であるため、HEPA仕様では、このサイズ（0.3μm）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よりも小さい粒子では、MPPSよりも高いろ過効率が得られない可能性があります。これは、これらの粒子が主に}凝縮の核形成部位として機能し、MPPS付近で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、非常に微細な粒子を効果的に捕らえるように設計されていますが、ガスや臭い分子をろ過するものではありません。揮発性有機化合物、化学蒸気、タバコ、ペット、または放屁の臭いをろ過する必要がある場合は、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]カーボンクロスフィルターは、気体汚染物質の吸着において粒状活性炭よりも何倍も効率的であると言われており、高効率ガス吸着フィルター（HEGA）として知られており、もともとは英国軍が化学戦に対する防御として開発しました。^{[21] [22]}

HEPAバッグフィルターは、プレフィルター（通常は活性炭）と組み合わせて使用​​することで、より高価なHEPAフィルターの寿命を延ばすことができます。^{[23]このような設定では、}ろ過プロセスの第1段階はプレフィルターで構成され、空気中の大きなほこり、髪の毛、PM10、花粉粒子のほとんどを除去します。第2段階の高品質HEPAフィルターは、プレフィルターから逃げるより細かい粒子を除去します。これは、空調ユニットで一般的です。^[要出典]

HEPAフィルターは、米国のほとんどの産業界で採用されている米国エネルギー省（DOE）規格で定義されているように、直径0.3マイクロメートル（μm）のエアロゾルを少なくとも99.97％除去します。^[24]フィルターの最小気流抵抗、つまり圧力降下は、通常、公称体積流量で約300パスカル（0.044 psi）と指定されています。^[7]

欧州連合で使用されている仕様：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）での保持力によって、効率的な微粒子エアフィルター（EPA）、高効率微粒子エアフィルター（HEPA）、超低微粒子エアフィルター（ULPA）など、いくつかのクラスのフィルターを定義しています。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「ローカル」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。

呼吸器に関しては、MSHAとNIOSHは30 CFR 11と42 CFR 84に基づき、 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年の42 CFR 84への移行以来、電動空気清浄呼吸器を除いてHEPAという用語は使用されていません。^[25]

一部の企業は、消費者に自社のエアフィルターがHEPA基準を満たしていることを保証すべく「真の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。^[26]「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基準を満たしておらず、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。このようなフィルターはHEPA基準にかなり近いかもしれませんが、大幅に基準を満たしていないものもあります。^[27]

一般的に言えば（空気流量、濾過される粒子の物理的特性、濾過システム全体の設計の技術的詳細、濾過媒体の特性などの要因によって多少の変動はありますが）、HEPAフィルターは0.15～0.2μmのサイズ範囲の粒子を捕らえるのが最も困難です。^{[28] HEPA濾過は、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、喘息^[29]やアレルギーなどの肺の副​​作用を引き起こす可能性は、HEPA浄水器でははるかに低くなります。^[30]

HEPAフィルターが効率的に機能していることを確認するために、商業施設では少なくとも6か月ごとにフィルターを検査し、交換する必要があります。住宅環境では、一般的な周囲の空気の質に応じて、これらのフィルターを2〜3年ごとに交換できます。HEPAフィルターを適切なタイミングで交換しないと、機械やシステムに負担がかかり、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フィルターが詰まると、フィルターの周りの空気の流れが広範囲にバイパスされる可能性があります。^[31]

HEPA フィルターは、空気中の細菌やウイルスの拡散を防ぎ、感染を防ぐのに不可欠です。通常、医療用 HEPA フィルター システムには、フィルター メディアに捕捉された生きた細菌やウイルスを殺すために、高エネルギー紫外線ユニットまたは抗菌コーティングが施されたパネルも組み込まれています。 [^{引用が必要]}

最高評価の HEPA ユニットの中には、効率評価が 99.995% のものもあり、空気感染による病気の伝染に対する非常に高いレベルの保護を保証します。^[要出典]

多くの掃除機は、濾過システムの一部として HEPA フィルターも使用しています。これは喘息やアレルギー患者にとって有益です。なぜなら、HEPA フィルターは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のダニの排泄物 など) を捕らえるからです。掃除機の HEPA フィルターが効果を発揮するには、掃除機は、吸い込まれた空気がすべてフィルターを通過し、フィルターを通り抜けて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」と呼ばれることが多く、より漠然とした「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 フィルターが付いている場合がありますが、必ずしもすべての空気が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ますが、濾過効率は高くありません。真の HEPA フィルターは密度が高いため、HEPA 掃除機では十分な清掃力を発揮するためにより強力なモーターが必要になります。^{[引用が必要]}

新しいモデルの中には、「洗える」フィルターを搭載することで、以前のモデルよりも優れていると主張するものもあります。一般的に、洗える真の HEPA フィルターは高価です。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。比較すると、人間の髪の毛の直径は約 50 ～ 150 ミクロンです。したがって、真の HEPA フィルターは、人間の髪の毛の幅の数百倍の粒子を効果的に捕らえています。^[32]一部のメーカーは、その意味を説明せずに、「HEPA 4」などのフィルター基準を主張しています。^{[引用が必要]}これは、最小効率報告値(MERV) 評価を指します。^{[引用が必要]}これらの評価は、空気清浄機フィルターがフィルターを通過するときに空気から塵を取り除く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標準です。MERV スケールの範囲は 1 ～ 16 で、10 ～ 0.3 マイクロメートルの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。より高い評価のフィルターは、空気中の粒子をより多く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）^[33]は、HEPAフィルターなどの空気フィルターを使用して、屋内または車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、粉末などがあり、屋外または屋内で発生する可能性があります。HVACは環境の快適さを提供するために使用され、汚染された都市では健康を維持するために使用されます。^[要出典]

現代の旅客機は、循環空気中の空中病原菌の拡散を抑えるために HEPA フィルターを使用しています。批評家は、機内の空気の多くが循環していると考えており、空気濾過システムの有効性と修理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が外部から取り込まれ、客室内を循環し、機体後部の排気弁から排出されます。^[34]客室内の空気の約 40 パーセントが HEPA フィルターを通過し、残りの 60 パーセント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、空中粒子の 99.97 パーセントをブロックして捕捉します。^[35]

2016年、テスラモデルXに世界初の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。^[36]モデルXの発売に続いて、テスラはモデルSをアップデートし、オプションでHEPAエアフィルターも搭載しました。^[37]

HEPA フィルターの開発の背後にあるアイデアは、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ました。ドイツのガスマスクに挿入されていた紙片は、化学煙の捕集効率が驚くほど高かったのです。イギリス陸軍化学部隊はこれを模倣し、自軍の軍用ガスマスク用に大量生産し始めました。彼らは、ガスマスクを個別に装着することが困難な作戦本部用に別の解決策を必要としていました。陸軍化学部隊は、セルロースアスベスト紙を深く折り曲げ、折り目の間にスペーサーを入れた機械式送風機と空気清浄機を組み合わせたユニットを開発しました。これは「絶対」エアフィルターと呼ばれ、HEPA フィルターの開発に向けたさらなる研究の基盤となりました。^[38]

HEPAフィルターの次の段階は1940年代に設計され、マンハッタン計画で空中放射性汚染物質の拡散を防ぐために使用されました。^[39]米国陸軍化学部隊と国防研究委員会は、空気中の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テスト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「最も浸透しやすいサイズ」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。^[40]

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的な商標となった。^[14]

数十年にわたり、フィルターは、航空宇宙、製薬業界、病院、ヘルスケア、核燃料、原子力、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品質に対するますます高まる要求を満たすために進化してきました。^{[引用が必要]}

• 空気清浄機 – 室内の空気から汚染物質を除去する装置
• 清浄空気供給率 – 濾過効率測定
• クリーンルーム – 研究や生産のためのほこりのない部屋
• 電気集塵機 - 濾過装置 - 高電圧で粒子を捕らえる
• 低アレルギー性掃除機- 高効率エアフィルター付き掃除機
• 最小効率報告値 – 空気フィルターの有効性の測定スケール (MERV)
• 呼吸器 – 汚染物質の吸入からユーザーを保護するために着用する装置
• ULPA – ほこり、花粉、カビ、バクテリア、120 nm (0.12 μm) を超える粒子を 99.999% 除去します。
• 紫外線殺菌照射 - 紫外線を用いた消毒方法
• コルシ・ローゼンタールボックス

• TSI アプリケーション ノート ITI-041: 高効率繊維フィルターのろ過メカニズム

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