JP2009166042A - 重力供給水処理装置用フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】多孔性粒子フィルタ(24)は、開口上端と、閉口下端と、該開口上端と該閉口下端との間にある側壁(25)とを有している。水はフィルタの側壁を通過する際に処理される。粒状媒質(26)は、多孔性粒子フィルタ内の内部容積(41)の一部に配設されている。
【選択図】図２

Description

本発明は重力供給水処理システムに使用されるフィルタカートリッジに関する。特に、本発明は新規性のあるフィルタ媒質を有するフィルタカートリッジに関する。

家庭用水処理装置は当業界で知られている。この装置の中には、バッチ式で水を処理する内蔵式システムがある。バッチ装置の例として、処理された水が例えば差し口から注がれる大きな水槽及びピッチャー／カラフ（carafes）がある。この内蔵式システムは、フィルタカートリッジによって分離されている上部及び下部チャンバを有している。該システムは、水が重力によって上部チャンバからカートリッジを介して下部チャンバに流れることによって、処理された水を製造する。

水の中、特に飲料水の中に存在する不要及び潜在的に有害な汚染物は、多くの人々にとって大きな関心事である。これによって家庭及びその他の場所において水処理装置の必要性が生まれる。化学汚染物及び粒子状汚染物を除去或いは中和するために、多くの水処理装置及び方法が開発されてきた。これらの装置及び方法は、水を処理するために化学的な活性物質を含んでいる。例えば、活性炭は、塩素及びその他の反応性のある物質だけでなく、腐った味及び悪臭を水から除去できる。イオン交換樹脂は、金属及び他のイオンを水から除去するのに有効である。しかし、全ての汚染物を取り除くような単一の物質或いは化学物質は発見されていない。

化学汚染物及び粒子状汚染物に加えて、水は汚染生物を含んでいることがある。この汚染物は活性炭、イオン交換樹脂或いは他の化学的な活性のある水の清浄器では完全に除去できないことがある。汚染生物は、荒い化学処理に影響されやすいが、典型的に、この処理に使用される化学物質自体が汚染物であり、また該化学物質を重力供給処理装置、特に家庭で使用される重力供給処理装置に容易に含ませることはできない。標準的な化学手段では除去しにくいことに加えて、クリプトスポリジウムのようなプロトゾーンシスト（protozoan cysts）等の汚染生物のサイズはわずか数ミクロンである。

該汚染生物が小さなサイズであること、及びこれらの汚染生物に対する化学的な除去方法に有効性がないことから、プロトゾーンシストを取り除き、且つ十分な流量を保持できる重力供給水処理装置の開発は困難であった。十分な流量を達成するためには、タップから或いは手動のポンプ操作を行って加圧することがシストを水から除去する既存の装置において必要である。しかし、この装置は、比較的複雑で高価であり、手動加圧システムの場合、動作が困難である。従って、十分な流量を提供し、且つクリプトスポリジウムのようなシストを含む汚染生物を除去できる重力供給水処理装置が必要である。

本発明によると、重力供給水処理装置用フィルタカートリッジが提供されている。本発明の１の概念によると、フィルタカートリッジは、開口上端と、閉口下端と、該開口上端と閉口下端との間にある側壁とを有する。多孔性粒子フィルタは、連結部材によってフィルタカートリッジの一部に密着している。水が開口上端に流入して多孔性粒子フィルタの側壁を通過する際に、水は処理される。進入する水によって移動するフィルタ内の空気は、フィルタの開口上端から流出する。

本発明の他の概念において、フィルタカートリッジは、側壁及び入口を備えた多孔性粒子フィルタを有している。粒状媒質はフィルタの側壁内に含有されている。水がフィルタの入口及び粒状媒質を通過して、フィルタの側壁を介して半径方向外側に流れる際に、水は処理される。

本発明の更なる概念において、フィルタカートリッジは、ガラス繊維及び親水性結合剤を有する多孔性粒子フィルタを備えている。多孔性粒子フィルタは、連結部材によってフィルタカートリッジの一部に密着している。フィルタカートリッジによって処理された水からは３乃至５ミクロンのシスト粒子の99.95%以上が除去されている。

本発明を特徴づける新規性を有する上記及びその他の効果並びに特徴は、添付されている請求項によって特に示されている。しかし、本発明及びその効果の理解を深めるために、本願の更なる一部を構成する図面、及び本発明の好適実施例の図示及び説明が行われている前記図面に付随する説明を参照されたい。

本発明に係わるフィルタカートリッジの実施例の分解斜視図である。 図１のフィルタカートリッジの部分断面図である。

本発明の好適実施例を添付の図面を参照して説明し、対応する部分には類似参照符号を付する。

本願に記載のフィルタカートリッジ２０は各種の重力供給水処理装置に使用できる。図１及び図２において、フィルタカートリッジ２０の好適実施例は、多孔性粒子フィルタ２４を含有し、該粒子フィルタ２４内には粒状媒質２６が設けられている。またフィルタカートリッジ２０は、多孔性粒子フィルタ２４を包囲するシェル２２を有しており、粒子フィルタの機械的な支持体を提供している。シェル２２は、カートリッジ内を流れる水が多孔性粒子フィルタ２４を通過して処理されるように、多孔性粒子フィルタ２４をカートリッジ２０に密着させるカラー３６を有している。

多孔性粒子フィルタ２４は、プロトゾーンシスト等の汚染生物及び粒子を水から機械的に濾過する。汚染生物を効果的に濾過するためには、多孔性粒子フィルタ２４は、濾過される汚染物のサイズより小さな孔を有することが必要である。クリプトスポリジウム等のバイオロジカルシスト（biological cysts）は、わずか数ミクロンの大きさしかない。効果的なクリプトスポリジウムフィルタは、約５ミクロン未満、好ましくは約２ミクロン未満の直径の孔を有することが必要である。従って、多孔性粒子フィルタ２４は、粒子フィルタが約１乃至３ミクロン以下のサイズを有する孔を有することを意味する微孔性であることが好ましい。

多孔性粒子フィルタ２４は、３乃至４ミクロンのシスト粒子の99.95％以上をフィルタカートリッジで処理された水から除去していることが好ましい。シスト濾過のレベルは、本願にて文献として援用されているNSF 53 §6.5 及び §6.12 のプロトコルを用いて決定される。

多孔性粒子フィルタ２４は、側壁２５及び開口上端を有する形状に形成されることが好ましい。多孔性粒子フィルタ２４の側壁２５は、実質的に円筒形である。しかし、側壁の他の形状も本発明の範囲に包含されている。さらに、粒子フィルタ２４の側壁２５は、平坦或いは図１に示されるようにひだ状でもよい。ひだ状の側壁は、他の同じフィルタ形状の平坦な側壁よりも大きなフィルタ表面積を提供する。しかし、ひだ同士の間隔は小さくするべきではない。間隔が小さいとひだを通過する流量は小さくなる。

粒子フィルタ２４の上端は、水が粒子フィルタ２４に流れ込み、且つ粒子フィルタ２４内の空気が水によって移動した際に逃げるように少なくとも一部が開口している。多孔性粒子フィルタの下端は、閉じていても（図示せず）、開いていても（図１及び２参照）よい。下端が開いている場合、水が粒子フィルタ２４の開口下端から流れ出すことがないように、多孔性粒子フィルタ２４をシェル２２のボトムキャップ２９等の物体に取り付ける必要がある。

多孔性粒子フィルタ２４は、広範囲にわたる各種材料から形成することができる。好ましくは、多孔性粒子フィルタ２４の側壁２５は、親水性を有する微孔性フィルタ媒質で形成されている。任意で、多孔性粒子フィルタ２４の下端が閉じている場合、該下端は親水性を有する微孔性フィルタ媒質で形成してもよい。適当な親水性を有する微孔性フィルタ媒質は、例えば、側壁及び開口上端を形成する中空状のカーボンブロック（carbon block）である。

多孔性粒子フィルタ２４を構成するための好適な親水性を有する微孔性フィルタ媒質は、繊維状シートフィルタ媒質である。このシートフィルタ媒質の繊維は、セルロース若しくはセルロース誘導体で形成された繊維等の天然のものか、又はポリマー若しくはガラスで形成された繊維等の合成のものでもよい。好ましくは、繊維は合成繊維であり、更に好ましい繊維は、ガラスマイクロファイバ（glass microfibers)である。セルロース繊維等の天然繊維は合成繊維よりも厚いものがあり、その結果として孔が少なくなり、流量が小さくなる。

所定の多孔性粒子フィルタを通過する水の流量は、重量供給水処理装置用多孔性粒子フィルタ２４のアクセプタビリティ（acceptability）を決定する際に非常に重要である。流量は、孔のサイズと、孔に水を通すために水に掛かる圧力と、フィルタの組成とによって典型的に決定される。カラフ或いは家庭用貯水容器等の重力供給装置において、フィルタカートリッジ２０ に水を通すために水に加えられる圧力は、水自身に加えられる重力のみによるものである。カラフ等の家庭用重力供給水処理装置の場合、水に掛かる圧力は、典型的に約0.5 lb/in² 未満である。従って、典型的な微孔性粒子フィルタの重力誘導型の流量は、非常に低く重力供給水処理装置には実用的でない。

この限定を解消するために、本発明の好適な多孔性粒子フィルタ２４は親水性物質を含んでいる。本発明の目的である親水性物質は、乾燥する際、素速く湿る（即ち素速く水滴を吸収する）物質である。これらの物質の親水性は、親水性物質と水との間の吸引力によるものである。該吸引力は水とフィルタとの境界面における水の表面張力（即ち、境界面における個々の水分子間の吸引力）より大きい。

多孔性粒子フィルタ２４の親水性は、多孔性粒子フィルタの繊維或いは他の物質の親水特性によるものであってもよい。若しくは、フィルタの親水性は、フィルタの物質への添加剤によるものであってもよい。この添加剤は、フィルタが非親水性或いは疎水性繊維を含んでいるとしても親水性粒子フィルタを形成することができる。

またフィルタへの親水性添加剤は、フィルタ物質内で他の機能を提供することもできる。この添加剤の例としては、媒質に添加される親水性結合剤であり、結合剤に親水性を与えるだけでなく、媒質のマイクロファイバを結合させてシートを形成する。このような特性を有する親水性シートフィルタ媒質は、アルストーム・マウント・ホーリー・スプリングス、ピーエー（グレード 2194-235）（Alhstorm, Mt. Holly Springs, PA）（Grade 2194-235）より入手可能である。ガラスマイクロファイバを結合させる際に使用する適当な親水性結合剤は、グッドリッチ（パートナンバー26450）（Goodrich）（Part No. 26450）より入手可能である。

シートフィルタ媒質を上記の出荷元から得た。シートフィルタ媒質は、約1.2 mmの平均的な孔のサイズと、約0.024インチの厚さとを有していた。多孔性粒子フィルタは、高さが約3インチであり、外径が1.75インチであった。多孔性粒子フィルタはひだ状となっており、深さが約0.25 インチの40 個のひだがフィルタの周囲に一定の間隔で形成されており、フィルタの内径は1.25 インチである。

多孔性粒子フィルタ２４を損傷させないために、シェル２２はフィルタ２４の周囲に配置してもよい。図１及び図２に示されるように、シェル２２はトップキャップ２８とボトムキャップ２９と本体３０との３つの連結可能な部材を有する。この形状はフィルタカートリッジ２０内に粒子フィルタ２４を容易に配置できることを考慮している。他のシェル形状を使用してもよく、該他の形状は本発明の範囲に含まれている。

またシェル２２は１以上の入口開口３２及び１以上の出口開口３４を有しており、水は該入口開口３２を介してフィルタカートリッジ２０に進入し、該出口開口３４を介してフィルタカートリッジ２０から出る。入口開口３２はトップキャップ２８（図１及び２参照）或いは本体３０の上部（図示せず）におけるシェル２２の上部に位置している。

出口開口３４はボトムキャップ２９に典型的に配置されているが、本体３０側にあってもよい。入口開口３２及び出口開口３４は、入口開口３２に流れ込む水が出口開口３４から出る前に粒状媒質２６及び多孔性粒子フィルタ２４を通過するようにシェル２２内に配置される。

多孔性粒子フィルタ２４はボトムキャップ２９に接着して連結され、水がフィルタ２４の下端の周辺を流れないようにシールを提供する。またボトムキャップ２９は１以上の隆起したカラム３１を含み、該カラム３１はボトムキャップ２９を本体３０にスライドさせた際、本体３０の内側部のくぼみ３５の口と接触してキャップ２９を適宜な位置で固く保持する。キャップ２９の隆起したカラム３１は離隔しており、水はボトムキャップ２９の出口開口３４を介してフィルタカートリッジ２０から流出することができる。

またシェル２２は連結部材として作用するカラー３６を有しており、該カラー３６は、入口開口３２を流れる水が出口開口３４を出る前に、多孔性粒子フィルタ２４を通過するように多孔性粒子フィルタ２４とフィルタカートリッジ２０との間にシールを提供する。カラー３６はシリンダー３７とベース３９とによって形成される環状カップを有する。多孔性粒子フィルタ２４は、シリンダー３７とベース３９とによって形成される環状カップ内に接着され、水が漏れないようにカラー３６に密着して連結される。多孔性粒子フィルタ２４をカートリッジ２０に密着させる方法も本発明の範囲内に含まれている。

シェル２２はプラスチック或いはポリマー素材で典型的に構成される。シェル２２は成型されたプラスチックから好ましくは形成される。

多孔性粒子フィルタ２４を通過する水の流量は、多孔性粒子フィルタ２４の付近に空気が存在すると低下することがある。粒子フィルタ２４の付近で捕獲された空気は粒子フィルタ２４において水との境界面を形成する。この境界面には表面張力がある。この表面張力を破る十分な圧力がない限り、水は流れない。従って、フィルタカートリッジ２０に流れ込む水によって空気が移動する際に空気が逃げる道があることが好ましい。図１及び図２に示されるフィルタ形状によって、多孔性粒子フィルタ２４によって形成される形状の内部の空気が多孔性粒子フィルタ２４の開口上端から流出して入口開口３２を介してフィルタカートリッジ２０から流出することができる。

シェル２２が多孔性粒子フィルタ２４の周辺に設けられているとき、空気はシェル２２と粒子フィルタ２４との隙間３８で捕獲してもよい。捕獲した空気が存在することによって、隙間３８内の水のレベルが上がる際にフィルタ２４の流量が下げられる。

空気出口開口４０は、特に出口開口３４が水処理装置の水のレベルよりも下にあるときに空気が隙間３８から逃げることができるようにシェル２２に設けられている。空気出口開口４０は、シェル２２と多孔性粒子フィルタ２４とが密着して連結している箇所の近傍にある隙間３８の上端の付近に設けることもある。このような形状の場合、水中における空気の浮力によって空気が現実的な範囲での最高レベルにまで自然に上昇したとき、大部分或いは全ての空気がカートリッジから逃げることができる。空気の逃げ道を提供する他に、空気出口開口３８は水の出口開口としても機能する。

粒状媒質２６は、シェル２２内に典型的に配設されており、加えられた水の浄化を行う。図２に示されるように、粒状媒質２６は、多孔性粒子フィルタ２４内に好ましくは配設されている。粒子フィルタ２４は、粒状媒質２６がフィルタカートリッジ２０から出ることを防ぐので、このような形状は有効である。更に、粒状媒質はシェル２２の別の粒状媒質含有領域４１（図２参照）内に配設することができる。

粒状媒質２６は水処理に適した物質或いは化学物質から成る。粒状媒質２６は、次に示す１以上の要素の活性低下、減少、或いは除去を可能にする物質或いは化学物質を典型的に含んでいる。該要素は悪臭、腐った味、有機汚染物、化学汚染物、及び金属、或いは塩素等の他の不要なイオンである。適当な粒状媒質２６は、カーボン、ゼオライト、イオン交換樹脂、或いはこれらの組み合わせを含んでいる。粒状媒質として使用するカーボンの好ましい形態は粒状活性炭である。本発明のフィルタカートリッジに使用される好適な粒状媒質は、弱酸性カチオン交換樹脂と粒状活性炭との混合物である。

本発明の１実施例において、粒状媒質２６の少なくとも一部は親水性である。親水性粒状媒質は粒状活性炭を含んでいる。多孔性粒子フィルタ２４内に配置されている親水性粒状媒質によって、水が多孔性粒子フィルタ２４を流れやすくなる。多孔性粒子フィルタ２４と接触している親水性粒状媒質は、多孔性粒子フィルタ２４の（好ましくは親水性の）側壁２５を通過する水に対して抵抗の少ない流路を提供することができる。

本発明は上記の図示されている好適実施例に限定されないことは理解できよう。添付の請求項において表現されている語句の広範囲な意味によって示される本発明の原理の範囲内において、変形例、特に部材の物質、部材の構成、サイズ、形状に関するものの変形例が最大限に詳細に可能である。

本発明は、重力供給水処理システム、特に、飲料用の家庭用水処理装置に有用である。

２４ 多孔性粒子フィルタ
２５ 側壁
２６ 粒状媒質

Claims (12)

1. 重力供給水処理装置用フィルタであって、
   内部容積を画成する少なくとも１の側壁及び入口を有する多孔性粒子フィルタと、
   前記多孔性粒子フィルタの両側間にて延びている前記内部容積の一部に配設されている粒状媒質と、
   から成り、
   前記多孔性粒子フィルタ及び前記粒状媒質は、水が重力によって前記入口に流入して前記粒状媒質を通過して前記多孔性粒子フィルタの前記側壁を介して半径方向外側に流れることによって水が処理されるように、構成及び配置されていることを特徴とするフィルタ。
2. 前記多孔性粒子フィルタはシートフィルタ媒質から成ることを特徴とする請求項１記載のフィルタ。
3. 前記多孔性粒子フィルタの前記側壁は実質的に円筒形であることを特徴とする請求項１記載のフィルタ。
4. 前記多孔性粒子フィルタはひだ状であることを特徴とする請求項１記載のフィルタ。
5. 前記多孔性粒子フィルタは親水性物質から成ることを特徴とする請求項１記載のフィルタ。
6. 前記多孔性粒子フィルタはガラスマイクロファイバから成ることを特徴とする請求項１記載のフィルタ。
7. 前記多孔性粒子フィルタは、前記ガラスマイクロファイバを保持するために親水性結合剤から更に成ることを特徴とする請求項６記載のフィルタ。
8. 前記多孔性粒子フィルタは、プロトゾーンシストを除去できることを特徴とする請求項１記載のフィルタ。
9. 前記多孔性粒子フィルタは微孔性であることを特徴とする請求項１記載のフィルタ。
10. 前記粒状媒質はカーボン、イオン交換樹脂、或いは前記カーボンと前記イオン交換樹脂との組み合わせであることを特徴とする請求項１記載のフィルタ。
11. 前記粒状媒質のカーボンは、粒状活性炭から成ることを特徴とする請求項１０記載のフィルタ。
12. 前記粒状媒質は親水性であることを特徴とする請求項１記載のフィルタ。

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