JP2007125497A - フィルターカートリッジ - Google Patents

Abstract

【課題】気体または液体に対する気密性が高く、温度変化に対する信頼性の高いフィルターカートリッジを提供することを目的とする。
【解決手段】気体または液体を透過する支持体３の上にろ過膜４を形成したフィルター２を、このフィルター２の外周部を保持するためのフレーム１と、接着剤１１とからなり、フィルター２の外周部とこのフィルター２の外周部を支持する部分であるフレーム１の内周部に設けた保持段差５とを接着剤１１により固定し、この接着剤１１を支持体３に浸透させるようにしたフィルターカートリッジ１２とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、気体または液体のろ過に用いるフィルターカートリッジに関するものである。

最近の工業製品おける高品質化に伴い、気体や液体などの原材料の精製に用いられるフィルターユニットについても性能向上の要求が高まっている。

特に耐久性として、雰囲気温度が変化する環境下においてフィルターユニットを用いる場合での温度変化に対する信頼性向上の要求が高まっている。

図３は、従来のフィルターユニットの概略構成を示しフィルターユニット１４は、フィルターカートリッジ１５が複数積層されて構成されており、各その表面にはフィルター１７が設けられている。

そして、図４に示すように、真空ポンプ（図示せず）などで吸引することにより、気体または液体が矢印に沿ってフィルター１７でろ過され、フィルターカートリッジ１５から取出されるように構成されている。

ここで、フィルターカートリッジ１５の構成をさらに詳述する。図５（ａ）はフィルターカートリッジ１５の平面概略図、（ｂ）はこのフィルターカートリッジ１５のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。

図５に示すように、フィルターカートリッジ１５は、フィルター１７と、このフィルター１７の外周部を保持するための平板状のフレーム１６と、このフィルター１７とフレーム１６とを固定するための接着テープ２６とから構成されている。また、このフィルター１７は、強度が低いＬＢ膜などからなるろ過膜１９と、このろ過膜１９を補強するための気体または液体を透過する不織布などからなる支持体１８とから構成されている。

さらに、フレーム１６の内周部にはフィルター１７を位置決め、保持できるように、フィルター１７の厚さとほぼ同じだけフレーム１６の内周部より低く形成された保持段差２０が設けられており、この保持段差２０にフィルター１７の支持体１８側が接するようにフィルター１７を配置することで、フレーム１６の内周部とフィルター１７の表面とがほぼ同じ平面を形成している。

ここで、フィルター１７とフレーム１６の固定であるが、網線で示すリング状で継ぎ目のない接着テープ２６により、このフレーム１６の内周部とフィルター１７の外周部との境界を覆うように配置することで、フレーム１６とフィルター１７との気密封止をより確実にしている。

なお、このフレーム１６の中央部には、フィルター１７を支持する複数の桟２４がフィルター１７に対して平行に設けてあり、真空ポンプなどにより減圧されたときにフィルター１７に加わる圧力を桟２４により支えるようになっている。

また、フレーム１６の一方の角部にはろ過された気体または液体を取出すための吸気口２１がフレーム１６の厚み方向に貫通するように設けられており、この吸気口２１は、フレーム１６とフィルター１７により囲まれた空間領域２５とが吸入経路２２を介してつながっており、吸気口２１の周辺にはフィルターカートリッジ１５を密封して接続できるようシール部材２３が設けられている。さらに、フレーム１６の外周にはフレーム１６を積層したときに気体または液体を取り入れるための十分な隙間ができるように突起２７ａ，２７ｂが設けられている。

なお、この出願に関する先行技術文献情報としては、例えば特許文献１が知られている。
特開２００４−３３９６４号公報

しかし、従来のフィルターカートリッジ１５において、使用環境の温度変化が大きく加わると、フレーム１６やフィルター１７、接着テープ２６が膨張、収縮し、その応力によって接着テープ２６との境界付近の強度の低いろ過膜１９に微小な亀裂が入り、支持体１８を通して気体または液体がろ過されず透過するという課題があった。

また、これを解決するために、接着テープ２６のテープ幅、テープ厚み、テープ基材の材質、粘着剤の材質等について種々の検討が行われているが、温度変化に対する信頼性を十分に向上させるまでには至らなかった。

さらに、従来のフィルターカートリッジ１５においては、気密性を高めるために、接着テープを用いていたが、接着テープの継ぎ目で気密性が下がってしまうものであり、これを解決するために図５に示されるようなシート状の接着テープを打ち抜いてリング状の継ぎ目のない接着テープ２６を利用しているが、接着テープであるがゆえに上述したように温度変化に対する信頼性が十分に得られないとともに、コストアップや、生産性が低いという課題を有していた。

本発明はこのような従来の課題を解決し、温度変化に対する信頼性が高く、気密性も高いフィルターカートリッジを提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために本発明は、気体または液体を透過する支持体の上にろ過膜を形成したフィルターと、このフィルターの外周部を支持するフレームと、接着剤とから構成され、このフィルターの外周部を支持する部分とフィルターの外周部とを接着剤により接着し、支持体厚み方向に接着剤を浸透させるようにしたフィルターカートリッジとするものである。

このフィルターカートリッジの構成によると、支持体の厚み方向に接着剤を浸透させるようにフィルターの支持体面の外周部とフレームとを接着剤により接着させ、支持体の空隙を接着剤が充填し、強度の高い支持体とフレームとを接着することで、温度変化によるろ過膜の亀裂の発生を抑え、これにより、気密性が高く、温度変化に対する信頼性の高いフィルターカートリッジを提供できるという効果が得られるものである。

本発明のフィルターカートリッジは、気体または液体を透過する支持体の上にろ過膜を形成したフィルターと、このフィルターの外周部を支持するフレームと、接着剤とから構成され、このフィルターの外周部を支持する部分とフィルターの外周部とを接着剤により接着し、支持体厚み方向に接着剤を浸透させるようにしたフィルターカートリッジとするものである。

この構成によると、強度の高い支持体とフレームとを接着することでろ過膜と接着テープとの境界付近のろ過膜に亀裂が入ることなく、さらに、支持体の空隙を充填した接着剤が支持体の空隙を通した漏れを抑えることで、気密性と信頼性を向上させることができる。

さらに、接着剤を支持体の厚み方向に浸透させ、ろ過膜まで到達させることで、より気密性と信頼性を向上させることができる。

特に、少なくともフレームの内周部の端部において、接着剤を支持体の厚み方向に浸透させ、ろ過膜まで到達するようにすれば、より気密性を向上させることができる。

さらに、硬化後の接着剤に弾性を持たせることにより、温度変化に対する信頼性を向上させることが可能になる。

またさらに、フィルターとフレームとの熱膨張および熱収縮に追従して接着剤を変形させるようにすれば、温度変化に対する信頼性を向上させることが可能になる。

次に具体的な実施の形態について説明をするが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。

（実施の形態１）
実施の形態１では、特に酸素富化機能を有するフィルターを用いた気体分離膜ユニットについて説明する。本実施の形態の気体分離膜ユニットは、基本的には従来のフィルターユニット１４と同じ構成、すなわち、図３に示されるような構成を有している。

ここで、従来のフィルターユニット１４との大きな違いは、フィルターカートリッジ１２(１５)の具体的な構成であり、特にフィルター２（１７）の固定の仕方が大きく異なる点である。

すなわち、図１に示すように、本実施の形態のフィルターカートリッジ１２では、フィルター２の固定に接着テープではなく、接着剤１１を用いる点である。

以下にこの差異について詳述する。

図１（ａ）は本実施の形態におけるフィルターカートリッジの平面概略図であり、図１（ｂ）はそのＡ−Ａ’線に沿った断面図であり、図１（ｃ）は断面におけるフレームとフィルターとの接続部分を拡大したものである。

図１（ａ）〜（ｂ）に示すように、フィルターカートリッジ１２は、平板状のフレーム１の両面にフィルター２が固定されており、このフィルター２は、ろ過膜４と、このろ過膜４を補強するための支持体３とから構成されている。

このろ過膜４は厚さ０．１μｍのポリシロキサンとスチレンの共重合体を主成分とする薄膜からなり、気体中の酸素をろ過分離する機能を有するものである。また、支持体３は厚さ１５０μｍの気体または液体を透過する不織布から構成されている。

フレーム１の内周部にはフィルター２を位置決め、保持できるように、フィルター２の厚さとほぼ同じだけフレーム１の内周部より低く形成された保持段差５が設けられており、この保持段差５にフィルター２を配置することで、フレーム１の内周部とフィルター２の表面とがほぼ同じ平面となるように形成されている。なお、本実施の形態ではフレーム１の内周部とはフレーム１の内周およびその周辺を意味し、後述するフィルター２の外周部と重なる部分およびその周辺を意味するが、これに限定されるものではなく、図示はしていないが接着部を設けたフレーム１の外周部およびその周辺とフィルター２の外周部とが接着するような構成でも同等の効果が得られる。この場合、突起１３ａ、１３ｂを逃すようにするだけでフィルターカートリッジ１２の積層も可能となる。

ここで、この保持段差５には接着剤１１が塗布され、強度の高い支持体３側とフレーム１とが接着するように構成されているため、ろ過膜４の外周部に亀裂が入らず、また、接着剤１１が図１（ｃ）に示されるように支持体３の外周部の空隙を充填し、支持体３を通した気体の漏れを防ぐことで、フィルターカートリッジ１２の温度変化に対する信頼性を向上させると同時に、気密性を向上させることが可能となる。

なお、このフレーム１の中央部には、フィルター２を支持する複数の桟９がフィルター２に対して平行に設けてあり、真空ポンプなどにより減圧されたときにフィルター２に加わる圧力を桟９により支えるようになっている。

また、フレーム１の一方の角部にはろ過された気体または液体を取出すための吸気口６がフレーム１の厚み方向に貫通するように設けられており、この吸気口６は、フレーム１とフィルター２により囲まれた空間領域１０と吸入経路７を介してつながっており、吸気口６の周辺にはフィルターカートリッジ１２を密封して接続できるようシール部材８が設けられている。さらに、フレーム１の外周にはフレーム１を積層したときに気体または液体を取り入れるための十分な隙間ができるように突起１３ａ，１３ｂが設けられている。

次に、具体的なフレーム１とフィルター２との接着方法について詳述する。

フレーム１とフィルター２との接着は、まず、ディスペンサーにより幅５ｍｍの保持段差５の内周部の端部から２．５ｍｍの位置に０．０２ｇ／ｃｍとなるように脱アルコール型のシリコン系弾性接着剤からなる接着剤１１を塗布する。この接着剤１１は空気中の水分と反応することにより徐々に硬化し、硬化後は弾性を有するものを選定した。これにより、温度変化および、振動に対する信頼性を向上させることが可能となる。

次に、フィルター２の支持体３側と保持段差５とが接するようにして、保持段差５をフィルター２の外周部で覆うように配置した後、プレス圧力２０ｋｇ／ｃｍ²、プレス時間１０ｓの条件でフィルター２のろ過膜４側の外周部をプレスすることにより、接着剤１１をフィルター２の支持体３の外周部に浸透させる。ここで、フィルター２の外周部とはフィルター２の外周およびその周辺を意味し、前述したフレーム１の内周部と重なる部分およびその周辺を意味する。

その後、温度２２±１３℃、相対湿度５０±３０％の条件で１２０分以上処理し、接着剤１１を硬化させることによりフィルター２とフレーム１とを接着させる。この条件で接着剤１１を塗布し、次いで硬化させることで、図１（ｃ）に示されるように、接着剤１１はフレームの内周部において支持体３の厚み方向に浸透し、ろ過膜４まで到達した状態でフィルター２とフレーム１とを接着させることができる。これにより、支持体３の厚み方向の空隙がろ過膜４まで接着剤１１により充填されるので、支持体から気体または液体がろ過されずに漏れることがない、より高い気密性と温度変化に対する信頼性を得ることが可能になる。

なお、ディスペンサーによる接着剤１１の保持段差５への塗布位置は、塗布量０．０２ｇ／ｃｍの場合、保持段差５の内周部の端部から１〜３．５ｍｍの位置が好ましく、１ｍｍより小さいとプレスにより保持段差５の内周部からはみ出た接着剤１１が空気の流れを妨げ、３．５ｍｍより大きいとフィルター２の外周より接着剤１１がはみ出ることで外観が悪くなる恐れがあるからである。

また、接着剤１１の保持段差５への塗布量は、０．０１〜０．０３ｇ／ｃｍが好ましく、０．０１ｇ／ｃｍより小さいと接着剤１１の浸透不足の恐れがあり、０．０３ｇ／ｃｍより大きいと接着剤１１が保持段差５よりフレーム１の内周側にはみ出る恐れがあるからである。上記塗布条件は保持段差５の幅および支持体３の厚みの変更に応じて適宜調整することにより、より最適な条件を見出すことができる。

フィルター２へのプレス圧力は１０〜２５ｋｇ／ｃｍ²が好ましく、１０ｋｇ／ｃｍ²より小さいと接着剤１１の浸透不足の恐れがあり、２５ｋｇ／ｃｍ²より大きいとろ過膜４が損傷する恐れがあるためである。

また、プレス時間は１〜１２ｓが好ましく、１ｓより短いと接着不足になる恐れがあり、１２ｓより長いとろ過膜４が損傷する恐れがあるためである。上記プレス条件はフィルター２の材質、厚みなどの変更に応じて適宜調整することにより、より最適な条件を見出すことができる。

さらに、ろ過用途が飲用や吸引用などの人体に使用するものでない場合は、接着剤１１に有機型弾性接着剤をはじめとする各種接着剤を用途に応じて用いることも可能である。

また、接着強度を向上させるために、保持段差５の表面に適度に凹凸を設けてもよい。

さらに、接着剤１１の熱膨張係数を支持体３とフレーム１双方の熱膨張係数に近いものにすれば、接着剤がフレームとフィルターとの熱膨張および熱収縮に追従するようになるため、より温度変化に対する信頼性を向上させることができる。

ここで、実施の形態１におけるフレーム１とフィルター２との接着状態について、図１（ｃ）とは異なる例を説明する。

図２は図１（ｃ）とは異なり、少なくともフレーム１の内周部の端部において、接着剤１１を支持体３の厚み方向に浸透させ、ろ過膜４まで到達するように構成されている。これにより、フレーム１の内周部の端部より外側にろ過膜４の損傷がある場合でも、フレーム１の内周部の端部を接着剤１１が充填しているため、支持体３を通した気体の漏れを防ぐことができ、これによりフィルターカートリッジ１２の気密性が保たれることになる。

なお、あらかじめ、フィルター２の支持体３の外周部に接着剤１１を浸透させ、ろ過膜４まで到達させてから、フレーム１とフィルター２とを接着させることで、少なくともフレーム１の内周部の端部において、保持段差５からろ過膜４までを接着剤１１が充填する構成を形成することができる。

（比較例）
比較例はフィルター２とフレーム１との接着に従来技術である接着テープを用いたものであり、それ以外のフィルターカートリッジ１２の構成および製造方法は実施の形態１での説明を援用する。

具体的に、比較例でのフィルター２とフレーム１との接着は、フレーム１の両面に対してフィルター２の支持体３側と保持段差５とが接するようにフィルター２を保持段差５に配置し、接着テープによりフレーム１にフィルター２を固定し、フレーム１とフィルター２とを気密封止したものである。

実施の形態１と比較例とで作製したそれぞれのフィルターカートリッジについて、試験温度―３０〜８０℃、最高温度および最低温度での保持時間を３０分ずつとする温度サイクル試験を行い、その試験結果を（表１）に示す。

（表１）からも明らかなように、従来例は３００サイクルまで気密性を保持したことに対し、実施の形態１では１０００サイクルまで気密性を保持することができた。

このように、フィルターの支持体に接着剤を浸透させるようにしてフィルターをフレームと接着させたことにより、温度変化による応力がろ過膜に集中しなくなったため、温度変化に対する信頼性を向上させることができる。

本発明によるフィルターカートリッジは、支持体の厚み方向に接着剤を浸透させるようにフィルターの支持体面の外周部とフレームとを接着剤により接着させ、支持体の空隙を接着剤が充填し、強度の高い支持体とフレームとを接着することで、温度変化によるろ過膜の亀裂の発生を抑え、これにより、気密性が高く、温度変化に対する信頼性の高いフィルターカートリッジを提供でき、特に温度変化を伴う車載用途などに用いるフィルターカートリッジとして有用であるという効果を有するものである。

（ａ）本発明の実施の形態１によるフィルターカートリッジの平面図、（ｂ）同フィルターカートリッジの断面図、（ｃ）同フィルターカートリッジにおけるフレームとフィルターとの接着状態を示す断面図 本発明の実施の形態１によるフレームとフィルターとの接着の一例を示す図 従来のフィルターユニットの構成を示す図 従来のフィルターカートリッジでのろ過動作を示す図 （ａ）従来のフィルターカートリッジの平面図、（ｂ）同フィルターカートリッジの断面図

符号の説明

１ フレーム
２ フィルター
３ 支持体
４ ろ過膜
１１ 接着剤
１２ フィルターカートリッジ

Claims (5)

1. 気体または液体を透過する支持体の上にろ過膜を形成したフィルターと、このフィルターの外周部を支持するフレームと、このフィルターの外周部を支持する部分と前記フィルターの外周部とを接着するための接着剤とから構成され、前記接着剤を支持体の厚み方向に浸透させるようにしたフィルターカートリッジ。
2. 接着剤を支持体の厚み方向に浸透させ、ろ過膜まで到達するようにした請求項１に記載のフィルターカートリッジ。
3. 少なくともフレームの内周部の端部において、接着剤を支持体の厚み方向に浸透させ、ろ過膜まで到達するようにした請求項１に記載のフィルターカートリッジ。
4. 硬化後の接着剤に弾性を持たせるようにした請求項１に記載のフィルターカートリッジ。
5. 接着剤をフィルターとフレームとの熱膨張および熱収縮に追従させるようにした請求項１に記載のフィルターカートリッジ。

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