JPH08502924A - フィルターエレメント及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 フィルターエレメント（１０）が、中空コア（１５）を有する多孔、厚壁、積層、自己支持形の樹脂含浸結合繊維状の管状フィルター構造（１１）；中空コアに隣接しフィルター構造の大部分を形成する第１の大きい孔の大きさの多孔媒体の内側シェル（２０）；及び第１の多孔媒体よりも微細で内側シェルに隣接する第２の小さい孔の大きさの多孔媒体の外側シェル（２１）から成り、第１及び第２の多孔媒体が樹脂含浸結合である。中空コア（１５）を有する多孔、厚壁、積層、自己支持形の樹脂含浸結合繊維状の管状フィルターエレメントの製造方法が、第１の大きい孔の大きさの多孔媒体の内側シェルを形成させる工程；第１の多孔媒体よりも微細で内側シェル上に第２の小さい孔の大きさの多孔媒体の外側シェルを形成させる工程；内側シェル及び外側シェルを樹脂結合剤と共に含浸させる工程；及び積層、自己支持形の樹脂含浸結合繊維状の管状フィルターエレメントを形成させるために樹脂をキュアリングする工程から成る。

Description

【発明の詳細な説明】 フィルターエレメント及びその製造方法技術分野 本発明は、フィルターエレメント及びその製造方法に関する。より特定的に、 樹脂含浸結合繊維状材料 (resin impreqnated andbonded fibrous material) か ら成り、樹脂含浸結合繊維状材料から成る周知のフィルターエレメントよりも高 効率なフィルターエレメントが提供される。背景技術 自己支持形 （self-supporting） 樹脂含浸結合繊維構造であるフィルターエ レメントが従来技術において周知である。このようなフィルターの好適実施例は 、アンダーソン (Anderson) の米国特許第２５３９７６７号及び第２５３９７６ ８号で説明され、結合システムが水溶性熱硬化性樹脂であるところのＭＩＣＲＯ −ＫＬＥＡＮ （登録商標） （クノ・インコーポレイテッド (Cuno,Incorporate d) 、コネチカット州メリデン）でここでの出願人によって製造販売されている 。広く、これらフィルターエレメントは、全体的に樹脂含浸結合繊維状材料から 成る比較的剛性の自己支持形多孔厚壁の管状部材である。フィルターエレメント は、液体やガスを差圧のもとで径方向内向きに流すことによって濾過するために 使用される。 典型的に、フィルターエレメントは、孔の大きさが外面に向けて 外向きに急激に連続的に増加し段階的な孔隙率の繊維状構造を設けることにより 、その濾過効率に一致した汚染物の最大処理能力が得られるように設計される。 このような段階的な孔隙率、又は密度、の効能により、流体が連続的により小さ い孔を通じて内側に向けて流れると、濾過される特定的な汚染物が、その大きさ に従って、変化する深度へ浸透する。よって、エレメントが交換を要する前の断 続的な一層長い有効寿命を有するフィルターエレメントは、流れに影響すること なくより多くの塊 (solid) を収容することができる。 例えば、アンダーソンでは、フィルターエレメントの段階的な孔隙率は、樹脂 含浸繊維をこのような繊維の一様な分散水 (aqueous uniform dispersion) から 真空付着させることによって違成され、このような付着において使用される真空 の量と使用される繊維原料の合成及び特性とに関して、制御した条件のもとでな される。 剛性の自己支持形多孔厚壁管状フィルターエレメントを製造するこの方法は、 ４０年以上にわたて有用に用いられてきた。しかし、一層小さい汚染物粒子を除 去できる高効率のフィルターエレメントの開発及び製造に対して特有の制眼を与 えてきた。従来技術でよく知られているように、このような高いフィルター効率 を達成するには、ガラス微小繊維 (microfiber) のような非常に小さい直径の繊 維の使用が必要である。このような微小繊維の十分な量を含む分散水が、要求さ れる真空付着の間、非常にゆっくりとした形成速度 (formation rate) である。 多くの場合においては、このような微小 繊維分散から要求される厚壁管状フィルターエレメントを真空付着によって形成 させることが不可能であることが証明されてきた。同様に、このようなフィルタ ーエレメントを含浸させ、乾燥させ、キュアリングさせることが、液体又はガス の流れに対する高い抵抗性のため、不可能ではないにしろ、困難であることが証 明されてきた。最近の従来技術のＭＩＣＲＯ-ＫＬＥＡＮ （登録商標） プロセ スを使用して製造される最も高い効率のカートリッジは、８マイクロメーターの 公称（９０パーセントの粒子の除去効率）の割合に実用的に制眼される。高効率 カートリッジを製造する他の方法があるが、全ては、高価な原材料の使用及び／ 又はプロセスを含んでいる。そこで、従来技術では達成し得なかった８マイクロ メーター以下の割合の低コストで経済的な剛性自己支持形樹脂含浸結合フィルタ ーエレメントに対して、明らかな産業上の必要性がある。発明の開示 したがって、本発明の目的は、樹脂結合繊維から成るフィルターエレメントで あって、このタイプの現存するフィルターエレメントよりも高効率を有するフィ ルターエレメントを提供することである。 本発明の他の目的は、第１の多孔媒体の内側シェルと、第１の多孔媒体よりも 一層微細な第２の多孔媒体の外側シェルとから成る高効率フィルターエレメント を提供することである。 本発明のその他の目的は、２つの層の樹脂含浸結合繊維材料から成る高効率フ ィルターエレメントの製造方法を提供することであ る。 先述の目的の少なくとも１つ又はそれ以上と共に周知の方法にわたって以下の 明細書から明らかになるその利点が、後述の説明及ぴ請求の範囲のような発明に よって達成される。 一般に、本発明は、中空コアと、中空コアに隣接しフィルター横造の箸名な部 分を形成する第１の大きい孔の大きさの多孔媒体の内側シェルと、内側シェルに 隣接し第１の多孔媒体よりも微細な第２の小さい孔の大きさの多孔媒体の外側シ ェルとを有し、第１及び第２の多孔媒体が樹脂含浸結合であるところの多孔、厚 壁、積層、自己支持形で繊維状の管状フィルター構造から成るフィルターエレメ ントを提供する。 本発明はまた、第１の大きい孔の大きさの多孔媒体の内側シェルを形成する工 程と、第１の多孔媒体よりも微細で内側の大きい孔の大きさのシェル上に第２の 小さい孔の大きさの多孔媒体の外側シェルを形成する工程と、水溶性熱硬化性樹 脂接着剤と共に内側シェル及び外側シェルを含浸させる工程と、積層、自己支持 形で繊維状の管状フィルターエレメントを形成するために樹脂をキュアリングす る工程とから成る多孔、厚壁、積層、自己支持形で繊維状の管状フィルターエレ メントの製造方法を提供する。図面の簡単な説明 図１は、一部分を破断させた、本発明のフィルターエレメントの斜視図である 。 図２は、図１の２−２線に実質的に沿った断面図である。 図３は、図１の３−３線に実質的に沿った縦方向の図である。 図４は、図４で囲まれた領域の拡大断片図である。発明を実施するための好適実施例 本発明により示されるフィルターエレメントの新規性を除き、このタイプのフ ィルターエレメントがその製造方法と同様に従来技術においてよく知られている 。前述したように、これらは、例えば、出願人のアンダーソンの米国特許第２５ ３９７６７号及び第２５３９７６８号で説明されるように製造され、開示全体が ここに組み入れられている。最近のＭＩＣＲＯ-ＫＬＥＡＮ （登録商標） 製造 プロセスにおいて、繊維が一様な分散水から真空付着されそれに続いて水溶性熱 硬化性樹脂に真空含浸されるように、アンダーソンのプロセスが変更されてきた 。したがって、本発明のフィルターエレメントは一般に、全体的に樹脂含浸結合 繊維状材料から成る比較的剛性な自己支持形多孔厚壁管状部材から成る。 典型的に、このタイプのフィルターエレメントは、濾過される流体、液体又は ガスの入口と濾過の出口とを備えるフィルターハウジング内に気密に配列される 。ハウジング又はカートリッジ内で、手段が、流体をエレメントの径方向最外側 表面へ方向付けるために設けられ、ここで、流体は、次に、圧力下で径方向内側 に向けて流され、濾過され、中央中空コアを介して軸方向に出る。このような使 用の環境はよく知られ本発明の新規性を構成しないことが理解される。したがっ て、このようなハウジング及び流体の通路が図示されてこなかった。 同様にして、このタイプの一層しっかりとし一層効率的なフィルターエレメン トを提供するため、濾過されない流体又は濾過された粒子による汚染物によって フィルターのバイパスを防止するために、フィルターエレメントの端部を気密に することが必要となってきた。このような気密に効果的な１つの特定的に有用な 手段が、ポリエチレン閉鎖セルフオーム (polyethylene closed cell foam) か ら成る各々の端部にガスケットを用いることである。このようなフォームは従来 技術においてよく知られ、好適なブランドは登録商標ＶＯＬＡＲＡ及びＭＩＮＩ ＣＥＣでマス (Mass.) 、ローレンス (Lawrence) めボルテック (Volteck) によ て販売され、前者が好適である。このタイプのフィルターエレメントを気密にす るためのこのようなガスケットの使用は、出願人により所有される米国特許第５ ０１５３１６号及び第５０２８３２７号に説明され、その課題事項が参照されこ こに組み込まれている。 図面を参照して、本発明のフィルターエレメントが図１に示され、符号１０で 指示される。フィルターエレメント１０は、好適に、外側表面１２と、向かい合 った端部１３及び１４と、中空軸方向コア１５とを有する中空構造又は本体１１ から成る。外側表面１２が、表面積及び汚染物処理能力を増加させるために、溝 １６を設けてもよい。 エレメント１０は、圧力差によって径方向内向きに流れる液体汲びガスを濾過 するために使用されることを意図としている。前述のように、フィルター効率に 矛盾しない最大の寿命を得るために、フィルターエレメント１０の繊維状構造が 、外側表面１２に向かっ て径方向外向きに連続的に増加する孔の大きさを有する段階的な孔隙率から成っ ていた。このような段階的な孔隙率又は密度により、流体が連続的に小さくなる 孔を通じて内向きに流れると、濾過される特定的な汚染物が、その大きさに従っ て、変化する深度へと浸透される。 本発明のフィルターエレメント１０は、連続的に段階的な孔隙率を利用し；し かし、従来技術に矛盾して段階的な孔隙率が逆であり、つまり、孔が非常に多数 でありその大きさが本体１１の外側表面１２において最も小さい。特に、本体１ １は実際に、ほぼ大きい孔の大きさの内側シェル２０と小さい孔の大きさの外側 シェル２１との２個の構成要素から成る。内側シェル２０は、エレメント全体の 厚さの約３０から約７０パーセントから成る厚さを成形する外側直径又は壁２３ 及び中空軸方向コア１５によってその内側直径又は壁２２において区切られる。 同様に、外側シェル２１の内側直径又は壁２４は内側シェル２０の外側直径壁２ ３と連続し、径方向外側シェル２１は外側表面１２と連続している。図面、特に 図４に図示されるように、外側表面１２は、個々の環状リングである溝１６を設 けてもよい。各々の溝又はリング１６の底部２６は、外側シェル２１に位置され る。変形的に、本発明の範囲内の他の実施例において、外側表面１２は、溝１６ を取り外すことができる。 本発明のフィルターエレメント１０を製造するために、繊維状材料が、水又は 他の適当な分散剤と混合され、スラリーを形成する。次に、１又はそれ以上の浸 透形成材又はダイが、繊維の分散水を保持するフェルテイング・タンクでスラリ ーに浸され、繊維は、形成 材の内部に挿入される真空吸引の応用によって形成材に付着される。繊維の特徴 の本質的な選択及び制御に関連して、真空の度合い及び真空を応用する時間の長 さを制御することによって、フィルターカーカス (carcass) が所望とする深度 又は厚さ及び孔隙率で製造される。 この手順は、繊維の適当な体積が付着して内側シェル２０を形成すると完了す る。その形成後、水又は分散剤の実質的な部分は、形成材及び内側シェル２０を 通じて熱気を吹き付けることによって除去される。次いで、形成材は、一層しっ かりした一層小さい孔の大きさの外側シェル２１を形成するために、選択された 繊維媒体の第２の分散水に浸される。内側シェル２０をオーバーフェルテイング (overfeltinｇ) するためのこの工程が、真空の度合いによって制御され、意図 とする厚さを有する外側シェルを製造するのに適当な時間の間続けられる。シェ ル２１の形成後、水又は分散補助の実質的な部分が、形成材の内側シェル２０及 び外側シェル２１を通じて熱気を吹き付けることによって再度除去される。 繊維を耐水性にしてそれらが水又は他の流体の存在下で水気を含まなくなるか 又は軟らかくならないのと同様に、フィルターエレメントの強度及び剛性を与え るために、樹脂が、繊維を含浸させ、相互に固定した関係で共にそれらを結合す るために使用される。使用した樹脂の量は、フィルターエレメントの全重量の３ ０パーセン卜と６０パーセントとの間で変化し得る。フェノールホルムアルデヒ ド凝縮物、ウレアホルムアルデヒド凝縮物及びメラミン樹脂のような熱硬化性樹 脂を含む様々な樹脂が使用され得る。ポリスチレンの ような熱可塑性樹脂もまた使用され得る。好適な樹脂が、メラミン及びフェノリ ック樹脂である。 樹脂含浸が、樹脂のタンクに内側シェル２０及び外側シェル２１の乾燥した構 成要素を浸し、形成材を通じて真空を接触される繊維全部に十分な時間の間応用 することによって実施される。一般に、約１０分が効果的でるが、当然に、時間 が、フィルターエレメントの大きさ及び密度と同様に真空の関数であり、よって 、本発明の方法が、これによって制眼されるべきでない。 含浸後、フィルターエレメントは、使用した特定の樹脂のキュアリングに適し た温度及び密度条件下での加熱によってキュアリングされる。最終工程において 、フィルターカートリッジは、ナイフ、鋸又はグラインダーの手段によるような 機構的に切断又は整えることによって寸法を正確にする大きさにされる（アンダ ーソンの米国特許第２５３９７６７号を参照）。 内側シェル２０を製造するのに用いられた繊維は、アクリル、ナイロン、ポリ エステル、セルロース及びそれらの混合物から成る。 これら繊維は、平均直径が約１０から４０マイクロメーターの範囲であり、約５ から約５０マイクロメーター、好適には１０から２０マイクロメーターの範囲の 大きさの孔を設ける。 外側シェル２１を形成するのにオーバーフェルテイング工程で用いられた繊維 は、非常にきつく、小さい孔の大きさの第２の多孔媒体を与えるように選択され る。このように、繊維は、比較的高い割合のガラス微小繊維が加えられたアクリ ル、ナイロン、ポリエステル、セルロース及びそれらの混合物から成る。後者の 両は、約５か ら約３０重量パーセントの範囲にある。ガラス微小繊維の平均直径は、約０.５ ｍｍから５ｍｍの範囲にして選択される。 本発明に従ってなるフィルターエレメントの特異的な構造のため、在来の多孔 性フィルターエレメントの使用によるよりも実質的により微細な粒子を除去する ことができる。周知の従来技術を特徴づけるＭＩＫＣＲＯ-ＫＬＥＡＮ（登録商 標）のフィルターエレメントと本発明のフィルターエレメントとの比較が下の表 １に示される。 表１に示されるデータをみることによって、第１の多孔媒体によって形成され る比較的開放した内側シェルと、第１の多孔媒体よりも非常に細かい第２の多孔 媒体のオーバーフェルトした外側シェルとが、高効率でより一層微細な粒子を濾 過できる特異的なフィルターエレメントになる。 高効率の濾過の応用に使用するためには、フィルターエレメント １０は、極めて効果的な密閉手段を用いることが必要である。図１及び３を参照 して、熱可塑性気泡ポリマー閉鎖シェルの密閉ガスケット２９が、エレメント１ ０の各々の端部１３及び１４に熱着されている。各々のガスケット２９は、カー トリッジ１０の各々の端部とフィルターハウジング（図示せず）の密閉縁部との 間に効果的な密閉表面を与える。 ガスケットは典型的に、中空軸方向コア１５と同軸にフィルター端部１３及び １４に接着されたドーナツ形状のデイスク円の形状である。典型的に、ガスケッ トは、フィルターエレメント１０の外側の直径よりもいくらか小さい直径であり 、フィルターエレメントの内側直径よりもいくらか小さい直径を有する。典型的 に、デイスクは、１／１６から３／３２インチの厚さである。この寸法は、必要 ならば増加され、十分な密閉を与えるために一層大きな抵抗又は深さを要するや っかいな密閉形状を補償する。気泡は、シート状で得られ、所望の大きさ及び形 状のデイスクに切断される。 ガスケット２９は、エレメント１０の端部１３、１４を、ガスケットが硬質フ ィルターエレメント表面に接触されるときにガスケット２９をカートリッジ端部 に熱溶着するのに十分な高温に加熱することによってフィルターエレメント１０ に適用される。このような温度は容易に決定され、経験的に導かれ得るが、エレ メントが変質し溶け (melt) 及び／又は溶解 (fuse) し始める温度以下であり、 また、ガスケットを完全に溶かす温度以下である。しかし、ガスケット材料内側 のセルが、フィルター１０の加熱される下方表面を加熱される端部に接触してガ スケット材料の残った部分から絶縁 し、ガスケットの下方表面のみが十分に加熱されてそれ自体をフィルターエレメ ント１０の端部に溶着することがわかった。このような加熱が、ホットプレート 、赤外線エネルギー、熱気等で達成される。多数の技術がエレメントの端部を加 熱するのに適していて、それは容易に達成され容易に自動化できる。 ポリマー閉鎖セル形状はまた、カートリッジの端部の平坦又は整列がなくなる ことを補償する抵抗又はスプリングバックを与えるので好ましい。付加的に、閉 鎖セル形状は、セルの間で密閉をし、ここで、流体がセルを介して流れ出ること がない。固体ポリマーガスケットの使用、カートリッジの端部を加熱するだけで フィルターエレメントに接着させるのであるが完全に溶解し変形するか及び／又 は十分な抵抗性をそこに接着するフィルターハウジングの密閉端部に与えるかの いずれかであるため、不適当であり得る。これら密閉ガスケットの一層完全な説 明のために、上述の米国特許第５０１５３１６号及び第５０２８３２７号が参照 される。 本発明のフィルターエレメントに関連して使用されたフィルターハウジングは 、従来技術においてよく知られている。カートリッジは、いろいろの長さ又は単 一の長さを他の上部に多数積み重ねて使用され得る。このような配列において、 多数の高さの積み重ね配列のカートリッジの全部は、例えばポリエチレンのよう な熱溶融ポリマーで熱着され、バイパスに対して肯定的な密閉をするための配列 及び永久的な接着を確実にする。 フィルターエレメントは、ガス、アルコール、グリコール、冷却剤、燃料、油 、潤滑油、化粧料、塗料及びワニス、シロップ、圧縮 空気、水又は感度のある処理水、例えば、脱イオン水、食品、飲物、写真用溶液 及び特に磁気記録媒体を製造するための磁気酸化物スラリーのような流体からの 繊維、研磨剤又はゼラチンである特定の汚染物を除去するために使用され得る。 上述の開示に基づき、本発明のフィルターエレメントが前述した目的を実行す るであろうことは明白である。また、本発明の方法が内側シェルの孔の大きさよ りも小さい孔の大きさの媒体の外側シェルを有する高効率フィルターエレメント を製造するするために実施されることが当業者には明白である。同様に、フィル ターエレメントを用意するのに用いられ得る繊維及び接着樹脂の選択が所望とす る濾過に従って当業者によって容易に決定される。 したがって、いかなる変形物も請求される発明の範囲内にあり、よって、孔の 大きさと同様に、フィルターエレメントの全体の構造及び大きさが究極の応用に 適するように変化し、ここで開示し説明した発明の精神から逸脱することなく決 定される。さらに、発明の精神は、添付の請求の範囲内にある全ての変更物及び 変形物を含む。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． フィルターエレメントであって、 中空コアと、 前記中空コアに隣接し、第１の小さい孔の大きさの多孔媒体の内側シェルと、 前記第１の多孔媒体よりも微細であり、前記内側シェルに隣接する、第２の小 さい孔の大きさの多孔媒体の外側シェルとを有し、前記第１及び第２の多孔媒体 が樹脂含浸結合である、多孔、厚壁、積層、自己支持形の樹脂含浸結合繊維状の 管状フィルター構造から成る、フィルターエレメント。 ２． 請求の範囲第１項のフィルターエレメントであって、 前記第１の多孔媒体が、アクリル、ナイロン、ポリエステル、セルロース及び それらの混合物を含むグループから選択される繊維から成る、ところのフィルタ ーエレメント。 ３． 請求の範囲第２項のフィルターエレメントであって、 前記繊維が、約１０から４０マイクロメーターの範囲の平均直径を有する、と ころのフィルターエレメント。 ４． 請求の範囲第３項のフィルターエレメントであって、 前記第１の多孔媒体が、約５から約５０ミクロンの範囲の孔の大きさを与える 、ところのフィルターエレメント。 ５． 請求の範囲第１項のフィルターエレメントであって、 前記第２の多孔媒体が、アクリル、ナイロン、ポリエステル、セルロース、及 びガラス微小繊維とそれらの混合物を含むグループから選択される繊維から成る 、ところのフィルターエレメント。 ６． 請求の範囲第５項のフィルターエレメントであって、 前記ガラス微小繊維が、約０．５から約５マイクロメーターの範囲の平均直径 を有する、ところのフィルターエレメント。 ７． 請求の鮪囲第６項のフィルターエレメントであって、 前記ガラス微小繊維が、前記外側シェルの約５から約３０重量パーセントから 成る、ところのフィルターエレメント。 ８． 請求の歯に第１項のフィルターエレメントであって、 前記内側シェルが、前記エレメントの直径の約３０から７０パーセントから成 る、ところのフィルターエレメント。 ９． 請求の範囲第１項のフィルターエレメントであって、 前記管状フィルター構造が、複数の周囲溝を有する外側壁を与える、ところの フィルターエレメント。 １０． 請求の範囲第１項のフィルターエレメントであって、 さらに、対向した端部を有し、前記端部が、そこに熱結合されたギャスケット シールを担持する、ところのフィルターエレメント。 １１．多孔、厚壁、積層、自己支持形の樹脂含浸結合繊維状の管状フィルターエ レメントの製造方法であって、 第１の大きい孔の大きさの多孔媒体の中空内側シェルを形成させる工程と、 前記第１の多孔媒体よりも微細で前記内側シェル上に第２の小さい孔の大きさ の多孔媒体の外側シェルを形成させる工程と、 前記内側シェル及び前記外側シェルを樹脂結合剤と共に含浸させる工程と、 積層、自己支持形の樹脂含浸結合繊維状の管状フィルターエレメントを形成さ せるために前記樹脂をキュアリングする工程とから成る、方法。 １２． 請求の範囲第１１項の方法であって、 前記中空内側シエルを形成させる前記工程が、アクリル、ナイロン、ポリエス テル、セルロース及びその混合物を含むグループから選択される繊維を用いる、 ところの方法。 １３． 請求の範囲第１２項の方法であって、 前記繊維が、約１０から４０マイクロメーターの範囲の平均直径を有する、と ころの方法。 １４． 請求の範囲第１３項の方法であって、 前記第１の多孔媒体が、約５から約５０ミクロンの範囲の孔の大 きさを与える、ところの方法。 １５． 請求の範囲第１１項の方法であって、 前記外側シェルを形成させる前記工程が、アクリル、ナイロン、ポリエステル 、セルロース、及びガラスミクロ繊維とそれらの混合物を含むグループから選択 される繊維から成る、ところのフィルターエレメント。 １６． 請求の範囲第１５項の方法であって、 前記ガラス微小繊維が、約０．５から約５マイクロメーターの範囲の平均直径 を有する、ところのフィルターエレメント。 １７． 請求の範囲第１６項の方法であって、 前記ガラス微小繊維が、前記外側シェルの約５から約３０重量パーセントから 成る、ところのフィルターエレメント。 １８． 請求の範囲第１１項の方法であって、 前記内側シェルが、前記エレメントの直径の約３０から７０パーセントから成 る、ところのフィルターエレメント。 １９． 請求の範囲第１１項の方法であって、 前記管状フィルター構造が、複数の周囲溝を有する外側壁を与える、ところの フィルターエレメント。 ２０． 請求の範囲第１１項の方法であって、 ギャスケットシールを前記フィルターエレメントの対向する端部の熱的に結合 させる工程を含む、ところの方法。