JP2021171743A - スラリー用フィルタ部材、フィルタカートリッジおよびフィルタ容器 - Google Patents

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Abstract

【課題】高粘度および高固形分比率を有するスラリー状の液体用のフィルタ部材として長いフィルタ寿命を実現することが求められている。【解決手段】ネットと不織布とが交互に積層され、スラリー状液体の濾過用のフィルタ部材であって、前記ネットは、一の方向に平行に形成される複数の第一繊維と、前記一の方向と角度を持った方向に平行に前記複数の第一繊維の側面と接する複数の第二繊維とからなり、前記第一繊維と前記第二繊維とで囲まれる箇所に複数の孔が形成されるように形成され、前記不織布は、前記不織布の厚さ方向の表面に複数の凸部を有し、前記複数の凸部が前記不織布の面方向に繰り返し出現するように形成されるフィルタ部材によって解決する。【選択図】図１

Description

この発明は、高粘度および高固形分比率を有するスラリー状の液体を通液して、その液体中に含まれる粗大粒子および凝集物を濾過するためのスラリー用フィルタ部材に関する。
たとえば、リチウムイオン電池などの二次電池の正電極には、電極用ペーストとして、電極活性物質と高濃度炭素粒子とを分散して含有されるスラリー状の液体であって、その粘度が５００センチポアズ以上であって１０重量パーセント以上となるような高粘度かつ高固形分比率の液体が使用される。
このような高粘度および高固形分比率を有するスラリー状の液体の濾過に限らず、一般に、粒子を含有する液体のフィルタの濾過では、フィルタの目的としての機能である粒子の捕捉は、フィルタの目詰まりと、それによる液体の流動性の低下につながり、結果的にフィルタ寿命の低下につながりやすい。特に、高粘度および高固形分比率を有する液体は、そもそも流体抵抗が大きいので、粒子の捕捉によるフィルタの目詰まりから生じる液体の流動性の低下は顕著に表れ、フィルタ寿命が短くなる傾向にある。
特開２０１６−１０１５５２号明細書 特開２０１４−１０２９６７号明細書
たとえば、特許文献１および特許文献２では、二次電池の電極ペーストとして用いられるスラリー状の液体の濾過を行うフィルタ装置が開示されている。特許文献１には、フィルタの目詰まりを防止するために、流れの上流側にあたるフィルタの位置に整流器を配置して、スラリーの固形分を捕捉して初期目詰まりを防止するフィルタが開示されている。また、特許文献２には、炭素粒子との分子間力が低くなる素材でできたフィルタが開示され、スラリーの固形分がフィルタの上流側で捕捉されることによるフィルタの目詰まりを防止する技術が開示されている。
しかし、特許文献１および特許文献２では、液体が通過するフィルタが目詰まりを起こさないように、フィルタの目の構造とフィルタの素材に注目しているが、フィルタを構成する各層において、フィルタの目詰まりを防止する方法によるフィルタ寿命の延長には限界がある。フィルタの目詰まりを防止する以外にフィルタ内の液体の流動経路を維持することが、長いフィルタ寿命を実現する上で重要となる。特に、高粘度および高固形分比率を有するスラリー状の液体用のフィルタ部材として、長いフィルタ寿命を実現することが求められている。
ネットとフィルタとにより構成されるフィルタ部材において、構造的に、フィルタ内の液体の流動経路を維持できるスラリー状液体の濾過用のフィルタ部材により解決する。
ネットと不織布とが交互に積層された積層体からなるスラリー状液体濾過用のフィルタ部材であって、前記ネットは、一の方向に平行に形成される複数の第一繊維と、前記一の方向と角度を持った方向に平行に前記複数の第一繊維の側面と接する複数の第二繊維とからなり、前記第一繊維と前記第二繊維とで囲まれる箇所に複数の孔が形成されるように形成され、前記不織布は、前記不織布の厚さ方向の表面に複数の凸部を有し、前記複数の凸部が前記不織布の面方向に繰り返し出現するように形成され、前記不織布の前記厚さ方向の前記複数の凸部において、その任意の凸部の高さと前記ネットの前記複数の孔の大きさは、前記不織布の前記複数の凸部の任意の凸部が隣接する前記ネットの一の面から前記複数の孔のうち前記任意の凸部に対応する孔を通して前記ネットの前記一の面と反対側の面にまで至らないようになっているフィルタ部材によって解決する。
ネットと不織布とが交互に積層された積層体からなるスラリー状液体濾過用のフィルタ部材であって、前記ネットは、一の方向に平行に形成される複数の第一繊維と、前記一の方向と角度を持った方向に平行に前記複数の第一繊維の側面と接する複数の第二繊維とからなり、前記第一繊維と前記第二繊維とで囲まれる箇所に複数の孔が形成されるように形成され、前記不織布は、前記不織布の厚さ方向の表面に複数の凸部を有し、前記複数の凸部が前記不織布の面方向に繰り返し出現するように形成され、前記不織布の前記厚さ方向の前記複数の凸部において、その任意の凸部の高さと前記ネットの前記複数の孔の大きさは、前記不織布の前記複数の凸部の任意の凸部が隣接する前記ネットの一の面から前記複数の孔のうち前記任意の凸部に対応する孔を通して前記ネットの前記一の面と反対側の面にまで至らないようになっているフィルタ部材と、前記フィルタ部材の外側で前記フィルタ部材を内包する円筒形状のメッシュ状カバーと、を備えるフィルタカートリッジによって解決する。
ネットと不織布とが交互に積層された積層体からなるスラリー状液体濾過用のフィルタ部材であって、前記ネットは、一の方向に平行に形成される複数の第一繊維と、前記一の方向と角度を持った方向に平行に前記複数の第一繊維の側面と接する複数の第二繊維とからなり、前記第一繊維と前記第二繊維とで囲まれる箇所に複数の孔が形成されるように形成され、前記不織布は、前記不織布の厚さ方向の表面に複数の凸部を有し、前記複数の凸部が前記不織布の面方向に繰り返し出現するように形成され、前記ネットの前記複数の孔の大きさは、前記不織布の前記凸部が隣接する前記ネットの一の面から前記複数の孔を通して前記ネットの前記一の面と反対側の面にまで至らない大きさであるフィルタ部材を内部に有するフィルタ容器によって解決する。
これにより、構造的に、フィルタ内の液体の流動経路を維持することができ、高粘度および高固形分比率を有するスラリー状液体用のフィルタ部材として長いフィルタ寿命を実現することができる。
本発明の実施の形態のフィルタ部材が配置されたフィルタ容器を示した図である。 図１の内部にあたる本発明の実施の形態のフィルタ部材とそれを用いたフィルタカートリッジを示した分解図である。 本発明の実施の形態のフィルタ部材を構成するネットの表面を拡大した写真図である。 本発明の実施の形態のフィルタ部材を構成するネットの繊維構成の模式図である。 本発明の実施の形態のフィルタ部材を構成するネットの繊維構成の模式図の断面図であって、図３Ｂの断面Ｙ−Ｙを示した図である。 本発明の実施の形態のフィルタ部材を構成する不織布の表面を拡大して示した写真である。 本発明の実施の形態のフィルタ部材を構成する不織布の断面形状の模式図であって、図４Ａの断面Ｚ−Ｚを示した図である。 本発明の実施の形態のフィルタ部材の不織布とネットとの積層の関係を示した図であって、図２の断面Ｘ−Ｘを示した図である。
以下、図１から図５を参照して、本発明のフィルタ部材について説明する。まず、図１を参照して、フィルタ部材１と、フィルタ部材１を備えるフィルタ容器６について説明する。図１は、本発明の実施の形態におけるフィルタ部材１と、それを有するフィルタ容器６を示している。フィルタ容器６は、内部にスラリー状の液体を流して、フィルタ部材１によりその液体の濾過を実行するための容器である。フィルタ容器６は、内部にスラリー状の液体Ｓが導入される導入管６１と、液体Ｓをフィルタ容器６の内部から排出する排出管６２とを有している。スラリー状の液体Ｓは、たとえば図１で示すように、導入管６１からフィルタ容器６の内部に導入され、フィルタ部材１の外面側へと流れ込む。そして、液体Ｓはフィルタ部材１の外面からフィルタ部材１の径方向に中心に向かって流れてフィルタ部材１の中心に至って濾過され、濾過された液体Ｓは排出管６２から外部へと排出される。
フィルタ部材１はフィルタ容器６に固定的に取り付けられている構成としてもよい。または、図１に示すように、フィルタ部材１をフィルタカートリッジ１１として構成し、フィルタカートリッジ１１がフィルタ容器６の内部に脱着可能に取り付けられる構成とすることもできる。以下、ここでは、フィルタ部材１がフィルタカートリッジ１１の一部として構成されている例を用いて、フィルタ部材１について説明する。
続いて、図２から図５を参照して、フィルタ部材１と、フィルタカートリッジ１１について説明する。図２は、図１の内部のフィルタカートリッジ１１を取り出して、分解した状態のフィルタ部材１を示した図であって、ネットと不織布と巻き付けた構成としたフィルタ部材１の一部について巻き付けを剥がしたように分解して示している。図３Ａから図３Ｃはフィルタ部材１を構成するネット３について示した図である。図４Ａと図４Ｂはフィルタ部材１を構成する不織布４を示した図である。図５は、フィルタ部材１として、ネット３と不織布４との積層の関係を示した図であって、図２の断面Ｘ−Ｘを示している。図２ではわかりやすいように、ネット３と不織布４とを分離した状態で示しているが、組み立て状態では図５のようにネット３と不織布４とは接している。フィルタカートリッジ１１は、フィルタ部材１と、メッシュ状カバー２とを備えている。メッシュ状カバー２は、代表的には、両端に開口を有し、円筒形状の中空部を有する部材であって、その中空部にフィルタ部材１を内包するように、フィルタ部材１の外側に外殻として取り付けられる部材である。メッシュ状カバー２は、図２には図示していないが、表裏を貫通する多数の貫通孔が配置されていて、フィルタ部材１の外面とフィルタ部材１の内部との間の液体Ｓの流路となる。
フィルタ部材１は、ネット３と不織布４とを交互に積層して形成され、代表的には内部が中空の円筒形の形状を有する積層体である。ネット３は濾材である隣接する不織布４と間の間隔を確保するために配置される。積層方法は自由に設定することができるが、積層体としてのフィルタ部材１は、代表的には、内部に中空部５ａを有する円筒形状を有する芯材５の外表面に、ネット３と不織布４とを重ねた状態で、それぞれに所定の張力を負荷しながら複数回巻き付けることにより、形成させることができる。これにより、フィルタ部材１は、フィルタ部材１の径方向に、ネット３と不織布４とが交互に出現するように積層されて構成される。
フィルタ部材１は、フィルタカートリッジ１１として構成させるときには、フィルタ部材１をメッシュ状カバー２の内部に収納して、メッシュ状カバー２の両端の開口をエンドキャップ７で封止する。エンドキャップ７の一方は、中心孔７ａを有するドーナッツ形状を有する円盤形状を有していて、エンドキャップ７がフィルタカートリッジ１１に取り付けられると、この中心孔７ａが芯材５の中空部５ａと連通し、フィルタ部材１で濾過された後の液体Ｓを排出管６２へと導入する導入流路となる。エンドキャップの他方には中心孔は配置されず、液体をフィルタ部材１の外面に導入するために液体Ｓをブロックする面として機能する。
続いて、図３Ａから図３Ｃを参照して、フィルタ部材１を構成するネット３について説明する。図３Ａはネット３の代表的な写真であり、図３Ｂはネット３の繊維の関係を示したその模式図である。図３Ｃは図３Ｂの断面Ｙ−Ｙを示した図である。ネット３は、図３Ａから図３Ｃに示すように、一の方向に延在するように形成される複数の第一繊維３１と、第一繊維３１が延在する方向と角度を持った方向に形成される複数の第二繊維３２とからなっている。複数の第一繊維３１のそれぞれは互いに平行に延在し、同様に複数の第二繊維３２のそれぞれは互いに平行に延在している。第一繊維３１が延在する方向と角度を持った方向は、任意の角度が選定できるが、代表的には９０度、すなわち第一繊維３１と第二繊維３２とが垂直に交差する関係である。
ネット３は、複数の第一繊維３１と複数の第二繊維３２とで囲まれる箇所に、複数の孔３３が形成される。複数の第一繊維３１と複数の第二繊維３２とは、それぞれの側面に接して融合するように固着して形成される。すなわち、ネット３は、ネット３の一の面には複数の第一繊維３１による凹凸が形成され、その反対側の面（他の面）には複数の第二繊維３２による凹凸が形成される井桁構造を有している。ネット３の第一繊維３１と第二繊維３２との交点はネット３の最も厚さが厚い凸部を形成する。
すなわち、ネット３は、ネット３の一の面が複数の第一繊維３１が所定の間隔をもって平行に配置されるように形成される面であって、それと反対側となるネット３の他の面が複数の第二繊維３２が所定の間隔をもって平行に配置されるように形成される面であって、それぞれの面が隣接するように形成される面である。ネット３の第一繊維３１および第二繊維３２のそれぞれの繊維径は、平均値として２５０マイクロメートルから３５０マイクロメートルとなるように選定する。また、ネット３の第一繊維３１および第二繊維３２のそれぞれの所定の間隔は、たとえばネット３の全体における平均値として、９００マイクロメートルとなるように設定する。具体的には、ネット３と不織布４との積層構成の箇所において後述する。
続いて、図４Ａおよび図４Ｂを参照して、不織布４について説明する。図４Ａは不織布４の表面を拡大した写真である。代表的に図４に破線の丸印で示した箇所が凸部Ｐを示している。図４Ｂは図４Ａの断面Ｚ−Ｚを模式的に示した模式図である。不織布４は、その表面に、その面方向に複数の凸部Ｐが繰り返し出現するような表面をもった構造の不織布であって、その厚さ方向に突出する複数個の凸部Ｐが不織布４の面方向に繰り返して出現するように形成される。すなわち、不織布４の面上の所定の方向に繰り返して出現する。所定の方向に繰り返して出現するとは、任意の所定の方向Ｗに、凹凸を形成するように、複数の凸部Ｐが形成されていることをいう。所定の方向は、厳密に水平および垂直である必要はなく、任意の方向に複数の凸部Ｐが形成されている傾向となっている方向である。凸部Ｐは凸部Ｐの周囲の不織布の平均的な表面高さよりも高い箇所として定義される。また、さらには、凸部Ｐは、一種類の形状の凸でもよいし、複数種類の形状の凸部とすることもできる。図４Ａは複数種類の形状の凸部が不織布４の表面に形成されている例を示した図である。複数の種類の形状の凸部Ｐは、たとえば、図４Ａに示すように、第一種類の形状の凸ｐ１と、第二種類の形状の凸ｐ２と、することができる。この場合、第一種類の形状の凸ｐ１と第二種類の形状の凸ｐ２とは、それぞれ任意の所定の方向Ｗに、複数の第一種類の形状の凸ｐ１と複数の第二種類の形状の凸ｐ２とが形成されるように不織布４の表面を構成させることができる。凸部Ｐの大きさは、平均値で幅１０００マイクロメートル、長さ４０００マイクロメートルで、ピーク高さtmax８００マイクロメートルとなることが好ましい。
すなわち、たとえば、所定の方向Ｗに沿って形成される帯状領域αに複数の第一種類の形状の凸ｐ１が形成されるようにし、同様に所定の方向Ｗに沿って形成される帯状領域βに複数の第二種類の形状の凸ｐ２が形成されるようにする。そして、帯状領域αと帯状領域βとが、方向Ｗと垂直な方向Ｖに交互に配置されるように形成させることができる。すなわち、帯状領域α同士または帯状領域β同士が隣接しないように、同じ形状の凸部Ｐが形成されている領域が隣り合わないように形成させる。第一種類の形状の凸ｐ１と第二種類の形状の凸ｐ２とは、代表的には凸部の裾部の不織布４上の平均面積の大きさが異なるように構成させたり、または凸部の裾部から頂点部までの平均高さが異なるように形成することもできる。さらには、図４Ａのように、第二種類の形状の凸ｐ２の裾部の不織布上の形状を細長くし、第一種類の形状の凸ｐ１の裾部の不織布上の形状をそれよりも短く構成することもできる。不織布４は、このような複数の凸部Ｐが不織布４の面方向に繰り返し出現するように表面が形成されている構造の不織布である限り、特にその他の構造の限定はされない。
不織布４には、不織布４を構成する繊維において、平均繊維径の２倍以上の太さを持つ繊維を２０パーセント混合し、その他の繊維は平均繊維径の範囲に入るように繊維を選択する。すなわち、たとえば、２０マイクロメートルから３０マイクロメートルの範囲の繊維径を有する繊維が８０％であって、５０マイクロメートルを超える範囲の繊維径を有する繊維が２０％のとなるように不織布の繊維を選択する。
続いて、図２と図５とを参照して、フィルタ部材１において、ネット３と不織布４とを、どのように構成させるかについて説明する。図５は、ネット３の孔３３における不織布４の凸部Ｐとの関係を示した図である。ネット３と不織布４と、前記の通り、芯材５の外表面に、ネット３と不織布４とを重ねた状態で、それぞれに所定の張力を負荷しながら複数回巻き付けられて形成される。このとき、ネット３と不織布４とを、所定の張力で巻き付けると、ネット３の内面と不織布４の外面とがそれぞれ押圧しあって密着するように、フィルタ部材１は、ネット３と不織布４とが交互に積層された積層体として形成される。
この状態では、不織布４のそれぞれの凸部は、ネット３の第一繊維３１と第二繊維３２との交点に接触するか、またはネット３の複数の孔３３とに合致することになる。このとき、不織布４のそれぞれの凸部がネット３の第一繊維３１と第二繊維３２との交点に接触する箇所は、ネット３の最も厚さの厚い凸部と、不織布のピーク厚さtmaxである凸部とが、合致する箇所であり、ネット３と不織布４との間に液体Ｓの流路が確保しやすい箇所となる。一方、不織布４のそれぞれの凸部がネット３の孔３３に合致する箇所は、不織布４のそれぞれの凸部がネット３の孔３３に嵌りこんで、ネット３と不織布４との間に液体Ｓの流路が確保しにくい箇所となる。
しかし、本発明では、ネット３の第一繊維３１および第二繊維３２のそれぞれの繊維径と、第一繊維３１と第二繊維３２とのそれぞれの間隔は、前記のネット３と不織布４の諸元とそれぞれの構成を選択することにより、図５に示すように、不織布４の凸部Ｐはネット３の孔３３の部分において、ネット３の厚さの１／４の厚さにも達しない。すなわち、本願発明では、ネット３において、第二繊維３２の間隔により不織布４の凸部Ｐが孔３３に入り込むことを防ぐことができるので、この箇所においてもネット３の第一繊維３１の位置までは不織布４は到達しない。すなわち、ネット３の複数の孔３３の大きさは、不織布４の凸部Ｐが、その箇所において、ネット３の一の面からその反対側の他方の面にまで至らない大きさである。すなわち、不織布の凸部Ｐの高さは、ネット３の孔３３が凸部Ｐの幅や長さより大きい（たとえば、図４Ａの凸ｐ１の）場合には、凸部Ｐの全部がネット３の孔３３に入り込みやすいので、凸部Ｐの高さはネット３の厚み以下となるように選択される。一方、ネット３の孔３３が凸部Ｐの幅や長さより小さい（たとえば、図４Ａの凸ｐ２の）場合には、凸部Ｐの全部がネット３の孔３３に入り込むことはないので、凸部Ｐのうちネット３の孔３３に入り込む部分の高さがネット３の厚み以下となるような凸部の高さを選定することになる。
このような構成とすれば、ネット３と不織布４とを、所定の張力で巻き付けて、ネット３の内面と不織布４の外面とがそれぞれ押圧しあって密着する際に、所定の張力をある程度大きくして密着度を高くしても、すなわちネット３が不織布４を押圧する圧力を大きくしたとしても、極端なネット３と不織布４との間の空隙率の低下を防止することができる。これにより、不織布４のそれぞれの凸部がネット３の孔３３に合致する箇所においても、ネット３と不織布４との間に十分な間隔を保持することができ、液体Ｓの流路を確保することができる。
１ フィルタ部材
２ メッシュ状カバー
３ ネット
４ 不織布
５ 芯材
５ａ 中空部
６ フィルタ容器
７ エンドキャップ
７ａ 孔
１１ フィルタカートリッジ
３１ 第一繊維
３２ 第二繊維
３３ 孔

Claims (11)

  1. ネットと不織布とが交互に積層された積層体からなるスラリー状液体濾過用のフィルタ部材であって、
    前記ネットは、一の方向に平行に形成される複数の第一繊維と、前記一の方向と角度を持った方向に平行に前記複数の第一繊維の側面と接する複数の第二繊維とからなり、前記複数の第一繊維と前記複数の第二繊維とで囲まれる箇所に複数の孔が形成されるように形成され、
    前記不織布は、前記不織布の厚さ方向の表面に複数の凸部を有し、前記複数の凸部が前記不織布の面方向に繰り返し出現するように形成され、
    前記不織布の前記厚さ方向の前記複数の凸部において、任意の凸部の高さと前記ネットの前記複数の孔の大きさは、前記不織布の前記複数の凸部の前記任意の凸部が隣接する前記ネットの一の面から前記複数の孔のうち前記任意の凸部に対応する孔を通して前記ネットの前記一の面と反対側の面にまで至らないようになっているフィルタ部材。
  2. 請求項１に記載のフィルタ部材であって、
    前記積層体は、前記ネットと前記不織布とが重ねられた状態で円筒形状の芯材に複数回巻き付けられることにより形成されるフィルタ部材。
  3. 請求項１または２に記載のフィルタ部材であって、
    前記不織布は平均繊維径の２倍以上の太さを持つ繊維を２０パーセント混合し、その他の繊維は平均繊維径の範囲に入るように繊維を選択して形成されるフィルタ部材。
  4. 請求項１または２に記載のフィルタ部材であって、
    前記不織布の前記複数の凸部は複数種類の形状の凸部からなり、
    前記複数種類の形状の凸部のそれぞれの形状の複数の凸部が前記不織布の面上に所定の方向に繰り返し形成されているフィルタ部材。
  5. 請求項１または２に記載のフィルタ部材であって、
    前記不織布の前記複数の凸部は複数種類の形状の凸部からなり、
    前記複数種類の形状の凸部のそれぞれの形状の複数の凸部が形成されている領域は、前記所定の方向と垂直な方向に同じ形状の凸部が形成されている領域が隣り合わないようになっているフィルタ部材。
  6. 請求項１または２に記載のフィルタ部材であって、
    前記不織布の前記複数の凸部は複数種類の形状の凸部からなり、
    前記複数種類の形状の凸部のそれぞれの形状の複数の凸部とは、前記複数の凸部の裾部の不織布上の平均面積の大きさが異なる、または前記複数の凸部の裾部から頂点部までの平均高さが異なる、ように形成されているフィルタ部材。
  7. 請求項１または２に記載のフィルタ部材であって、
    前記不織布の前記複数の凸部は複数種類の形状の凸部からなり、
    前記複数種類の形状のうち少なくとも一の形状の複数の凸部は前記不織布上の形状が細長く形成されているフィルタ部材。
  8. 請求項１から７のいずれか一項に記載のフィルタ部材を内部に備えるフィルタ容器。
  9. 請求項１から７のいずれか一項に記載のフィルタ部材と、
    前記フィルタ部材の外側で前記フィルタ部材を内包する円筒形状のメッシュ状カバーと、を備えるフィルタカートリッジ。
  10. 請求項９に記載のフィルタカートリッジであって、
    前記フィルタカートリッジは、スラリー状液体が内部を通過する任意のフィルタ容器の内部に脱着可能に取り付けられるフィルタカートリッジ。
  11. 請求項１０に記載のフィルタカートリッジを内部に備えるフィルタ容器。
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