JP4116366B2 - フィルター組立体 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造ガスの濾過などに用いうる精密濾過用として好適に採用しうるフィルター組立体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フィルター装置は、被処理流体が流入する導入口と、流出する導出口とを有し、かつ内部に被処理流体の濾過のためのフィルター部材を配置して全体をハウジング部材で囲んでおり、被処理流体の種類、特性、濾材条件、設置スペースなどに応じて最適の形状、大きさ、構造などの具体的仕様が決定される。
【０００３】
例えば半導体製造ガス用のような超高純度の濾過を必要とする濾過装置では、フィルター部材は、例えば０．０１μｍ以上の微細粒子を単位体積（１ｃｆ）当たり１０ ^{− 10} 個以下にする程度の精度で捕捉する必要があり、従ってフィルター部材を組込む場合には、取付部分からのリークの発生なく、しかも確実かつ生産性に優れることが不可欠となる。
【０００４】
このため、本発明者は、フィルター部材の取付け方法として、シート状の濾材をハウジング内の取付け面間での押圧によって機械的に押圧しシールする例えば特許２８１３２７４号の方法、ロウ付け法や拡散接合法など両者を直接加熱する特許３２１５５０１号の方法、特開平８−１３２２２６号公報などの方法を提案している。またフィルター部材を２つの容器片の向き合う対向面間に配置し、しかも前記容器片の前記接合を加熱結合により行うことによる冷却に伴う収縮によって、フィルター部材を前記対向面間で強圧してフィルター部材を取付けるフィルター装置を特願２００２−１４１９２２号により提案している。
【０００５】
一方、例えば前記半導体製造工程では配管回路も複雑となり、また種々配管にはバルブ、フィルターなどの多種類き構成機器、部品が接続されることから、ラインを形成するにあたり作業を円滑としかつスペースを低減するために、近年では、フィルター組立体を含む他の必要な前記構成機器、部品を予め配管しユニットとして組み込んだ一枚のパネルとする、いわゆる集積パネル方式のものが多用されている。
【０００６】
この方式によれば、フィルター組立体などの配管に必要な各機器、部品が予めパネル基盤上に整然と配置されたユニットを形成でき、しかも部材の交換なども容易となるなどのため、近年その需要が増し、またこのようなユニット体を構成するのに用いられているフィルター組立体は、配管に介在させる場合と異なり、例えば図６に示すように、被処理流体が流入する導入口ａと、濾過した被処理流体が流出する導出口ｂとを、例えば矩形ブロック状のベース部材ｃの一面にともに開口させ、パネルとしての組立を容易としている。
【０００７】
このフィルター組立体では、前記導入口ａからの被処理流体を濾過するためのフィルター部材ｄは、例えば前記した特許３２１５５０１号、特開平８−１３２２２６号公報などが提案するロウ付け法や拡散接合法などにより、直接ベース部材ｃに溶着するか、又はリング体ｅを介してベース部材ｃに固定し、かつこのフィルター部材ｄを囲むハウジング部材ｆは、フィルター部材ｄとはその全周囲面と間隙を有して取り付けている。なお前記ベース部材ｃには例えば４隅に透孔を設けて前記パネルに固定可能としている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ロウ付け法や拡散接合法などによりフィルター部材ｄをベース部材ｃに取付ける場合には、両者を直接加熱するため、熱処理炉内に配置し結合処理することとなるが、この方法では各部材が直接熱影響を受け、それにより変形、耐食性低下、着色などが生じる他、ベース部材ｃの導入口ａなどの接続部では軟化によって必要硬さが維持できず、機能低下を招く原因ととなるなどの課題がある。また前記リング体ｅを介在させ、このリング体ｅとフィルター部材ｄとをろう付けした上、ベース部材ｃに溶接することにより前記課題を解決しようとすることも試みられているが、係る組立はロウ付け処理と溶接処理の２工程を行なうことが必要となり、製造コストの上昇となる。また前記リング体ｅを採用することは、部品点数の増加、在庫管理を煩雑とするとともに、溶接接合部で生じる微小隙間内での処理流体の滞留、溶接時に発生する酸化不純物の除去の為の後加工を必要とするなどによりコストアップの原因ともなりやすい。
【０００９】
さらに、従来構造において、フィルター部材ｄを、ベース部材ｃ、又はリング体ｅに溶着すること自体、多孔質であるフィルター部材ｄへの熱影響による耐食性低下、ロウ材の毛細管現象による空孔閉塞、有効濾過面積の減少など、品質面で大きな問題が伴う。また、多孔質金属の熱膨張は通常の金属材料に比して大きく、ときにフィルター部材ｄを損傷するなどの因となりやすい。
【００１０】
本発明は、係る課題を解決し、能率良くかつ正確に組立でき、しかも高品質のフィルター組立体の提供を目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本願請求項１に係る発明は、フィルター組立体であって、ベース部材、該ベース部材に固定され、かつ被処理流体を濾過するフィルター部材、及び該フィルター部材を囲んで前記ベース部材に結合されるカップ状のハウジング部材を具え、
前記ベース部材は、基部に前記フィルター部材が取り付くフィルター取付面を形成したブロック状体であって、かつ該ベース部材は、その底面から、前記フィルター取付面まで貫通する導入口と、該導入口の外方で開口する導出口とを有し、
前記フィルター部材は、一端を閉蓋した有底カップ状をなしかつその開口端面は前記導入口を囲んで前記基部の前記フィルター取付面に当接され、
前記ハウジング部材は、前記フィルター部材を囲んでしかも該ハウジング部材とフィルター部材との間に前記導出口を導通させて配するとともに、
フィルター部材は、ハウジング部材とベース部材との加熱結合に伴う熱収縮によって、該フィルター部材が、前記ハウジング部材の内向面により、直接又は間接的に前記フィルター取付面に押圧されることにより、前記フィルター取付面に強圧され固定されることを特徴とする。
【００１２】
また請求項２に係る発明は、前記ベース部材が、基部上面中央の円柱部を介して形成した膨出部の上面の、外周縁の小高さの周壁部の内部に前記フィルター取付面を形成したことを特徴とし、かつ請求項３に係る発明は、前記フィルター部材が、その端面とフィルター取付面との間に、前記強圧によって押圧変形するガスケット部材が介在されていることを特徴とする。
【００１３】
さらに請求項４に係る発明は、前記フィルター部材が、単体では濾過圧に耐え得ない濾過層と、該濾過層を支持する支持体との複合構造によって形成されていることを特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１（Ａ）は、本発明に係るフィルター組立体１の一形態を例示する長さ方向断面図、図１（Ｂ）はその底面図であり、フィルター組立体１は、ブロック状のベース部材２と、フィルター部材４と、ハウジング部材６とを具え、本形態では、前記ベース部材２とフィルター部材４との間にガスケット８を配置している。
【００１５】
前記ベース部材２は、本形態では底面正方形の基部２ａがその上面（底面側を下、反対側を上という）中央の円柱部２ｂを介して後方に径を増すテーパ面を有する膨出部２ｃを有するブロック体であり、この膨出部２ｃの上面は、外周縁の小高さの周壁部２ｄの内部にリング状のフィルター取付面２ｅを形成している。なお、フィルター取付面２ｅは本形態では平面からなるが、テーパー面状にも形成でき、また前記円柱部２ｂには、その上端周囲を切欠き、ハウジング部材６の端面６ａ１と当接する段差面２ｇ１を有して、該ハウジング部材６を取付けるための段差２ｇを形成している。
【００１６】
又前記ベース部材２には、その中心に前記膨出部２ｃを貫通する導入口２Ａを穿設するとともに、その外方に、前記段差２ｇの内方を通り円柱部２ｂの後面で開口する導出口２Ｂを形成し、かつ基部２ａの４隅にはボルト取り付け用の取付穴２ｈを穿孔している。
【００１７】
前記フィルター部材４は、筒状部４ａの一端を上板部４ｂにより閉蓋した有底カップ状をなし、かつその開口端面４ｃは前記周壁部２ｄ内のフィルター取付面２ｅに当接させる。この当接により図１から自明のように、前記開口端面４ｃは前記導入口２Ａを囲んで前記基部の前記フィルター取付面２ｅに当接している。さらにフィルター部材４は、図２に示すように、前記有底カップ状の比較的強固な多孔質の例えば金属焼結体からなる支持体４Ａの外周面に、微細孔を有する濾過層４Ｂを設けた積層体としている。なおこのように積層体とすることにより、単体では濾過圧に耐え得ない濾過層４Ｂを前記支持体４Ａに担持させうることとなり、その全体を１層の濾過材として同じ濾過精度としたときに比して、流過抵抗を著減でき、全体としての濾過特性を向上できる。
【００１８】
さらに本形態においては、フィルター部材４は、外周面が軸方向に沿って伸びる峰と谷を周方向に交互に繰り返すウエーブ状の凹凸部４ｄを具えることによって、濾過層４Ｂの濾過面積を増大しかつ装置組立て時の耐圧強度特性を高めている。なお凹凸部４ｄは、例えば半球などの突起状とすることもできる。
【００１９】
前記凹凸部４ｄ、濾過層４Ｂは前記支持体４Ａの内外周面の一方又は双方に形成することもできる。特に、内周面側にのみ設けた場合は、微細層の有効径が小さくなることから濾過面積が減少することとなる反面、このフィルター部材４を押圧するハウジング部材６の底板６ｂの内向面６ｂ１との間に比較的粗い空孔の支持体４Ａが存在することとなり、フィルター部材４の底板４ｂをも濾過面として活用できる利点がある。
【００２０】
なおフィルター部材４が例えば半導体プロセスガス濾過用のものであるときには、前記支持体４Ａとしては、例えばステンレス鋼、ニッケル、ニッケル合金などの金属粉末（例えば、１０〜１００μｍ程度の金属アトマイズ粉末）からなる、例えば外径１０〜３０ｍｍ，長さ１０〜１００ｍｍ程度の多孔体に焼結成形した厚さ１．０〜１５ｍｍ（好ましくは、１．０〜５．５ｍｍ、さらに好ましくは１．０〜２．５ｍｍ）のカップ状の前記金属焼結体としている。
【００２１】
かかる金属焼結体からなる支持体４Ａを用いることにより、濾過層４Ｂに作用する高い圧力に耐え得る十分な強度と、比較的大きな空孔（例えば１０〜３０μｍ）、かつ高空隙率（３０〜８０％）を具え、被処理流体の流れ抵抗に影響させない空孔特性とを具備することができる。さらに前記凹凸部４ｄとしては、幅２〜１０ｍｍ、高さ１〜１０ｍｍ程度とするが、具体的な用途、性能に応じてその寸法等の仕様は変化しうる。
【００２２】
また前記濾過層４Ｂは、実質的に濾過精度を保証する部分であって、前記支持体４Ａよりも極めて微細な空孔を有し、例えば前記半導体プロセスガスの濾過用に用いるものでは、例えば０．０１μｍ程度（好ましくは０．００３μｍ）の超微細パーティクルを１０ ^{− 10} 個、乃至より高精度に除去し得る特性を発揮させる。このため粉状体として、例えば超微粒子状の金属粒子、金属短繊維、あるいはそれらの混合粉状体などを用いて成形でき、かつ厚さは例えば０．１〜１ｍｍ程度（好ましくは０．３〜０．６ｍｍ）に形成され、前記支持体４Ａに一体成形されることにより濾過圧に対抗しうる。
【００２３】
なお前記金属粒子として、例えば粒径５μｍ以下、好ましくは３〜０．０５μｍ程度の、特にＳＵＳ３１６Ｌなどの耐食ステンレス鋼、前記ニッケル、あるいはニッケル合金からなる粉状体が好適に採用できる。また、短繊維としては、アスペクト比を２〜２０程度、繊維径３〜０．１μｍ程度とし、特にアスペクト比を前記範囲とすることにより、得られる空孔が三次元的な立体空孔となって、微細空孔でありながらも大きな空隙を有する（特公昭６３−６３６４５号公報）。
【００２４】
このような、複層構造のフィルター部材４は、例えば特許第３１７７５１２号公報が開示する支持体４Ａへの吸引成形方法により形成でき、このような方法により濾過層が形成された積層体を、温度１０５０℃程度の焼結炉内で焼結することによりフィルター部材２となる。なおフィルター部材２は、カップ型以外に、例えば棒状、円錐形、非円筒形状など種々な形状のものも採用でき、又積層数を増した多層構造にするなど必要に応じて種々変更しうる。
【００２５】
前記ハウジング部材６は、前記ベース部材２の前記段差２ｇに嵌合する筒部６ａと、その後端を閉じる上板部６ｂとを有するカップ状をなし、前記筒部６ａの端部が前記段差２ｇと嵌合してその端面６ａ１が前記段差面２ｇ１と当接して取り付けられることにより、この筒部６ａは前記フィルター部材４の筒状部４ａを間隙Ｇを有して囲み、その結果、前記導入口２Ａからフィルター部材４の濾過層４Ｂを通り、前記間隙Ｇから導出口２Ｂに導通し、この導出口２Ｂを経て流出する濾過流路を形成できる。なお、フィルター組立体１は、図に示す導出口２Ｂから被処理流体を流入して図の導入口２Ａから流出させることもできる。
【００２６】
又ハウジング部材６は、ベース部材２の前記段差２ｇに嵌合し、その合わせ部を例えば溶接などの熱溶着によって加熱結合されるが、その際の冷却に伴なう熱収縮によって、前記フィルター部材４は、ハウジング部材６の上板部６ｂの内向面６ｂ１と、ベース部材２の前記フィルター取付面２ｅとの間で強く挟圧され、外フィルター取付面２ｅと密接することとなり、被処理流体のリークを防止できる。
【００２７】
なお本形態では、前記フィルター取付面２ｅと、フィルター部材４の開口端面４ｃとの間にはリーク防止をより確実にする為に、押圧によって変形するガスケット部材８を介在させている。このガスケット８は、例えば濾過層４Ｂよりも微細な空孔の焼結多孔体、押圧によって延性変形する軟質金属材料によって構成された中抜き円盤状のものを用いうる。又ガスケット８として、図４に示すように、前記フィルター部材４の開口端面４ｃまで濾過層４Ｂを延長させこの開口端面４ｃを覆う覆層４Ｃを用いることもできる。さらに、図５に示すように、フィルター取付面２ｅをテーパ状に傾斜させ、押圧したときにはこの傾斜している部分の前記濾過層４Ｂがテーパに合わせて縮径することにより、前記濾過層４Ｂが緻密化するその緻密部分をガスケット８として用いることもできる。
【００２８】
さらに、図１（Ａ）、及び図２に一点鎖線で示すように、前記フィルター部材４の底板４ｂとハウジング部材６の底板６ｂとの間に空孔の大きい焼結体などの通気性部材１０を介在させることもでき、この通気性部材１０を前記ガスケット部材８と組み合わせることによってフィルター部材４に作用する圧力を緩和させる緩衝材として機能させうる。
【００２９】
またフィルター部材４は、前記のように、フィルター部材４を前記ベース部材２のフィルター取付面２ｅ上にセットし、前記ハウジング部材６とベース部材２との加熱溶着後の熱収縮を利用して、押し付けることにより形成するものであり、また前記フィルター取付面２ｅとフィルター部材４の開口端面４ｃとは直接的に接することも、ガスケット部材８を介在させることもできる。
【００３０】
なお前記ハウジング部材６は、フィルター部材４，必要により採用されるガスケット部材８、通気性部材１０などを含む押圧長さに合わせて、フィルター部材４を、リーク、損傷のない適正な圧力で押圧できるように、熱収縮量を見込んでその長さＬ（ハウジング部材６の端面６ｃと、その上板部６ｂの内面との間の長さ）を予め設定する。
【００３１】
又前記ハウジング部材６自体を前記段差２ｇによる位置決めして取付けることにより，精度よくベース部材２に結合でき、偏心、変形を防ぐとともに、熱収縮後のベース部材２との間に隙間等が生じない構造となる。なお、このため、フィルター組立体１の組立に際して、押圧程度、熱収縮率を予備テストによって確認しておくことが好ましい。さらに、本発明のフィルター組立体を例えば、ステンレス鋼、チタンなどを用いて構成したものでは、耐食性、機械的特性に優れるとともに、熱膨張係数が大きいことから、ハウジング部材の加熱結合にさいしてより大きな力で精度よくフィルター部材４を押圧できることとなる。
【００３２】
【発明の効果】
このように、本発明のフィルター組立体は、ハウジング部材をベース部材に固着する際の冷却による熱収縮によってフィルター部材を直接加熱することなく、ベース部材に密接できるため、熱影響によるフィルター部材の変形や破壊などの他、着色や耐食性低下を抑えることができる
【００３３】
さらに、多孔質のフィルター部材には何ら加熱処理がなされないことから、ロウ付けなどで生じていたロウ材による空孔の閉塞や変形を防ぐとともに、耐食性低下を抑えることができ、しかも部品点数を少なくして部品管理や作業性低下などの問題も低減でき、コストを削減しうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１（Ａ）は本発明のフィルター組立体の長さ方向の断面図、（Ｂ）はその底面図である。
【図２】フィルター部材を例示する縦断面図である。
【図３】図２と直交する面での横断面図である。
【図４】フィルター部材の他の例を示する部分断面図である。
【図５】フィルター部材の他の例を示する断面図である。
【図６】図６（Ａ）は従来のフィルター組立体を例示する長さ方向の断面図、（Ｂ）はその底面図である。
【符号の説明】
２ ベース部材
２Ａ 導入口
２Ｂ 導出口
２ａ 基部
２ｂ 円柱部
２ｃ 膨出部
２ｄ 周縁部
２ｅ フィルター取付面
２ｇ 段差
２ｇ１ 段差面
４ フィルター部材
４Ａ 支持体
４Ｂ 濾過層
４ａ 筒状部
４ｂ 上板部
４ｃ 開口端面
６ ハウジング部材
６ａ 筒部
６ｂ 上板部
６ｂ１ 内向面
６ｃ 端面
Ｌ 長さ

Claims (4)

1. ベース部材、該ベース部材に固定され、かつ被処理流体を濾過するフィルター部材、及び該フィルター部材を囲んで前記ベース部材に結合されるカップ状のハウジング部材を具え、
   前記ベース部材は、基部に前記フィルター部材が取り付くフィルター取付面を形成したブロック状体であって、かつ該ベース部材は、その底面から、前記フィルター取付面まで貫通する導入口と、該導入口の外方で開口する導出口とを有し、
   前記フィルター部材は、一端を閉蓋した有底カップ状をなしかつその開口端面は前記導入口を囲んで前記基部の前記フィルター取付面に当接され、
   前記ハウジング部材は、前記フィルター部材を囲んでしかも該ハウジング部材とフィルター部材との間に前記導出口を導通させて配するとともに、
   フィルター部材は、ハウジング部材とベース部材との加熱結合に伴う熱収縮によって、該フィルター部材が、前記ハウジング部材の内向面により、直接又は間接的に前記フィルター取付面に押圧されることにより、前記フィルター取付面に強圧され固定されることを特徴とするフィルター組立体。
2. 前記ベース部材は、基部上面中央の円柱部を介して形成した膨出部の上面の、外周縁の小高さの周壁部の内部に前記フィルター取付面を形成したことを特徴とする請求項１記載のフィルター組立体。
3. 前記フィルター部材は、その端面とフィルター取付面との間に、前記強圧によって押圧変形するガスケット部材が介在されていることを特徴とする請求項２記載のフィルター組立体。
4. 前記フィルター部材は、単体では濾過圧に耐え得ない濾過層と、該濾過層を支持する支持体との複合構造によって形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のフィルター組立体。

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