JP4167897B2 - 溝付き媒体構造を有するエアフィルタ配置及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本願は、米国内の企業であり米国に居所を有するＤｏｎａｌｄｓｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｉｎｃ．の名義で、米国を除く全ての国を指定国として２００１年８月１０日にＰＣＴ国際特許出願として出願されたものであり、かつ２０００年９月５日出願の米国出願第６０／２３０，１３８号及び２００１年５月３１日出願の米国出願第０９／８７１，５９０号に基づく優先権を主張するものである。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、フィルタ構造及びフィルタ方法に関する。より具体的には、本発明は、気体流の流れ、例えば空気の流れから粒子状物質を取り除く（濾過する）ための装置に関する。また本発明は、そのような気体流の流れからの粒子状物質の望ましい除去を実現するための方法に関する。
【０００３】
本発明は、本発明の譲受人であるミネソタ州ミネアポリスのＤｏｎａｌｄｓｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｉｎｃ．が現在開発中のものである。この開示は、一部が米国特許：Ｂ２ ４，７２０，２９２；意匠第４１６，３０８号；第５，６１３，９９２号；第４，０２０，７８３号；及び第５，１１２，３７２号に特徴付けられている主題に関係する継続中の技術開発に関する。前文で特定された特許のそれぞれも、ミネソタ州ミネアポリスのＤｏｎａｌｄｓｏｎ，Ｉｎｃ．所有のものであり、それぞれの完全な開示を参照により本明細書に組み込むものである。
【０００４】
本発明は、更に、熱、湿度、反応性物質、及び機械的応力に対する環境安定性を高めた状態で製造することができるポリマー材料でできた微細繊維層を有する基板を備えるフィルタにも関する。そのような材料は、安定性及び強度が高められたマイクロ繊維やナノ繊維材料などの微細繊維を形成する際に使用することができる。繊維のサイズが小さくなるにつれ、材料の残存性が徐々に大きい問題になりつつある。そのような微細繊維は様々な適用例で有用である。ある適用例では、この微細繊維技術を使用してフィルタ構造を作製することができる。本発明は、ポリマー、ポリマー組成物、繊維、フィルタ、フィルタ構造、及びフィルタ方法に関する。本発明の適用例は、特に、流体の流れ、例えば空気の流れや液体（例えば非水性又は水性）の流れから粒子を取り除く（濾過する）ことに関する。記述される技法は、フィルタ媒体（メディ:media/medium）中に１つ又は複数の微細繊維層を有する構造に関する。組成物及び繊維のサイズは、性質及び残存性の組合せに対応して選択される。
【０００５】
（発明の背景）
気体の流れは、しばしばその内部に粒子状物質を含む。多くの場合、気体流の流れから粒子状物質の一部又は全てを除去することが望ましい。例えば、エンジン作動式車両又は発電機器用エンジンへの吸気流や、ガスタービンに向けられた気体の流れ、様々な燃焼炉への空気の流れは、しばしばその内部に粒子状物質を含む。粒子状物質は、関係する様々な機構の内部の機構に到達すると、その機構に相当なダメージを与える可能性がある。粒子状物質を、関係するエンジン、タービン、炉、又はその他の機器の上流で気体流から除去することが、しばしば必要である。
【０００６】
本発明は、繊維、マイクロ繊維、ナノ繊維、微細繊維ウェブ、繊維マット、膜などの透過性構造、被膜、フィルムの形成を含む様々な適用例で使用することが可能な、性質が改善されたポリマー組成物に関する。本発明のポリマー材料は、様々な物理的形状又は形態をとるポリマー材料に対して、湿度、熱、空気流、化学物質、及び機械的な応力又は衝撃による劣化の影響に耐える力を与えることが可能な、物理的性質を有する組成物である。
【０００７】
微細繊維のフィルタ媒体の形成には、ガラス繊維、金属、セラミックス、及びポリマー組成物を含む様々な材料が使用されている。直径が小さいマイクロ繊維及びナノ繊維の製造には、様々な繊維形成方法又は技法が使用されている。ある方法は、材料を溶融材料として、又は後で蒸発させる溶液中に溶かした状態で、微細なキャピラリ又は開口に通す工程を含む。繊維は、ナイロンなど合成繊維の製造に一般的な「紡糸口金(spinnerets)」を使用することによって形成することもできる。静電紡糸も知られている。そのような技法は、皮下注射針、ノズル、キャピラリ、又は可動エミッタの使用を含む。これらの構造によれば、後で高電圧静電場によって収集ゾーンに引き付けられるポリマー溶液が得られる。材料がエミッタから引き離されて静電ゾーン内で加速するにつれ、繊維は非常に細くなり溶媒蒸発によって繊維構造を形成することができる。
【０００８】
フィルタ媒体により厳しい用途が考えられるにつれ、１００°Ｆから２５０°Ｆ、しばしば１４０°Ｆから２４０°Ｆ、最高３００°Ｆまでの高温で、１０％から９０％、最高１００％ＲＨまでの高湿度で、気体と液体との両方の高流量で、（約０．０１ミクロンから１０ミクロンを超える範囲の）ミクロン及びサブミクロンの微粒子をフィルタし、研磨性及び非研磨性であり反応性及び非反応性である微粒子を流体の流れから除去するという過酷な条件に耐えられるには、著しく改善された材料が必要である。
【０００９】
したがって、高温、高湿度で、流量が大きく、前記ミクロン及びサブミクロンの粒状物質を含む流れをフィルタするために、改善された性質をもたらすポリマー材料、マイクロ繊維及びナノ繊維材料、及びフィルタ構造が求められている。
【００１０】
微粒子の除去のため、様々なエアフィルタ又はガスフィルタ装置が開発されている。しかし、一般に、引き続き改良が求められている。
【００１１】
（発明の概要）
本明細書では、エアクリーナ装置の設計及び適用に関する一般的な技法を提供する。この技法には、好ましいフィルタエレメント設計、ならびに適用及びフィルタする好ましい方法が含まれる。
【００１２】
一般に、好ましい適用例は、基体と微細繊維の複合体を含むＺ形状媒体をエアフィルタ内で利用することに関する。
【００１３】
フィルタ媒体は、機械的に安定なフィルタ構造内の基体材料と組み合わされる、少なくともマイクロ繊維ウェブ層又はナノ繊維ウェブ層を含んでいる。これらの層は一体となって、気体や液体などの流体がフィルタ媒体を通過するときに、最小限の流量制限で非常に多くの粒子を捕捉する優れたフィルタ効率をもたらす。基体は、流体の流れの上流、下流、又は内層に位置決めすることができる。繊維は、フィルタの幾何形状とは無関係に、フィルタ基体の上流、下流、又は両側に位置決めすることができる。繊維は、一般に上流側に配置される。しかし、ある特定の適用例では、下流に配置することが有用と考えられる。ある特定の適用例では両面構造が有用である。様々な産業において、近年の多大な関心は、フィルタ、すなわち気体や液体などの流体からの望ましくない粒子の除去用のフィルタ媒体を使用することに向けられている。一般的なフィルタプロセスでは、空気の流れやその他の気状の流れを含む流体から、又は作動液や潤滑油、燃料、水流、又はその他の流体などの液体の流れから、微粒子を除去する。そのようなフィルタプロセスは、マイクロ繊維及び基体材料が機械的強度、化学的物理的安定性を有することを必要とする。フィルタ媒体は、広範囲に及ぶ温度条件、湿度、機械的振動及び衝撃、流体の流れの中に混入した反応性及び非反応性の研磨性又は非研磨性の微粒子に曝される可能性がある。正常動作中、フィルタは一般に、周囲条件又は周囲条件近く、又はわずかに高い温度の空気に曝される。フィルタは、エンジンが異常動作したとき、又は長期間使用した後にエンジンが停止したときに、より高い温度に曝される可能性がある。エンジンが動作していない場合、空気はフィルタを通過しない。フィルタは急速に、フード温度よりも低い温度になる。更に、フィルタ媒体は、フィルタ媒体を逆圧パルス（微粒子の表面被覆を除去するために、流体の流れを単時間逆転させる）に曝す自浄能力、又は混入した微粒子をフィルタ媒体の表面から除去することができるその他のクリーニング機構をしばしば必要とする。そのような逆方向クリーニングによって、パルスクリーニング後の圧力低下を大幅に改善し、（すなわち）小さくすることができる。粒子捕捉効率は、一般にパルスクリーニング後には改善されないが、パルスクリーニングは圧力低下を小さくして、フィルタ動作用のエネルギーが節約される。そのようなフィルタを使用中に取り外し、水性又は非水性クリーニング組成物中でクリーニングすることができる。そのような媒体はしばしば、微細繊維を紡糸し、次いでマイクロ繊維が絡み合ったウェブを多孔質基体上に形成することによって製造される。紡糸プロセスでは、繊維が、その繊維間に物理結合を形成することができ、それによって、繊維マットを一体化層に絡み合わせることができる。次いで、そのような材料を、カートリッジや平らなディスク、キャニスタ、パネル、バッグ、ポーチなどの所望のフィルタ形態に作製することができる。そのような構造内では、媒体に十分にプリーツを付け、ロール状にし、又は他の方法で基体構造上に位置決めすることができる。
【００１４】
本明細書で述べるフィルタ構造は、例えば集塵や空気圧縮機、オンロード及びオフロード用エンジン、ガスタービン・システム、燃料電池などの発電機などを含めた広く様々な適用例で利用することができる。
【００１５】
（発明の詳細な説明）
Ａ．マイクロ繊維又は微細繊維のポリマー材料
本発明は、改善されたポリマー材料を提供する。このポリマーの物理的及び化学的安定性は、改善されたものである。ポリマー微細繊維（マイクロ繊維及びナノ繊維）は、有用な製品形態に作り上げることができる。繊維の直径は約０．００１〜１０ミクロン、約０．００５〜５ミクロン、約０．０１〜０．５ミクロンにすることができる。ナノ繊維は、直径が２００ナノメータ未満、すなわち０．２ミクロン未満の繊維である。マイクロ繊維は、直径が０．２ミクロンより大きいが１０ミクロン以下の繊維である。
【００１６】
この微細繊維は、改善された多層精密フィルタ媒体（メディア:media/medium）構造の形に作製することができる。本発明の微細繊維層は、結合して絡み合った状態のネットを形成することができる微細繊維のランダム分布を含む。微粒子の通過を微細繊維が阻む結果、高いフィルタ性能が得られる。剛性、強度、透過性といった構造上の性質は、微細繊維が接着される基体によって得られる。微細繊維が絡み合った網状組織は、重要な特徴として、マイクロ繊維又はナノ繊維の形をとる微細繊維と、その繊維間にある比較的小さいスペースを有する。層中のそのような繊維間スペースは一般に、繊維間において、約０．０１ミクロンから約２５ミクロンに及び、又はしばしば約０．１ミクロンから約１０ミクロンに及ぶ。フィルタ製品は、合成層、天然層、又は混合型天然／合成基体などの適切に選択された基体上に、微細繊維層を含む。微細繊維によって、厚さが５ミクロン未満、しばしば３ミクロン未満だけ増加する。ある特定の適用例における微細繊維によれば、微細繊維に基体を加えたフィルタ媒体全体の厚さを、微細繊維約１〜１０本又は１〜５本分の直径だけ増大させる。使用中、フィルタは、流入する微粒子が基体まで移動し又は微細繊維層を通過するのを止めることができ、捕捉された粒子の十分な表面負荷を得ることができる。ダスト又はその他の流入微粒子を含む粒子は、微細繊維の表面にダストケーキ(dust cake)を素早く形成し、微粒子を除去するための初期効率及び全体効率が高く維持される。粒径が約０．０１〜約１ミクロンの比較的微細な汚染物質であっても、微細繊維を含むフィルタ媒体は、非常に高いダスト容量を有する。
【００１７】
本明細書に開示されるポリマー材料は、熱、湿度、高流量、逆パルス・クリーニング、動作上の摩耗、サブミクロン粒子、使用中のフィルタのクリーニング、及びその他の厳しい条件による望ましくない影響に対する抵抗性が、大幅に改善された。改善されたマイクロ繊維及びナノ繊維の性能は、このマイクロ繊維又はナノ繊維を形成するポリマー材料の特性を改善することによって得られる。更に、本発明の改善されたポリマー材料を使用した本発明のフィルタ媒体は、研磨性微粒子と、ばらばらの繊維又はフィブリルを含まない滑らかな外面の存在下、高効率、低い流量制限、高い耐久性（応力に関係する、又は環境に関係する）を含めた、いくつかの有利な特徴をもたらす。フィルタ材料の構造全体は、全体的により薄い媒体を提供し、単位体積当たりの媒体面積が広くなり、媒体を通る速度が遅くなり、媒体効率が高くなり、かつ流量制限が低くなる。
【００１８】
ポリマーは、付加ポリマー、縮合ポリマー、又はそれの混合物やブレンドとすることができる。本発明の好ましい形態は、第１のポリマーと、これとは異なる第２のポリマー（ポリマーのタイプ、分子量、又は物理的性質が異なる）であって、高温で調製され又は処理されたものとを含むポリマーブレンドである。ポリマーブレンドは、反応させて単一の化学種を形成することができ、又はアニールプロセスによって物理的に結合させ、それによってブレンド済みの組成物にすることができる。アニールとは、結晶化度や応力緩和、配向などの、物理的変化を意味する。示差走査熱量計分析によって単一のポリマー材料であることが明らかにされるように、好ましい材料を化学的に反応させて単一のポリマー種にする。そのような材料は、好ましい添加剤材料と合わせた場合に、疎油性、疎水性、又は高温多湿の厳しい動作条件に接触させたときにその他の関連する改善された安定性をもたらす添加剤の表面被覆を、マイクロ繊維の表面に形成することができる。このクラスの材料の微細繊維の直径は、０．００１ミクロン〜１０ミクロンにすることができる。有用なサイズには、結合、基体、及び適用に応じて、０．００１〜２ミクロン、０．００５〜５ミクロン、０．０１〜５ミクロンが含まれる。そのようなマイクロ繊維は、部分的にポリマー表面に溶解し又はポリマー表面とアロイ状態になり、あるいはその両方の状態になる、添加剤材料の別個の層又は添加剤材料の外部被覆を含んだ滑らかな表面を有することができる。ブレンドポリマー系で使用される好ましい材料には、ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン６−１０、ナイロン（６−６６−６１０）コポリマー、及びその他の線状の、一般に脂肪族のナイロン組成物が含まれる。好ましいナイロンコポリマー樹脂（ＳＶＰ−６５１）の分子量を、末端基滴定により分析した（Ｊ．Ｅ．Ｗａｌｚ及びＧ．Ｂ．Ｔａｙｌｏｒ、ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｗｅｉｇｈｔ ｏｆ ｎｙｌｏｎ、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．Ｖｏｌ．１９、Ｎｕｍｂｅｒ ７、第４４８〜４５０ページ（１９４７））。数平均分子量（Ｍｎ）は、２１，５００から２４，８００の間であった。組成物を、３成分ナイロン、すなわちナイロン６が約４５％、ナイロン６６が約２０％、ナイロン６１０が約２５％の溶融温度の状態図によって評価した（第２８６ページ、Ｎｙｌｏｎ Ｐｌａｓｔｉｃｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ、Ｍｅｌｖｉｎ Ｋｏｈａｎ編、Ｈａｎｓｅｒ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（１９９５））。
【００１９】
報告されたＳＶＰ６５１樹脂の物理的性質は、以下の通りである。
【００２０】
【表１】

【００２１】
そのようなポリマー系には、加水分解の程度が８７〜９９．９＋％のポリビニルアルコールを使用することができる。これらは架橋していることが好ましい。またこれらは、相当な量の疎油性及び疎水性の添加材料と架橋して結合していることが最も好ましい。
【００２２】
本発明の別の好ましい形態は、繊維の寿命又は動作上の性質が改善されるよう、添加剤組成物に結合した単一のポリマー材料を含む。本発明のこの態様に有用な好ましいポリマーには、ナイロンポリマー、ポリ塩化ビニリデンポリマー、ポリフッ化ビニリデンポリマー、ポリビニルアルコールポリマーが含まれ、特に、疎油性及び疎水性が高い添加剤と合わせた場合にはこれら列挙された材料が含まれ、添加剤材料が微細繊維の表面の被覆として形成されているマイクロ繊維又はナノ繊維を得ることができる。この場合も、同様のナイロン、同様のポリ塩化ビニルポリマーのブレンド、ポリ塩化ビニリデンポリマーのブレンドが、本発明では有用である。更に、異なるポリマーのポリマーブレンド又はアロイも本発明により企図されている。この点に関しては、相溶性あるポリマーの混合物が、本発明のマイクロ繊維材料を形成する際に有用である。フッ素系界面活性剤、非イオン性界面活性剤、低分子量樹脂（例えば）分子量が約３０００未満の第３級ブチルフェノール樹脂などの添加剤組成物を使用することができる。この樹脂は、メチレン架橋基が存在しない状態でフェノール核同士がオリゴマー結合していることを特徴とする。ヒドロキシル基及び第３ブチル基の位置は、環の周りにランダムに位置決めすることができる。フェノール核同士の結合は常にヒドロキシル基の隣で生じ、ランダムではない。同様に、ポリマー材料は、ビスフェノールＡから形成されたアルコール可溶性の非線状ポリマー樹脂と組み合わせることができる。そのような材料は、アルキレン基やメチレン基などのいかなる架橋基も存在しない状態で芳香環と芳香環を直接結び付けるオリゴマー結合を使用して形成される点が、上述の第３級ブチルフェノール樹脂と同様である。
【００２３】
本発明の非常に好ましいポリマー系は、セルロース系基体に接触したときに、その基体にしっかりと結合して逆パルス・クリーニング及びその他の機械的応力による層剥離に耐えることができ、基体に十分な強度で接着するような接着特性を有する。そのような形態では、ポリマー材料は、フィルタ構造上で逆方向であること以外は典型的なフィルタ条件に実質上等しいパルス・クリーン入力を受けながら、基体に接着されたままでなければならない。そのような接着は、繊維が基体に接触するときの繊維形成時の溶媒効果により、又は基体上の繊維を熱又は圧力で後処理することにより、行うことができる。しかし、ポリマー特性は、水素結合のような特定の化学的相互作用、Ｔｇよりも高く又は低い温度で生じるポリマーと基体との接触、添加剤を含むポリマー形成などの接着性を決定する際に、重要な役割を果たすと考えられる。接着時に溶媒又は水蒸気で可塑化したポリマーは、接着性を増大させることができる。
【００２４】
本発明の重要な態様は、フィルタ構造に形成されたそのようなマイクロ繊維又はナノ繊維材料を有効利用できることである。そのような構造では、本発明の微細繊維材料をフィルタ基体上に形成して接着させる。スパン・ボンデッド・ファブリック、合成繊維の不織布、セルロース系、合成、及びガラス繊維のブレンドから作製された不織布、ガラス不織及び織布、押し出されかつ穴があけられた材料のようなプラスチック・スクリーン、有機ポリマーのＵＦ及びＭＦ膜など、天然繊維及び合成繊維の基体を使用することができる。流れの中に懸濁し又は混入した微粒子をその流れから除去するため、シート状基体又はセルロース系不織ウェブを、空気の流れ又は液体の流れを含めた流体の流れの中に配置されるフィルタ構造に形成することができる。フィルタ材料の形状及び構造は、設計技術者いかんによる。形成後のフィルタエレメントの１つの重要なパラメータは、熱、湿度、又はその両方の影響に対する抵抗性である。本発明のフィルタ媒体の一態様は、長時間にわたる温水への浸漬に耐えられるかどうか、試験をすることである。浸漬試験は、微細繊維が高温多湿の条件に耐えられるかどうか、また、強力なクリーニング用界面活性剤及び強アルカリ性材料をかなりの割合で含有する可能性のある水溶液中でのフィルタエレメントのクリーニングに耐えられるかどうかに関し、価値ある情報を提供することができる。本発明の微細繊維材料は、基体の表面に形成された微細繊維を少なくとも３０％、好ましくは５０％保ちながら、温水への浸漬に耐えられることが好ましい。少なくとも３０％、好ましくは５０％の微細繊維が保たれることによって、フィルタ能力を失うことなく、又は背圧を増大させることなく、十分な繊維効率を維持することができる。少なくとも７５％保たれることが、最も好ましい。典型的な微細繊維フィルタ層の厚さは繊維直径の約１〜１００倍に及び、その坪量は約０．０１〜２４０μｇ・ｃｍ^-2に及ぶ。
【００２５】
空気や気体の流れなどの流体の流れは、その内部にしばしば粒子状物質を含有する。粒子状物質の一部又は全ては、流体の流れから除去する必要がある。例えば、モータ作動式車両のキャビンへの吸気流、コンピュータ・ディスクドライブ内の空気、ＨＶＡＣの空気、航空機キャビンの換気、フィルタバッグ，バリア用布地，織布を使用したクリーンルームの換気及び施工、モータ作動式車両用エンジン又は発電装置への空気、ガスタービンに向けられた気体の流れ、様々な燃焼炉への空気の流れは、その内部にしばしば粒子状物質を含んでいる。キャビンのエアフィルタの場合、乗客が快適であるようにかつ／又は美的な観点から、粒子状物質を除去することが望ましい。エンジン、ガスタービン、及び燃焼炉への空気及び気体の吸入流に関しては、微粒子によって関係する様々な機構の内部の仕組みにかなりの損傷が生じる可能性があるので、粒子状物質を除去することが望ましい。その他の場合、工業プロセス又はエンジンからの生成ガス又は排ガスは、その内部に粒子状物質を含有する可能性がある。そのようなガスは、様々な下流装置を通して大気中に排出することができ又は排出すべきであるが、その前に、これらの流れから粒子状物質を実質上除去することが望ましいと考えられる。
【００２６】
エアフィルタ設計の基本原理及び問題のいくつかの一般的な理解は、以下のタイプのフィルタ媒体、すなわち表面負荷媒体と深さ媒体とを考えることによって、理解することができる。これらのタイプの媒体のそれぞれは十分に研究されており、それぞれ広く利用されている。これらに関するある特定の原理が、例えば米国特許第５，０８２，４７６号、第５，２３８，４７４号、及び第５，３６４，４５６号に記載されている。これら３つの特許の完全な開示を参照により本明細書に組み込む。
【００２７】
フィルタの「寿命」は、一般に、フィルタを横切る選択限界圧力低下によって定められる。フィルタを横切る圧力増大は、その適用例又はデザインに応じて定められたレベルでの寿命を規定する。この圧力増大は負荷がかかることによって生じるので、等しい効率のシステムの場合、より長い寿命は一般により高い容量に直接関連する。効率とは、媒体が微粒子を通過させるのではなくて捕捉する傾向をいう。一般に、気体流の流れから微粒子を除去する際のフィルタ媒体の効率が高いほど、概してフィルタ媒体はより素早く「寿命」圧力差に近付くことになる（他の変数は一定に保たれると仮定する）ことは明らかであろう。
【００２８】
（図面の詳細な説明）
本ユニットのマイクロ繊維又はナノ繊維は、静電紡糸プロセスによって形成することができる。繊維の形成に適切な装置を図１に示す。この装置は、微細繊維形成ポリマー溶液が入っているリザーバ８０と、ポンプ８１と、ポリマー溶液が送出される回転式放出装置又はエミッタ４０とを含む。エミッタ４０は、一般に、回転ユニオン４１と、複数のオフセットホール４４を含む回転部分４２と、前面部分と回転ユニオンとを接続するシャフト４３とからなる。回転ユニオン４１によって、ポリマー溶液は、中空シャフト４３を通して前面部分４２に導入される。ホール４４は、前面部分４２の周辺の周りに間隔を空けて配置されている。あるいは、回転部分４２を、リザーバ８０及びポンプ８１によって供給されたポリマーのリザーバに浸漬することができる。次いで、回転部分４２はリザーバからポリマー溶液を得、その部分が電場内で回転するにつれ、溶液の小滴が静電場によって、以下に論じる収集媒体７０に向けて加速される。
【００２９】
エミッタ４０に面するように、しかしそこから間隔を空けて、略平面グリッド６０が配置されており、その表面には収集媒体７０（すなわち基体又は結合基体）が位置決めされている。空気を、このグリッドを通して引き込むことができる。収集媒体７０は、グリッド６０の両端に隣接して位置決めされたローラ７１及び７２の周りを通過する。エミッタ４０とグリッド６０との間では、適切な静電圧電源６１と、それぞれがグリッド６０及びエミッタ４０に接続される接続６２及び６３とによって、高圧静電電位が維持される。
【００３０】
使用中、ポリマー溶液は、リザーバ８０から回転ユニオン４１又はリザーバに送出される。前面部分４２は回転するが、このとき液体はホール４４から出ていき、又はリザーバから引き上げられ、エミッタの外縁からグリッド６０上に位置決めされている収集媒体７０に向かって移動する。具体的には、グリッド６０とエミッタ４０との間の静電電位によって材料に電荷が与えられ、そこから液体が細い繊維として放出されてグリッド６０に向かって引き出され、そこに到達すると基体１２又は有効層１４上に収集される。溶融状態のポリマーの場合、溶媒は、繊維がグリッド６０に飛ばされる間に繊維から蒸発し、したがって繊維は、基体１２又は有効層１４に到達する。微細繊維は、グリッド６０で最初に出会った基体繊維に結合する。静電場の強度は、エミッタから収集気体７０へと加速されるにつれて、ポリマー材料が確実に得られるように選択されるが、この加速は、材料を非常に細いマイクロ繊維又はナノ繊維構造にするのに十分なものである。収集媒体の前進速度を速め又は遅くすることによって、放出された繊維を形成媒体上に少なく又は多く堆積させることができ、それによって、その媒体上に堆積した各層の厚さを制御することが可能になる。回転部分４２は、様々な有益な位置を取ることができる。回転部分４２は、その平面が収集媒体７０の表面に垂直になるように、又は任意のどのような角度でも位置決めされるように、回転平面内に配置することができる。回転媒体は、平行な向きに、又は平行な向きからわずかにずれた状態で、位置決めすることができる。
【００３１】
図２は、シート状基体又は媒体上に微細繊維層を形成するためのプロセス及び装置の概略図である。図２で、シート状基体は、ステーション２０で巻き解かれる。次いで、シート状基体２０ａをスプライシング・ステーション２１に向け、そこで複数の長さの基体を、連続動作のためにスプライスすることができる。連続した長さのシート状基体を、図１の紡糸技術を含む微細繊維技術ステーション２２に向け、そこで紡糸装置により微細繊維を形成し、その微細繊維維を、シート状基体上のフィルタ層に重ねる。形成ゾーン２２内で微細繊維層をシート状基体上に形成した後、微細繊維層及び基体を、熱処理ステーション２３に向け、適切な処理を行う。次いで、シート状基体及び微細繊維層を、効率モニタ２４で試験し、必要な場合はニップ・ステーション２５でニップ処理する。次いで、シート状基体及び微細繊維層を適切な巻きステーションに送り、そこで適切なスピンドルに巻き付けて、更に処理２６及び２７を行う。
【００３２】
図３は、典型的なセルロース媒体及び典型的な微細繊維構造での細孔径に対する、直径が約２ミクロンと約５ミクロンの典型的なダスト粒子の関係を示す、走査電子顕微鏡写真である。図３Ａでは、典型的な粒子径よりもかなり大きく示されている細孔径を有するセルロース媒体３３中に、２ミクロン粒子３１及び５ミクロン粒子３２があることを示している。これとは全く対照的に、図３Ｂでは、２ミクロン粒子３１は繊維ウェブ３５の繊維間の典型的な開口にほぼ等しいかそれよりも大きく見えるが、５ミクロン粒子３２は、微細繊維ウェブ３５の開口のいずれよりも大きく見える。
【００３３】
本発明のポリマー材料の様々な態様、マイクロ繊維とナノ繊維の両方を含む本発明の微細繊維材料、及び本発明の微細繊維材料から得られる有用なフィルタ構造の構成に関する上記概略的な記述は、本発明の作用の一般的技術原理の理解をもたらすものである。以下の特定の例示的な材料は、本発明の微細繊維材料の形成に使用することができる材料の例であり、以下の材料は、最良の形態を開示する。以下の例示的な材料は、以下の特徴及びプロセス条件を念頭において製造した。電界紡糸による直径が１０ミクロン未満の小さい繊維は、ポリマー射出を非常に微細なフィラメントに延伸するための引張り力として働く強電場からの静電力を使用して得られる。この電界紡糸ではポリマー溶融物を使用することができるが、１ミクロンよりも小さい繊維が、ポリマー溶液から最良の状態で形成される。ポリマーの塊が引き出されてより小さい直径になるにつれ、溶媒が蒸発して繊維サイズの縮小に寄与する。溶媒の選択はいくつかの理由で極めて重要である。溶媒の乾燥が速すぎると、繊維は平らになり直径が大きくなりがちである。溶媒の乾燥が遅すぎると、形成された繊維が再び溶媒に溶解することになる。したがって、乾燥速度と繊維形成との釣合いをとることが極めて重要である。生成速度が速いと、大量の排気流が、引火性雰囲気の防止及び火災のリスク低下を助ける働きをする。可燃性ではない溶媒が有用である。生成環境では、処理装置をときどきクリーニングする必要がある。毒性の低い安全な溶媒によって、有害な化学物質へ作業者を曝すのを最小限に抑えられる。静電防止は、エミッタ当たり１．５ｍｌ／分の流量、目標距離８インチ、エミッタ電圧８８ｋＶ、エミッタｒｐｍが２００、及び相対湿度４５％で行うことができる。
【００３４】
ポリマー系の選択は、所与の適用例では重要である。パルス・クリーニングの適用例の場合、極めて薄いマイクロ繊維層によって圧力損失を最小限に抑えるのを助けることができ、粒子の捕捉及び解放を行う外面を提供することができる。直径が２ミクロン未満、好ましくは直径が０．３ミクロン未満の薄い繊維層が好ましい。マイクロ繊維又はナノ繊維と、このマイクロ繊維又はナノ繊維が堆積される基体とが良好に接着することが重要である。フィルタが、基体とマイクロ繊維及びナノ繊維の薄層との複合体で作製される場合、そのような複合体は、自己清浄の適用のための優れたフィルタ媒体を形成する。逆パルスによる表面のクリーニングは、フィルタ媒体を繰り返し新品同様にする。その表面に大きい力がかかると、基体への接着性に乏しい微細繊維は、フィルタ内部から基体を経てマイクロ繊維に至る逆パルスによって層剥離する可能性がある。したがって、良好なマイクロ繊維間の凝集と、基体繊維と電界紡糸繊維との接着性とが、首尾良く使用するために極めて重要である。
【００３５】
上記要件に適合する製品は、異なるポリマー材料から作製された繊維を使用して得ることができる。接着性が良好な小さい繊維は、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコールなどのポリマーと、ナイロン６、ナイロン４，６、ナイロン６，６、ナイロン６，１０、及びこれらのコポリマーなどの様々なナイロンを含むポリマー及びコポリマーとから作製することができる。優れた繊維は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）から作製することができるが、繊維直径を十分ちいさくするには、塩素化溶媒が必要である。ナイロン６、ナイロン６６、及びナイロン６，１０は、電界紡糸することができる。しかし、ギ酸、ｍ−クレゾール、トリフルオロエタノール、ヘキサフルオロイソプロパノールなどの溶媒は、その取扱いが難しく、又は非常に高価である。好ましい溶媒には、その毒性が低いことから、水、エタノール、イソプロパノール、アセトン、及びＮ−メチルピロリドンが含まれる。そのような溶媒系に対して相溶性を有するポリマーを、広範囲にわたって評価した。本発明者等は、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）から作製された繊維が、構造上の性質を得るために追加の接着手段を必要とすることを見出した。又、本発明者等は、ポリマーを水、エタノール、イソプロパノール、アセトン、メタノール、及びこれらの混合物に溶かして首尾良く繊維を作製したときに、その繊維が基体に対して優れた接着性を有し、それによって自己清浄への適用のための優れたフィルタ媒体が作製されることを見出した。逆空気パルス又はツイストを介した自己清浄は、フィルタ媒体を非常に高いダスト濃度で使用する場合に有用である。そのような適用例では、アルコール可溶性ポリアミド及びポリ（ビニルアルコール）から得られた繊維が首尾良く使用された。アルコール可溶性ポリアミドの例には、ＨｅｎｋｅｌのＭａｃｒｏｍｅｌｔ ６２３８、６２３９、及び６９００、ｄｕＰｏｎｔのＥｌｖａｍｉｄｅ ８０６１及び８０６３、Ｓｈａｋｅｓｐｅａｒｅ Ｍｏｎｏｆｉｌａｍｅｎｔ ＣｏｍｐａｎｙのＳＶＰ ６３７及び６５１が含まれる。別の群のアルコール可溶性ポリアミドは、タイプ８ナイロン、アルコキシアルキル変性ナイロン６６である（参考文献、第４４７ページ、Ｎｙｌｏｎ Ｐｌａｓｔｉｃｓ ｈａｎｄｂｏｏｋ、Ｍｅｌｖｉｎ Ｋｏｈａｎ編、Ｈａｎｓｅｒ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、１９９５）。ポリ（ビニルアルコール）の例には、日本の（株）クラレからのＰＶ−２１７、２２４と、Ｐｒｏｄｕｃｔｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ＣｏｍｐａｎｙのＶｉｎｏｌ ５４０が含まれる。
【００３６】
本発明者等は、フィルタが極端な環境条件に曝される可能性があることを見出した。サウジアラビアの砂漠でのフィルタは、１５０°Ｆ以上ほどに高い温度に曝さらされる可能性がある。インドネシア又は米国の湾岸に設置されたフィルタは、９０％ＲＨを超える高い湿度及び１００°Ｆという温度に曝される可能性がある。又、それらのフィルタは雨に曝される可能性がある。本発明者等は、自動車、トラック、バス、トラクタなどの移動機器及び建設用機器のフード下で使用されるフィルタが、高温（＋２００°Ｆ）、高相対湿度、及びその他の化学的環境に曝される可能性があることを見出した。本発明者等は、過酷な条件下でのマイクロ繊維系の残存性を評価する試験方法を開発した。フィルタ媒体サンプルを温水（１４０°Ｆ）中に５分間浸し、又は高湿、高温、及び空気流に曝す。
【００３７】
Ｂ．エアクリーナの設計に関する一般的な原理
本明細書では、「エアクリーナ」という用語を、粒子状物質が空気流の流れから除去されるよう機能するシステムに関して使用する。「エアフィルタ」という用語は、内部に微粒子を含む空気をフィルタ媒体に通すことによって除去を行うシステムを指す。「フィルタ媒体」又は「媒体」という用語は、空気が通過する材料又は材料の集合体であって、空気の通過と共にその媒体中又は媒体上に粒子が堆積するものを指す。「表面負荷媒体」又は「バリア媒体」という用語は、空気が媒体を通過するときに、粒子状物質が媒体の深さ方向に入り込んで堆積するのではなく、粒子状物質が主に媒体の表面に堆積してフィルタケーキを形成するシステムを指す。
【００３８】
本明細書で、「フィルタエレメント」という用語は一般に、内部にフィルタ媒体を含むエアクリーナの一部を指すものである。一般にフィルタエレメントは、取外し可能かつ交換可能、すなわち保守可能な、エアクリーナの一部として設計される。すなわちフィルタ媒体はフィルタエレメントに保持され、エアクリーナの残りの部分から分離可能であり、その結果、目詰まりしたフィルタエレメント又は部分的に目詰まりしたフィルタエレメントを取り外して、新しい又はクリーニングされたフィルタエレメントに交換することにより、定期的にエアクリーナを新品同様の状態に戻すことができるようになる。エアクリーナは、取外し及び交換を手で行うことができるように設計することが好ましい。本明細書において、「目詰まりした」という用語又はその変形例は、かなりの量の捕捉粒子又は微粒子がエアクリーナ上に含まれるよう、十分な時間稼動しているエアクリーナを意味するものである。多くの場合、正常動作中のフィルタエレメントは、その内部に微粒子が詰まるため、その重量が当初の重量よりも２倍又は３倍（又はそれ以上）に増大する。
【００３９】
一般に、エアクリーナ・システムの性能に関する仕様は、関係するエンジンの相手先ブランド供給業者（ＯＥＭ）及び／又は関係するトラック又はその他の機器のＯＥＭの好みによって作成される。広く様々な仕様が含まれるが、その主なものの１つは以下の通りである。
１．エンジン吸気要求（定格流）
２．初期制約
３．初期効率
４．平均又は全体動作制約
５．全体効率
６．フィルタ耐用寿命
エンジン吸気要求は、エンジンサイズ、すなわち最大、一杯、又は「定格」負荷での排気量及びｒｐｍの関数である。一般にこれは、ターボ効率、ダクト効率などを反映するファクタである体積効率によって修正が加えられた、排気量と定格ｒｐｍとの積である。一般にこれは、定格動作中又は完全負荷がかかっている間、関係するエンジン又はその他のシステムに必要とされる単位時間当たりの空気体積の測定値である。吸気要求はｒｐｍに応じて異なるが、吸気要件は、多くの典型的なトラック・エンジンの場合、定格ｒｐｍ、しばしば１８００ｒｐｍ又は２１００ｒｐｍで定義される。本明細書では、これを「定格空気流」又は同様の用語により特徴付ける。一般に、本明細書で特徴付けられる原理は、例えば約３立方フィート／分（ｃｆｍ）から最大１０，０００ｃｆｍ、しばしば５０〜５００ｃｆｍの範囲内であるものも含めた、広範囲に及ぶ定格又は要求量での動作に指定されたシステムと共に使用されるエアクリーナ装置に適用することができる。そのような機器には、例えば小型エンジン（オートバイ、芝刈り機など）、自動車用エンジン、ピックアップ・トラック及びスポーツ・ユーティリティ車用エンジン、小型トラック及び配達車両用エンジン、バス、長距離輸送用トラック、農業用機器（例えばトラクタ）、建設用機器、採鉱用機器、船舶用エンジン、様々な発電機用エンジン、また、ある場合には、ガスタービン及び空気圧縮機が含まれる。
【００４０】
エアクリーナの全体効率は、一般に、使用中にエアクリーナに入ってそのエアクリーナに保持される「フィルタ可能」な固形分の量を反映したものである。これは典型的な場合、エアクリーナに入って通常使用中にエアクリーナに保持される固形分のパーセンテージを重量ベースで表したものである。これはＳＡＥ規格を使用することによって多くのシステムに関して評価され報告されているが、その技法は一般に、米国特許第５，４２３，８９２号、第２５欄第６０行から第２６欄第５９行、第２７欄第１〜４０行に特徴付けられている。使用される典型的な規格はＳＡＥ Ｊ７２６であり、参照により本明細書に組み込む。
【００４１】
効率に関し、エンジン製造業者及び／又は機器製造業者の仕様は様々であり、多くの場合、全体動作に関する効率要求量（ＳＡＥ Ｊ７２６又は実地試験に基づく）は、しばしば９９．５％以上に設定され、典型的には９９．８％以上に設定される。空気流要求量が５００ｃｆｍ以上である典型的な車両用エンジンの場合、全体平均９９．８％以上の仕様は珍しいことではない。
【００４２】
初期効率は、フィルタを稼動させたばかりのときに計られるフィルタの効率である。米国特許第５，４２３，８９２号、第２７欄第１〜４０行で述べるように、従来のプリーツ付きペーパ（バリア・タイプ又は表面負荷）フィルタの初期効率は、一般に、使用中の全体平均効率よりも十分に低い。これは、動作中にそのようなフィルタの表面に蓄積された「ダストケーキ」又は汚染物質が、フィルタの効率を高めるからである。初期効率も、エンジン製造業者及び／又は車両製造業者によってしばしば指定される。空気流要求量が５００ｃｆｍ以上の典型的な車両用エンジンの場合、９８％以上（典型的には９８．５％以上）の仕様が一般的である。
【００４３】
動作中の、エアクリーナ又はエアクリーナ・システム全体にわたる圧力差には制約がある。この制約の原因として、空気が通り抜けるフィルタ媒体、空気が通り抜けるダクトのサイズ、空気がエアクリーナ内を流れてエンジンに到達するときに空気がぶつかり又はその周りに向けられる構造上の特徴が挙げられる。エアクリーナの場合、その初期制約限界は、しばしば仕様の一部であり、エンジン製造業者及び／又は機器製造業者が要求するものである。この初期制約は、システムがその内部に清浄なエアフィルタを備えた状態で稼動したばかりであって大きい負荷が生じる前に、エアクリーナの端から端まで測定される圧力差であると考えられる。典型的な場合、任意の所与のシステムに関する仕様には、最大初期制約要件がある。
【００４４】
一般に、エンジン及び機器の製造業者は、エアクリーナの効率が最大制約までの仕様で機器を設計する。米国特許第５，４２３，８９２号、第２欄第１９〜２９行、及び第６欄第４７行、第７欄第３行で報告されるように、限界制約は、典型的なトラック用エンジンの場合、圧力低下が水柱で約２０〜３０インチであり、しばしば水柱約２５インチであり、自動車用内燃機関の場合、水柱約２０〜２５インチであり、ガスタービンの場合、典型的には水柱約５インチであり、工業用換気システムの場合、典型的には水柱約３インチである。
【００４５】
一般に、前述のセクションで特徴付けられた仕様のタイプに一致するようシステムを開発するための、エアクリーナ設計に関する主な変数のいくつかは、以下の通りである。
１．フィルタ媒体のタイプ、幾何形状、及び効率
２．エアクリーナの形状及び構造
３．フィルタエレメントのサイズ
例えば、従来のセルロース繊維媒体又は同様の媒体は、一般に「バリア」フィルタである。一例にペーパ媒体がある。一般に、そのような媒体の動作は表面負荷によるものであり、すなわち、空気が媒体を通り抜けるときに媒体の表面がバリア又は篩として働き、粒子状物質はその内部を通過できなくなる。時間と共に、媒体表面にはダストケーキが蓄積され、媒体効率が高まる。一般に、繊維構造の「耐密性」又は「多孔性」が、システムの効率、特に初期効率を決定する。時間と共に、フィルタケーキは効率に作用する（高める）ようになる。
【００４６】
一般にそのような媒体は、しばしばその透過性によって定義され又は指定される。媒体に関する透過性試験は、一般に米国特許第５，６７２，３９９号の第１９欄第２７〜３９行に特徴付けられている。一般に、透過性とは、参照される材料、媒体、又は複合体の平らなシート全体にわたって０．５０インチの水柱制約を引き起こすのに必要とされる媒体面速度（空気）である。本明細書で使用される透過性は、例えばＦｒａｚｉｅｒ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｃｏ．，Ｉｎｃ．、Ｇａｉｔｈｅｒｓｂｕｒｇ、Ｍｄ．から入手可能なフレージャー透過性試験機を使用して、参照により本明細書に組み込むＡＳＴＭ Ｄ７３７に準拠したフレージャー透過性試験によって、又はいくつかの類似の試験によって、評価される。
【００４７】
Ｄｏｎａｌｄｓｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙ製の、定格空気流５０ｃｆｍ以上のトラック用エンジン・フィルタの多くのタイプに使用されるセルロース繊維媒体の透過度は、その透過度が約１５ｆｐｍ未満の媒体であり、典型的な場合は１３ｆｐｍ程度である。一般にエンジンフィルタの市場では、そのような機器の場合、透過度の値が約２５ｆｐｍ未満、典型的には１０〜２５ｆｐｍの範囲内のどれかである様々なバリア媒体（プリーツ付き媒体）が、様々なエレメント製造業者によって広く利用されてきた。
【００４８】
効率に関する原理は、関係する媒体のタイプによって様々である。例えばセルロース繊維又は同様のバリア媒体は、全体的な一般的多孔率又は透過度を変えることによって、一般にその効率が変化する。
【００４９】
Ｃ．典型的なシステム；エンジン吸気口
図２１には、システムの概略図が一般に１３０で示されている。システム１３０は、本明細書で述べるエアクリーナの配置及び構造が使用可能であるシステムの１タイプ例である。図２１には、定格空気流要求量がいくらかに規定された、例えば少なくとも３７０ｃｆｍであるエンジン１３２を有する車両などの機器１３１が、概略的に示されている。機器１３１には、バス、長距離輸送用トラック、オフロード車、トラクタ、モータボートなどの船舶への適用例を含めることができる。エンジン１３２は、空気と燃料の混合物を使用することによって、機器１３１に動力を供給する。図２１では、空気流が吸気領域１３３でエンジン１３２に引き込まれる状態が示されている。任意選択のターボ１３４が、任意選択でエンジン１３２への吸気量を増大させるものとして、想像線で示されている。媒体梱包体１３６を有するエアクリーナ１３５は、エンジン１３２及びターボ１３４の上流にある。一般に動作中、空気は矢印１３７に沿ってエアクリーナ１３５に引き込まれ、媒体梱包体３６内に入る。そこでは、粒子及び汚染物質が空気から除去される。清浄化された空気は矢印１３７に沿って吸気口１３３に流入する。そこから空気はエンジン１３２に流入して、車両１３１に動力を供給する。
【００５０】
エンジン・システムでは、エンジン動作中のフード下の温度は、動作条件に応じて一般に少なくとも１２０°Ｆであり、しばしば１４０°Ｆ〜２２０°Ｆ又はそれ以上の範囲である。温度は、フィルタエレメントの動作効率に悪影響を与える可能性がある。排出規制によってエンジンの排ガスに対する制約が増し、その結果更に温度が上昇する可能性がある。以下に述べるように、フィルタ媒体を、バリア媒体と少なくとも単一の「微細繊維」層、ある場合には複数の「微細繊維」層との複合体の形に構成することによって、そのような媒体複合体から構成されていない従来技術のフィルタエレメントよりも、フィルタエレメントの性能（特に動作効率）を向上させることができる。
【００５１】
Ｄ．エアクリーナの実施例
図２２に注目されたい。図２２は、媒体梱包体１４０の第１の実施形態の斜視図である。図示される好ましい媒体梱包体１４０は、フィルタ媒体１４２と封止機構１４４とを含む。好ましい構造では、フィルタ媒体１４２は、フィルタ媒体１４２を通過する空気などの流体から微粒子が除去されるよう設計され、それと同時に封止機構機構１４４は、図２４に示すように、ハウジング又はダクトの側壁に対して媒体梱包体１４０が封止されるよう設計される。
【００５２】
図２２〜図２５のこの媒体梱包体１４０は、一般に米国特許第６，１９０，４３２に記載され、本明細書に参照により組み込む。
【００５３】
ある特定の装置では、フィルタ媒体１４２は、直線状の流れに対応するよう構成される。「直線状の流れ」とは、フィルタ媒体１４２が、第１の流体流れ面１４８（図示する実施形態では、入口端部に対応）及び対向する第２の流体流れ面１５０（図示する実施形態では、出口端部に対応）を備えた構造１４６に構成され、流体の流れが一方向１５２に沿って第１の流体流れ面１４８に入り、同じ方向１５４に沿って第２の流体流れ面１５０から出て行くことを意味する。インラインフロー・ハウジングと共に使用するとき、一般に流体は、一方向に沿ってハウジングの入口を通って入り、同じ方向で第１の流体流れ面１４８を通ってフィルタ構造１４６に入り、同じ方向で第２の流体流れ面１５０からフィルタ構造１４６を出て、やはり同じ方向でハウジング出口を通ってハウジングから出て行く。
【００５４】
図２２では、第１の流体流れ面１４８と第２の流体流れ面１５０とが、平面状にかつ平行に示されている。その他の実施形態では、第１の流体流れ面１４８及び第２の流体流れ面１５０は、非平面状でよく、例えば、円錐台形でよい。更に、第１の流体流れ面１４８と第２の流体流れ面１５０とは、互いに平行である必要はない。
【００５５】
一般にフィルタ構造１４６は、巻き付けられた構造になる。すなわち構造１４６は、典型的な場合、中心点の周りに完全に又は繰り返し巻き付けられたフィルタ媒体の層を含むことになる。典型的な場合、巻付け構造はコイルであり、フィルタ媒体の層が中心点の周りに一連の回数だけ巻き付けられる。巻付け型のコイル構造を使用する装置では、フィルタ構造１４６はフィルタ媒体のロールになり、典型的には透過性の溝付きフィルタ媒体になる。
【００５６】
次に、図２３に注目されたい。図２３は、本明細書のフィルタ構造で使用可能な、ある好ましい媒体の動作原理を示す概略斜視図である。図２３で、Ｚ媒体の溝付き構造は、一般に１５６に示されている。溝付き構造１５６は、複数の溝１５８を有する波形の層１５７と面シート１６０とを含むことが好ましい。図２２の実施形態は、面シート１６０の２つのセクションを、１６０Ａ（波形層１５７の上に示される）と１６０Ｂ（波形層１５７の下に示される）で示す。典型的な場合、本発明で述べる装置に使用される好ましい媒体構造１６２は、底面シート１６０Ｂに固定された波形層１５７を含む。この媒体構造１６２をロール形構造で使用するとき、この媒体は典型的にはそれ自体が巻かれて、底面シート１６０Ｂが波形層１５７の上部を覆うようになる。波形層の上部を覆う面シート１６０は、１６０Ａとして示される。面シート１６０Ａ及び１６０Ｂは同じシート１６０と理解すべきである。
【００５７】
このタイプの媒体構造１６２を使用するとき、溝チャンバ１５８は、ピーク１６４とトラフ１６６とが交互に配置されるように形成することが好ましい。トラフ１６６とピーク１６４とは、溝を上部列と下部列に分割する。図２３に示す特定の構成では、上部溝が、下流端１７８で閉じる溝チャンバ１６８を形成し、一方、その上流端１８１が閉じている溝チャンバ１７０が、溝の下部列を形成する。溝付きチャンバ１７０は、溝付きシート１７１と第２の面シート１６０Ｂとの間にある溝の上流端１８１の部分に充填される第１の端部ビーズ１７２によって、閉じている。同様に、第２の端部ビーズ１７４は、交互に配置された溝１６８の下流端１７８を閉じる。
【００５８】
媒体構造１６２の形に構成された媒体を使用する場合、使用中に、フィルタされていない空気などの流体は、影を付けた矢印１７６によって示されるように溝チャンバ１６８に入る。溝チャンバ１６８は、その上流端１６９が開放されている。フィルタされていない流体の流れは、その下流端１７８が第２の端部ビーズ１７４によって閉じられているので、溝チャンバ１６８の下流端１７８を通過することができない。したがって、流体は、溝付きシート１７１又は面シート１６０内を必然的に進むようになる。フィルタされていない流体が溝付きシート１７１又は面シート１６０を通過するにつれ、流体は清浄になり又はフィルタされる。清浄化された流体を、影を付けていない矢印１８０によって示す。次いで、流体は溝チャンバ１７０（その上流端１８１が閉じている）を通過して、開放下流端１８４を通って溝付き構造１５６から流出する。図示される構成では、フィルタされていない流体は溝付きシート１７１、上部面シート１６０Ａ、又は下部面シート１６０Ｂを通ることができ、更に溝チャンバ１７０に流入することができる。
【００５９】
典型的な場合、媒体構造１６２は、作成した後に、フィルタ媒体のロール形構造１４６が形成されるよう巻き付けられる。使用のためこのタイプの媒体を選択する場合、作成された媒体構造１６２は、底面シート１６０Ｂに端部ビーズ１７２と共に固定された波形のシート１５７を含む（図２３に示すように、しかし上面シート１６０Ａはない状態で）。
【００６０】
再び図２２に注目されたい。図２２には、第２の流体流れ面１５０が概略的に示されている。開放端部１８４及び閉端部１７８を含む溝が示されている部分１８２がある。このセクション１８２は、流体流れ面５０全体を代表して表していることを理解すべきである。わかり易くかつ簡単にするために、溝は、流体流れ面１５０のその他の残りの部分１８３では示していない。本明細書で述べるシステム及び装置で使用可能な媒体梱包体１４０の上面図及び底面図ならびに側面図は、参照により本明細書に組み込まれる「Ｆｉｌｔｅｒ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｈａｖｉｎｇ Ｓｅａｌｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の、１９９９年２月２６日に出願された同時係属のかつ本願譲受人に譲受された、米国特許出願第２９／１０１，１９３号に示されている。
【００６１】
次に図２４を参照すると、ハウジング１８６（エアクリーナ１７９のエンジン又はターボへの吸気ダクトの一部である）内に設置されたフィルタ構造１４６が示されている。図示される装置では、空気が１８７でハウジング１８６に流入し、フィルタ構造１４６内を流れ、１８８でハウジング１８６から流出する。図示されるタイプのフィルタ構造４６などの媒体構造をダクト又はハウジング１８６内で使用する場合、空気が媒体構造１４６を迂回するのではなく確実にその媒体構造１４６内を流れるように、封止機構１４４が必要になる。
【００６２】
図示される特定の封止機構１４４は、フレーム構造１９０及び封止部材１９２を含む。このタイプの封止機構を１４４を使用する場合、フレーム構造１９０は、ダクト又はハウジング１８６と共にラジアル封止部１９４を形成すように封止部材１９２を圧縮することができる支持構造又はバッキングを提供する。
【００６３】
更に図２４を参照すると、図示される特定の実施形態では、フレーム構造１９０が、フィルタ構造１４６の第１及び第２の流動面１４８、１５０の一方の少なくとも一部分から突出し又は延びる剛性突起１９６を含む。剛性突起１９６は、図２４に示される特定の装置の場合、フィルタ構造１４６の第２の流動面１５０から軸方向に延びている。
【００６４】
図示される突起１９６は、エンドチップ１０４によって接合された１対の対向面１９８、１０２を有する。好ましい装置では、選択された側面１９８又は１０２とハウジング又はダクトの適切な面との間に接して封止部１９４を形成することができるように、第１及び第２の側面１９８、１０２の一方によって、封止部材１９２の基体又はバッキングが提供される。このタイプの構造を使用する場合、突起１９６は、閉じたフープ構造１０６（図２２）を形成する連続部材になる。
【００６５】
このタイプの構造を使用する場合、ハウジング又はダクトは、突起１９６の外面１０２とハウジング又はダクトの内面１１０との間に接して封止部１９４が形成されるように、封止部材１９２を含めた突起１９６及びフープ構造１０６に外接してよい。
【００６６】
図２４に示される特定の実施形態では、封止部材１９２が突起１９６のエンドチップ１０４にも係合し、封止部材１９２は、外面１０２からエンドチップ１０４上を通って内面１９８に至るまで突起１９６を覆うようになる。
【００６７】
次に図２２及び２４を参照すると、フレーム１９０は、媒体構造１４６にフレーム１９０を固定するのに使用されるバンド、スカート、又は垂下リップ１０７を有する。垂下リップ１０７は、十字形ブレース１０８から第１の距離だけ垂下し又は下に延びている。
【００６８】
本明細書で示されるタイプのフレーム１９０の使用中、フレーム１９０の周辺を巡って内向きの力がかけられる。十字形ブレース１０８は、フレーム１９０を支持する。「支持」という用語は、十字形ブレース１０８によって、フレーム１９０の周辺を巡って力がかけられた状態でフレーム１９０が半径方向に潰れるのを防止することを意味する。
【００６９】
先端部分１０４は、圧縮性の封止部材１９２を支持する。圧縮性封止部材１９２は、十分に圧縮されてフレーム１９０の先端部分１０４とハウジング又はダクトの側壁１１０との間で圧縮されるよう構成され配置されることが好ましい。先端部分１０４と側壁１１０との間で十分に圧縮されると、媒体梱包体１４０と側壁１１０の間にはラジアル封止部１９４が形成される。
【００７０】
封止部材１９２に関する１つの好ましい構成を、図２５に示す。フレーム１９０の先端部分１０４は、壁又は支持構造を画定し、それらの間に接するように、圧縮性封止部材１９２によってラジアル封止部１９４を形成することができる。封止機構１４４での圧縮性封止部材１９２の圧縮は、挿入圧力８０ポンド以下、典型的には５０ポンド以下、例えば約２０〜４０ポンドでラジアル封止部を形成するのに十分であり、また、手で都合よくかつ容易に変更できるほど十分に軽いことが好ましい。
【００７１】
図２５に示される好ましい実施形態では、封止部材１９２がステップ状の断面形状であり、その最も外側の寸法（円形の場合には直径）が第１の端部１１２から第２の端部１１３へと減少して、所望の封止を実現する。図２５に示される特定の装置のプロフィルに関する好ましい仕様は以下の通りである。すなわち、側壁１１０に係合して流体耐密な封止が得られるよう構成された複数の（好ましくは少なくとも３つの）、徐々に大きくなるステップを有するポリウレタン・フォーム材料である。
【００７２】
圧縮性封止部材１９２は、側壁１１０に係合するための面の増大する内径の勾配を画定する。具体的には、図２５に示される例では、圧縮性封止部材１９２が、３つのステップ１１４、１１５、１１６を画定する。ステップ１１４、１１５、１１６の断面寸法又は幅は、圧縮性封止部材１９２の第２の端部１１３から順にステップ１１４、１１５、１１６へと増大する。第２の端部１１３の小さい直径により、ダクト又はハウジングへの挿入を容易にすることが可能になる。第１の端部１１２の大きい直径により、耐密封止が確実になる。
【００７３】
一般に、媒体梱包体１４０は、ハウジング１８６又はダクトの側壁１１０に対してプレス嵌めされるよう配置し構成することができる。図２４に示される特定の実施形態では、圧縮性封止部材１９２が、側壁１１０とフレーム１９０の先端部分１０４との間で圧縮される。圧縮後、圧縮性封止部材１９２は、圧縮性封止部材１９２が外向きに広がろうとしてその自然な状態になろうとするときに側壁１１０に対して力をかけ、先端部分１０４と側壁１１０との間でそれらに接するようにラジアル封止部１９４が形成される。
【００７４】
媒体梱包体１４０と共に様々なハウジングを使用することができる。図２４に示す特定の実施形態では、ハウジング１８６が、本体部材又は第１のハウジング区画１１８と、取外し可能なカバー又は第２のハウジング区画１２０を含む。いくつかの装置では、第１のハウジング区画１１８がトラックなどの物体に付着される。第２のハウジング区画１２０は、ラッチ器具１２２によって第１のハウジング区画１１８に取外し可能に固定される。
【００７５】
図２４に示される実施形態で、取着されたフレーム１９０及び圧縮性封止部材１９２を備えた媒体梱包体１４０の第２の端部１５０は、第１のハウジング区画１１８に挿入される。媒体梱包体１４０は第１のハウジング区画１１８にプレス嵌めされ、その結果、圧縮性封止部材１９２がフレーム１９０の先端部分１０４と第１のハウジング区画１１８の側壁１１０との間でそれらに接するように圧縮されて、それらの間にラジアル封止部１９４が形成されるようになる。
【００７６】
図２４に示される装置の使用中、流体は、１８７で示される方向で、第２のハウジング区画１２０の入口領域１２４からハウジング・アセンブリ１８５に入る。流体は、フィルタ構造１４６を通過する。流体がフィルタ構造１４６を通過するにつれ、汚染物質は流体から除去される。流体は、１８８の方向で、出口領域１２８を通ってハウジング・アセンブリ１８５から出て行く。封止機構１４４の圧縮性封止部材１９２はラジアル封止部１９４を形成して、汚染された流体が最初にフィルタ構造１４６を通過することなくハウジング・アセンブリ１８５から出て行くのを防止する。
【００７７】
図２６は、媒体梱包体１３０の別の実施形態の斜視図である。図示される構造では、媒体梱包体１３０はフィルタ媒体１３２及び封止機構１３４を含む。フィルタ媒体１３２は、フィルタ媒体１３２を通過する空気などの流体から汚染物質が除去されるように設計される。封止機構１３４は、フィルタ媒体１３４がハウジング又はダクトに封止されるよう設計される。
【００７８】
図２６と図２７の媒体梱包体１３０の構造及び幾何形状は、以下のセクションＨで述べる好ましい媒体開発品を除いて米国特許第６，１９０，４３２号に記載されており、これを本明細書に参照により組み込む。
【００７９】
ある好ましい装置では、フィルタ媒体１３２は、第１の流体流れ面１３８及び対向する第２の流体流れ面１４０を備えたフィルタ構造１３６に構成される。
【００８０】
フィルタ構造１３６は、様々な構成及び断面形状にすることができる。図２６に示す特定の実施形態では、フィルタ構造１３６の断面は非円形である。特に、図２６のフィルタ構造１３６の実施形態は、その断面形状が倒円形又は「競技用トラック」状である。「競技用トラック」断面形状とは、フィルタ構造１３６が、１対の真っ直ぐなセグメント１４３、１４４によって接合された第１及び第２の半円形端部１４１、１４２を含むことを意味する。
【００８１】
図２６では、開放端部及び閉端部を含めた溝を示す、ある部分１４６が描かれている。この部分又はセクション１４６は、流体流れ面１４０（ならびに第１の流体流れ面１３８）全体を代表して表していることを理解すべきである。わかり易くかつ簡単にするために、流体流れ１４０のその他の残りの部分１４９では、溝を描いていない。本明細書で述べるシステム及び装置で使用可能な媒体梱包体１３０の上面図及び底面図、ならびに側面図は、「Ｆｉｌｔｅｒ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｈａｖｉｎｇ Ｓｅａｌｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の、１９９９年２月２６日に出願された同時係属でありかつ本願の譲受人に譲受された米国特許出願第２９／１０１，１９３号に示されており、これを参照により本明細書に組み込む。
【００８２】
図２２の実施形態の場合と同様に、媒体梱包体１３０は封止機構１３４を含む。好ましい構造では、封止機構１３４はフレーム１４８及び封止部材１５０を含む。
【００８３】
フレーム１４８は非円形であり、例えば倒円形であり、特に競技用トラック形であり、フィルタ媒体１３２の端部に取着されるよう配置され構成されている。特に、フレーム１４８は、ほぼ競技用トラック形のバンド又はスカート又は垂下リップ１５１を有する。垂下リップ１５１は、十字形ブレース１５２からある距離だけ垂下し又は下に延びており、フレーム１４８を媒体梱包体１３０に固定するのに使用される。
【００８４】
図示される装置の使用中、フレーム１４８の周辺を巡って内向きの力がかけられる。半円形端部１４１、１４２に対してかけられた内向きの力によって、真っ直ぐなセグメント１４３、１４４は曲がり又は撓む可能性がある。十字形ブレース１５２は、真っ直ぐなセグメント１４３、１４４に構造上の剛性を与え、かつ支持するために設けられる。図２６からわかるように、図示される特定の十字形ブレース１５２は、対向する真っ直ぐなセグメント１４３と１４４の間にトラス・システム１５４を形成する。トラス・システム１５４は、好ましくはフレーム１４８の残りの部分と共に単一の部品として成型された複数の剛性支柱１５６を含む。
【００８５】
フレーム１４８は、フレーム９０と同様に構成される。したがって、フレーム１４８は先端部分１５８（図２７）を含む。好ましい装置では、先端部分１５８は環状封止基体として働く。好ましいシステムでは、圧縮性封止部材１５０の構造は、図５の圧縮性封止部材９２の構造に類似している。
【００８６】
媒体梱包体１３０は、ダクト又はエアクリーナ・ハウジング内に設置されることが好ましい。図２７で、図示されるハウジングは、カバー１６０及び本体部材１６２を含む２片構成ハウジングである。カバー１６０は、空気流入口１６４を画定する。本体部材１６２は、空気流出口１６６を画定する。ハウジングは、本明細書に参照により組み込む米国特許第２，８８７，１７７号及び第４，１６２，９０６号に記載されるように、媒体梱包体１３０の上流にプレクリーナ装置１６７を更に含む。図示されるものでは、プレクリーナ装置１６７はカバー１６０内にある。カバー１６０は、プレクリーナ１６７に収集された塵埃及び砕片を排出するダスト・エジェクタ１６８を含む。
【００８７】
圧縮性封止部材１５０は、側壁１７０とフレーム１５０の先端部分１５８との間で圧縮される。媒体梱包体１３０がプレス嵌めされるにつれ、圧縮性封止部材１５０は、フレーム１４８（具体的には、図示される特定の実施形態では先端部分１５８）と側壁１７０との間でそれらに接するように圧縮される。圧縮後、圧縮性封止部材１５０は、圧縮性封止部材１５０が外向きに広がってその自然の状態になろうとするときに側壁１７０に対して力をかけ、その結果、側壁１７０と共にラジアル封止部１７１を形成する。
【００８８】
媒体１３２に関する好ましい開発品について、以下のセクションＩで述べる。
【００８９】
別のフィルタ装置を、一般に１７４で図２８に示す。以下のセクションＩで述べる好ましい媒体開発品を除いたフィルタ装置１７４は米国特許第５，８２０．６４６号に記載されており、それを本明細書に参照により組み込む。
【００９０】
フィルタ装置１７４は、パネル構造１７８に取り付けられ、そこに保持され、かつ支持される媒体梱包体１７６を含む。フィルタ装置１７４は、本体１８１及び取外し可能なカバー部材１８２を含んだハウジング１８０も含む。媒体梱包体１７６を保持するパネル構造１７８は、ハウジング１８０内に封止され、そこから取外し可能でありかつ交換可能である。
【００９１】
媒体梱包体１７６は、図２３に関して既に述べたように構成された溝付きフィルタ媒体１８４を含む。
【００９２】
Ｅ．典型的なシステム；ガスタービン吸気口
図２９に、ガスタービン・システムの吸気口を一般的に２００で示す。空気流は、矢印２０１で、吸気システム２００に引き込まれる状態が示されている。吸気システム２００は、一般にチューブ・シート２０３に保持される複数のエアフィルタ配置２０２を含む。好ましいシステムでは、チューブ・シート２０３は、フィルタ装置２０２を垂直軸に対してある角度で保持するよう構成される。好ましい角度は５〜２５°の間であり、例えば約７°である。このため、システム２００が作動していないとき、液体をフィルタ装置２０２から排出することが可能になる。
【００９３】
空気はエアフィルタ配置２０２内で清浄化され、次いで空気は矢印２０４に沿って下流に流れ、ガスタービン発電機２０５に流入し、そこで発電に使用される。
【００９４】
図３３では、マイクロタービンの吸気口の例を一般的に２１０で示す。一般にマイクロタービンは、典型的には予備発電機として使用されるガスタービンを小型化したものである。ある場合には、そのようなマイクロタービンは約２４インチ×１８インチであり、またその電気出力は、典型的な場合３０キロワットから１００キロワットの間である。これらのシステムは、典型的な場合、空気流が１０００ｃｆｍから１０，０００ｃｆｍの間である。
【００９５】
図３３は、空気流が、矢印２１２に沿って吸気システム２１１内に引き込まれる状態を示す。吸気システム２１１はフィルタ構造２１３を含む。空気がフィルタ構造２１３を通って引き込まれるにつれ、空気はエアフィルタ配置２１３内で清浄化され、次いで矢印２１４に沿って下流に流れてガスタービン２１５に流入する。次いでガスタービンは、典型的な場合、発電機、流体圧縮機、又は流体ポンプに動力を供給する。以下に述べるように、フィルタ装置をバリア媒体と少なくとも単一の「微細繊維」層、ある場合には複数の「微細繊維」層との複合体の形に構成することによって、フィルタ装置の性能（特に動作効率）を、そのような媒体複合体から構成されていない従来技術のフィルタよりも高めることができる。
【００９６】
Ｆ．ガスタービン・システム用フィルタ装置の実施例
システム２００又はシステム２１０で使用可能なエアフィルタ配置２０２の一例を、図３０〜図３２に示す。セクションＩで示す好ましい媒体開発品以外のエアフィルタ配置２０２が、本願の譲受人が譲受した１９９９年１１月１０日出願の米国特許出願第０９／４３７，８６７号に記載されており、これを本明細書に参照により組み込む。一般にエアフィルタ配置２０２は、第１の又は一次フィルタエレメント２２０（図３０及び３２）と、プレフィルタとして働く第２のフィルタエレメント２２２（図３１及び３２）を含む。「プレフィルタ」という用語は、主要な一次フィルタエレメント２２０の上流に位置決めされたセパレータを意味し、気体の流れから大きい粒子を除去するよう機能する。一次フィルタエレメント２２０及びプレフィルタエレメント２２２は、チューブ・シート２０３のアパーチャ２２６に取外し可能に取り付けることが可能なスリーブ部材２２４内に固定されることが好ましい。一般に、空気流はシステム２００内に取り込まれ、まずプレフィルタエレメント２２２内を流れて、次いで一次フィルタエレメント２２０内を流れる。一次フィルタエレメント２２０から出た後、空気は発電機２０５に向けられる。
【００９７】
一般にエレメント２２０は、図２及び図３に関して既に述べたように、溝付き又はｚ形の媒体２３０から構成される。図３０には、出口面２２８が概略的に示されていることを理解すべきである。すなわち、面２２８の一部分だけに溝が付いた状態が示されている。典型的なシステムでは、面２２８全体に溝が付いていることを理解すべきである。
【００９８】
フィルタエレメント２２０は、第１の端部２３２及び対向する第２の端部２３４を有する。図３０に示される装置では、第１の端部２３２が上流端入口面２２７に対応し、一方、第２の端部２３４は下流端出口面２２８に対応する。直線状の流れによって、気体は第１の端部２３２に流入して第２の端部２３４から出ることができ、その結果、第１の端部２３２に向かう空気流の方向は、第２の端部２３４から出て行く空気流と同じ流れになる。直線状の流れのパターンによって、気体流に生じる乱流の量を減少させることができる。
【００９９】
媒体２３０は、ポリエステル合成媒体、セルロース製の媒体、又はこれらのタイプの材料をブレンドしたものでよく、微細繊維で処理することができる。
【０１００】
プレフィルタエレメント２２２は、複数の個別のプリーツ２３７を含むプリーツ付き構造２３６であることが好ましい。プリーツ２３７は、ジグザク状に配置される。好ましいプレフィルイタエレメント２２２は、略円形の断面を有する。
【０１０１】
プレフィルタエレメント２２２は、直線状の流れが可能になるように構成される。換言すれば、空気は真っ直ぐにプレフィルタエレメント２２２内を流れ、入口面２３８に入った後に反対側に配置された出口面２３９から出るが、入口面２３８に入る流体の流れの方向は出口面２３９から出て行く流体の流れと同じ方向になる。
【０１０２】
ある好ましい実施形態では、少なくとも１５個のプリーツ２３７があり、８０個以下のプリーツ２３７があり、典型的には３０〜５０個のプリーツ２３７がある。プリーツ付き構造２３６は、中心コア２４１を中心としてその周りに設けられたプリーツ２３７の形に折り曲げられた媒体２４０から作製される。媒体２４０の使用可能なタイプには、ガラス繊維、あるいはエア・レイド媒体が含まれる。使用可能な媒体２４０の特定の性質は、重量が２．７〜３．３オンス／ヤード^３（９２〜１１２ｇ／ｍ^３）、自由厚さ（すなわち０．００２ｐｓｉ圧縮での厚さ）が０．２５〜０．４０インチ（６．４〜１０．２ｍｍ）、透過度が少なくとも４００フィート／分（１２２ｍ／分）であるウェブを形成するようランダムに配向されたポリエステル繊維で作製された、ドライ・レイドフィルタ媒体を含む。
【０１０３】
一般に、プレフィルタエレメント２２２は、スリーブ部材２２４内に取付け可能にかつ交換可能に取り付けることができる。スリーブ部材２２４について、以下に更に詳細に述べる。あるシステムでは、プレフィルタエレメント２２２は、媒体２４０のエンドチップをスリーブ部材２２４の内壁に対して圧潰し又は圧縮することによって、スリーブ部材２２４内に保持される。
【０１０４】
本明細書の原理に従い構成された好ましいフィルタ装置２０２は、一次フィルタエレメント２２０に固定されかつそのエレメント２２０に外接するスリーブ部材２２４を有する。一般に、スリーブ部材２２４は、一次エレメント２２０をシステム２００の所定位置に保持するよう機能する。好ましいスリーブ部材２２４は、プレフィルタエレメント２２２も一次エレメント２２０の上流の所定位置に保持する。
【０１０５】
図３０及び図３１からわかるように、スリーブ部材２２４は、一次フィルタエレメントの断面に一致する断面を有することが好ましい。スリーブ部材２２４は、周囲リング２４５をもたらす形に湾曲した周囲壁２４４を含む。スリーブ部材２２４は、一次フィルタエレメント２２０に対し、その一次フィルタエレメント２２０の軸方向の長さの少なくとも３０％延びるように配置されることが好ましい。多くの典型的な装置では、スリーブ部材２２４は一次フィルタエレメント２２０の軸方向の長さの５０％を超える長さだけ延びる。実際に、ほとんどの好ましい装置では、スリーブ部材２２４は、一次フィルタエレメント２２０の軸方向の長さの少なくとも全長（すなわち１００％）分、延びている。多くの典型的な適用例では、スリーブ部材２２４の半径は少なくとも１０インチであり、典型的な場合は１５〜３０インチであり、ある場合には５０インチ以下である。
【０１０６】
スリーブ部材２２４は、空気が一次エレメント２２０を迂回しないように、一次フィルタエレメント２２０をチューブ・シート２０３に固定することができるよう、封止機構と共に構成され配置されることが好ましい。図示される実施形態では、スリーブ部材２２４は封止部材圧力フランジ２４６を含む。フランジ２４６は、少なくとも部分的に、また多くの実施形態では完全に、スリーブ部材２２４の壁２４４に外接する。封止部材圧力フランジ２４６は、バックストップとして作用して、フランジ２４６とチューブ・シート２０３の間でそれらに接するように封止部２５０を生成するために封止部材２４８を支持する。フランジ２４６は、スリーブ部材２２４の壁２４４から半径方向に延び、封止部材２２４に完全に外接する。フランジ２４６は、壁２４４から、封止部材２４８を支持するのに十分な距離だけ半径方向に延びる。
【０１０７】
パッチ又は保持クリップ２５２（図３０）が接合部２５４を超えて延在し、スリーブ部材２２４をその最終形状に固定する。保持クリップ２５２は、例えば超音波溶接によって、スリーブ部材２２４に永久に固定されることが好ましい。
【０１０８】
図３２に注目されたい。フランジ２４６は軸方向の側面２５６で封止部材２４８を支持することがわかる。封止部材２４８は、一般に円形ガスケット２５８を含む。ガスケット２５８は、ガスケット２５８とフランジ２４６の側面２５６の間の接着剤によって、フランジ２４６に固定されることが好ましい。ガスケット２５８は、ガスケット２５８が壁２４４及び一次エレメント２２０に完全に外接するように、フランジ２４６上に位置決めされる。
【０１０９】
図示される装置は、スリーブ部材２２４をチューブ・シート２０３にクランプ留めするためのシステムも含む。図示される実施形態では、クランプ・システムは複数のラッチ又はクランプ２６０を含む。スリーブ部材２２４をチューブ・シート２０３に動作可能に設置する場合、フランジ２４６とチューブ・シート２０３の間に良好で耐密な封止部２５０が形成されるよう、十分なラッチ又はクランプ２６０があるべきであり、例えば図示されている装置では４個のクランプ２６０がある。図３２に、クランプ２６０の断面を示す。クランプ２６０のそれぞれは、レバー２６１、ノーズ２６２、及びプレート２６３を含む。プレート２６３は、クランプ２６０をチューブ・シート２０３に固定するボルト２６４などのファスナを収容するためのアパーチャを含む。ノーズ２６２は、圧力をフランジ２４６に加えて封止部材２４８をチューブ・シート２０３に対して圧縮するよう動作する。レバー２６１は、選択的にノーズ２６２をチューブ・シート２０３に向けて動かすように、またチューブ・シート２０３から離すように動作する。その他の実施形態では、クランプ２６０は、蝶ナットを使用するなどして手で締めることができる。
【０１１０】
典型的な動作中、フィルタ装置２０２の端から端までの全圧力低下は水柱で約０．６〜１．６インチである。これには一次フィルタエレメント２２０とプレフィルタ２２２の両方が含まれる。典型的な場合、プレフィルタ２２２単独での圧力低下は水柱で約０．２〜０．６インチになり、一方、一次エレメント２２０単独での圧力低下は水柱で約０．４〜１インチになる。
【０１１１】
システム３０４又はシステム３０２で使用可能なエアフィルタ配置２１３の別の実施例を、図３４〜図３６に示す。以下のセクションＩで述べる好ましい媒体開発品を除くエアフィルタ配置が、本願の譲受人に譲受された２０００年６月１３日出願の米国特許出願第０９／５９３，２５７号に記載されており、これを本明細書に参照により組み込む。
【０１１２】
図３５は、フィルタ装置２１３を分解して組み立てていない形を示し、図１４は、フィルタ装置２１３を使用のため組み立てたものを示す。一般にエアフィルタ配置２１３は、湿分セパレータ２７０、フィルタ・アセンブリ２７２、及びフィルタ・ハウジング２７４を含む。フィルタ・ハウジング２７４は、典型的な場合、使用のため組み立てる際にチューブ・シート２７６内に固定される。フィルタ・ハウジング２７４は、ハウジング２７４をチューブ・シート２７６に溶接することによって、又はハウジング２７４をチューブ・シート２７６にボルトで締めることによって、チューブ・シート２７６内に固定されることが好ましい。
【０１１３】
アクセス・ドア２７８により、組立ての際にフィルタ装置２１３に触れることが可能になり、また空気をシステム３０２内に引き込むことが可能になる。一般に、アクセス・ドア２７８は、図３３のシステム３０２などのシステムの特定のハウジングに嵌合するように設計され構成され、フィルタ装置２１３に設置されて、組立ての際にフィルタ装置２１３に触れることができるようになる。またアクセス・ドア２７８は、図３３のシステム２１０に空気が入ることができるようにも設計され構成される。
【０１１４】
アクセス・ドア２７８は、空気流抵抗装置２８０を含むことが好ましい。一般に空気流抵抗装置２８０は、空気流を特定の方向でフィルタ装置２１３に向けて、システム３０２内の抵抗を低下させる。空気流抵抗装置２８０は、騒音減衰の補助も行う。図３４に示す実施形態では、空気流抵抗装置が複数のルーバ２８２として描かれている。またルーバ２８２は、図３３のシステム３０２に大きい物体及び湿分が入らないように、システム２１０を保護する助けをする。ルーバ２８２は更に、騒音減衰の補助をする。
【０１１５】
流入する空気の流れに含まれる湿分は、フィルタ・アセンブリ２７２の保全性にダメージを与える可能性があり、システム３０２の内部機構に損傷を与え、すなわち腐食の一因となる可能性がある。これに対処するため、フィルタ装置は湿分セパレータ２７０を含む。一般に湿分セパレータ２７０は、フィルタ・アセンブリ２７２に到達する前に、流入する空気の流れから湿分を分離して収集する。一実施形態では、湿分セパレータ２７０は複数の平らなスクリーン、例えば金網を含む。
【０１１６】
一般にフィルタ・アセンブリ２７２は、システム３０２の内部機構に入る前に、図３３の流入する空気の流れ２１２から汚染物質を除去する。フィルタ・アセンブリ２７２は、直線状の流れがフィルタ・アセンブリ２７２に真っ直ぐに流れ、入口面２８４に入って反対側に配置された出口面２８５から出て行き、すなわち入口面２８４に入る流体の流れの方向が出口面２８５から出て行く流体の流れと同じ方向になるよう構成されることが好ましい。
【０１１７】
フィルタ・アセンブリ２７２は、図２２及び２３に関連して既に述べたように、円筒形に巻かれた溝付き媒体２８８から形成された媒体梱包体２８６を含む。媒体２８８は、ポリエステル合成媒体、セルロース製の媒体、又はこれらのタイプの材料をブレンドしたものでよく、微細繊維の被覆又は層で処理することができる。好ましい媒体開発品を、以下のセクションＨで述べる。
【０１１８】
図示されるフィルタ・アセンブリ２７２は、引張り機構２９０を含む。引張り機構２９０は、使用者がフィルタ・ハウジング２７４からフィルタ・アセンブリ２７２を容易に取り外すことができるように構成される。図示されるものでは、引張り機構２９０はハンドル２９２及び保持機構２９４（図３４）を含む。典型的な場合、ハンドル２９２はノブ２９６である。図３４に示されるものでは、保持機構２９４が、ノブ２９６に取着されるボルト２９８とボルトのもう一方の端部にあるナット２９９を含んでいる。あるいは、引張り機構及びフィルタ媒体の中心部は、一体化した１つのユニットでもよい。
【０１１９】
一般にフィルタ・ハウジング２７４は、フィルタ・アセンブリ２７２を受容し保持するように、かつフィルタ・アセンブリ２７２との封止が容易になるように構成される。図１６に示されるものでは、フィルタ・ハウジング２７４は、外壁３０４から少なくとも１０度の角度、好ましくは１０〜２１０度の間、最も好ましくは約１５度の角度が付けられた遷移領域３０２を含む。遷移領域３０２は、以下により詳細に述べるように、フィルタ・アセンブリ２７２の封止を補助する。
【０１２０】
フィルタ・ハウジング２７４は、取付けフランジ３０６を更に含む。取付けフランジ３０６は、ファスナ装置（例えばボルト）を介してフィルタ・ハウジング２７４をチューブ・シート２７６に固定する。ハウジング２７４は、停止装置３０８も含む。停止装置３０８は、フィルタ・アセンブリ２７２をハウジング２７４内に据え付けて、フィルタ・アセンブリ２７２がハウジング２７４内に必要以上に押し込まれないようにする。停止装置３０８は、フィルタ・アセンブリ２７２とハウジング２７４との適正な封止が確実に行われるよう補助する。
【０１２１】
停止装置３０８は、ストッパ３１０を含む。ストッパ３１０は、フィルタ・アセンブリ２７２がストッパ３１０を迂回しないよう十分な距離だけ外壁３０４から突出することが好ましい。使用中、フィルタ・アセンブリ２７２は、ストッパ３１０の上面３１１に接している。
【０１２２】
フィルタ・アセンブリ２７２は、封止ガスケット３１２も含む。封止ガスケット３１２は、フィルタ・アセンブリ２７２をフィルタ・ハウジング２７４内に封止し、空気がフィルタ・アセンブリ２７２とフィルタ・ハウジング２７４との間からシステム３０２に入らないように、かつフィルタ・アセンブリ２７２を迂回しないようにする。このため空気の流れは、実質上フィルタ・アセンブリ２７２内を確実に通る。図示されるものでは、封止ガスケット３１２が、フィルタ・アセンブリ２７２のラジアル・エッジの周りに周方向に延在する。一実施形態では、封止ガスケット３１２が独立気泡フォームを含み、当然ながら、封止ガスケット３１２はその他の適切な材料を含むことができる。
【０１２３】
使用中、封止ガスケット３１２は、フィルタ・アセンブリ２７２とフィルタ・ハウジング２７４との接合部３１４を封止する。設置中、フィルタ・アセンブリ２７２は、端部３１５がストッパ３１０に接するようになるまでハウジング２７４内に挿入される。フィルタ・アセンブリ２７２が設置されるにつれ、封止ガスケット３１２はフィルタ・アセンブリ２７２とハウジング２７４の間の遷移領域３０２に圧縮され、接合部３１４を封止する。
【０１２４】
組立て中、フィルタ・ハウジング２７４をチューブ・シート２７６に滑り込ませて、フィルタ・ハウジング２７４の取付けフランジ３０６がチューブ・シート２７６に対して据え付けられるようにする。次に、フィルタ・アセンブリ２７２をフィルタ・ハウジング２７４内に据え付ける。フィルタ・アセンブリ２７２をフィルタ・ハウジング２７４内に滑り込ませて、フィルタ・アセンブリ２７２の端部３１５がストッパ３１０に対して接するようにする。封止ガスケット３１２は部分的に圧縮され、フィルタ・アセンブリ２７２は、フィルタ・ハウジング２７４にぴたりと嵌まるよう保持される。
【０１２５】
動作中、フィルタ装置２１３は以下のように使用される。すなわち、システム３０２内でフィルタされる空気が矢印２１２に沿って吸気システム２１１に向けられる。空気がフィルタ・アセンブリ２７２内を流れる。空気が入口面２８４に入り、溝付き構造２８８を通過し、出口面２８５から出て行く。そこから空気がタービン又は発電機２１５に取り込まれる。
【０１２６】
Ｇ．典型的なシステム；燃料電池吸気口
燃料電池吸気口を図３７に３３０で概略的に示す。図３７に示すように、大気又は周囲空気３３１が、入口３３３を介してフィルタ・アセンブリ３３２に入る。フィルタ・アセンブリ３３２に入る前、大気３３１は、様々な物理的（例えば微粒子）化学的汚染物質を有する汚れた空気である。フィルタ・アセンブリ３３２は、汚れた空気から様々な汚染物質を除去するように構成され、それによって、フィルタ・アセンブリ３３２から出て行く清浄な空気３３４が得られる。清浄な空気３３４は、燃料電池３３５に取り込まれる空気であり、発電に使用される。
【０１２７】
更に図３７を参照すると、大気３３１は汚れた空気として、ハウジング３３６の入口３３３からフィルタ・アセンブリ３３２に入り、フィルタエレメント３３８の汚れた空気の側３３７に進む。空気がフィルタエレメント３３８を通過して清浄な空気の側３３９に移動するにつれ、汚染物質はフィルタエレメント３３８によって除去され、フィルタ済みの空気３３４が得られる。フィルタ済みの空気３３４は、ハウジング３３６の出口３４０を介してフィルタ・アセンブリ３３２から出て行き、機器３４１で使用される。
【０１２８】
フィルタ・アセンブリ３３２は、任意選択で騒音抑制エレメント３４２も含み、機器３４１から発せられる騒音又は音のレベルを低下させ又は抑制する。抑制エレメント３４２はハウジング３３６内に位置決めすることができ、いくつかの実施形態では、抑制エレメント３４２はハウジング３３６によって画定される。
【０１２９】
機器３４１は、触媒反応で使用するために燃料電池３３５に空気を供給する圧縮機３４３を含む。圧縮機３４３は、典型的には３ヘルツから３０，０００ヘルツの範囲内の騒音、ときには５０，０００ヘルツ程度に高い騒音であって、１メートルで８５〜１１０ｄＢレベルの騒音を発する。抑制エレメント３４２は、上流から圧縮機３４３まで移動する音のレベルを少なくとも３ｄＢ低下させ、典型的な場合には少なくとも６ｄＢ、好ましくは少なくとも２５ｄＢ低下させる。
【０１３０】
燃料電池３３５は水素燃料３４５を取り込み、水と二酸化炭素の副生物３４６を放出し、電力３４７を発生させる。一般に燃料電池は、電解質を間に挿む２個の電極（アノード及びカソード）からなる器具である。水素を含有する燃料はアノードに流れ、そこで水素電子が遊離して、正に帯電したイオンを残す。電子は外部回路内を移動するが、その回路内ではイオンが電解質によって拡散する。カソードでは、電子が水素イオン及び酸素と結合して、水及び二酸化炭素の副生物を形成する。一般的な酸素供給源は空気である。カソード反応の速度を速めるために、触媒をしばしば使用する。燃料電池反応でしばしば使用される触媒の例には、ニッケル、白金、パラジウム、コバルト、セシウム、ネオジム、及びその他の希土類金属が含まれる。燃料電池内の反応体は水素燃料と酸化剤である。
【０１３１】
典型的な場合、「低温燃料電池」は典型的には約７０〜１００℃の温度、ときには２００℃程度に高い温度で動作する。高温燃料電池は典型的な場合、その動作温度が高いので化学汚染の影響を受けにくい。しかし高温燃料電池は、微粒子汚染の影響、ときには化学汚染の形をとるものの影響を受け易く、したがって高温燃料電池は、本発明で述べるフィルタ機能から利益を得る。あるタイプの低温燃料電池は、陽子交換膜（ｐｒｏｔｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ）を使用することから、一般に「ＰＥＭ」と呼ばれる。本発明のフィルタ・アセンブリと組み合わせて使用することができるその他の様々なタイプの燃料電池の例には、例えば米国特許第６，１１０，６１１号、第６，１１７，５７９号、第６，１０３，４１５号、及び第６，０８３，６３７号含まれ、それらの開示を参照により本明細書に組み込む。様々な燃料電池は、例えば、カナダ、バンクーバーのＢａｌｌａｒｄ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．；コネチカット州のＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ；Ｒｏｃｋｙ Ｈｉｌｌ、ＣＴのＰｒｏｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．；マサチューセッツ州のＡｍｅｒｉｃａｎ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｃｏｒｐ．；ドイツ、ＥｒｌａｎｇｅｎのＳｉｅｍａｎｓ ＡＧ；フロリダ州のＥｎｅｒｇｙ Ｐａｒｔｎｅｒｓ，Ｌ．Ｃ．；デトロイト州のＧｅｎｅｒａｌ Ｍｏｔｏｒｓ；及び日本のトヨタ自動車（株）から市販されている。
【０１３２】
以下に述べるフィルタ・アセンブリは、大気から汚染物質を除去し、その後、その空気を燃料電池の動作に使用する。以下に述べるように、フィルタ・アセンブリを、バリア媒体と少なくとも単一の「微細繊維」層、ある場合に複数の「微細繊維」層との複合体の形に構成することによって、フィルタ・アセンブリの性能（特に動作効率）を高めることができる。微細繊維処理は、ほとんどのフィルタ幾何形状及び環境においてフィルタ効率を向上させるのに有利である。低温燃料電池と高温燃料電池の両方を含む、フィルタ温度が１２０°Ｆを超えるある過酷な環境に、微細繊維はしばしば耐えることができ、フィルタ寿命が延びる。
【０１３３】
Ｈ．燃料電池吸気システム用フィルタ装置の実施例
図３８は、図３７のシステムで使用可能なフィルタ・アセンブリ３５０を示す。フィルタ・アセンブリ３５０は、入口３５４及び出口３５６をを画定するハウジング３５２を含む。汚れた空気は入口３５４を介してフィルタ・アセンブリ３５０に入り、清浄な空気は出口３５６を経て出て行く。
【０１３４】
ハウジング３５２内には、フィルタエレメント３５８及び騒音抑制エレメント３６０が位置決めされている。抑制エレメント３６０は、第１の共鳴器３６１及び第２の共鳴器３６２を含む。第１の共鳴器３６１は、約９００Ｈｚのピークを減衰するよう構成され、第２の共鳴器３６２は、約５５０Ｈｚのピークを減衰するよう構成される。
【０１３５】
図３８のフィルタエレメント３５８は、一般に、フィルタエレメント構造４０（図２２）の場合と同様に構成される。したがって、フィルタエレメント３５８に巻かれた溝付き媒体３６６（図３に関して述べたように）の媒体梱包体３６４を含む。
【０１３６】
フィルタエレメント３５８をインライン・フロー・ハウジング３５２と共に使用する場合、空気は一方向でハウジング３５２の入口３５４内に入り、同じ方向で第１の流動面３６８を経てフィルタエレメント３５８に入り、同じ方向で第２の流動面３７０を経てフィルタエレメント３５８から出て行き、やはり同じ方向で出口３５６を経てハウジング３５２から出て行く。
【０１３７】
図２２及び２４の実施形態の場合と同様に、ラジアル封止部３７２は、フレーム３７６とハウジングの内部封止面３７８との間でそれらに接するように封止ガスケット３７４を圧縮することによって、形成される。
【０１３８】
フィルタ・アセンブリ３５０は、吸着又は吸収によって大気から汚染物質を除去するよう設計された部分も含むことが好ましい。本明細書で使用する「吸着する」、「吸着」、「吸着剤」などの用語は、吸収及び吸着の機構も含むものとする。
【０１３９】
化学的に除去する部分は、典型的な場合、例えば乾燥剤（すなわち水又は水蒸気を吸着し又は吸収する材料）や、揮発性有機化合物及び／又は酸性気体及び／又は塩基性気体を吸着し又は吸収する材料などの、物理吸着剤又は化学吸着剤材料を含む。「吸着剤材料」、「吸着材料」、「吸着性材料」、「吸収剤材料」、「吸収材料」、「吸収性材料」という用語、及びこれらを変形させた用語は、吸着又は吸収によって化学的汚染物質を除去する全ての材料を包含するものとする。適切な吸着剤材料には、例えば活性炭、活性炭繊維、添着炭、活性アルミナ、モレキュラ・シーブ、イオン交換樹脂、イオン交換繊維、シリカ・ゲル、アルミナ、及びシリカが含まれる。これら材料のいずれかは、過マンガン酸カリウムや炭酸カルシウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、硫酸カルシウム、クエン酸、又はこれらの混合物などの材料と組み合わせ、又はこれらの材料で被覆し、又はこれらの材料を含浸させることができる。いくつかの実施形態では、吸着剤材料を第２の材料と組み合わせ、又は吸着剤材料に第２の材料を含浸させることができる。
【０１４０】
吸着剤材料は、典型的な場合、粒子状物質又は顆粒状の物質を含み、顆粒、ビーズ、繊維、細粉、ナノ構造、ナノチューブ、エアロゲルとして存在させることができ、又はセラミック・ビーズやモノリシック構造、ペーパ媒体、金属面などのベース材料上に被覆として存在させることができる。典型的な場合、吸着剤材料、特に粒子状物質又は顆粒状物質は、材料のベッドとして提供される。
【０１４１】
あるいは吸着剤材料は、モノリシック又は単一の形であって例えば大きい錠剤、顆粒、ビーズ、あるいはプリーツ状又はハチの巣状構造など任意選択で更に成形することができる形に形成することができる。少なくともある場合には、成形された吸着剤材料は、フィルタ・アセンブリの通常の寿命期間中又は延長された寿命期間中、実質上その形状を保持する。成形された吸着剤材料は、固体又は液体結合剤に結合されたさらさらした粒子状物質が、その後さらさらしない状態の物品に成形されたものから形成することができる。成形された吸着剤材料は、例えば、成型、圧縮成型、又は押出しプロセスによって形成することができる。成型された吸着剤物品は、例えば米国特許第５、１８９，０９２号（Ｋｏｓｌｏｗ）及び第５，３３１，０３７号（Ｋｏｓｌｏｗ）に教示され、それらを参照により本明細書に組み込む。
【０１４２】
成形された物品を提供するのに使用される結合剤は乾燥したものでよく、すなわち粉末状及び／又は顆粒状の形にすることができ、あるいは結合剤は、液体、溶媒和、又は分散状態の結合剤でよい。湿分硬化ウレタンや、典型的には「ホットメルト」と呼ばれる材料などのある結合剤は、噴霧プロセスによって吸着剤材料に直接付着させることができる。いくつかの実施形態では、成型プロセス中に除去することができる溶媒又は分散剤を含めた一時液体結合剤を使用する。適切な結合剤には、例えばラテックス、微晶質セルロース、ポリビニルアルコール、エチレン−酢酸ビニル、デンプン、カルボニルメチルセルロース、ポリビニルピロリドン、リン酸二カルシウム二水和物、ケイ酸ナトリウムが含まれる。成型された材料の組成は、吸着剤材料を少なくとも約７０重量％、典型的には約９８重量％以下含むことが好ましい。ある場合には、成形された吸着剤は、吸着剤材料を８５〜９５重量％、好ましくは約９０重量％含む。成形された吸着剤は、典型的な場合、結合剤を約２重量％以上かつ約３０重量％以下含む。
【０１４３】
化学的に除去する部分で使用するのに適する吸着剤材料の別の実施形態は、キャリアを含む吸着剤材料である。例えば、吸着剤材料及び結合剤を保持するために、メッシュ又はスクリムを使用することができる。ポリエステル及びその他の適切な材料を、メッシュ又はスクリムとして使用することができる。典型的な場合、任意のキャリアは吸着剤材料の重量の約５０重量％以下であり、よりしばしば全吸着剤重量の約２０〜４０％である。キャリアを含む成形済みの吸着された材料中の結合剤の量は、典型的な場合、全吸着剤重量の約１０〜５０％の範囲であり、吸着剤材料の量は、典型的な場合、全吸着剤材料の約２０〜６０％の範囲である。
【０１４４】
化学的に除去する部分は、空気から酸性の汚染物質を除去するために強塩基性の材料を含むことができ、又は空気から塩基性の汚染物質を除去するために強酸性の材料を含むことができ、又はその両方を含むことができる。塩基性材料及び酸性材料は、互いに打ち消し合わないように、互いから除去されることが好ましい。いくつかの実施形態では、吸着剤材料自体は強酸性又は強塩基性の材料でよい。そのような材料の例には、ポリマー微粒子、活性炭媒体、ゼオライト、クレイ、シリカ・ゲル、金属酸化物などの材料が含まれる。その他の実施形態では、強酸性材料及び強塩基性材料を、顆粒状微粒子やビーズ、繊維、細粉、ナノチューブ、エアロゲルなどキャリアの表面被覆として設けることができる。あるいは、又は追加として、酸性及び塩基性の表面を形成する酸性及び塩基性の材料は、キャリアの少なくとも一部分全体にわたって存在させることができるが、これは例えば、キャリア材料に酸性又は塩基性の材料を被覆し、又はそれらの材料を含浸させることによって行うことができる。
【０１４５】
塩基性及び酸性の材料は共にフィルタエレメントの化学的除去部分に存在させることができるが、２種のタイプの材料が互いに反応しないように、また互いに中和しないように、互いに間隔を空けて配置することが好ましい。いくつかの実施形態では、塩基性材料、酸性材料、又はその両方を、活性炭などの吸着剤材料から間隔を空けて配置することができる。
【０１４６】
大気中にしばしば存在して燃料電池の汚染物質と見なされる酸性化合物の例には、イオウ酸化物、窒素酸化物、硫化水素、塩化水素、揮発性有機酸、及び不揮発性有機酸が含まれる。大気中にしばしば存在して燃料電池の汚染物質と見なされる塩基性化合物の例には、アンモニア、アミン、アミド、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化カリウム、揮発性有機塩基、及び不揮発性有機塩基が含まれる。
【０１４７】
ＰＥＭ燃料電池の場合、カソード反応が酸性条件下で引き起こされ、したがって塩基性汚染物質が存在することが望ましくない。アンモニアなど、塩基性汚染物質を除去するのに好ましい材料の例には、クエン酸を含浸させた活性炭顆粒のベッドがある。
【０１４８】
図３７のシステムで使用可能なフィルタ・アセンブリの第２の例を、フィルタ・アセンブリ３８０として図３９に破断断面図で示す。フィルタ・アセンブリ３８０は、入口３８４及び出口３８６を画定するハウジング３８２を含む。汚れた空気が入口３８４を経てフィルタ・アセンブリ３８０に入り、清浄な空気が出口３８６を経て出て行く。騒音抑制エレメント３８８は共鳴器３９０を含む。フィルタエレメント３９１はハウジング３８２内に取り付けられ、フィルタエレメント３５８に類似している。
【０１４９】
フィルタ・アセンブリ３８０は吸着剤エレメント３９２も含む。吸着剤エレメント３９２は、端部３９４と３９５の間に、円筒形の一塊の炭素３９３を含む。図示されるものでは、炭素３９３の塊は、熱可塑性結合剤によって一緒に保持された活性炭の中空の円形延長部３９７である。炭素３９３は、例えば米国特許第５，１８９，０９２号（Ｋｏｓｌｏｗ）及び第５，３３１，０３７号（Ｋｏｓｌｏｗ）の教示によって生成することができる。第１の端部３９４には、封止機構３９６が位置決めされており、第２の端部３９５にはキャップ３９８が位置決めされている。
【０１５０】
封止機構３９６は、吸着剤エレメント３９２とバッフル４０１との間に気密封止部を提供する。封止機構３９６は、バッフル４０１に対して吸着剤エレメント３９２が封止されるように、また空気が吸着剤エレメント３９２とハウジング３８２の側壁との間の領域を通過しないように設計される。封止機構３９６は、空気流が吸着剤エレメント３９２の炭素３９３を避けて流れるのを阻止する。封止機構３９６は、典型的な場合、ポリウレタンなどのフレキシブルな圧縮性材料から作製される。
【０１５１】
キャップ３９８はフィルタエレメント３５８から出る空気を逸らして、炭素３９３の円筒形延長部を軸方向に通過するのではなく炭素３９３を通して吸着剤エレメント３９２に入るようにする。フィルタエレメント３９１からの空気はキャップ３９８の露出面４０２に衝突し、その「直線状」の流れから半径方向の成分を有する流れまで別ルートで送られる。キャップ３９８はその内部に、キャップ３９８を通して空気を通過させるアパーチャ４０４を含み、その結果、空気は炭素３９３に到達できるようになる。空気流を管理する他にキャップ３９８は、吸収剤エレメント３９２をフィルタエレメント３９１に固着させる。
【０１５２】
吸着剤エレメント３９２は、化学的除去部分として機能すると同時に、音抑制エレメント３８８のエレメントとしても機能する。吸着剤エレメント及び吸着剤材料のその他の配置構成も、化学的に除去する特質と音を抑制する特質の両方を持つことができる。
【０１５３】
Ｉ．上記開示したフィルタエレメントに好ましい媒体構造
微細繊維フィルタ構造は２層又は多層構造を含み、フィルタは、１つ又は複数の合成ウェブ、セルロース製ウェブ、又はブレンド・タイプのウェブに結合され又はこれらのウェブによって分離された１つ又は複数の微細繊維層を含む。別の好ましいモチーフは、微細繊維を他の繊維のマトリックス又はブレンド中に含む構造である。
【０１５４】
本発明者等は、フィルタ構造における繊維及びマイクロ繊維層の重要な特徴は、特にマイクロ繊維が高温で湿度、湿分、又は溶媒に接触する場合は、耐熱性、耐湿性又は防湿性、耐溶媒性に関係すると考える。更に、本発明の材料の第２の重要な性質は、その材料の基体構造への接着性に関係する。マイクロ繊維層の接着性は、マイクロ繊維層が基体から層剥離することなく材料を製造することができるように、またマイクロ繊維層に基体を合わせたものを、著しい層剥離を引き起こすことなくプリーツ、ロール状材料、及びその他の構造を含んだフィルタ構造に加工することができるようにするため、フィルタ材料の重要な特徴である。本発明者等は、温度を１つのポリマー材料の溶融温度に、又はその溶融温度付近であるがそのすぐ下の温度まで、典型的には最も低い溶融温度よりも低い温度まで上昇させる製造プロセスの加熱ステップによって、繊維同士の接着性と、繊維と基体との接着性が大幅に向上することを見出した。溶融温度で、又はそれよりも高い温度で、微細繊維はその繊維状構造がばらばらになる可能性がある。加熱速度を制御することも極めて重要である。繊維がその結晶化温度に長時間曝されると、やはり繊維状構造がばらばらになる可能性がある。慎重に熱処理することによってポリマーの性質も改善されるが、これは外部添加剤層の形成によってもたらされるものであり、添加剤材料が表面に移行して疎水基又は疎油基が繊維表面に露出するからである。
【０１５５】
性能に関する基準は、最終用途に応じて様々な動作温度で、すなわち１４０°Ｆ、１６０°Ｆ、２７０°Ｆ、３００°Ｆの温度で１時間又は３時間にわたり材料が無傷のまま残存可能であり、同時に３０％、５０％、８０％、又は９０％というフィルタ効率が保持されることである。性能に関する別の基準は、最終用途に応じて様々な動作温度で、すなわち１４０°Ｆ、１６０°Ｆ、２７０°Ｆ、３００°Ｆの温度で１時間又は３時間にわたり材料が無傷のまま残存可能であり、同時に最終用途に応じてフィルタ層内部に有効な微細繊維が３０％、５０％、８０％、又は９０％保持されることである。これらの温度で残存することは、低湿度、高湿度、及び水が飽和した空気で重要である。本発明のマイクロ繊維及びフィルタ材料は防湿性と考えられ、材料は、約５分よりも長い時間、１６０°Ｆよりも高い温度で浸漬に耐えることができると同時に効率が維持される。同様に、本発明のマイクロ繊維材料及びフィルタ材料の耐溶媒性は、７０°Ｆで約５分よりも長い時間、エタノールや炭化水素、作動液、芳香族溶媒などの溶媒との接触に耐えることができると同時に５０％の効率が維持される材料から得られる。
【０１５６】
本発明の微細繊維材料は、集塵用パルス・クリーン及び非パルス・クリーン・フィルタ、ガスタービン及びエンジン空気吸入又は導入システム；ガスタービン吸入又は導入システム、重負荷エンジン吸入又は導入システム、軽車両エンジン吸入又は導入システム；車両キャビン空気；オフロード車両キャビン空気、ディスク・ドライブ空気、フォトコピア−トナー除去；ＨＶＡＣフィルタであって商用と住宅用両方のフィルタ適用例を含めた様々なフィルタの適用例で使用することができる。ペーパ・フィルタエレメントは、表面負荷媒体の広く様々に使用されている形である。一般にペーパエレメントは、粒子状物質を含む気体の流れを横切るように配置されたセルロース、合成、又はその他の繊維の稠密なマットを含む。ペーパは一般に、気体流を通すように構成され、また選択されたサイズよりも大きい粒子が内部を通過しないよう十分微細な孔径及び適切な多孔率を有するようにも構成される。気体（流体）がフィルタ・ペーパを通過するとき、フィルタ・ペーパの上流側は拡散及び遮断によって、気体（流体）の流れから選択されたサイズの粒子を捕捉し保持するよう動作する。粒子はフィルタ・ペーパの上流側でダストケーキとして収集される。時間と共にダストケーキもフィルタとして動作し始め、効率を高める。これは、ときどき「シーズニング」と呼ばれ、すなわち初期効率よりも高い効率が得られるのである。
【０１５７】
上述のような簡単なフィルタ設計には、少なくとも２つのタイプの問題がある。第１は、比較的単純な欠陥であり、すなわちペーパが破れてシステムが故障する。第２は、粒子状物質がフィルタの上流側に薄いダストケーキ又は層として急速に蓄積され、圧力低下を増大させる。ペーパ・フィルタなどの表面負荷フィルタ・システムの「寿命」を延ばすため、様々な方法が利用されてきた。１つの方法は、気体流の流れに直面する媒体の表面積が、プリーツのない平らな構造に比べて増大するように、プリーツ付き構造の媒体を提供することである。これによってフィルタ寿命が延びるが、依然としてかなりの制限がある。このため表面負荷媒体は、フィルタ媒体を通過する速度が比較的遅い適用例、一般には分当たり約２０〜３０フィート以下であり、典型的には分当たり約１０フィート程度以下である適用例に、主にその用途を見出した。本明細書で「速度」という用語は、媒体を通る平均速度である（すなわち媒体面積当たりの流動体積）。
【０１５８】
一般に、プリーツ付きペーパ媒体を通る空気流速が速くなるにつれ、フィルタ寿命は速度の２乗分の１に比例して短くなる。したがって、プリーツ付きペーパの表面負荷型フィルタ・システムを、かなりの空気の流れを必要とするシステムで微粒子フィルタとして使用する場合、比較的広い表面積のフィルタ媒体が必要である。例えば、長距離輸送用ディーゼル・トラックの典型的な円筒形プリーツ付きペーパ・フィルタエレメントは、直径約９〜１５インチ、長さ約１２〜２４インチ、プリーツの深さが約１〜２インチである。したがって媒体のフィルタ表面積（片面）は、典型的な場合３０〜３００平方フィートである。
【０１５９】
多くの適用例、特に流量が比較的高い場合は、代替のタイプのフィルタ媒体、すなわちときどき一般に「深さ」媒体と呼ばれるものが使用される。典型的な深さ媒体は、繊維が絡まった状態の比較的厚い材料を含む。深さ媒体は一般に、その多孔率、密度、又は固形分パーセントによって定義される。例えば中実度２〜３％の媒体は、全体積の約２〜３％が繊維状材料（固形分）を含んで残りは空気又は気体のスペースであるように配置された繊維の、深さ媒体マットと考えられる。
【０１６０】
深さ媒体を定義するための別の有用なパラメータは、繊維直径である。中実度パーセントが一定に保たれるが繊維直径（サイズ）が減少する場合、細孔径又は繊維間のスペースが減少し、すなわちフィルタがより効率的になり、より効果的により小さい粒子を捕捉することになる。
【０１６１】
典型的な従来の深さ媒体フィルタは、深く、比較的一定の（又は均一な）密度の媒体であり、すなわち深さ媒体の中実度がその厚さ全体にわたって実質上一定に保たれる系である。本明細書で「実質上一定」とは、媒体の深さ全体にわたり、あるとしても比較的小さい密度のばらつきしか見られないことを意味する。例えばそのようなばらつきは、内部にフィルタ媒体が位置決めされている容器によって外部係合面がわずかに圧縮されることから生じる可能性がある。
【０１６２】
勾配密度深さ媒体装置が開発されてきた。いくつかのそのような装置が、例えば米国特許第４，０８２，４７６号、第５，２３８，４７４号、及び第５，３６４，４５６号に記載されている。一般に深さ媒体装置は、実質上その体積又は深さ全体にわたって粒子状物質の「負荷」をもたらすよう設計することができる。したがってそのような装置は、フル・フィルタがその寿命に達したときに、表面負荷システムに比べてより大量の粒子状物質の負荷がかかるように設計することができる。しかし一般にそのような装置では、相当な負荷のために中実度が比較的低い媒体が望ましいので、効率が犠牲になっていた。上記参照した特許に記載されているような勾配密度システムは、十分な効率及びより長い寿命が得られるように設計されてきた。ある場合には、表面負荷媒体は、そのような装置において「研磨」フィルタとして利用される。
【０１６３】
本発明によるフィルタ媒体構造は、第１の面を有する透過性の粗い繊維状媒体又は基体の第１の層を含む。微細繊維媒体の第１の層は、透過性の粗い繊維状媒体の第１の層の第１の面に固定される。透過性の粗い繊維状材料の第１の層は、平均直径が少なくとも１０ミクロン、典型的にかつ好ましくは約１２（又は１４）〜３０ミクロンの繊維を含むことが好ましい。また、透過性の粗い繊維状材料の第１の層は、坪量が約２００グラム／メートル^２以下、好ましくは約０．５０〜１５０ｇ／ｍ^２、最も好ましくは少なくとも８ｇ／ｍ^２の媒体を含むことが好ましい。透過性の粗い繊維状媒体の第１の層は、厚さが少なくとも０．０００５インチ（１２ミクロン）、典型的には厚さが０．０００６〜０．０２（１５〜５００ミクロン）、好ましくは厚さが約０．００１〜０．０３０インチ（２５〜８００ミクロン）であることが好ましい。
【０１６４】
好ましい装置では、透過性の粗い繊維状材料の第１の層は、フレージャー透過性試験によって構造の残りとは別に評価した場合に少なくとも１メートル／分の透過度を示し、典型的にかつ好ましくは約２〜９００メートル／分の透過度を示す材料を含む。ここで効率について述べるとき、その効率は、特に明記しない限り本明細書で述べるように、２０ｆｐｍ（６．１メートル／分）の０．７８μ単分散ポリスチレン球状粒子を用い、ＡＳＴＭ−１２１５−８９に従って測定したときの効率を意味するものである。
【０１６５】
透過性の粗い繊維状媒体の層の第１の面に固定された微細繊維材料の層は、ナノ繊維及びマイクロ繊維媒体の層であることが好ましく、この繊維の平均繊維直径は約２ミクロン以下であり、一般にかつ好ましくは約１ミクロン以下であり、典型的にかつ好ましくは繊維直径が０．５ミクロンより小さく約０．０５〜０．５ミクロンの範囲内のものである。また、透過性の粗い繊維状材料の第１の層の第１の面に固定された微細繊維材料の第１の層は、その全厚が約３０ミクロン以下であり、より好ましくは２０ミクロン以下であり、最も好ましくは約１０ミクロン以下であり、典型的にかつ好ましくは、この層の微細繊維平均直径の約１〜８倍（より好ましくは５倍以下）の厚さであることが好ましい。
【０１６６】
本発明によるある好ましい装置は、フィルタ構造全体に一般的に定義したようなフィルタ媒体を含む。そのような用途に向けたいくつかの好ましい装置は、円筒形のプリーツ付き構成であって、プリーツがほぼ縦方向に延在する構成、すなわち円筒形パターンの縦軸と同じ方向に延在する構成に配置された媒体を含む。そのような装置では、従来のフィルタと同様に、媒体をエンド・キャップに埋め込むことができる。そのような装置は、典型的な従来の目的で、望むなら上流ライナ及び下流ライナを含むことができる。
【０１６７】
いくつかの適用例では、本発明による媒体をその他のタイプの媒体と共に、例えば従来の媒体と共に使用して、全体的なフィルタ性能又は寿命を改善することができる。例えば、本発明による媒体を従来の媒体に重ねることができ、スタック状の配置構成で利用することができ、あるいは、従来の媒体の１つ又は複数の領域を含む媒体構造に組み込む（一体化フィーチャ）ことができる。これは、良好な負荷のためにそのような媒体の上流で使用することができ、かつ／又は従来の媒体の下流で高効率研磨フィルタとして使用することができる。
【０１６８】
本発明によるある装置は、液体フィルタ・システムで利用することもでき、すなわちフィルタされる粒子状物質が液体に含まれる系で利用することもできる。また、本発明によるある装置はミスト・コレクタ、例えば微細なミストを空気からフィルタするための装置で使用することもできる。
【０１６９】
本発明によれば、フィルタするための方法が提供される。この方法は一般に、上述の媒体をフィルタのため有利に利用することを含む。以下の記述及び実施例からわかるように、本発明による媒体は、比較的効率的なシステムに比較的長い寿命を有利に提供できるよう、特に形成し構成することができる。
【０１７０】
様々なフィルタ・デザインが、フィルタ材料と共に使用されるフィルタ構造の様々な態様を開示し主張する特許に示されている。Ｅｎｇｅｌ他の米国特許第４，７２０，２９２号は、ほぼ円筒形のフィルタエレメントデザインを有するフィルタ・アセンブリ用のラジアル封止デザインを開示しているが、このフィルタエレメントは、円筒形で半径方向内向きの面を有する比較的軟質のゴム状エンド・キャップによって封止されるものである。Ｋａｈｌｂａｕｇｈ他の米国特許第５，０８２，４７６号は、プリーツ付き構成エレメントが本発明のマイクロ繊維材料に結合しているフォーム基体を含む深さ媒体を使用したフィルタ・デザインを開示する。Ｓｔｉｆｅｌｍａｎ他の米国特許第５，１０４，５３７号は、液体媒体をフィルタするのに有用なフィルタ構造に関する。液体はフィルタ・ハウジング内に閉じ込められ、フィルタの外部を通って内部環状コアに入り、次いで構造に戻って有効利用される。そのようなフィルタは、作動液をフィルタするのに非常に有用である。Ｅｎｇｅｌ他の米国特許第５，６１３，９９２号は、典型的なディーゼル・エンジン吸気フィルタ構造を示す。この構造は、混入水分を含有しても含有しなくてもよい空気をハウジングの外面から得る。空気はフィルタを通過し、一方水分はハウジングの底部に移動して、ハウジングから排水することができる。Ｇｉｌｌｉｎｇｈａｍ他の米国特許第５，８２０，６４６号はＺフィルタ構造を開示しているが、この構造は、適正なフィルタ性能を得るために、「Ｚ」形通路のフィルタ媒体の少なくとも１つの層に流体の流れを通すことが必要な閉塞した通路を含む、特定のプリーツ付きフィルタ・デザインを使用する。プリーツ付きＺ形態様に形成されたフィルタ媒体は、本発明の微細繊維媒体を含むことができる。Ｇｌｅｎ他の米国特許第５，８５３，４４２号は、本発明の微細繊維構造を含むことができるフィルタエレメントを有するバッグ・ハウス構造を開示する。Ｂｅｒｋｈｏｅｌ他の米国特許第５，９５４，８４９号は、製造中の加工品を処理してかなりのダスト負荷が環境空気中に生じた後、一般にダスト負荷が大きい空気を処理する際に空気の流れからダストをフィルタするのに有用な集塵器構造を示す。最後に、Ｇｉｌｌｉｎｇｈａｍの米国意匠特許第４２５，１８９号は、Ｚフィルタ・デザインを使用したパネル・フィルタを開示する。
【０１７１】
以下の材料を、以下の電界紡糸プロセス条件を使用して生成した。
【０１７２】
以下の材料を、回転エミッタ・システム又はキャピラリ・ニードル・システムを使用して紡糸した。いずれも実質上同じ繊維性材料を生成することがわかった。
【０１７３】
一般にデバイスで使用して繊維は製造される。流量は、エミッタ当たり１．５ｍｉｌ／分、目標距離８インチ、エミッタ電圧８８ｋＶ、相対湿度４５％、回転エミッタ３５ｒｐｍであった。
【０１７４】
実施例１：繊維のサイズの効果
微細繊維サンプルをナイロン６、６６、６１０のコポリマーから調製し、ナイロンコポリマー樹脂（ＳＶＰ−６５１）の分子量について、末端基滴定により分析をした（Ｊ．Ｅ．Ｗａｌｚ及びＧ．Ｂ．Ｔａｙｌｏｒ、ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｗｅｉｇｈｔ ｏｆ ｎｙｌｏｎ、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．Ｖｏｌ．１９、Ｎｕｍｂｅｒ ７、第４４８〜４５０ページ（１９４７））。数平均分子量は、２１，５００から２４，８００の間であった。組成物は、３成分ナイロン、すなわちナイロン６ 約４５％、ナイロン６６ 約２０％、及びナイロン６１０ 約２５％の溶融温度の状態図によって推定した（第２８６ページ、Ｎｙｌｏｎ Ｐｌａｓｔｉｃｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ、Ｍｅｌｖｉｎ Ｋｏｈａｎ編、Ｈａｎｓｅｒ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（１９９５））。報告されたＳＶＰ ６５１樹脂の物理的性質は、以下の通りであり、
【０１７５】
【表２】

直径０．２３ミクロン及び０．４５ミクロンの繊維が生成された。サンプルを室温の水に浸し、空気乾燥し、その効率を測定した。図１２のグラフからわかるように、繊維が大きいほど分解にかかる時間は長く、分解のレベルは低かった。ある特定に理論に拘泥するものではないが、表面／体積の比がより大きい、より小さい繊維が、環境の作用に起因して分解し易くなるようである。しかし、より大きい繊維は効率的なフィルタ媒体を形成しない。
【０１７６】
実施例２：ナイロン繊維とフェノール樹脂及びエポキシ樹脂との架橋
繊維の耐薬品性を改善するため、ナイロン繊維の化学的架橋を試みた。既述のコポリアミド（ナイロン６、６６、６１０）を、Ｇｅｏｒｇｉａ Ｐａｃｉｆｉｃ ５１３７であるフェノール樹脂と混合し、紡糸して繊維にした。ナイロン：フェノール樹脂の比、及びそのブレンドの溶融温度を以下に示す。
【０１７７】
【表３】

【０１７８】
このブレンドからは、比較可能な繊維を生成することができた。５０：５０のブレンドは、熱を介して繊維性構造が破壊されたので架橋することができなかった。６５：３５のブレンドを９０℃よりも低い温度で１２時間加熱することにより、得られた繊維の耐薬品性が改善され、その結果、アルコールに溶解しにくくなった。ポリアミドとエポキシ樹脂、例えばＳｈｅｌｌのＥｐｏｎ ８２８やＥｐｉ―Ｒｅｚ５１０などとのブレンドを使用することができる。
【０１７９】
実施例３：フッ素系添加剤（Ｓｃｏｔｃｈｇａｒｄ（登録商標））撥水剤による表面改質
３Ｍ社のアルコール混和性Ｓｃｏｔｃｈｇａｒｄ（登録商標）ＦＣ−４３０及び４３１をポリアミドに添加した後、紡糸した。付加量は固形分１０％であった。Ｓｃｏｔｃｈｇａｒｄの添加は、繊維形成を妨げなかった。ＴＨＣベンチでは、Ｓｃｏｔｃｈｇａｒｄ状の高分子量撥水剤による仕上げによって、耐水性が改善されなかったことを示す。Ｓｃｏｔｃｈｇａｒｄを添加したサンプルを、製造業者から示されるように、３００°Ｆで１０分間加熱した。
【０１８０】
実施例４：カップリング剤による改質
ポリマー・フィルムを、Ｋｅｎｒｉｃｈ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｉｎｃ．のチタニウム系カップリング剤と共にポリアミドから流延した。このカップリング剤には、イソプロピルトリイソステアロイルチタネート（ＫＲＴＴＳ）、ネオペンチル（ジアリル）オキシトリ（ジオクチル）フォスファトチタネート（ＬＩＣＡ１２）、ネオペンチル（ジアリル）オキシ、トリ（Ｎ−エチレンジアミノ）エチルジルコネート（ＮＺ４４）が含まれる。流延フィルムを沸騰水に浸した。カップリング剤を含まない対照サンプルはその強度をすぐに失ったが、カップリング剤を添加したサンプルは、その形を最長１０分間維持した。これらのカップリング剤を添加したサンプルを紡糸して繊維にした（０．２ミクロン繊維）。
【０１８１】
実施例５：低分子量ｐ−ｔｅｒｔ−ブチルフェノールポリマーによる改質
分子量が４００〜１１００の範囲のｐ−ｔｅｒｔ−ブチルフェノールのオリゴマーを、オハイオ州コロンバスのＥｎｚｙｍｏｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌから購入した。これら低分子量ポリマーを、エタノール、イソプロパノール、ブタノールなどの低級アルコールに溶解した。これらのポリマーを既述のコポリアミドに添加し、悪い結果をもたらすことなく０．２ミクロンの繊維に電界紡糸した。一部のポリマー及び添加剤は電界紡糸プロセスを妨げる。実施例２で述べた従来のフェノール樹脂とは異なり、本発明者等は、この群のポリマーが繊維形成プロセスを妨害しないことを見出した。
【０１８２】
本発明者等は、グラフに見られるように、この群の添加剤が、微細繊維を湿潤環境から守ることを見出した。図１３〜図１６は、オリゴマーが、１４０°Ｆ及び１００％の相対湿度で非常に良好な保護をもたらすことを示し、その性能は、１６０°Ｆで非常に良くないことを示している。この添加剤を、使用されるポリマーの５％から１５％の量で添加した。本発明者等は、それらの添加剤が、繊維が１４０°Ｆで高い湿度に曝されるのを等しく効果的に防止することを見出した。また本発明者等は、繊維を短時間１５０℃に曝すことによって、性能が高められることを見出した。
【０１８３】
表１は、付加量１０％のポリアミド繊維の、温度及び時間暴露の影響を示す。
【０１８４】
【表４】

【０１８５】
これは驚くべき結果であった。この種類の添加剤に関しては、耐水性の劇的な向上が見られた。この群の添加剤がどのように働くかを理解するため、微細繊維マットをＥＳＣＡと呼ばれる表面分析技法で分析した。表１に示される付加量１０％のサンプルを、ミネソタ大学でＥＳＣＡを用いて分析したが、その結果を表２に示す。
【０１８６】
【表５】

【０１８７】
初めに、添加剤の表面濃度がバルク濃度の２倍よりも高いことを見出したことは理屈に合わないと思われた。しかし、本発明者等は、このことを、添加剤の分子量によって説明することができると考える。約６００という添加剤の分子量は、主体となる繊維形成ポリマーの分子量よりも非常に小さい。添加剤はサイズがより小さいので、蒸発する溶媒分子に合わせて移動することができる。したがって、添加剤の表面濃度をより高くすることができる。更に処理することによって、保護添加剤の表面濃度が増大する。しかし、１０分間、１５０℃に曝すと、濃度は増大しなかった。これは、長鎖ポリマーが動き回るための時間があるので、コポリアミドとオリゴマー分子の２成分混合が生じていることを示すと考えられる。この分析により教示されることは、後処理の時間及び温度を適正に選択することによって性能を高めることができるが、暴露が長すぎると悪影響が生じる可能性がある、ということである。
【０１８８】
更に、飛行時間(Time of Flight)ＳＩＭＳと呼ばれる技法を使用して、このような添加剤を含んだマイクロ繊維の表面について試験をした。この技法は、対象物に電子を衝突させることを含み、その表面から何が来るかを観察する。添加剤を含まないサンプルは、電子を衝突させると有機窒素種が取れることを示す。これは、ポリアミド種が取れることを示している。また、ナトリウムやシリコーンなど、少量の不純物が存在することも示している。熱処理をしない、添加剤を含むサンプル（表面の添加剤濃度２３％）は、大部分を占める種がｔ−ブチル断片であることを示し、小さいがはっきりとしたポリアミドのピークが観察される。また、質量差１４８ａｍｕで高い質量ピークも観察され、これはｔ−ブチルフェノールに相当する。１５０℃で１０分間処理したサンプル（ＥＳＣＡ分析による表面添加剤濃度５０％）の場合、検査によって、その大部分をｔ−ブチル断片が占め、存在するとしても、ポリアミドを示す非常に小さいピークが示されるだけである。これは、ｔ−ブチルフェノール及びそのポリマー全体に関連するピークを示していない。またこれは、Ｃ２Ｈ３Ｏ断片に関連するピークも示している。
【０１８９】
飛行時間ＳＩＭＳ分析は、剥き出しのポリアミド繊維が、イオン衝撃によって、露出したポリマー鎖から破断した窒素断片を放出し、表面に汚染物質が生じることを示している。熱処理をしない添加剤は被覆が不完全であることを示すが、これは、添加剤が表面の一部を覆わないことを示している。ｔ−ブチルオリゴマーは、表面上に緩く組織化される。イオン・ビームがその表面にぶつかると、分子全体が不安定なｔ−ブチル断片と共に取れる可能性がある。熱処理した添加剤は、表面の完全な被覆を促進させる。更に分子は、ｔ−ブチルや、あるいはＣＨ＝ＣＨ−ＯＨなど、不安定な断片のみが外れて、ｔ−ブチルフェノールの分子全体は外れないように、緊密に配置される。ＥＳＣＡと飛行時間ＳＩＭＳは、表面の異なる深さを見る。ＥＳＣＡは、１００オングストロームまでのより深い面を見るが、飛行時間ＳＩＭＳは、１０オングストロームの深さだけを見る。これらの分析は一致する。
【０１９０】
実施例６−表面被覆されたインターポリマーの開発
被覆及び接着剤の適用例に向けた可溶性及び架橋可能な樹脂を調製するために、初めにタイプ８ナイロンを開発した。このタイプのポリマーは、酸の存在下、ポリマー６６とホルムアルデヒド及びアルコールとの反応によって形成する（参考文献 Ｃａｉｒｎｓ，Ｔ．Ｌ．；Ｆｏｓｔｅｒ，Ｈ．Ｄ．；Ｌａｒｃｈｅｒ，Ａ．Ｗ．；Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ，Ａ．Ｋ．；Ｓｃｈｅｒｅｉｂｅｒ，Ｒ．Ｓ． Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１９４９、７１、６５１）。このタイプのポリマーは、電界紡糸することができ、架橋することができる。しかし、このポリマーからの繊維形成はコポリアミドよりも劣り、架橋しにくくなる可能性がある。
【０１９１】
タイプ８ナイロンを調製するため、１０ガロンの高圧反応器に以下の比で投入した。
【０１９２】
【表６】

【０１９３】
次いで反応器に窒素を流し、加圧下で、少なくとも１３５℃に加熱した。所望の温度に達したら、少量の酸を触媒として添加した。酸性触媒には、トリフルオロ酢酸、ギ酸、トルエンスルホン酸、マレイン酸、無水マレイン酸、フタル酸、無水フタル酸、リン酸、クエン酸、及びこれらの混合物が含まれる。Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）ポリマーも触媒として使用することができる。触媒を添加した後、反応を最長３０分間進行させる。粘性の均質ポリマー溶液をこの段階で形成する。指定された反応時間が経過した後、高圧容器の内容物を、メタノール、水、水酸化アンモニウムや水酸化ナトリウムなどの塩基が入っている浴に移して、反応を抑止する。溶液を十分に急冷した後、その溶液を脱イオン水中に沈殿させる。綿毛状のポリマー顆粒が形成される。次いでポリマー顆粒を遠心分離し、真空乾燥する。このポリマーは、水が様々な割合で含まれるメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、及びこれらの混合物に溶解する。これらは異なるアルコールのブレンドにも溶解する。
【０１９４】
このように形成されたアルコキシアルキル変性タイプ８ポリアミドは、エタノール／水の混合物に溶解する。ポリマー溶液は、Ｂａｒｒｉｓの米国特許第４，６５０，５１６号に記載した手法で電界紡糸される。ポリマー溶液の粘度は、時間と共に増大する傾向がある。ポリマーの粘度は、繊維のサイズを決定する際に大きな影響を与えることが、一般に知られている。そのため、商用規模の連続生産において、そのプロセスを制御することが困難である。更に、同じ条件下で、タイプ８ポリアミドはコポリアミドほど効率的にマイクロ繊維を形成しない。しかし、トルエンスルホン酸や無水マレイン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、クエン酸、アスコルビン酸などの酸性触媒を添加して溶液を調製し、繊維形成後に繊維マットを慎重に熱処理する場合、得られる繊維は非常に良好な耐薬品性を有する（図１３）。架橋段階中は、繊維性構造が破壊されないように注意を払わなければならない。
【０１９５】
本発明者等は、タイプ８ポリアミド（ポリマーＢ）とアルコール可溶性コポリアミドとをブレンドする場合に驚くべき結果を見出した。アルコキシアルキル変性ポリアミド６６ ３０重量％を、ＳＶＰ ６３７又は６５１（ポリマーＡ）、Ｅｌｖａｍｉｄｅ ８０６１などのアルコール可溶性コポリアミドに代えることによって、相乗効果があることを見出した。ブレンドの繊維形成は、いずれかの成分単独の場合よりも効率的である。エタノールに浸漬し、フィルタ効率を測定することによって、９８％よりも良好なフィルタ効率が保持されることが示され、ＴＨＣベンチ試験では、タイプ８ポリアミド単独の場合に匹敵する結果を示す。このタイプのブレンドは、効率的な繊維形成及びコポリアミドの優れたフィルタ特性の利点を、架橋したタイプ８ポリアミドの優れた耐薬品性の利点と共に得ることができることを示す。アルコール浸漬試験は、非架橋性コポリアミドが架橋に寄与してフィルタ効率９８％が維持されることを、強く示している。
【０１９６】
ポリマーＡ及びＢのブレンドのＤＳＣ（図１７〜図２０参照）は、２５０℃に加熱された後、ポリマーＡ単独でのＤＳＣと区別できなくなっており、（完全に架橋された状態で）明確な溶融温度を示さない。このことは、ポリマーＡ及びＢのブレンドが、ポリマーＢがポリマーＡと架橋したことによって、完全に一体化されたポリマーになっていることを強く示している。これは、完全に新しい種類のポリアミドである。
【０１９７】
同様に、ポリ（エチレンテレフタレート）とポリ（ブチレンテレフタレート）とのメルトブレンドは、同様の性質を持つ。どちらかの成分の溶融温度よりも高い温度で溶融処理を行う間、エステル基の交換が引き起こされ、ＰＥＴとＰＢＴのインターポリマーが形成される。更に、本発明者等の架橋温度はいずれかの単一成分よりも低い。そのような基の交換がこの低い温度で生じるとは予想され難い。したがって本発明者等は、タイプＡとタイプＢのポリアミドの溶液ブレンドと、いずれかの成分の融点よりも低い温度での架橋によって、新しい種類のポリアミドを見出したと考える。
【０１９８】
本発明者等は、ｔ−ブチルフェノールオリゴマー（添加剤７）１０重量％を添加し、架橋温度に必要な温度で熱処理した場合、更に良好な結果が得られることを見出した。本発明者等は、ｔ−ブチルフェノールオリゴマーのヒドロキシル官能基が、タイプ８ナイロンの官能基との反応に寄与する可能性があると理論付けた。本発明者等が見出したことは、この成分系では、繊維形成が良好であり、高温高湿に対する耐性が改善され、微細繊維層の表面に疎水性がもたらされるということである。
【０１９９】
ポリマーＡとポリマーＢの混合物サンプル（サンプル６Ａ）、ポリマーＡ、ポリマーＢ、及び添加剤の混合物サンプル（サンプル６Ｂ）を調製した。次いで電界紡糸プロセスによって繊維を形成し、繊維マットを３００°Ｆに１０分間暴露し、ＥＳＣＡ表面分析によって表面組成を評価した。
【０２００】
表にサンプル６Ａ及び６ＢのＥＳＣＡ分析を示す。
【０２０１】
【表７】

【０２０２】
ＥＳＣＡは、水素濃度以外の表面組成に関する情報を提供する。ＥＳＣＡは、炭素、窒素、及び酸素に関する情報を提供する。添加剤７は窒素を含有しないので、窒素濃度を比較することによって、窒素含有ポリアミドと窒素を含有しない添加剤との比を推定することができる。追加の定量的情報は、５３５ｅＶから５２７ｅＶの間の結合エネルギーのＯ １ｓ スペクトルを試験することによって、入手可能である。Ｃ＝Ｏ結合は、５３１ｅＶ付近の結合エネルギーを有し、Ｃ−Ｏ結合は、５３３ｅＶ付近の結合エネルギーを有する。これら２つのピークのピーク高さを比較することによって、ポリアミドの相対的な濃度を推定することができ、大部分を占めるのがＣ＝Ｏ基であり、追加としてＣ−Ｏ基だけ存在する。ポリマーＢは変性によりＣ−Ｏ結合を有し、架橋すると、Ｃ−Ｏ濃度は低下することになる。ＥＳＣＡはそのような反応が実際に生じたことを確認し、Ｃ−Ｏ結合が相対的に減少したこを示している（図４は、熱処理していないポリマーＡとポリマーＢの混合繊維に関し、図５は、ポリマーＡとポリマーＢの熱処理済み混合繊維に関する）。添加剤７の分子が表面に存在する場合、Ｃ−Ｏ結合がより多いと予想することができる。これは実際に、図６及び７に見られるようなケースである（図６は、ポリマーＡ、ポリマーＢ、及び添加剤７の紡糸状態の混合繊維に関する。図７は、ポリマーＡ、ポリマーＢ、及び添加剤７の熱処理済み混合繊維に関する）。図６は、実施例７に関してＣ−Ｏ結合の濃度が増大することを示す。これらの調査結果は、図８から図１１までのＸＰＳ多重スペクトルに基づく表面濃度に一致している。
【０２０３】
ｔ−ブチルオリゴマー分子は微細繊維の表面に向かって移動し、約５０Åの疎水性被覆を形成することが明らかである。タイプ８ナイロンは−ＣＨ２ＯＨや−ＣＨ２ＯＣＨ３などの官能基を有し、これらは本発明者等が、ｔ−ブチルフェノールの−ＯＨ基と反応すると予想したものである。このため本発明者等は、より少ないオリゴマー分子が繊維表面に見られると予想した。本発明者等は、自らの仮説が正しくなく、インターポリマーの表面に薄い被膜があることを見出した。
【０２０４】
サンプル６Ａ、６Ｂ及びセクション５で述べたサンプルの繰返しを、１６０°Ｆ、１００％ＲＨのＴＨＣベンチにかけた。前述のセクションでは、サンプルを１４０°Ｆ及び１００％ＲＨに暴露した。このような条件下、ｔ−ブチルフェノールは、ターポリマーコポリアミドが分解するのを防止した。しかし、１００％ＲＦで温度が１６０°Ｆまで上昇すると、ｔ−ブチルフェノールオリゴマーは、下に在るターポリマーコポリアミド繊維を十分に保護することができない。これらのサンプルについて、１６０°Ｆ、１００％ＲＨで比較した。
【０２０５】
【表８】

【０２０６】
表は、サンプル６Ｂが、高温高湿への暴露を防止するのに役立つことを示している。
【０２０７】
より著しい相違は、繊維マット上の水滴に曝したときに見られる。ＤＩ水の小滴をサンプル６Ａの表面に置くと、その水滴はすぐ繊維マット全体に広がり、基体ペーパまで濡らす。一方サンプル６Ｂの表面に水滴を置くと、水滴はビーズを形成し、マット表面上に広がらない。ｐ−ｔ−ブチルフェノールのオリゴマーを添加することによって、サンプル１６の表面が疎水性になるよう改質した。このタイプの製品は、水滴がサンプル６Ｂの微細繊維の表層を通り抜けないので、ウォータ・ミスト・エリミネータとして使用することができる。
【０２０８】
サンプル６Ａ、６Ｂ及びセクション５の繰返しサンプルを、温度を３１０°Ｆに設定した炉内に置いた。表は、サンプル６Ａ及び６Ｂの両方が無傷のままであり、セクション５のサンプルはひどい損傷を受けたことを示している。
【０２０９】
【表９】

【０２１０】
ポリマーＡのみにオリゴマーを添加すると、微細繊維層の耐熱性が向上するが、添加剤７を添加した場合には、高温暴露に対してはっきりした効果がない。
【０２１１】
ターポリマーコポリアミド、アルコキシアルキル変性ナイロン６６、及びｔ−ブチルフェノールのオリゴマーの混合物は、ターポリマーコポリアミドとｔ−ブチルフェノールオリゴマーの混合物、又はターポリマーコポリアミドとアルコキシアルキル変性ナイロン６６の混合物よりも、製造の際の生産性を改善した状態で過酷な環境下の微細繊維を助けるのにより優れた製品を提供することが、明らかに示された。これら２成分の混合物も、単一成分系より改善されている。
【０２１２】
実施例７：ポリアミドとビスフェノールＡポリマーとの相溶性ブレンド
新しい種類のポリマーは、フェノール環の酸化カップリングによって調製することができる（Ｐｅｃｏｒａ，Ａ；Ｃｙｒｕｓ，Ｗ． 米国特許第４，９００，６７１号（１９９０）及びＰｅｃｏｒａ，Ａ；Ｃｙｒｕｓ，Ｗ．；Ｊｏｈｎｓｏｎ，Ｍ． 米国特許第５，１５３，２９８号（１９９２））。特に興味深いのは、Ｅｎｚｙｍｏｌ Ｃｏｒｐ．から販売されているＢｉｓｐｈｅｎｏｌ Ａ（ビスフェノールＡ）で作製したポリマーである。大豆ペルオキシダーゼの触媒作用によるビスフェノールＡの酸化は、ビスフェノールＡの２つの−ＯＨ基のどちらの側からも開始することができる。線状の、ビスフェノールＡをベースとしたポリカーボネートとは異なり、このタイプのビスフェノールＡポリマーは、高度に枝分かれしたポリマーを形成する。このポリマーは高度に枝分かれする性質を持つので、ポリマーブレンドの粘度を低くすることができる。
【０２１３】
本発明者等は、このタイプのビスフェノールＡポリマーとポリアミドを溶液ブレンドできることを見出した。ナイロンに関して報告されたハンセンの溶解度パラメータは、１８．６である（第３１７ページ、Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｃｏｈｅｓｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ、Ａ．Ｂａｒｔｏｎ編、ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ、Ｂｏｃａ Ｒａｔｏｎ Ｆｌｏｒｉｄａ、１９８５）。溶解度パラメータを計算する場合（第６１ページ、Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ）、計算された溶解度パラメータは２８．０である。溶解パラメータに差があるので、双方が互いに対して混和性であると予想することができない。しかし本発明者等は、双方が完全に混和性を有し、予期しない性質をもたらすことを見出した。
【０２１４】
エタノール溶液中に、分子量３，０００のビスフェノールＡとコポリアミドが５０：５０のブレンドを形成した。溶液中の全濃度は１０％であった。コポリアミド単独では、繊維直径が０．２ミクロンになった。ブレンドの場合、約１ミクロンの繊維の厚い層になった。分子量７，０００のビスフェノールＡは、コポリアミドと共にあるときには安定でなく、沈殿する傾向がある。
【０２１５】
５０：５０のブレンドのＤＳＣは、溶融温度が不十分であることを示す。コポリアミドの溶融温度は約１５０℃であり、ビスフェノールＡ樹脂はＴｇが約１００のガラス状ポリマーである。このブレンドは、明確な溶融が不十分であることを示す。繊維マットを１００℃に暴露すると、繊維マットは消失する。このブレンドは、上限使用温度があまり高くなく、圧力低下が低い必要がある場合に、優れたフィルタ媒体を作製すると考えられる。このポリマー系は、妥当な手法で架橋することができなかった。
【０２１６】
実施例８：ビスフェノールＡポリマーのブレンドにおける溶媒及び固体としての２重の役割
ビスフェノールＡポリマーブレンドの驚くべき特徴とは、溶液の形態の場合にはビスフェノールＡポリマーが溶媒のように振る舞い、固体の形態ではそのポリマーが固体として機能することである。本発明者等は、ビスフェノールＡポリマーの２重の役割が、全く固有のものであることを見出した。
【０２１７】
下記の配合を行った。
【０２１８】
【表１０】

【０２１９】
このブレンドの粘度は、ブルックフィールド粘度計によれば３２．６センチポアズであった。全ポリマー濃度は１９．２％であった。１９．２％でのポリマーＢの粘度は２００センチポアズを超える。同様の溶媒中、１２％ポリマーＢ単独での粘度は、約６０センチポアズである。これは、溶液全体の粘度が予想よりも低いので、ビスフェノールＡ樹脂が溶媒のように振る舞う明らかな例である。得られる繊維の直径は０．１５７ミクロンであった。ポリマーＢのみが繊維の配合に寄与したなら、予想される繊維のサイズは０．１ミクロン未満になる。言い換えれば、ポリマーＣが繊維の配合に寄与したのである。このように、成分が劇的な２重の役割をする、他のどのようなケースも知られていない。サンプルをエタノールに浸漬した後、フィルタ効率及び繊維サイズを測定した。アルコール浸漬後、８５．６％というフィルタ効率が保持され、繊維サイズに変化はなかった。これは、ポリマーＣが、ポリマー固体のように架橋動作に寄与したことを示している。
【０２２０】
別のポリマー溶液を以下の手法で調製した：
【０２２１】
【表１１】

このブレンドの粘度は９０．２センチポアズであった。これは、固体２４％の場合、非常に低い粘度である。これは、ポリマーＣが、溶液中では溶媒のように振る舞うことも示している。しかし、電界紡糸を行って繊維にする場合、繊維直径は０．４３８ミクロンになる。ポリマーＢ単独の１５％溶液は、約０．２ミクロンの繊維を生成すると考えられる。最終の状態では、ポリマーＣが寄与することによって繊維サイズが大きくなる。やはりこの例でも、このタイプの枝分かれポリマーが溶液中では溶媒として働き、最終の状態では固体として働くことを示している。エタノール溶液に浸漬した後、７７．９％というフィルタ効率が保持され、繊維サイズに変化はなかった。
【０２２２】
実施例９：架橋されたポリアミド／ビスフェノールＡポリマー・ブレンドの開発
樹脂、アルコール、及び水を合わせ、６０℃で２時間撹拌することによって、３つの異なるサンプルを調製した。溶液を室温に冷却し、触媒を溶液に添加して、その混合物を更に１５分間撹拌した。その後、溶液の粘度を測定し、紡糸して繊維にした。
【０２２３】
下記の表はこれらの例を示す：
【０２２４】
【表１２】

本発明者等は、このブレンドが繊維を効率的に生成し、ポリマーＡ配合に比べて繊維の質量が約５０％多くなることを見出した。更に、得られるポリマー・マイクロ繊維は、耐薬品性がより高い繊維を生成する。アルコール浸漬後、本質的に架橋可能なポリマーが固体組成物のわずか４４％であっても、これらの繊維から作製されたフィルタは９０％よりも高いフィルタ効率を維持し、繊維直径に変化はなかった。このコポリアミド、アルコキシアルキル変性ナイロン６６、及びビスフェノールＡの３成分ポリマー組成物は、優れた繊維を形成する、化学的に耐久力のある材料を生成する。
【０２２５】
実施例１０：ナイロン６６とナイロン４６とのアルコキシアルキル変性コポリ マー
１０ガロン高圧反応器で以下の反応を行い、得られたポリマーについて分析した。反応温度に達した後、触媒を添加して１５分間反応させた。その後、ポリマー溶液を急冷し、沈殿させ、洗浄して乾燥させた。
【０２２６】
【表１３】

【０２２７】
ナイロン４６及びナイロン６６で形成したポリマーのＤＳＣは、変性ナイロン４６の溶融温度（２４１℃）又は変性ナイロン６６の溶融温度（２１０℃）よりも低い、ブロードな単一の溶融温度を示す。これは、反応中に、両方の成分がポリマー鎖に沿ってランダムに分布することを示す。したがって、アルコキシアルキル変性により、ナイロン４６とナイロン６６のランダムコポリマーが得られたと考えられる。これらのポリマーはアルコールに溶解し、また、アルコールと水の混合物に溶解する。
【０２２８】
【表１４】

【０２２９】
両方とも結晶化度が高く、共通のアルコールに溶解しない。
【０２３０】
出所：Modern Plastics Encyclopedia 1998
実施例１１：コポリアミドとアルコキシ変性ナイロン４６／６６コポリマーとのインターポリマーの開発、及び電界紡糸繊維の形成
実験１０Ｂ及び１０Ｄのサンプルを、上述の方法によって繊維に作製した。アルコキシアルキル変性ナイロン４６／６６（ポリマーＤ）のみを首尾良く電界紡糸した。ポリマーＤとポリマーＡをブレンドすることによって、下記の表に見られるようにポリマーＤの架橋性を犠牲にすることなく、より効率的に繊維を形成することができ、より大きい繊維を作製することができるという追加の利益を得ることができる。
【０２３１】
【表１５】

【０２３２】
繊維質量比を、（繊維の全長×断面積）によって計算した。保持効率保持は、フィルタ・サンプルをエタノールに浸漬して測定した。繊維サイズは、アルコール浸漬によって変化しなかった。
【０２３３】
実施例１２：架橋された電界紡糸ＰＶＡ
ＰＶＡ粉末を、Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓから購入した。この粉末を、水、又はエタノールと水が５０／５０の混合物に溶解した。これらを架橋剤及びトルエンスルホン酸触媒と混合して、電界紡糸した。得られた繊維マットを１５０℃の炉内で１０分間架橋し、その後、ＴＨＣベンチにかけた。
【０２３４】
【表１６】

【０２３５】
実施例１３
従来のセルロース・エアフィルタ媒体を基体として使用した。この基体の坪量は、３０００平方フィート当たり６７ポンドであり、フレージャー透過率は、水の圧力低下が０．５インチで１分当たり１６フィートであり、厚さが０．０１２インチであり、ＬＥＦＳ効率が４１．６％であった。実施例１の微細繊維層を、０．２ミクロンの公称繊維直径について述べたプロセスを使用して、表面に付加した。得られた複合体のＬＥＦＳ効率は６３．７％であった。１００％相対湿度で１４０Ｆの空気に１時間暴露した後、基体のみのサンプルを冷却して乾燥した結果、そのＬＥＦＳ効率は３６．５％であった。１００％相対湿度で１４０Ｆの空気に１時間暴露した後、複合体サンプルを冷却して乾燥した結果、そのＬＥＦＳ効率は３９．７％であった。記述した数式を使用すると、１時間暴露した後に保持される微細繊維層の効率は１３％であり、保持される有効な微細繊維の数は１１％であった。
【０２３６】
実施例１４
従来のセルロース・エアフィルタ媒体を基体として使用した。この基体の坪量は、３０００平方フィート当たり６７ポンドであり、フレージャー透過率は、水の圧力低下が０．５インチで１分当たり１６フィートであり、厚さが０．０１２インチであり、ＬＥＦＳ効率が４１．６％であった。実施例５の微細繊維層を、０．２ミクロンの公称繊維直径について述べたプロセスを使用して、表面に付加した。得られた複合体のＬＥＦＳ効率は９６．０％であった。１００％相対湿度で１６０Ｆの空気に３時間暴露した後、基体のみのサンプルを冷却して乾燥した結果、そのＬＥＦＳ効率は３５．３％であった。１００％相対湿度で１６０Ｆの空気に３時間暴露した後、複合体サンプルを冷却して乾燥した結果、そのＬＥＦＳ効率は６８．０％であった。記述した数式を使用すると、３時間暴露した後に保持されるの微細繊維層の効率は５８％であり、保持される有効な微細繊維の数は２９％であった。
【０２３７】
実施例１５
従来のセルロース・エアフィルタ媒体を基体として使用した。この基体の坪量は、３０００平方フィート当たり６７ポンドであり、フレージャー透過率は、水の圧力低下が０．５インチで１分当たり１６フィートであり、厚さが０．０１２インチであり、ＬＥＦＳ効率が４１．６％であった。実施例６で述べたポリマーＡとポリマーＢのブレンドの微細繊維層を、０．２ミクロンの公称繊維直径について述べたプロセスを使用して、表面に付加した。得られた複合体のＬＥＦＳ効率は９２．９％であった。１００％相対湿度で１６０Ｆの空気に３時間暴露した後、基体のみのサンプルを冷却して乾燥した結果、そのＬＥＦＳ効率は３５．３％であった。１００％相対湿度で１６０Ｆの空気に３時間暴露した後、複合体サンプルを冷却して乾燥した結果、そのＬＥＦＳ効率は８６．０％であった。記述した数式を使用すると、３時間暴露した後に保持されるの微細繊維層の効率は９６％であり、保持される有効な微細繊維の数は８９％であった。
【０２３８】
実施例１６
従来のセルロース・エアフィルタ媒体を基体として使用した。この基体の坪量は、３０００平方フィート当たり６７ポンドであり、フレージャー透過率は、水の圧力低下が０．５インチで１分当たり１６フィートであり、厚さが０．０１２インチであり、ＬＥＦＳ効率が４１．６％であった。実施例６で述べたポリマーＡ、ポリマーＢ、ｔ−ブチルフェノールオリゴマーの微細繊維層を、０．２ミクロンの公称繊維直径について述べたプロセスを使用して、表面に付加した。得られた複合体のＬＥＦＳ効率は９０．４％であった。１００％相対湿度で１６０Ｆの空気に３時間暴露した後、基体のみのサンプルを冷却して乾燥した結果、そのＬＥＦＳ効率は３５．３％であった。１００％相対湿度で１６０Ｆの空気に３時間暴露した後、複合体サンプルを冷却して乾燥した結果、そのＬＥＦＳ効率は８７．３％であった。記述した数式を使用すると、３時間暴露した後に保持されるの微細繊維層の効率は９７％であり、保持される有効な微細繊維の数は９２％であった。
【０２３９】
実施例１７
従来のセルロース・エアフィルタ媒体を基体として使用した。この基体の坪量は、３０００平方フィート当たり６７ポンドであり、フレージャー透過率は、水の圧力低下が０．５インチで１分当たり１６フィートであり、厚さが０．０１２インチであり、ＬＥＦＳ効率が４１．６％であった。実施例１２で架橋したＰＶＡとポリアクリル酸の微細繊維層を、０．２ミクロンの公称繊維直径について述べたプロセスを使用して、表面に付加した。得られた複合体のＬＥＦＳ効率は９２．９％であった。１００％相対湿度で１６０Ｆの空気に２時間暴露した後、基体のみのサンプルを冷却して乾燥した結果、そのＬＥＦＳ効率は３５．３％であった。１００％相対湿度で１６０Ｆの空気に２時間暴露した後、複合体サンプルを冷却して乾燥した結果、そのＬＥＦＳ効率は８３．１％であった。記述した数式を使用すると、２時間暴露した後に保持されるの微細繊維層の効率は８９％であり、保持される有効な微細繊維の数は７６％であった。
【０２４０】
実施例１８
以下のフィルタ媒体を、実施例１〜１７で述べた方法により作製した。
【０２４１】
【表１７】

【０２４２】
【表１８】

【０２４３】
【表１９】

【０２４４】
媒体は、平らな、波形の、プリーツ付きの、波形かつプリーツ付きの状態で、フラットシート、プリーツ付きフラット・パネル、プリーツ付きラウンド・フィルタ、及びＺｅｅフィルタに使用した。
【０２４５】
試験方法
温水浸漬試験
構造内に有効かつ機能的に保持される微細繊維の数を測定する際の、フィルタ効率の使用には、ＳＥＭ評価などその他の可能な方法に勝るいくつかの利点がある。
【０２４６】
フィルタ測定では、ＳＥＭ顕微鏡写真に見られるわずかな面積（通常、０．０００１平方インチ未満）よりも良好な平均を得る、数平方インチの媒体を評価する。
【０２４７】
フィルタ測定では、構造内で機能的であり続ける繊維の数を定量する。変化した構造内にそのまま残されるが凝集し又は別の態様で存在するこれらの繊維は、その測定された有効性及び機能性に関してのみ含まれる。
【０２４８】
それにもかかわらず、フィルタ効率が容易に測定されない繊維性構造では、残された繊維のパーセントを測定するためにその他の方法を使用することができ、５０％保持基準に照らして評価することができる。
【０２４９】
説明：この試験は、フィルタ媒体の防湿性を加速的に示すものである。この試験は、ＬＥＦＳ試験ベンチを使用して、水中に浸漬したときのフィルタ媒体性能の変化を測定する。水温は、極めて重要なパラメータであり、検査中の媒体の残存性履歴、試験時間を最小限に抑えたいという要望、媒体のタイプを識別する試験能力に基づいて選択される。典型的な水温は、７０°Ｆ、１４０°Ｆ、又は１６０°Ｆである。
【０２５０】
手順：
直径４インチのサンプルを媒体から切り取る。２０ＦＰＭで動作するＬＥＦＳ（ＬＥＦＳ試験の説明に関しては、ＡＳＴＭ規格Ｆ１２１５−８９参照）ベンチで、０．８μｍラテックス球を試験用汚染物質として使用して、試験片の粒子捕捉効率を計算する。次いでサンプルを、蒸留水中に５分間沈める（典型的な場合、１４０°Ｆ）。次いでサンプルを乾燥ラック上に置き、室温で乾燥させる（典型的な場合、一晩）。サンプルが乾燥したら、初期計算を行った場合と同じ条件を使用して、ＬＥＦＳベンチ上で効率を再試験する。
【０２５１】
微細繊維を含まない微細繊維基体に関し、前のステップを繰り返す。
【０２５２】
上述の情報から、微細繊維のみに起因する効率成分と、水による損傷に起因する効率損失を、計算することができる。微細繊維による損失効率が決定されると、保持される効率の量を計算することができる。
【０２５３】
計算：
微細繊維層の効率：Ｅi=初期複合体効率；
Ｅs=初期基体効率；
Ｆe=微細繊維層
Ｆe=1-EXP(Ln(1-Ei)-Ln(1-Ex))
保持される微細繊維層効率：Fi=初期微細繊維層効率；
Fx=浸漬後の微細繊維層効率；
Fr=保持される微細繊維
Fr=Fx/Fi
有効な機能性を備えた状態で保持される微細繊維のパーセンテージも、
％=log(1-Fx)/log(1-Fi)
によって計算することができる。
【０２５４】
合格／不合格の基準：＞５０％効率の保持
ほとんどの工業用パルス・クリーニング・フィルタへの適用例において、フィルタは、少なくとも５０％の微細繊維効率が保持される場合、十分に機能すると考えられる。
【０２５５】
ＴＨＣベンチ（温度、湿度）
説明：このベンチの目的は、動的流動条件下での高温高湿の影響に対する微細繊維媒体の抵抗力を評価することである。試験は、工業用フィルタの適用例、ガスタービン吸気口の適用例、又は高荷重エンジンの空気取入れ環境の極端な作動条件をシミュレートすることを目的とする。間隔をおいて、サンプルを取り出し、乾燥させ、ＬＥＦＳ試験を行う。このシステムはたいていの場合、高温高湿条件を刺激するために使用されるが、温／冷乾燥状態を刺激するためにも使用することができる。
温度 −３１〜３９０°Ｆ
湿度 ０〜１００％ＲＨ（１００％ＲＨの場合に最高温度は１６０°Ｆであり、この条件での最長連続所要時間は１６時間である）
流量 １〜３５ＦＰＭ
手順： 直径４インチのサンプルを媒体から切り取る。
【０２５６】
２０ＦＰＭで動作するＬＥＦＳベンチで、０．８μｍラテックス球を試験用汚染物質として使用して、試験片の粒子捕捉効率を計算する。次いでサンプルを、ＴＨＣ媒体チャックに挿入する。試験時間は、試験条件に応じて数分から数日にすることができる。次いでサンプルを乾燥ラック上に置き、室温で乾燥させる（典型的な場合、一晩）。サンプルが乾燥したら、初期計算を行った場合と同じ条件を使用して、ＬＥＦＳベンチ上で効率を再試験する。微細繊維を含まない微細繊維基体に関し、前のステップを繰り返す。上述の情報から、微細繊維のみに起因する効率成分と、アルコールによる損傷に起因する効率損失を、計算することができる。微細繊維による損失効率が決定されると、保持される効率の量を計算することができる。
【０２５７】
合格／不合格の基準：＞５０％効率の保持
ほとんどの工業用パルス・クリーニング・フィルタへの適用例において、フィルタは、少なくとも５０％の微細繊維効率が保持される場合、十分に機能すると考えられる。
【０２５８】
アルコール（エタノール）浸漬試験
説明：この試験は、室温のエタノールに浸漬したときのフィルタ媒体性能の変化を測定するために、ＬＥＦＳ試験ベンチを使用する。
【０２５９】
手順：
直径４インチのサンプルを媒体から切り取る。２０ＦＰＭで動作するＬＥＦＳベンチで、０．８μｍラテックス球を試験用汚染物質として使用して、試験片の粒子捕捉効率を計算する。次いでサンプルを、アルコール中に１分間沈める。
【０２６０】
次いでサンプルを乾燥ラック上に置き、室温で乾燥させる（典型的な場合、一晩）。サンプルが乾燥したら、初期計算を行った場合と同じ条件を使用して、ＬＥＦＳベンチ上で効率を再試験する。微細繊維を含まない微細繊維基体に関し、前のステップを繰り返す。上述の情報から、微細繊維のみに起因する効率成分と、アルコールによる損傷に起因する効率損失を、計算することができる。微細繊維による損失効率が決定されると、保持される効率の量を計算することができる。
【０２６１】
合格／不合格の基準：＞５０％効率の保持
上述の仕様、実施例、及びデータは、本発明を説明するものである。しかし、開示された本発明に関し、多くの変形例及び実施形態を提示することができる。
本発明は、上述の特許請求の範囲において具体化される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の微細繊維を生成するための、典型的な静電エミッタ駆動装置を示す図である。
【図２】 微細繊維をフィルタ基体上に導入し、更に図１に示される微細繊維形成技術に導くのに使用される装置を示す図である。
【図３】 小さい粒子状物質、すなわち２及び５ミクロンの粒子状物質と比較した、支持材料の典型的な内部構造を示す図及び本発明の微細繊維材料を示す別の図である。
【図４】 実施例１３に関する分析ＥＳＣＡスペクトルを示す図である。
【図５】 実施例１３に関する分析ＥＳＣＡスペクトルを示す図である。
【図６】 実施例１３に関する分析ＥＳＣＡスペクトルを示す図である。
【図７】 実施例１３に関する分析ＥＳＣＡスペクトルを示す図である。
【図８】 実施例１３に関する分析ＥＳＣＡスペクトルを示す図である。
【図９】 実施例１３に関する分析ＥＳＣＡスペクトルを示す図である。
【図１０】 実施例１３に関する分析ＥＳＣＡスペクトルを示す図
である。
【図１１】 実施例１３に関する分析ＥＳＣＡスペクトルを示す図である。
【図１２】 実施例５から得られた本発明の０．２３及び０．４５マイクロ繊維材料の安定性を示す図である。
【図１３】 非変性ナイロンコポリマー溶媒可溶性ポリアミドと比較した場合の、実施例５及び６の材料の、改善された温度及び湿度安定性を示す図である。
【図１４】 非変性ナイロンコポリマー溶媒可溶性ポリアミドと比較した場合の、実施例５及び６の材料の、改善された温度及び湿度安定性を示す図である。
【図１５】 非変性ナイロンコポリマー溶媒可溶性ポリアミドと比較した場合の、実施例５及び６の材料の、改善された温度及び湿度安定性を示す図である。
【図１６】 非変性ナイロンコポリマー溶媒可溶性ポリアミドと比較した場合の、実施例５及び６の材料の、改善された温度及び湿度安定性を示す図である。
【図１７】 熱処理してから添加剤に結合させた２つのコポリマー、ナイロンホモポリマーとナイロンコポリマーのブレンドが、２つの別個のポリマー材料の区別可能な特徴を示さずに、架橋し又は別の方法で化学的に接合された単一相であることがわかる、単一成分材料を形成することを示す図である。
【図１８】 熱処理してから添加剤に結合させた２つのコポリマー、ナイロンホモポリマーとナイロンコポリマーのブレンドが、２つの別個のポリマー材料の区別可能な特徴を示さずに、架橋し又は別の方法で化学的に接合された単一相であることがわかる、単一成分材料を形成することを示す図である。
【図１９】 熱処理してから添加剤に結合させた２つのコポリマー、ナイロンホモポリマーとナイロンコポリマーのブレンドが、２つの別個のポリマー材料の区別可能な特徴を示さずに、架橋し又は別の方法で化学的に接合された単一相であることがわかる、単一成分材料を形成することを示す図である。
【図２０】 熱処理してから添加剤に結合させた２つのコポリマー、ナイロンホモポリマーとナイロンコポリマーのブレンドが、２つの別個のポリマー材料の区別可能な特徴を示さずに、架橋し又は別の方法で化学的に接合された単一相であることがわかる、単一成分材料を形成することを示す図である。
【図２１】 本発明の開示によるエアクリーナを利用することができる、エンジン・システムの概略図である。
【図２２】 図２１に示されるシステムで利用することができるフィルタエレメントの一実施形態の概略斜視図である。
【図２３】 図２２の装置で使用可能なフィルタ媒体（Ｚ媒体）の一部の概略斜視図である。
【図２４】 ハウジング内に設置された図２２に示されるフィルタエレメントの概略断面図である。
【図２５】 図２２のフィルタエレメント用封止機構に利用される圧縮性封止部材の一実施形態の、破断拡大概略図である。
【図２６】 図２１のエンジン・システムで利用することができるフィルタエレメントの別の実施形態の概略斜視図である。
【図２７】 ハウジング内に設置された図２６のフィルタエレメントの概略断面図である。
【図２８】 図２１のエンジン・システムで利用することができるフィルタエレメント及びハウジングの別の実施形態の、概略分解斜視図である。
【図２９】 本発明の開示によるフィルタエレメントを利用することができるガスタービン・システムの概略図である。
【図３０】 図２９に示されるガスタービン吸気システムで使用可能なフィルタエレメントの一実施形態の概略斜視図である。
【図３１】 チューブ・シート内に設置された図３０に示されるフィルタエレメントの背面図であって、図３０のフィルタエレメントの上流に設置されたプレフィルタを有するものを示す図である。
【図３２】 図３１の線１２−１２に沿って得られた、図３１のエアフィルタ配置の拡大概略破断断面図である。
【図３３】 本発明の開示のフィルタエレメントを利用することができる、マイクロタービン・システム用吸気システムの概略図である。
【図３４】 図３５の線１４−１４に沿って得られた、ガスタービン・システム内の吸入空気を清浄にするために動作可能に設置されたフィルタエレメントの概略断面図であるが、組み立てられた状態を示す図である。
【図３５】 図３４のフィルタ装置の分解側面図であり、組み立てられていない状態を示す図である。
【図３６】 フィルタ・ハウジング内に封止されたフィルタエレメントを示す、破断概略断面図である。
【図３７】 本明細書に開示されるフィルタエレメントを利用することができる、燃料電池システム用吸気口の概略図である。
【図３８】 図３７の燃料電池吸気システムで利用することができるフィルタ・アセンブリの概略断面図である。
【図３９】 燃料電池システム用吸気口で利用することができるフィルタ・アセンブリの別の実施形態の概略断面図である。

Claims (4)

1. 媒体梱包体を含むフィルタエレメント装置であって、
   （ａ）前記媒体梱包体は、第１及び第２の対向する流体流れ面を含む基体を有し、
   （ｂ）前記媒体梱包体は、複数の溝を有し、
   前記媒体梱包体では、
   （ｉ）前記溝の各々が、前記第１流体流れ面に隣接する第１端部と前記第２流体流れ面に隣接する第２端部とを有し、
   （ｉｉ）前記複数の溝の中で選択された溝が前記第１端部で開口し前記第２端部で閉口し、前記複数の溝の中で選択されない残りの溝が前記第１端部で閉口し前記第２端部で開口しており、
   （ｃ）前記基体が、直径約０．０１〜０．５ミクロンの繊維を含む微細繊維からなる層によって、少なくとも部分的に覆われており、
   前記繊維は、
   ポリハロゲン化ビニル、
   ポリハロゲン化ビニリデン、
   ポリビニルアルコール、
   ナイロンと樹脂状添加剤とを含むナイロン組成物であって、前記ナイロンは、環状ラクタムとＣ６−１０ジアミンモノマーとから形成されたコポリマーと、環状ラクタムとＣ６−１０ニ酸モノマーとから形成されたコポリマー以外のナイロンであり、前記樹脂状添加剤は、分子量５００〜３０００であって芳香族としての特徴を有するオリゴマーを含み、かつ前記ナイロンに対して混和性を有する樹脂状添加剤であるナイロン組成物、
   ポリアルキレンテレフタレート、
   ポリアルキレンナフタレート、
   ポリウレタン、
   芳香族ポリアミド、
   ポリベンズイミダゾール、
   ポリアリーレート、の１つまたはそれ以上を含むことを特徴とするフィルタエレメント装置。
2. 前記ポリビニルアルコールが架橋剤約１〜４０重量％で架橋されていることを特徴とする請求項１に記載のフィルタエレメント装置。
3. （ａ）前記媒体梱包体は、フレーム構造及び封止部材を含む封止機構を含み、
   （ｉ）前記フレーム構造が前記第１及び第２流体流れ面の一方から軸方向に突出する延長部を含み、
   （Ａ）前記延長部が外部ラジアル面を有する輪構造を含み、
   （ｉｉ）前記封止部材が前記フレーム構造の前記延長部によって支持され、
   （Ａ）前記封止部材がポリウレタン・フォームを含み、
   （Ｂ）前記封止部材が少なくとも前記外部ラジアル面に対してその位置が定められていることを特徴とする請求項１に記載のフィルタエレメント装置。
4. 空気をフィルタするための方法であって、
   （ａ）８．５〜１７，０００ｍ^３／ｈ（５〜１０，０００ｃｆｍ）の速度で媒体梱包体に空気を通すステップを含み、
   前記媒体梱包体が第１及び第２の対向する流体流れ面を含む基体を有し、前記媒体梱包体が複数の溝を有し、
   前記媒体梱包体では、
   （ｉ）前記複数の溝が、前記第１流体流れ面に隣接する第１端部と前記第２流体流れ面に隣接する第２端部とを有し、
   （ｉｉ）前記複数の溝の中で選択された溝が前記第１端部で開口し前記第２端部で閉口し、前記複数の溝の中で選択されない残りの溝が前記第１端部で閉口し前記第２端部で開口しており、
   （ｉｉｉ）前記媒体の複合体が、直径０．０１〜０．５ミクロンの繊維を含む微細繊維からなる層によって、少なくとも部分的に覆われており、
   前記繊維は、
   ポリハロゲン化ビニル、
   ポリハロゲン化ビニリデン、
   ポリビニルアルコール、
   ナイロンと樹脂状添加剤とを含むナイロン組成物であって、前記ナイロンは、環状ラクタムとＣ６−１０ジアミンモノマーとから形成されたコポリマーと、環状ラクタムとＣ６−１０ニ酸モノマーとから形成されたコポリマー以外のナイロンであり、前記樹脂状添加剤は、分子量５００〜３０００であって芳香族としての特徴を有するオリゴマーを含み、かつ前記ナイロンに対して混和性を有する樹脂状添加剤であるナイロン組成物、
   ポリアルキレンテレフタレート、
   ポリアルキレンナフタレート、
   ポリウレタン、
   芳香族ポリアミド、
   ポリベンズイミダゾール、
   ポリアリーレート、の１つまたはそれ以上を含むことを特徴とする方法。

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