JP3758371B2 - 高剪断流による高能率濾過装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高剪断流による高能率濾過装置に係わり、更に詳しくは、ＳｉＯ2 ，ＺｒＯ2 などの微粒子をパーセントオーダーの重量配分で分散させた高濃度スラリー液や水などをフィルターの目詰まりなく高能率で精製若しくは濃縮できる高剪断流による高能率濾過装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子工業等におけるスラリー液の精密、限外濾過には円筒状又は多穴円柱状のセラミックフィルターを使用して、該フィルター中空部に前記スラリー液をクロスフローで循環供給若しくは流通供給する濾過方法が多用されている。前記クロスフロー方式とは、濾過対象である被処理液をフィルター壁面に対してその接線方向に供給し、前記フィルターの微細流路を塞ぐ微粒子を前記被処理液の液流により吹き流し、該微細流路の目詰まりを防止せんとするものである。
【０００３】
しかしながら前記従来のセラミックフィルターのみを使用した濾過方法は、特に高濃度のスラリー液を濾過する場合、その微粒子によるフィルターの目詰まりを防止すべく該スラリー液を高速で流す必要が生じ、一定の透水流量を得るに必要となる前記スラリー液の供給流量が増大するといった非常に能率の悪いものであった。
【０００４】
そして、前記供給流量を抑えつつフィルターの目詰まりを防止する手段としては、被処理液を供給する円筒状セラミックフィルター中空部に回転体を挿通することで前記被処理液による渦を形成し、フィルターの目詰まりを防止しうる濾過装置が提案されている。
【０００５】
このようなクロスフロー方式の回転式濾過装置の場合、従来の濾過装置に比べ約１０倍程度の濾過能率が達成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記被処理液の渦を形成する濾過装置においても、高濃度のスラリー液を対象に高純度な濾過液を得る際には濾過能率が著しく低下し、逆洗を幾度となく繰り返す必要が生じるなど、濾過能力の安定性及び再現性に欠けていた。
【０００７】
本発明はかかる現況に鑑みなされたもので、フィルター微細流路の目詰まりを回避して高い濾過能率を維持しつつ高濃度のスラリー液を濾過できる濾過方法及びその装置を提供せんとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は前述の課題を解決するにあたり鋭意検討を進めた結果、フィルターに極微小間隔をおいて対面する物体と前記フィルターとの隙間に被処理液を供給し、該隙間内に前記被処理液の高剪断流を形成することでフィルターの目詰まりが回避され、従来の１００倍以上もの濾過能率が達成可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち本発明は、断面が円形で且つ軸方向に延びる複数の貫通孔を有する円柱状フィルターと、各貫通孔に対し、被処理液の上流側端部で一端支持された状態に内装され、当該各貫通孔内壁との隙間が略全域にわたり微小且つ均一となる高剪断流発生部材と、前記フィルター及び高剪断流発生部材を内装し、各高剪断流発生部材の外周面と貫通孔内壁との各隙間に被処理液を循環供給又は流通供給するための供給孔及び排出孔、並びに前記フィルターの外壁から濾過液を排出するための流出孔を有するハウジングと、を少なくとも備え、各隙間に被処理液を供給して該隙間内に高剪断流を形成し、該被処理液中の微粒子によるフィルター微細流路の目詰まりを防止しつつ該微細流路を介してフィルターを透水した濾過液を前記流出孔から排出してなることを特徴とする高剪断流による高能率濾過装置を構成した。ここに、「一端支持」とは、「両端支持」と対を成す概念で用いられ、一端を支持してその動きを規制するとともに、他端の動きは完全自由に若しくは一部規制することを意味する。
【００１０】
ここで、筒状ハウジングが、濾過液の流出孔をその側面上に備えた筒状の本体部と、被処理液の供給孔若しくは排出孔を備え、前記本体部の両端にクランプで着脱自在に装着される筒状端部部材とより構成され、前記フィルターを、本体部の両端部と筒状端部部材との係合部内周に環装される封水リングにより液密状態で密着支持するとともに、各高剪断流発生部材を、被処理液の上流側に位置する筒状端部部材の本体部側開口に嵌着される支持部材によりその一端側を支持させたものが好ましい。
【００１１】
また、前記支持部材が、高剪断流発生部材を係止するための複数の支持孔を設けるとともに、各支持孔に前記高剪断流発生部材を装着した状態で被処理液を流通しうる複数の流通孔を穿設し、さらに、その外周面に被処理液を流通しうる切欠き溝を設けたものが好ましい。
【００１２】
さらに、各高剪断流発生部材が、その上流側端部に前記支持孔の内径より僅かに大きい外径を有する太径部を形成したものが好ましい。
【００１３】
また、各高剪断流発生部材の外周面と貫通孔内壁との隙間が、０．１〜０．３ｍｍとなるように設定したものが好ましい。
【００１４】
また、前記フィルターが、多孔質セラミックフィルターであることが好ましい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の詳細を添付図面に基づき説明するが、以下に示す実施例は本発明を何ら限定するものではない。
【００２５】
図１、図２及び図３は本発明の技術思想を示す概念図である。図中１０２は微細流路を有するフィルターであり、１０３は該フィルター内壁又は外壁に対向する位置に設けられた高剪断流発生部材である。前記フィルター１０２と高剪断流発生部材１０３との隙間１０５は前記フィルター内壁又は外壁の略全域にわたり微小且つ均一な間隔ｔに設定されており、該隙間１０５に被処理液１０４を循環供給又は流通供給することで該隙間内に前記被処理液の高剪断流を形成し、フィルター１０２の微細流路の開口に目詰まりを生じることなく高い濾過能率を達成するものである。前記間隔ｔは０．５〜０．０１ｍｍ、好ましくは０．３〜０．０１ｍｍ、より好ましくは０．１〜０．０１ｍｍの範囲に設定する。濾過装置の能力は被処理液の供給量あたりの透水量で判断でき、ここでは前記被処理液の供給流量当たりの透水流量の割合を濾過能率と規定している。従来の濾過装置においては、前記被処理液の供給にしたがいフィルターの微細流路開口の目詰まりが増大して濾過能力が低下し、前記開口の目詰まりを抑制するためには更に多量の被処理液を供給する必要が生じ、一定の透水流量を得るために必要となる供給流量が増大する結果となっていた。また、これに加えて逆洗を幾度となく繰り返す必要も生じていた。一方、本発明の濾過方法及び濾過装置によると、前記微細流路開口の目詰まりが生じないのでフィルターはその濾過能力を低下することなく初期の状態を維持しつづけ、一定の透水流量を得るための供給流量を従来の１００分の１以下に削減できるといった高い濾過能率が達成可能となる。図１（ａ）、（ｂ）は、このような被処理液の高剪断流を発生する濾過装置の例を示しており、円筒状のフィルター１０２内に円柱状の高剪断流発生部材１０３を同軸に内装し、隙間１０５に被処理液１０４の高剪断流を形成するとともに該フィルター外壁１０２ａから濾過液を排出するものである。
【００２６】
また、図２の（ａ）、（ｂ）に示すように、円筒状のフィルター１０２に同じく円筒状の高剪断流発生部材を同軸に外装し、隙間１０５に被処理液１０４の高剪断流を形成するとともにフィルター内壁１０２ｂから濾過液を排出するものや、図３の（ａ）、（ｂ）に示すように、中空の柱状フィルター１０２に柱状の高剪断流発生部材１０３を内装し、隙間１０５に被処理液１０４の高剪断流を形成するとともにフィルター外壁１０２ａから濾過液を排出するものであってもよい。
前記図１及び図２に示す濾過装置においては、高剪断流発生部材１０３をフィルター１０２に対して相対回転可能に支持しておけば隙間１０５を流動する被処理液の流路を螺旋状に延長させることが可能となり、濾過能率を更に向上できる。特に、フィルター１０２を回転させる場合には、該フィルター壁面近傍を流動する被処理液の相対的な流速を高めることができ、微細流路の開口部に作用する前記被処理液による剪断力が増大して濾過能率が飛躍的に向上する。
【００２７】
また、高剪断流発生部材１０３のフィルター対向壁に凹溝又は突条を螺旋状に形成して被処理液の流路を螺旋状に延長させるものも好ましい実施例となる。前記フィルター対向壁に凹溝を設けるものについては、隙間１０５を可能な限り小さく設定することで被処理液の流路を凹溝内部に限定させることが好ましい。また、高剪断流発生部材１０３の前記隙間１０５側壁面に圧電素子を内装若しくは外装し、該隙間を介してフィルター１０２の微細流路に超音波を照射すれば、前記被処理液の高剪断流と相俟って、該微細流路を塞ぐ微粒子を効果的に除去することができる。更に、高剪断流発生部材１０３を可撓性とすれば、該高剪断流発生部材１０３のフィルター対向壁が該フィルター１０２の内壁又は外壁の加工精度に追従し、容易に０．０１ｍｍ以下の間隔が達成される。これは、一方の壁面を軟質とした隙間に流体を供給すれば、該流体の圧力により前記隙間は均等な間隔となり、他方の壁面の加工精度による前記間隔のばらつきが解消して隙間全域にわたり略均一な微小間隔が達成できることを利用したものである。
【００２８】
以下、前記方法を直接使用した高剪断流による高能率濾過装置について図面に基づき説明する。図４は本発明の濾過装置の第１の参考例を示し、図中２は断面が円形で且つ軸方向に延びる単数の貫通孔を中心に有する円柱状、即ち円筒状の、多孔質セラミックフィルター、３は前記多孔質セラミックフィルターに内装される高剪断流発生部材、４は筒状ハウジングをそれぞれ示している。
【００２９】
本発明に係る濾過装置は、ＳｉＯ2 、ＺｒＯ2 などの微粒子がパーセントオーダーの重量配分で分散した高濃度スラリー液や水の精製や濃縮に適した高能率濾過装置であり、本例の濾過装置１は、被処理液の供給孔４３及び排出孔４４並びに濾過液の流出孔４５、４５を有する筒状ハウジング４内に円筒状の多孔質セラミックフィルター２を設け、該セラミックフィルターの貫通孔に相当する中空部２１には、前記筒状ハウジング４の両端に位置する端部部材４１，４２によりその両端を支持された状態で略円柱状の高剪断流発生部材３を同軸に内装している。高剪断流発生部材外壁３ａと中空部２１の側壁に相当するフィルター内壁２ｂとの隙間５は前記中空部２１の略全域にわたり微小且つ略均一な間隔を有し、前記間隔は０．５〜０．０１ｍｍ、好ましくは０．３〜０．０１ｍｍ、より好ましくは０．１〜０．０１ｍｍに設定する。そして、この隙間５に前記供給孔４３及び排出孔４４を介して被処理液を循環供給若しくは流通供給することで、該隙間５内に前記被処理液による高剪断流が発生する。この様に、被処理液の高剪断流を形成することで、前記フィルター内壁２ｂからフィルター外壁２ａに至るフィルター部２２を構成している多数の微細流路２３におけるフィルター内壁２ｂ側の開口部周辺に前記被処理液中の微粒子により目詰まりが生じることを回避でき、高い濾過能率を維持したまま前記微細流路２３を介して被処理液がクロスフローで濾過される。そしてフィルター外壁２ａに流出した濾過液は筒状ハウジング４に設けた流出孔４５、４５から濾過装置１外へ排出される。尚、本例の濾過装置１にはフィルターとして耐圧性、耐熱性、耐食性及び加工性に優れるセラミック製の多孔質フィルターが用いられているが、本発明はこれに限らずガラス等の無機物若しくは金属からなる多孔体や、有機膜フィルターを用いてもよい。
【００３０】
筒状ハウジング４は、濾過液の流出孔４５、４５をその側面に備えた筒状の本体部４６と、被処理液の供給孔４３若しくは排出孔４４を有して前記本体部４６両端にクランプ４７で着脱自在に装着される端部部材４１、４２とから構成され、前記端部部材４１、４２は、円筒状の多孔質セラミックフィルター２及び円柱状の高剪断流発生部材３を前記隙間５が維持された状態で同軸に支持している。前記多孔質セラミックフィルター２は前記本体部４６の両端部と前記端部部材４１，４２との係合部内周に環装されるパッキン等からなる封水リング４９により液密状態で密着支持されている。ここで、前記高剪断流発生部材３を支持している支持部位４８には、図５にも示す如く、該高剪断流発生部材３の両端に位置する縮径した軸部３１、３２を嵌通する支持孔４８ａ並びに該支持孔４８ａの周囲に複数配置され被処理液を流通する流通孔４８ｂ、…が穿設されている。
【００３１】
前記高剪断流発生部材３はその外壁３ａ上でのみ被処理液を流通させる形状であれば中空であってもよく、また、その支持形態は被処理液の上流側に位置する軸部３１において前記端部部材４１により回転可能に、若しくは揺動可能に一端支持されているものも好ましい例である。この様な支持構造を有する高剪断流発生部材３を用いると、図６に示す如く、被処理液の下流側に位置する端部３ｂに開口３３を有する軽量な中空形状が採用できるとともに、前記被処理液の排出孔４４を有する端部部材４２には、支持孔４８ａ及び流通孔４８ｂを穿設した前記支持部材４８を設ける必要がなくなり、例えば前記排出孔４４のみを貫通して設けた簡単な構造が採用できる。更に、このような支持形態からなる高剪断流発生部材３を用いて前記隙間５に被処理液を供給すれば、該高剪断流発生部材３の外壁３ａには周方向にわたり略均一な水圧が作用し、結局前記隙間５に均一な間隔が維持されることになる。この場合、均一な間隔を維持できる限界は、被処理液の水圧及び高剪断流発生部材３の自重などにより決定され、前記自重が大きいと前記被処理液の水圧も大きくしなければならない。したがって、前述の如く、高剪断流発生部材として下流側に開口３３を有する中空形状のものを採用すれば、自重が軽減した分だけ被処理液の水圧を比較的自由に設定できるとともに、長尺な高剪断流発生部材を使用して被処理液の流路を延長し、濾過能率を向上させることも可能である。また、前記高剪断流発生部材３の上流側端部に図示した如くテーパー形状３ｃを有していると、被処理液が周面上に略均等に分散供給され、安定した間隔が維持できる。
【００３２】
前記中空部２１を通過する被処理液の流路を長くして濾過処理の能率を向上させる観点からは、被処理液の粘性に着目し、前記高剪断流発生部材３を回転させて該被処理液の流路を螺旋状にすることや、図７（ａ）、（ｂ）に示す如く、前記高剪断流発生部材３の外壁３ａに凹溝３４や突条３５等の規制部位３６を螺旋状に形成することや、前記回転手段及び規制部位３６による手段を併用することが好ましい例である。ここで、特に前記隙間５の間隔を０．１ｍｍ以下に設定する場合には、高剪断流発生部材３の回転精度が前記隙間５の寸法精度に大きく影響を与えるため、前記高剪断流発生部材３は、その外壁３ａに前記規制部位３６を形成するとともに駆動手段を用いないで回転可能に支持してなることが好ましい例である。この様な構成とすることで、前記隙間５の間隔を一定に保ちつつ、被処理液の供給開始時には、該被処理液が螺旋状に設けられた前記規制部位３６を介して前記高剪断流発生部位３に回転力を生じさせ、該高剪断流発生部材３が前記被処理液の圧力及び前記規制部位３６の形状寸法に応じた回転速度に達した後は、前記被処理液はその粘性により高剪断流発生部材３の回転の方向に螺旋状の流路を形成できる。尚、図７における高剪断流発生部材外壁３ａの凹溝３４や突条３５は１本ものの場合のみを示しているが、その疎密及び本数は特に限定されず、２本以上のものであってもよい。また、凹溝３４を設ける場合、高剪断流発生部材３の外径を多孔質セラミックフィルター２の内径に限りなく近づけて被処理液の流路を前記凹溝３４内に限定させることで、被処理液の流路が延長するとともにその剪断速度を増大できる。
【００３３】
次に、図８は本発明の濾過装置の代表的実施形態を示し、図中２は円柱状の多孔質セラミックフィルター、３は高剪断流発生部材、４は筒状ハウジングをそれぞれ示している。
本実施形態の濾過装置１における前記多孔質セラミックフィルター２には、円断面で軸方向に延びる複数の貫通孔２４が穿設されており、各貫通孔２４には、被処理液の上流側に位置する筒状端部部材４１により一端支持された状態で高剪断流発生部材３が内装されている。このような濾過装置１においては被処理液とフィルターとの接触面積が増大し、濾過能率が向上する。各高剪断流発生部材３の外壁３ａと各貫通孔２４の側壁に相当するフィルター内壁２ｂとの隙間５は、前述の第１の参考例の隙間５と同様、貫通孔２４全域にわたり微小且つ略均一な間隔に設定されており、各隙間５に被処理液を循環供給若しくは流通供給することで、該隙間内に被処理液による高剪断流を形成し、該被処理液中の微粒子によるフィルター部２２の微細流路２３の目詰まりを生じることなく、高い能率を維持したまま前記被処理液をクロスフローで濾過処理する。
【００３４】
前記筒状ハウジング４は、濾過液の流出孔４５、４５をその側面上に備えた筒状の本体部４６と、被処理液の供給孔４３若しくは排出孔４４を備え前記本体部４６両端にクランプ４７で着脱自在に装着される筒状端部部材４１、４２とから構成され、前記筒状ハウジング４に内装される多孔質セラミックフィルター２は、前記本体部４６の両端部と前記筒状端部部材４１、４２との係合部内周に環装される封水リング４９により液密状態で密着支持されている。各高剪断流発生部材３は、筒状端部部材４１の本体部側開口４１ａに嵌着する支持部材６によりその一端を支持されている。該支持部材６は、図９に示す如く、前記高剪断流発生部材３を嵌通する複数の支持孔６ａ並びに該支持孔６ａに前記高剪断流発生部材３を装着した状態で被処理液を流通しうる複数の流通孔６ｂが穿設されており、さらにその外周面には前記被処理液の流通を補助しうる切欠き溝６ｃが設けられている。ここで前記高剪断流発生部材３が、図１０に示す如く、その上流側端部に前記支持孔６ａの内径より僅かに大きい外径を有する太径部３７を形成してなることで、該太径部３７を前記支持孔６ａに係止した状態で容易に前記筒状ハウジング４内にセッティングできるとともに、前記高剪断流発生部材３を揺動可能に一端支持することが容易となる。
【００３５】
各高剪断流発生部材３は一端支持と両端支持のどちらの支持形態を採用してもよく、特に一端支持の場合、前述の第１の参考例に比較して各高剪断流発生部材３が軽量であるため２５０〜２８０ｍｍ程度の長尺なものも使用でき、被処理液の流路を長くして濾過能率をさらに向上させることができる。また、図１１の（ａ）、（ｂ）に示す如く、その外壁３ａに１本ものの又は２本以上の凹溝３４や突条３５等の規制部位３６を螺旋状に形成することで被処理液の流路若しくは滞在時間を長くして、濾過能率を向上させるものも好ましい実施例である。
【００３６】
尚、本発明における高剪断流発生部材の材質は特に限定されず、被処理液の圧力に耐え得る金属、セラミック、ガラス、合成樹脂等からなるものが使用できるが、被処理液により腐食を生じない材料が好ましく、更に防錆等の表面処理を行うことがより好ましい。また、前記高剪断流発生部材の全体若しくは表面層を、フィルターの貫通孔の加工精度に追従可能な程度の可撓性を有する合成ゴム等の軟質材料により形成し、且つその外径寸法を前記貫通孔の内径寸法に限りなく近づけて該貫通孔に挿通することが好ましい実施例である。このような高剪断流発生部材を用いて前記貫通孔側面との間に形成される極微小隙間に被処理液を供給する際には、０．０１ｍｍ以下の微小間隔が達成され、更に高い剪断力を有する被処理液の流れを形成することができる。
【００３７】
また、本発明の濾過装置の第２の参考例として、図１２に示す如く、高剪断流発生部材３に圧電素子を設けて前記多孔質セラミックフィルター２の微細流路に超音波を照射するものも好ましい。本例においては、圧電素子として円筒状の圧電セラミック７を中空の高剪断流発生部材３に内装し、隙間５を介して対向するフィルター内壁２ｂに７００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの超音波を垂直に照射する。このように、通常の洗浄に用いる超音波に比べて周波数が２桁高いＭＨｚオーダーの超音波を前記微細流路に照射することで、該微細流路に付着する極微細な微粒子を効果的に除去することが可能となる。
【００３８】
次に、図１３は本発明の濾過装置の第３の参考例を示し、図中２は平板状多孔質セラミックフィルター、８はハウジングをそれぞれ示している。本例の濾過装置１は、ハウジング８内に、該ハウジング８を被処理液の流通路８１と濾過液の流通路８２とに区分する形で、平板状多孔質セラミックフィルター２を装着してなり、前記被処理液の流通路８１は、微小且つ均一な間隔、好ましくは０．０１〜０．５ｍｍの均一な間隔を有する隙間５を形成している。
そして、前記供給孔４３及び排出孔４４を介して被処理液を循環供給又は流通供給することで、前記隙間５内に被処理液による高剪断流が発生し、該高剪断流により、多孔質セラミックフィルター２における被処理液の流通路８１側壁面２ｃから濾過液の流通路８２側壁面２ｄに至る多数の微細流路の開口部周辺に前記被処理液中の微粒子が堆積することを防止しつつ、該微細流路を介して多孔質セラミックフィルター２を透水した濾過液を流出孔４５から排出するものである。
この様に、高剪断流発生部材を用いることなく被処理液の流通路８１を微小間隔に設定するだけで濾過能率が向上し、濾過時間を短縮することが可能となる。
図１４（ａ）は、図示しない方形の平板状多孔質セラミックフィルターを内装した濾過装置１における被処理液９及び濾過液１０の流動の様子を示しており、図１４（ｂ）は、図示しない円形の平板状多孔質セラミックフィルターを内装した濾過装置１における被処理液９及び濾過液１０の流動の様子を示している。
【００３９】
また、以上示した代表的実施形態、参考例の濾過装置は、何れもフィルターを単数個内装してなるものであるが、本発明はこれに限定されず、例えば、図１５（ａ）、（ｂ）に示す如く、濾過装置１内に高剪断流発生部材を内装した複数の多孔質セラミックフィルター２を並列に設けたものや、その他直列に設けてなるものも、透水流量が増大して処理時間を短縮し得る点で好ましい実施例である。
【００４０】
尚、本発明の高剪断流による高能率濾過方法及びその装置は、液体ヘリウム、液体水素、液体酸素、液体窒素、その他の液体における不純物の除去等にも有効である。
【００４１】
【実施例】
（実験１）
【００４２】
次に、以下に示す実施例１〜３の濾過装置及び比較例１の濾過装置を用いて濾過能率の比較実験を行った。ＳｉＯ2 微粒子１ｗｔ％含有の被処理液を濾過処理した結果を表１に、純水を濾過処理した結果を表２にそれぞれ示している。各処理における被処理液の平均濾過圧力は４ｋｇ／ｃｍ2 （供給圧６ｋｇ／ｃｍ2 、排出圧２ｋｇ／ｃｍ2 ）で一定とし、濾過能率は、被処理液の供給流量当たりのフィルター透水流量の割合（％）で表わした。
【００４３】
実施例１の濾過装置は、流路径１０μｍの支持層と流路径０．０５μｍの細粒層との２層からなる微細流路を有し、外径３０ｍｍ、長さ２５０ｍｍで、内径４ｍｍの貫通孔を１９穴有する円柱状多穴セラミックフィルターの各貫通孔に隙間の間隔が０．１ｍｍとなる高剪断流発生部材を一端支持の状態でそれぞれ内装してなる濾過装置である。
【００４４】
実施例２の濾過装置は、流路径１０μｍの支持層と流路径０．０５μｍの細粒層との２層からなる微細流路を有し、外径３０ｍｍ、長さ２５０ｍｍで、内径４ｍｍの貫通孔を１９穴有する円柱状多穴セラミックフィルターの各貫通孔に隙間の間隔が０．２ｍｍとなる高剪断流発生部材を一端支持の状態でそれぞれ内装してなる濾過装置である。
【００４５】
実施例３の濾過装置は、流路径１０μｍの支持層と流路径０．０５μｍの細粒層との２層からなる微細流路を有し、外径３０ｍｍ、長さ２５０ｍｍで、内径４ｍｍの貫通孔を１９穴有する円柱状多穴セラミックフィルターの各貫通孔に隙間の間隔が０．３ｍｍとなる高剪断流発生部材を一端支持の状態でそれぞれ内装してなる濾過装置である。
【００４６】
比較例１の濾過装置は、流路径１０μｍの支持層と流路径０．０５μｍの細粒層との２層からなる微細流路を有し、外径３０ｍｍ、長さ２５０ｍｍで、内径４ｍｍの貫通孔を１９穴有する円柱状多穴セラミックフィルターからなり、前記高剪断流発生部材を使用しない従来の濾過装置である。
【００４７】
【表１】
【００４８】
ＳｉＯ2 微粒子１ｗｔ％含有の被処理液を濾過処理した上記表１の結果によると、隙間間隔を０．１ｍｍとした実施例１においては、従来の２０倍以上もの濾過能率を達成していることが分かる。
また、本発明の実施例１〜３の結果をみると、同じ圧力条件下（４ｋｇ／ｃｍ2 ）で隙間間隔を小さくしていくにつれて、ほぼ等しい透水流量を維持しつつ、透水されずに排出される流量が前記隙間間隔にほぼ比例的に減少していることが分かる。このことから、前記隙間間隔を０．０１ｍｍに設定した場合には、供給流量が１．５Ｌ／ｍｉｎ程度となることが予想され、その濾過能率は、従来の１００倍以上の５０％以上を達成できるのである。
【００４９】
【表２】
【００５０】
純水を濾過処理した上記表２の結果によると、隙間間隔を０．１ｍｍとした実施例１においては、従来の８倍以上もの濾過能率を達成していることが分かる。
また、本発明の実施例１〜３の結果をみると、同じ圧力条件下（４ｋｇ／ｃｍ2 ）で隙間間隔を小さくしていくにつれて、ほぼ等しい透水流量を維持しつつ、透水されずに排出される流量が前記隙間間隔にほぼ比例的に減少していくことが分かる。このことから、前記隙間間隔を０．０１ｍｍに設定した場合には、供給流量が３．５Ｌ／ｍｉｎ程度となることが予想され、その濾過能率は、従来の８０倍近い、約７７％を達成できるのである。
【００５１】
（実験２）
【００５２】
次に、以下に示す実施例５の濾過装置を用いて超音波照射による効果を調べる実験を行った。
被処理液はＳｉＯ２微粒子を１ｗｔ％含有したスラリー液を使用し、被処理液の平均濾過圧力は３ｋｇ／ｃｍ2 （供給圧４ｋｇ／ｃｍ2 、排出圧２ｋｇ／ｃｍ2 ）で、被処理液の供給流量を５０．０Ｌ／ｍｉｎで一定とした。
【００５３】
濾過装置は、流路径１０μｍの支持層と流路径０．０５μｍの細粒層との２層からなる微細流路を有し、外径３０ｍｍ、長さ６５ｍｍで、内径２２ｍｍの貫通孔を１穴有する円筒状多孔質セラミックフィルターの貫通孔に、該フィルター内壁との間隔が０．５ｍｍの中空の高剪断流発生部材を両端支持の状態で内装し、更に前記高剪断流発生部材には長さ２５ｍｍの円筒状圧電セラミックを内装している。
【００５４】
前記圧電セラミックによる超音波周波数は１ＭＨｚとし、初期状態である状態１から５分間隔毎に計１２回濾過装置の透水流量（ｍＬ／ｍｉｎ）を測定した。
【００５５】
実験結果は表３に示している。尚、各状態における超音波照射の有無は、測定時までの照射状態を示しており、測定後は次の状態に超音波照射の有無を変更又は維持する。
【００５６】
【表３】
【００５７】
上記表３より、時間の経過（状態１→状態１２）にしたがい若干フィルターの目詰まりによる影響はあるものの、超音波照射した場合の透水流量は、照射しない場合と比較して明らかに０．６〜５．２％増大していることが分かる。
【００５８】
【発明の効果】
以上にしてなる本発明の高剪断流による高能率濾過装置によれば、被処理液とフィルターとの接触面積が増大し、濾過能率が向上するとともに、被処理液の剪断流によって微細流路開口の目詰まりがほぼ完全に防止できるので、少ない供給流量で多くの透水流量が得られ、配管、送液ポンプ及び弁などがスケールダウンし、装置全体を小型化できる。また、高剪断流発生部材が円柱状フィルターの各貫通孔に対し、被処理液の上流側端部で一端支持された状態に内装されているので、前記他端の形状が自由に形成できるとともにその支持構造が簡単又は不要となり濾過装置全体の設計自由度が向上する。また、このような高剪断流発生部材が形成する隙間に被処理液を供給する際には、該高剪断流発生部材のフィルター対向壁に周方向にわたり略均一な水圧が生じ、該水圧により前記隙間の間隔が軸方向に沿って略均一になる。
【００５９】
また、各高剪断流発生部材が、その上流側端部に前記支持孔の内径より僅かに大きい外径を有する太径部を形成してなるので、該太径部を支持部材の支持孔に係止することで筒状ハウジング内に容易にセッティングできる。
【００６０】
また、フィルターとして多孔質セラミックフィルターを用いれば、耐圧性、耐熱性、耐食性及び加工性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）は、円筒状フィルター内に円柱状の高剪断流発生部材を同軸に内装した場合を縦断面で示した概念図。
（ｂ）は、同じく横断面で示した概念図。
【図２】 （ａ）は、円筒状フィルターに円筒状高剪断流発生部材を同軸に外装した場合を縦断面で示した概念図。
（ｂ）は、同じく横断面で示した概念図。
【図３】 （ａ）は、空柱状フィルター内に柱状高剪断流発生部材を内装した場合を縦断面で示した概念図。
（ｂ）は、同じく横断面で示した概念図。
【図４】 本発明の濾過装置の第１の参考例を示す簡略断面図。
【図５】高剪断流発生部材を支持している支持部位を示す簡略斜視図。
【図６】一端支持された高剪断流発生部材の変形例を示す簡略説明図。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は、高剪断流発生部材の変形例を示す簡略説明図。
【図８】 本発明の代表的実施形態を示す濾過装置の簡略断面図。
【図９】高剪断流発生部材を一端支持する支持部材を示す簡略斜視図。
【図１０】高剪断流発生部材を示す簡略斜視図。
【図１１】（ａ）及び（ｂ）は、高剪断流発生部材の変形例を示す簡略説明図。
【図１２】 本発明の濾過装置の第２の参考例を示す簡略断面図。
【図１３】 本発明の濾過装置の第３の参考例を示す簡略断面図。
【図１４】 （ａ）及び（ｂ）は、同参考例の濾過装置における被処理液及び濾過液の流動する様子を示す簡略斜視図。
【図１５】（ａ）は、複数の多孔質セラミックフィルターを並列に設けた濾過装置を示す簡略縦断面図。
（ｂ）は、同じく簡略横断面図。
【符号の説明】
１ 濾過装置 ２ 多孔質セラミックフィルター
２ａ 外壁 ２ｂ 内壁
２ｃ 壁面 ２ｄ 壁面
２１ 中空部 ２２ フィルター部
２３ 微細流路 ２４ 貫通孔
３ 高剪断流発生部材 ３ａ 外壁
３ｂ 端部 ３ｃ テーパー形状
３１ 軸部 ３２ 軸部
３３ 開口 ３４ 凹溝
３５ 突条 ３６ 規制部位
３７ 太径部 ４ 筒状ハウジング
４１ 端部部材 ４１ａ 開口
４２ 端部部材 ４３ 供給孔
４４ 排出孔 ４５ 流出孔
４６ 本体部 ４７ クランプ
４８ 支持部位 ４８ａ 支持孔
４８ｂ 流通孔 ４９ 封水リング
５ 隙間 ６ 支持部材
６ａ 支持孔 ６ｂ 流通孔
６ｃ 切欠き溝 ７ 圧電セラミック
７ａ 外壁 ８ ハウジング
８１ 流通路 ８２ 流通路
９ 被処理液 １０ 濾過液
１０２ フィルター １０２ａ 外壁
１０２ｂ 内壁 １０３ 高剪断流発生部材
１０４ 被処理液 １０５ 隙間
ｔ 間隔
【発明の属する技術分野】
本発明は、高剪断流による高能率濾過装置に係わり、更に詳しくは、ＳｉＯ2 ，ＺｒＯ2 などの微粒子をパーセントオーダーの重量配分で分散させた高濃度スラリー液や水などをフィルターの目詰まりなく高能率で精製若しくは濃縮できる高剪断流による高能率濾過装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子工業等におけるスラリー液の精密、限外濾過には円筒状又は多穴円柱状のセラミックフィルターを使用して、該フィルター中空部に前記スラリー液をクロスフローで循環供給若しくは流通供給する濾過方法が多用されている。前記クロスフロー方式とは、濾過対象である被処理液をフィルター壁面に対してその接線方向に供給し、前記フィルターの微細流路を塞ぐ微粒子を前記被処理液の液流により吹き流し、該微細流路の目詰まりを防止せんとするものである。
【０００３】
しかしながら前記従来のセラミックフィルターのみを使用した濾過方法は、特に高濃度のスラリー液を濾過する場合、その微粒子によるフィルターの目詰まりを防止すべく該スラリー液を高速で流す必要が生じ、一定の透水流量を得るに必要となる前記スラリー液の供給流量が増大するといった非常に能率の悪いものであった。
【０００４】
そして、前記供給流量を抑えつつフィルターの目詰まりを防止する手段としては、被処理液を供給する円筒状セラミックフィルター中空部に回転体を挿通することで前記被処理液による渦を形成し、フィルターの目詰まりを防止しうる濾過装置が提案されている。
【０００５】
このようなクロスフロー方式の回転式濾過装置の場合、従来の濾過装置に比べ約１０倍程度の濾過能率が達成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記被処理液の渦を形成する濾過装置においても、高濃度のスラリー液を対象に高純度な濾過液を得る際には濾過能率が著しく低下し、逆洗を幾度となく繰り返す必要が生じるなど、濾過能力の安定性及び再現性に欠けていた。
【０００７】
本発明はかかる現況に鑑みなされたもので、フィルター微細流路の目詰まりを回避して高い濾過能率を維持しつつ高濃度のスラリー液を濾過できる濾過方法及びその装置を提供せんとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は前述の課題を解決するにあたり鋭意検討を進めた結果、フィルターに極微小間隔をおいて対面する物体と前記フィルターとの隙間に被処理液を供給し、該隙間内に前記被処理液の高剪断流を形成することでフィルターの目詰まりが回避され、従来の１００倍以上もの濾過能率が達成可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち本発明は、断面が円形で且つ軸方向に延びる複数の貫通孔を有する円柱状フィルターと、各貫通孔に対し、被処理液の上流側端部で一端支持された状態に内装され、当該各貫通孔内壁との隙間が略全域にわたり微小且つ均一となる高剪断流発生部材と、前記フィルター及び高剪断流発生部材を内装し、各高剪断流発生部材の外周面と貫通孔内壁との各隙間に被処理液を循環供給又は流通供給するための供給孔及び排出孔、並びに前記フィルターの外壁から濾過液を排出するための流出孔を有するハウジングと、を少なくとも備え、各隙間に被処理液を供給して該隙間内に高剪断流を形成し、該被処理液中の微粒子によるフィルター微細流路の目詰まりを防止しつつ該微細流路を介してフィルターを透水した濾過液を前記流出孔から排出してなることを特徴とする高剪断流による高能率濾過装置を構成した。ここに、「一端支持」とは、「両端支持」と対を成す概念で用いられ、一端を支持してその動きを規制するとともに、他端の動きは完全自由に若しくは一部規制することを意味する。
【００１０】
ここで、筒状ハウジングが、濾過液の流出孔をその側面上に備えた筒状の本体部と、被処理液の供給孔若しくは排出孔を備え、前記本体部の両端にクランプで着脱自在に装着される筒状端部部材とより構成され、前記フィルターを、本体部の両端部と筒状端部部材との係合部内周に環装される封水リングにより液密状態で密着支持するとともに、各高剪断流発生部材を、被処理液の上流側に位置する筒状端部部材の本体部側開口に嵌着される支持部材によりその一端側を支持させたものが好ましい。
【００１１】
また、前記支持部材が、高剪断流発生部材を係止するための複数の支持孔を設けるとともに、各支持孔に前記高剪断流発生部材を装着した状態で被処理液を流通しうる複数の流通孔を穿設し、さらに、その外周面に被処理液を流通しうる切欠き溝を設けたものが好ましい。
【００１２】
さらに、各高剪断流発生部材が、その上流側端部に前記支持孔の内径より僅かに大きい外径を有する太径部を形成したものが好ましい。
【００１３】
また、各高剪断流発生部材の外周面と貫通孔内壁との隙間が、０．１〜０．３ｍｍとなるように設定したものが好ましい。
【００１４】
また、前記フィルターが、多孔質セラミックフィルターであることが好ましい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の詳細を添付図面に基づき説明するが、以下に示す実施例は本発明を何ら限定するものではない。
【００２５】
図１、図２及び図３は本発明の技術思想を示す概念図である。図中１０２は微細流路を有するフィルターであり、１０３は該フィルター内壁又は外壁に対向する位置に設けられた高剪断流発生部材である。前記フィルター１０２と高剪断流発生部材１０３との隙間１０５は前記フィルター内壁又は外壁の略全域にわたり微小且つ均一な間隔ｔに設定されており、該隙間１０５に被処理液１０４を循環供給又は流通供給することで該隙間内に前記被処理液の高剪断流を形成し、フィルター１０２の微細流路の開口に目詰まりを生じることなく高い濾過能率を達成するものである。前記間隔ｔは０．５〜０．０１ｍｍ、好ましくは０．３〜０．０１ｍｍ、より好ましくは０．１〜０．０１ｍｍの範囲に設定する。濾過装置の能力は被処理液の供給量あたりの透水量で判断でき、ここでは前記被処理液の供給流量当たりの透水流量の割合を濾過能率と規定している。従来の濾過装置においては、前記被処理液の供給にしたがいフィルターの微細流路開口の目詰まりが増大して濾過能力が低下し、前記開口の目詰まりを抑制するためには更に多量の被処理液を供給する必要が生じ、一定の透水流量を得るために必要となる供給流量が増大する結果となっていた。また、これに加えて逆洗を幾度となく繰り返す必要も生じていた。一方、本発明の濾過方法及び濾過装置によると、前記微細流路開口の目詰まりが生じないのでフィルターはその濾過能力を低下することなく初期の状態を維持しつづけ、一定の透水流量を得るための供給流量を従来の１００分の１以下に削減できるといった高い濾過能率が達成可能となる。図１（ａ）、（ｂ）は、このような被処理液の高剪断流を発生する濾過装置の例を示しており、円筒状のフィルター１０２内に円柱状の高剪断流発生部材１０３を同軸に内装し、隙間１０５に被処理液１０４の高剪断流を形成するとともに該フィルター外壁１０２ａから濾過液を排出するものである。
【００２６】
また、図２の（ａ）、（ｂ）に示すように、円筒状のフィルター１０２に同じく円筒状の高剪断流発生部材を同軸に外装し、隙間１０５に被処理液１０４の高剪断流を形成するとともにフィルター内壁１０２ｂから濾過液を排出するものや、図３の（ａ）、（ｂ）に示すように、中空の柱状フィルター１０２に柱状の高剪断流発生部材１０３を内装し、隙間１０５に被処理液１０４の高剪断流を形成するとともにフィルター外壁１０２ａから濾過液を排出するものであってもよい。
前記図１及び図２に示す濾過装置においては、高剪断流発生部材１０３をフィルター１０２に対して相対回転可能に支持しておけば隙間１０５を流動する被処理液の流路を螺旋状に延長させることが可能となり、濾過能率を更に向上できる。特に、フィルター１０２を回転させる場合には、該フィルター壁面近傍を流動する被処理液の相対的な流速を高めることができ、微細流路の開口部に作用する前記被処理液による剪断力が増大して濾過能率が飛躍的に向上する。
【００２７】
また、高剪断流発生部材１０３のフィルター対向壁に凹溝又は突条を螺旋状に形成して被処理液の流路を螺旋状に延長させるものも好ましい実施例となる。前記フィルター対向壁に凹溝を設けるものについては、隙間１０５を可能な限り小さく設定することで被処理液の流路を凹溝内部に限定させることが好ましい。また、高剪断流発生部材１０３の前記隙間１０５側壁面に圧電素子を内装若しくは外装し、該隙間を介してフィルター１０２の微細流路に超音波を照射すれば、前記被処理液の高剪断流と相俟って、該微細流路を塞ぐ微粒子を効果的に除去することができる。更に、高剪断流発生部材１０３を可撓性とすれば、該高剪断流発生部材１０３のフィルター対向壁が該フィルター１０２の内壁又は外壁の加工精度に追従し、容易に０．０１ｍｍ以下の間隔が達成される。これは、一方の壁面を軟質とした隙間に流体を供給すれば、該流体の圧力により前記隙間は均等な間隔となり、他方の壁面の加工精度による前記間隔のばらつきが解消して隙間全域にわたり略均一な微小間隔が達成できることを利用したものである。
【００２８】
以下、前記方法を直接使用した高剪断流による高能率濾過装置について図面に基づき説明する。図４は本発明の濾過装置の第１の参考例を示し、図中２は断面が円形で且つ軸方向に延びる単数の貫通孔を中心に有する円柱状、即ち円筒状の、多孔質セラミックフィルター、３は前記多孔質セラミックフィルターに内装される高剪断流発生部材、４は筒状ハウジングをそれぞれ示している。
【００２９】
本発明に係る濾過装置は、ＳｉＯ2 、ＺｒＯ2 などの微粒子がパーセントオーダーの重量配分で分散した高濃度スラリー液や水の精製や濃縮に適した高能率濾過装置であり、本例の濾過装置１は、被処理液の供給孔４３及び排出孔４４並びに濾過液の流出孔４５、４５を有する筒状ハウジング４内に円筒状の多孔質セラミックフィルター２を設け、該セラミックフィルターの貫通孔に相当する中空部２１には、前記筒状ハウジング４の両端に位置する端部部材４１，４２によりその両端を支持された状態で略円柱状の高剪断流発生部材３を同軸に内装している。高剪断流発生部材外壁３ａと中空部２１の側壁に相当するフィルター内壁２ｂとの隙間５は前記中空部２１の略全域にわたり微小且つ略均一な間隔を有し、前記間隔は０．５〜０．０１ｍｍ、好ましくは０．３〜０．０１ｍｍ、より好ましくは０．１〜０．０１ｍｍに設定する。そして、この隙間５に前記供給孔４３及び排出孔４４を介して被処理液を循環供給若しくは流通供給することで、該隙間５内に前記被処理液による高剪断流が発生する。この様に、被処理液の高剪断流を形成することで、前記フィルター内壁２ｂからフィルター外壁２ａに至るフィルター部２２を構成している多数の微細流路２３におけるフィルター内壁２ｂ側の開口部周辺に前記被処理液中の微粒子により目詰まりが生じることを回避でき、高い濾過能率を維持したまま前記微細流路２３を介して被処理液がクロスフローで濾過される。そしてフィルター外壁２ａに流出した濾過液は筒状ハウジング４に設けた流出孔４５、４５から濾過装置１外へ排出される。尚、本例の濾過装置１にはフィルターとして耐圧性、耐熱性、耐食性及び加工性に優れるセラミック製の多孔質フィルターが用いられているが、本発明はこれに限らずガラス等の無機物若しくは金属からなる多孔体や、有機膜フィルターを用いてもよい。
【００３０】
筒状ハウジング４は、濾過液の流出孔４５、４５をその側面に備えた筒状の本体部４６と、被処理液の供給孔４３若しくは排出孔４４を有して前記本体部４６両端にクランプ４７で着脱自在に装着される端部部材４１、４２とから構成され、前記端部部材４１、４２は、円筒状の多孔質セラミックフィルター２及び円柱状の高剪断流発生部材３を前記隙間５が維持された状態で同軸に支持している。前記多孔質セラミックフィルター２は前記本体部４６の両端部と前記端部部材４１，４２との係合部内周に環装されるパッキン等からなる封水リング４９により液密状態で密着支持されている。ここで、前記高剪断流発生部材３を支持している支持部位４８には、図５にも示す如く、該高剪断流発生部材３の両端に位置する縮径した軸部３１、３２を嵌通する支持孔４８ａ並びに該支持孔４８ａの周囲に複数配置され被処理液を流通する流通孔４８ｂ、…が穿設されている。
【００３１】
前記高剪断流発生部材３はその外壁３ａ上でのみ被処理液を流通させる形状であれば中空であってもよく、また、その支持形態は被処理液の上流側に位置する軸部３１において前記端部部材４１により回転可能に、若しくは揺動可能に一端支持されているものも好ましい例である。この様な支持構造を有する高剪断流発生部材３を用いると、図６に示す如く、被処理液の下流側に位置する端部３ｂに開口３３を有する軽量な中空形状が採用できるとともに、前記被処理液の排出孔４４を有する端部部材４２には、支持孔４８ａ及び流通孔４８ｂを穿設した前記支持部材４８を設ける必要がなくなり、例えば前記排出孔４４のみを貫通して設けた簡単な構造が採用できる。更に、このような支持形態からなる高剪断流発生部材３を用いて前記隙間５に被処理液を供給すれば、該高剪断流発生部材３の外壁３ａには周方向にわたり略均一な水圧が作用し、結局前記隙間５に均一な間隔が維持されることになる。この場合、均一な間隔を維持できる限界は、被処理液の水圧及び高剪断流発生部材３の自重などにより決定され、前記自重が大きいと前記被処理液の水圧も大きくしなければならない。したがって、前述の如く、高剪断流発生部材として下流側に開口３３を有する中空形状のものを採用すれば、自重が軽減した分だけ被処理液の水圧を比較的自由に設定できるとともに、長尺な高剪断流発生部材を使用して被処理液の流路を延長し、濾過能率を向上させることも可能である。また、前記高剪断流発生部材３の上流側端部に図示した如くテーパー形状３ｃを有していると、被処理液が周面上に略均等に分散供給され、安定した間隔が維持できる。
【００３２】
前記中空部２１を通過する被処理液の流路を長くして濾過処理の能率を向上させる観点からは、被処理液の粘性に着目し、前記高剪断流発生部材３を回転させて該被処理液の流路を螺旋状にすることや、図７（ａ）、（ｂ）に示す如く、前記高剪断流発生部材３の外壁３ａに凹溝３４や突条３５等の規制部位３６を螺旋状に形成することや、前記回転手段及び規制部位３６による手段を併用することが好ましい例である。ここで、特に前記隙間５の間隔を０．１ｍｍ以下に設定する場合には、高剪断流発生部材３の回転精度が前記隙間５の寸法精度に大きく影響を与えるため、前記高剪断流発生部材３は、その外壁３ａに前記規制部位３６を形成するとともに駆動手段を用いないで回転可能に支持してなることが好ましい例である。この様な構成とすることで、前記隙間５の間隔を一定に保ちつつ、被処理液の供給開始時には、該被処理液が螺旋状に設けられた前記規制部位３６を介して前記高剪断流発生部位３に回転力を生じさせ、該高剪断流発生部材３が前記被処理液の圧力及び前記規制部位３６の形状寸法に応じた回転速度に達した後は、前記被処理液はその粘性により高剪断流発生部材３の回転の方向に螺旋状の流路を形成できる。尚、図７における高剪断流発生部材外壁３ａの凹溝３４や突条３５は１本ものの場合のみを示しているが、その疎密及び本数は特に限定されず、２本以上のものであってもよい。また、凹溝３４を設ける場合、高剪断流発生部材３の外径を多孔質セラミックフィルター２の内径に限りなく近づけて被処理液の流路を前記凹溝３４内に限定させることで、被処理液の流路が延長するとともにその剪断速度を増大できる。
【００３３】
次に、図８は本発明の濾過装置の代表的実施形態を示し、図中２は円柱状の多孔質セラミックフィルター、３は高剪断流発生部材、４は筒状ハウジングをそれぞれ示している。
本実施形態の濾過装置１における前記多孔質セラミックフィルター２には、円断面で軸方向に延びる複数の貫通孔２４が穿設されており、各貫通孔２４には、被処理液の上流側に位置する筒状端部部材４１により一端支持された状態で高剪断流発生部材３が内装されている。このような濾過装置１においては被処理液とフィルターとの接触面積が増大し、濾過能率が向上する。各高剪断流発生部材３の外壁３ａと各貫通孔２４の側壁に相当するフィルター内壁２ｂとの隙間５は、前述の第１の参考例の隙間５と同様、貫通孔２４全域にわたり微小且つ略均一な間隔に設定されており、各隙間５に被処理液を循環供給若しくは流通供給することで、該隙間内に被処理液による高剪断流を形成し、該被処理液中の微粒子によるフィルター部２２の微細流路２３の目詰まりを生じることなく、高い能率を維持したまま前記被処理液をクロスフローで濾過処理する。
【００３４】
前記筒状ハウジング４は、濾過液の流出孔４５、４５をその側面上に備えた筒状の本体部４６と、被処理液の供給孔４３若しくは排出孔４４を備え前記本体部４６両端にクランプ４７で着脱自在に装着される筒状端部部材４１、４２とから構成され、前記筒状ハウジング４に内装される多孔質セラミックフィルター２は、前記本体部４６の両端部と前記筒状端部部材４１、４２との係合部内周に環装される封水リング４９により液密状態で密着支持されている。各高剪断流発生部材３は、筒状端部部材４１の本体部側開口４１ａに嵌着する支持部材６によりその一端を支持されている。該支持部材６は、図９に示す如く、前記高剪断流発生部材３を嵌通する複数の支持孔６ａ並びに該支持孔６ａに前記高剪断流発生部材３を装着した状態で被処理液を流通しうる複数の流通孔６ｂが穿設されており、さらにその外周面には前記被処理液の流通を補助しうる切欠き溝６ｃが設けられている。ここで前記高剪断流発生部材３が、図１０に示す如く、その上流側端部に前記支持孔６ａの内径より僅かに大きい外径を有する太径部３７を形成してなることで、該太径部３７を前記支持孔６ａに係止した状態で容易に前記筒状ハウジング４内にセッティングできるとともに、前記高剪断流発生部材３を揺動可能に一端支持することが容易となる。
【００３５】
各高剪断流発生部材３は一端支持と両端支持のどちらの支持形態を採用してもよく、特に一端支持の場合、前述の第１の参考例に比較して各高剪断流発生部材３が軽量であるため２５０〜２８０ｍｍ程度の長尺なものも使用でき、被処理液の流路を長くして濾過能率をさらに向上させることができる。また、図１１の（ａ）、（ｂ）に示す如く、その外壁３ａに１本ものの又は２本以上の凹溝３４や突条３５等の規制部位３６を螺旋状に形成することで被処理液の流路若しくは滞在時間を長くして、濾過能率を向上させるものも好ましい実施例である。
【００３６】
尚、本発明における高剪断流発生部材の材質は特に限定されず、被処理液の圧力に耐え得る金属、セラミック、ガラス、合成樹脂等からなるものが使用できるが、被処理液により腐食を生じない材料が好ましく、更に防錆等の表面処理を行うことがより好ましい。また、前記高剪断流発生部材の全体若しくは表面層を、フィルターの貫通孔の加工精度に追従可能な程度の可撓性を有する合成ゴム等の軟質材料により形成し、且つその外径寸法を前記貫通孔の内径寸法に限りなく近づけて該貫通孔に挿通することが好ましい実施例である。このような高剪断流発生部材を用いて前記貫通孔側面との間に形成される極微小隙間に被処理液を供給する際には、０．０１ｍｍ以下の微小間隔が達成され、更に高い剪断力を有する被処理液の流れを形成することができる。
【００３７】
また、本発明の濾過装置の第２の参考例として、図１２に示す如く、高剪断流発生部材３に圧電素子を設けて前記多孔質セラミックフィルター２の微細流路に超音波を照射するものも好ましい。本例においては、圧電素子として円筒状の圧電セラミック７を中空の高剪断流発生部材３に内装し、隙間５を介して対向するフィルター内壁２ｂに７００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの超音波を垂直に照射する。このように、通常の洗浄に用いる超音波に比べて周波数が２桁高いＭＨｚオーダーの超音波を前記微細流路に照射することで、該微細流路に付着する極微細な微粒子を効果的に除去することが可能となる。
【００３８】
次に、図１３は本発明の濾過装置の第３の参考例を示し、図中２は平板状多孔質セラミックフィルター、８はハウジングをそれぞれ示している。本例の濾過装置１は、ハウジング８内に、該ハウジング８を被処理液の流通路８１と濾過液の流通路８２とに区分する形で、平板状多孔質セラミックフィルター２を装着してなり、前記被処理液の流通路８１は、微小且つ均一な間隔、好ましくは０．０１〜０．５ｍｍの均一な間隔を有する隙間５を形成している。
そして、前記供給孔４３及び排出孔４４を介して被処理液を循環供給又は流通供給することで、前記隙間５内に被処理液による高剪断流が発生し、該高剪断流により、多孔質セラミックフィルター２における被処理液の流通路８１側壁面２ｃから濾過液の流通路８２側壁面２ｄに至る多数の微細流路の開口部周辺に前記被処理液中の微粒子が堆積することを防止しつつ、該微細流路を介して多孔質セラミックフィルター２を透水した濾過液を流出孔４５から排出するものである。
この様に、高剪断流発生部材を用いることなく被処理液の流通路８１を微小間隔に設定するだけで濾過能率が向上し、濾過時間を短縮することが可能となる。
図１４（ａ）は、図示しない方形の平板状多孔質セラミックフィルターを内装した濾過装置１における被処理液９及び濾過液１０の流動の様子を示しており、図１４（ｂ）は、図示しない円形の平板状多孔質セラミックフィルターを内装した濾過装置１における被処理液９及び濾過液１０の流動の様子を示している。
【００３９】
また、以上示した代表的実施形態、参考例の濾過装置は、何れもフィルターを単数個内装してなるものであるが、本発明はこれに限定されず、例えば、図１５（ａ）、（ｂ）に示す如く、濾過装置１内に高剪断流発生部材を内装した複数の多孔質セラミックフィルター２を並列に設けたものや、その他直列に設けてなるものも、透水流量が増大して処理時間を短縮し得る点で好ましい実施例である。
【００４０】
尚、本発明の高剪断流による高能率濾過方法及びその装置は、液体ヘリウム、液体水素、液体酸素、液体窒素、その他の液体における不純物の除去等にも有効である。
【００４１】
【実施例】
（実験１）
【００４２】
次に、以下に示す実施例１〜３の濾過装置及び比較例１の濾過装置を用いて濾過能率の比較実験を行った。ＳｉＯ2 微粒子１ｗｔ％含有の被処理液を濾過処理した結果を表１に、純水を濾過処理した結果を表２にそれぞれ示している。各処理における被処理液の平均濾過圧力は４ｋｇ／ｃｍ2 （供給圧６ｋｇ／ｃｍ2 、排出圧２ｋｇ／ｃｍ2 ）で一定とし、濾過能率は、被処理液の供給流量当たりのフィルター透水流量の割合（％）で表わした。
【００４３】
実施例１の濾過装置は、流路径１０μｍの支持層と流路径０．０５μｍの細粒層との２層からなる微細流路を有し、外径３０ｍｍ、長さ２５０ｍｍで、内径４ｍｍの貫通孔を１９穴有する円柱状多穴セラミックフィルターの各貫通孔に隙間の間隔が０．１ｍｍとなる高剪断流発生部材を一端支持の状態でそれぞれ内装してなる濾過装置である。
【００４４】
実施例２の濾過装置は、流路径１０μｍの支持層と流路径０．０５μｍの細粒層との２層からなる微細流路を有し、外径３０ｍｍ、長さ２５０ｍｍで、内径４ｍｍの貫通孔を１９穴有する円柱状多穴セラミックフィルターの各貫通孔に隙間の間隔が０．２ｍｍとなる高剪断流発生部材を一端支持の状態でそれぞれ内装してなる濾過装置である。
【００４５】
実施例３の濾過装置は、流路径１０μｍの支持層と流路径０．０５μｍの細粒層との２層からなる微細流路を有し、外径３０ｍｍ、長さ２５０ｍｍで、内径４ｍｍの貫通孔を１９穴有する円柱状多穴セラミックフィルターの各貫通孔に隙間の間隔が０．３ｍｍとなる高剪断流発生部材を一端支持の状態でそれぞれ内装してなる濾過装置である。
【００４６】
比較例１の濾過装置は、流路径１０μｍの支持層と流路径０．０５μｍの細粒層との２層からなる微細流路を有し、外径３０ｍｍ、長さ２５０ｍｍで、内径４ｍｍの貫通孔を１９穴有する円柱状多穴セラミックフィルターからなり、前記高剪断流発生部材を使用しない従来の濾過装置である。
【００４７】
【表１】
ＳｉＯ2 微粒子１ｗｔ％含有の被処理液を濾過処理した上記表１の結果によると、隙間間隔を０．１ｍｍとした実施例１においては、従来の２０倍以上もの濾過能率を達成していることが分かる。
また、本発明の実施例１〜３の結果をみると、同じ圧力条件下（４ｋｇ／ｃｍ2 ）で隙間間隔を小さくしていくにつれて、ほぼ等しい透水流量を維持しつつ、透水されずに排出される流量が前記隙間間隔にほぼ比例的に減少していることが分かる。このことから、前記隙間間隔を０．０１ｍｍに設定した場合には、供給流量が１．５Ｌ／ｍｉｎ程度となることが予想され、その濾過能率は、従来の１００倍以上の５０％以上を達成できるのである。
【００４９】
【表２】
純水を濾過処理した上記表２の結果によると、隙間間隔を０．１ｍｍとした実施例１においては、従来の８倍以上もの濾過能率を達成していることが分かる。
また、本発明の実施例１〜３の結果をみると、同じ圧力条件下（４ｋｇ／ｃｍ2 ）で隙間間隔を小さくしていくにつれて、ほぼ等しい透水流量を維持しつつ、透水されずに排出される流量が前記隙間間隔にほぼ比例的に減少していくことが分かる。このことから、前記隙間間隔を０．０１ｍｍに設定した場合には、供給流量が３．５Ｌ／ｍｉｎ程度となることが予想され、その濾過能率は、従来の８０倍近い、約７７％を達成できるのである。
【００５１】
（実験２）
【００５２】
次に、以下に示す実施例５の濾過装置を用いて超音波照射による効果を調べる実験を行った。
被処理液はＳｉＯ２微粒子を１ｗｔ％含有したスラリー液を使用し、被処理液の平均濾過圧力は３ｋｇ／ｃｍ2 （供給圧４ｋｇ／ｃｍ2 、排出圧２ｋｇ／ｃｍ2 ）で、被処理液の供給流量を５０．０Ｌ／ｍｉｎで一定とした。
【００５３】
濾過装置は、流路径１０μｍの支持層と流路径０．０５μｍの細粒層との２層からなる微細流路を有し、外径３０ｍｍ、長さ６５ｍｍで、内径２２ｍｍの貫通孔を１穴有する円筒状多孔質セラミックフィルターの貫通孔に、該フィルター内壁との間隔が０．５ｍｍの中空の高剪断流発生部材を両端支持の状態で内装し、更に前記高剪断流発生部材には長さ２５ｍｍの円筒状圧電セラミックを内装している。
【００５４】
前記圧電セラミックによる超音波周波数は１ＭＨｚとし、初期状態である状態１から５分間隔毎に計１２回濾過装置の透水流量（ｍＬ／ｍｉｎ）を測定した。
【００５５】
実験結果は表３に示している。尚、各状態における超音波照射の有無は、測定時までの照射状態を示しており、測定後は次の状態に超音波照射の有無を変更又は維持する。
【００５６】
【表３】
上記表３より、時間の経過（状態１→状態１２）にしたがい若干フィルターの目詰まりによる影響はあるものの、超音波照射した場合の透水流量は、照射しない場合と比較して明らかに０．６〜５．２％増大していることが分かる。
【００５８】
【発明の効果】
以上にしてなる本発明の高剪断流による高能率濾過装置によれば、被処理液とフィルターとの接触面積が増大し、濾過能率が向上するとともに、被処理液の剪断流によって微細流路開口の目詰まりがほぼ完全に防止できるので、少ない供給流量で多くの透水流量が得られ、配管、送液ポンプ及び弁などがスケールダウンし、装置全体を小型化できる。また、高剪断流発生部材が円柱状フィルターの各貫通孔に対し、被処理液の上流側端部で一端支持された状態に内装されているので、前記他端の形状が自由に形成できるとともにその支持構造が簡単又は不要となり濾過装置全体の設計自由度が向上する。また、このような高剪断流発生部材が形成する隙間に被処理液を供給する際には、該高剪断流発生部材のフィルター対向壁に周方向にわたり略均一な水圧が生じ、該水圧により前記隙間の間隔が軸方向に沿って略均一になる。
【００５９】
また、各高剪断流発生部材が、その上流側端部に前記支持孔の内径より僅かに大きい外径を有する太径部を形成してなるので、該太径部を支持部材の支持孔に係止することで筒状ハウジング内に容易にセッティングできる。
【００６０】
また、フィルターとして多孔質セラミックフィルターを用いれば、耐圧性、耐熱性、耐食性及び加工性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）は、円筒状フィルター内に円柱状の高剪断流発生部材を同軸に内装した場合を縦断面で示した概念図。
（ｂ）は、同じく横断面で示した概念図。
【図２】 （ａ）は、円筒状フィルターに円筒状高剪断流発生部材を同軸に外装した場合を縦断面で示した概念図。
（ｂ）は、同じく横断面で示した概念図。
【図３】 （ａ）は、空柱状フィルター内に柱状高剪断流発生部材を内装した場合を縦断面で示した概念図。
（ｂ）は、同じく横断面で示した概念図。
【図４】 本発明の濾過装置の第１の参考例を示す簡略断面図。
【図５】高剪断流発生部材を支持している支持部位を示す簡略斜視図。
【図６】一端支持された高剪断流発生部材の変形例を示す簡略説明図。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は、高剪断流発生部材の変形例を示す簡略説明図。
【図８】 本発明の代表的実施形態を示す濾過装置の簡略断面図。
【図９】高剪断流発生部材を一端支持する支持部材を示す簡略斜視図。
【図１０】高剪断流発生部材を示す簡略斜視図。
【図１１】（ａ）及び（ｂ）は、高剪断流発生部材の変形例を示す簡略説明図。
【図１２】 本発明の濾過装置の第２の参考例を示す簡略断面図。
【図１３】 本発明の濾過装置の第３の参考例を示す簡略断面図。
【図１４】 （ａ）及び（ｂ）は、同参考例の濾過装置における被処理液及び濾過液の流動する様子を示す簡略斜視図。
【図１５】（ａ）は、複数の多孔質セラミックフィルターを並列に設けた濾過装置を示す簡略縦断面図。
（ｂ）は、同じく簡略横断面図。
【符号の説明】
１ 濾過装置 ２ 多孔質セラミックフィルター
２ａ 外壁 ２ｂ 内壁
２ｃ 壁面 ２ｄ 壁面
２１ 中空部 ２２ フィルター部
２３ 微細流路 ２４ 貫通孔
３ 高剪断流発生部材 ３ａ 外壁
３ｂ 端部 ３ｃ テーパー形状
３１ 軸部 ３２ 軸部
３３ 開口 ３４ 凹溝
３５ 突条 ３６ 規制部位
３７ 太径部 ４ 筒状ハウジング
４１ 端部部材 ４１ａ 開口
４２ 端部部材 ４３ 供給孔
４４ 排出孔 ４５ 流出孔
４６ 本体部 ４７ クランプ
４８ 支持部位 ４８ａ 支持孔
４８ｂ 流通孔 ４９ 封水リング
５ 隙間 ６ 支持部材
６ａ 支持孔 ６ｂ 流通孔
６ｃ 切欠き溝 ７ 圧電セラミック
７ａ 外壁 ８ ハウジング
８１ 流通路 ８２ 流通路
９ 被処理液 １０ 濾過液
１０２ フィルター １０２ａ 外壁
１０２ｂ 内壁 １０３ 高剪断流発生部材
１０４ 被処理液 １０５ 隙間
ｔ 間隔
Claims (6)
- 断面が円形で且つ軸方向に延びる複数の貫通孔を有する円柱状フィルターと、各貫通孔に対し、被処理液の上流側端部で一端支持された状態に内装され、当該各貫通孔内壁との隙間が略全域にわたり微小且つ均一となる高剪断流発生部材と、前記フィルター及び高剪断流発生部材を内装し、各高剪断流発生部材の外周面と貫通孔内壁との各隙間に被処理液を循環供給又は流通供給するための供給孔及び排出孔、並びに前記フィルターの外壁から濾過液を排出するための流出孔を有するハウジングとを少なくとも備え、高剪断流発生部材を係止するための複数の支持孔を設けてなる支持部材を、前記ハウジング内の被処理液の上流側の位置に設けるとともに、上流側端部に前記支持孔の内径より僅かに大きい外径を有する太径部を形成してなる各高剪断流発生部材を、前記支持孔に太径部を係止させることで、前記支持部材により当該一端側を支持させ、これら高剪断流発生部材と貫通孔内壁との各隙間に被処理液を供給して該隙間内に高剪断流を形成し、該被処理液中の微粒子によるフィルター微細流路の目詰まりを防止しつつ該微細流路を介してフィルターを透水した濾過液を前記流出孔から排出してなることを特徴とする高剪断流による高能率濾過装置。
- 前記支持部材が、各支持孔に前記高剪断流発生部材を装着した状態で被処理液を流通しうる複数の流通孔を穿設してなる請求項１記載の高剪断流による高能率濾過装置。
- 前記支持部材の外周面に被処理液を流通しうる切欠き溝を設けてなる請求項１又は２記載の高剪断流による高能率濾過装置。
- 筒状ハウジングが、濾過液の流出孔をその側面上に備えた筒状の本体部と、被処理液の供給孔若しくは排出孔を備え、前記本体部の両端に着脱自在に装着される筒状端部部材とより構成され、前記フィルターを、本体部の両端部と筒状端部部材との係合部内周に環装される封水リングにより液密状態で密着支持するとともに、各高剪断流発生部材を、被処理液の上流側に位置する筒状端部部材の本体部側開口に嵌着される支持部材によりその一端側を支持させてなる請求項１〜３の何れか１項に記載の高剪断流による高能率濾過装置。
- 各高剪断流発生部材の外周面と貫通孔内壁との隙間が、０．１〜０．３ｍｍとなるように設定してなる請求項１〜４の何れか１項に記載の高剪断流による高能率濾過装置。
- 前記フィルターが、多孔質セラミックフィルターである請求項１〜５の何れか１項に記載の高剪断流による高能率濾過装置。
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