JP5036690B2 - エアフィルタユニット、これを用いたエアフィルタユニットパネル、およびエアフィルタユニットの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、クリーンルーム、空調設備、ガスタービン、蒸気タービン等の吸気口において使用されるエアフィルタユニット及びエアフィルタユニットパネルに関する。

クリーンルーム、空調設備、ガスタービン、蒸気タービン等の吸気口にはエアフィルタが設けられている。これらの用途におけるエアフィルタとしては、フィルタ濾材とそれを支持する枠体とを有する複数のフィルタユニットを、その外周面が互いに接するように連結させたフィルタユニットパネルが適している。特開２００５−１７７６４１号公報には、フィルタユニットの一例が開示されている。

特開２００５−１７７６４１号公報のフィルタユニットは、フィルタ濾材と枠体（支持枠）とを備え、枠体は樹脂の射出成形により形成される。射出成形を用いると、枠体の形成とフィルタ濾材の固定とを同時に行うことができる。特開２００５−１７７６４１号公報の段落００２６には、枠体が、顔料、抗菌剤、炭素繊維等の添加剤を含んでいてもよいことが記載されている。
特開２００５−１７７６４１号公報

樹脂の射出成形により枠体を形成すると、樹脂の収縮により枠体が変形し、これに伴ってフィルタ濾材も変形する。フィルタ濾材が大きく変形してプリーツ加工により形成した山部同士が近接し過ぎると、フィルタ濾材の圧力損失が増加する。濾過面積の増加のためには山部の高さに対する山部の間隔の比が小さいほうがよい。しかし、この比が小さくなるように深く折り込まれたフィルタ濾材では、枠体の変形による圧力損失の増大が顕著になりやすい。

本発明は、射出成形した樹脂を枠体として用いながらも圧力損失の増大が抑制されたフィルタユニット、およびフィルタユニットパネルを提供することを目的とする。

本発明は、プリーツ加工されたフィルタ濾材と、前記フィルタ濾材を支持し、前記フィルタ濾材を通過する気流の流れに沿って見たときの内周および外周が矩形である枠体と、を備え、前記フィルタ濾材の周縁部が前記枠体の内周面に前記枠体の射出成形時に埋め込まれて固定され、前記プリーツ加工されたフィルタ濾材の隣接する山部の間隔Ｄを前記フィルタ濾材の山部の高さＰで除した値Ｄ／Ｐが０．２５以下であり、前記間隔Ｄの最小値ｄが１ｍｍ以上であり、前記枠体が、５〜３０重量％のガラス繊維が添加された樹脂部材であり、前記フィルタ濾材の山部が配列する方向に沿った前記枠体の長さＬａが、前記フィルタ濾材の山部が伸長する方向に沿った前記枠体の長さの最大値Ｌｍよりも長く、前記フィルタ濾材の山部が伸長する方向に沿って前記枠体の長さを測定したときに、前記枠体の端部における長さＬｅと前記長さＬｍとに基づいて算出される比率｛（Ｌｍ−Ｌｅ）／Ｌｍ｝×１００［％］が０．５％以下である、エアフィルタユニット、を提供する。

本発明は、別の側面から、プリーツ加工されたフィルタ濾材と、前記フィルタ濾材を支持し、前記フィルタ濾材を通過する気流の流れに沿って見たときの内周および外周が矩形である枠体と、を備えたフィルタユニットの製造方法であって、プリーツ加工されたフィルタ濾材の隣接する山部の間隔Ｄを前記フィルタ濾材の山部の高さＰで除した数値Ｄ／Ｐが０．２５以下となり、かつ前記フィルタ濾材の周縁部が樹脂射出空間に露出するように、前記フィルタ濾材を射出成形機に設置し、５〜３０重量％のガラス繊維が添加された樹脂を前記樹脂射出空間に射出することにより、前記枠体として、前記濾材の山部が配列する方向に沿った前記枠体の長さＬａが前記濾材の山部が伸長する方向に沿った前記枠体の長さの最大値Ｌｍよりも長くなるように前記濾材の周縁部を埋め込んで固定し、前記フィルタ濾材の山部が伸長する方向に沿って前記枠体の長さを測定したときに、前記枠体の端部における長さＬｅと前記長さＬｍとに基づいて算出される比率｛（Ｌｍ−Ｌｅ）／Ｌｍ｝×１００［％］が０．５％以下となるように、前記樹脂からなる樹脂部材を形成する、エアフィルタユニットの製造方法、を提供する。

本発明は、さらに、本発明のフィルタユニットを枠体の外周面が互いに接するように複数個配置して一体化した、フィルタユニットパネル、を提供する。

本発明では、５〜３０重量％のガラス繊維が添加された樹脂を射出成形することとしたため、枠体が変形しにくい。さらに、本発明では、枠体における上記の長さＬａを上記の長さＬｍよりも長く制御することとしたため、後述する実施例に示すように、圧力損失の増大をもたらすようなフィルタ濾材の変形が発生しにくい。これにより、隣接する山部の間隔Ｄを山部の高さＰで除した値Ｄ／Ｐが０．２５以下となる程度に急峻な山部を形成したフィルタ濾材においても、圧力損失の増大が抑制される。本発明によれば、射出成形によるフィルタユニット製造工程の簡略化の利点を活かしながら、フィルタユニットの圧力損失の増大を抑制することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を例示する。

図１に示すように、フィルタユニット１０はフィルタ濾材１と枠体２とを備え、フィルタ濾材１の周縁部は枠体２により支持されている。フィルタ濾材１は、濾過面積を増加させて圧力損失を低下させるためにプリーツ加工（ひだ折り加工）されている。フィルタ濾材１は、平面視（フィルタ濾材を通過する気流に沿って見た状態を指す）で矩形であり、枠体２は、平面視でその内周および外周がそれぞれ矩形を描く額縁形状を有し、その内周でフィルタ濾材１を支持している。

枠体２は、フィルタ濾材１の周縁部を固定するように射出成形された樹脂部材である。射出成形は、枠体２の形成とフィルタ濾材１の固定とを同時に行い、製造工程を簡略化する。射出成形により形成された枠体２は、フィルタ濾材１の周縁部をその内部（内周面）に埋め込んでおり、濾材の周縁部には樹脂が浸透している。

枠体２は、５〜３０重量％のガラス繊維が添加された樹脂部材である。ガラス繊維は、射出成形された樹脂の収縮を防止する。しかし、樹脂部材の３０重量％を超えてガラス繊維を添加すると、成型品が脆くなり、成型機の部品摩耗が激しくなる。また、樹脂部材の５重量％未満の添加では、収縮を十分に防止できない。ガラス繊維の好ましい添加量は、樹脂部材の１０〜３０重量％である。繊維状の添加剤としては炭素繊維も挙げられる。しかし、ガラス繊維は、着色の抑制および費用対効果（枠体の変形防止）の観点から、炭素繊維よりも格段に好ましい。

フィルタユニット１０は複数個を一体化したパネルとして用いてもよい。図２に示すフィルタユニットパネル２０は、枠体２の外周面が互いに接するように配置された状態で一体化された複数個のフィルタユニット１０と、一体化されたフィルタユニットの外周を囲む外枠３とから構成されている。外枠３は、フィルタユニットを保護し、パネル全体の強度を増し、フィルタユニットパネルの設置を容易にする。フィルタユニット１０の一体化は、例えば隣接する枠体２を溶着して行うとよい。外枠３とフィルタユニット１０との一体化も溶着により行うことができる。溶着の種類は特に制限されず、超音波溶着、熱溶着、レーザー溶着等 であってよい。

図３に示すように、プリーツ加工されたフィルタ濾材１には、山折りされた山部１１と谷折りされた山部（谷部とも言いうるがここでは山部として取り扱う）１２とが交互に現れる。プリーツ加工は、山部１１，１２の間の距離（山部の高さ）Ｐが一定となるように行われる。フィルタ濾材の山部の間隔Ｄは、フィルタ濾材１が連続したＷ字を描くように連なる方向（山部が配列する方向）Ｌについてのフィルタ濾材１の長さが定まれば（言い換えれば枠体２に固定された状態で）、一定の値をとる。

フィルタ濾材１の濾過面積を確保して圧力損失を低下させるには値Ｄ／Ｐは低いほうがよい。値Ｄ／Ｐは、０．２５以下、特に０．１５以下が好ましい。他方、小さすぎる値Ｄ／Ｐはフィルタ濾材１の圧力損失を上昇させる場合がある。また、小さすぎる値Ｄ／Ｐは、射出成形に用いる金型の耐久性を劣化させることもある。このため、値Ｄ／Ｐは０．０５以上が好ましい。なお、値Ｄ／Ｐの算出に際し、間隔Ｄとしては、すべての山部１１同士の間隔およびすべての山部１２同士の間隔の平均値を採用することとする。

図４（ａ）に示したとおり、フィルタ濾材１は、山部１１が互いに平行に真っ直ぐ伸長するようにプリーツ加工され、その周縁部に樹脂が射出成形される。この状態では、山部１１の間隔Ｄは、場所によらずほぼ一定である。しかし、射出成形された樹脂が収縮すると、フィルタ濾材１は変形し、これに伴って山部１１が部分的に曲がることになる。図４（ｂ）に示したように、山部１１の「曲がり」は、山部１１が伸長する方向Ｗに枠体が収縮してこの方向に沿って濾材１に応力がかかると顕著となる。山部１１に「曲がり」が発生すると山部１１の間隔が狭くなった領域Ｒが生じる。このような領域Ｒは、気流に対する濾材の抵抗を大きくして濾材の圧力損失を上昇させる。このため、山部１１の伸長方向Ｗに沿った枠体２の収縮量を、山部１１の配列方向Ｌに沿った枠体２の収縮量よりも少なくできるように、フィルタユニット１０を設計することが望ましい。例えば、フィルタ濾材１の山部１１が配列する方向Ｌに沿った枠体２の長さＬａが、フィルタ濾材１の山部１１が伸長する方向Ｗに沿った枠体２の長さの最大値Ｌｍよりも長くなるように、フィルタユニット１０を設計する。なお、Ｌａの値は、便宜上、枠体２の端部における測定値を採用する。

圧力損失の増大を防止するため、フィルタ濾材１において最も狭い間隔ｄ（Ｄの最小値である）は１ｍｍ以上とする。間隔ｄは２ｍｍ以上、特に３ｍｍ以上が好ましい。

間隔ｄを上記範囲の値とするためには、山部１１の伸長方向Ｗに沿った枠体２が設計どおりの形状を保っていることが好ましい。図１を再び参照しながら好ましい枠体２の寸法を説明する。フィルタ濾材の山部が伸長する方向Ｗに沿って枠体２の長さを測定したときに、枠体の端部における長さＬｅと枠体の長さの最大値Ｌｍとから算出される比率｛（Ｌｍ−Ｌｅ）／Ｌｍ｝×１００［％］が０．５％以下、特に０．３％以下、であることが好ましい。上記比率は枠体２の収縮率を示す。射出成形による枠体２は、中央部が外側へと膨らみ、端部が内側へと後退する傾向を示し、最大長さＬｍは枠体の中央部に現れる。

なお、パネルの高さ（奥行き）Ｌｈは、省スペースの観点から５０ｍｍ未満が好ましい。

フィルタユニットパネルの圧力損失および粒子捕集効率は、後述する測定法による値により表示して、それぞれ、２５０Ｐａ以下、特に１５０Ｐａ以下、９５％以上、特に９９％以上が好ましい。ただし、要求される圧力損失および粒子捕集効率は用途によって異なるため、本発明のフィルタユニットパネルの特性が上記に限られるわけではない。

フィルタ濾材１としては、特に制限されないが、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）多孔質膜と通気性繊維層との積層体が好ましい。エレクトレット濾材は、圧力損失が低いもののＨＥＰＡグレードの捕集効率が得られず、洗浄すると捕集効率が低下する。ガラス繊維層を濾材とすると、圧力損失が高くなる。これを補うために濾材の山高さＰを大きくすると、枠体の高さが増して大型化し、これに伴ってエアフィルタの重量が増す。

通気性繊維層は、例えばフェルト、不織布、織布、メッシュ（網目状シート）等であってよい。この層を構成する材料としては、ポリオレフィン（例えばポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン）、ポリアミド（芳香族ポリアミドを含む）、ポリエステル（例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ））等を例示できる。好ましい通気性繊維層は、芯部が鞘部よりも融点が高い材料からなる芯鞘構造を有する不織布が挙げられる。

枠体２および外枠３を構成する樹脂としては、例えば、ポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂（芳香族ポリアミド系樹脂を含む）、ポリウレタン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリスチレン系樹脂（ＡＢＳ樹脂等）、ポリカーボネート系樹脂が挙げられる。これらの樹脂は、２種以上を混合して用いてもよいし、枠体と外枠とで異なる種類の樹脂を用いても構わない。

枠体２を構成する、ガラス繊維が添加された樹脂の収縮率は、１０／１０００以下、特に５／１０００以下が好ましい。ここで、本明細書において樹脂の収縮率とは、ＪＩＳ Ｋ７１５２−４に規定される流動方向に直角な成形収縮率（Ｓ_Mn）を意味する。

以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明する。まず、捕集効率の測定方法について説明する。

［捕集効率］
サンプルのフィルタユニットパネルを通過する気流の速度を０．５ｍ／秒に調整し、サンプルの上流側に、多分散ジオクチルフタレート（ＤＯＰ）粒子を１０⁷個／Ｌとなるように供給した。上流側のＤＯＰ粒子濃度とサンプルを透過してきた下流側のＤＯＰ粒子濃度をパーティクルカウンターで測定し、下記式に基づいて捕集効率を求めた。ＤＯＰ粒子の粒径は０．３〜０．４μｍとした。
捕集効率（％）＝［１−（下流側濃度／上流側濃度）］×１００
［圧力損失］

サンプルのフィルタユニットパネルを通過する気流の速度を０．５ｍ／秒に調整したときの圧力損失を圧力計（マノメーター）で測定した。

（実施例１）
ＰＴＦＥ多孔質膜を２枚の不織布で挟んで重ね、１８０℃に加熱した一対のロールの間を通過させて熱ラミネートを行い、厚さ０．３２ｍｍ、圧力損失１７０Ｐａ、捕集効率９９．９９％のフィルタ濾材を得た。不織布としては、ＰＥＴを芯部、ＰＥを鞘部とする芯鞘構造を有する不織布（ユニチカ社製「エルベスＴ０３０３ＷＤＯ」、目付量３０ｇ／ｍ²）を用いた。

ＰＴＦＥ多孔質膜は、以下のように作製したものを用いた。ＰＴＦＥファインパウダー(ダイキン社製、Ｆ１０４)１００重量部に液状潤滑剤（ドデカン）２０重量部を均一に混合し、得られた混合物を予備成形した。次に、予備成形物をロッド状にペースト押出し、さらにロッド状成形体を１対の金属圧延ロール間に通して、厚さ２００μｍの長尺シートとした。この長尺シートを２００℃の延伸温度で長手方向に１０倍に延伸し、さらにテンター法により８０℃の延伸温度で幅方向に２０倍に延伸して、未焼成ＰＴＦＥ多孔質膜を得た。この未焼成ＰＴＦＥ多孔質膜を、熱風発生炉を用いて４００℃で焼成して、帯状のＰＴＦＥ多孔質膜（厚さ１０μｍ）を得た。

上記で得たフィルタ濾材を、山高さ（Ｐ）２２ｍｍで９３山となるようにプリーツ加工した。プリーツ加工したフィルタ濾材を射出成形機の金型にセットし、３０重量％のガラス繊維を添加したポリカーボネート樹脂を射出成形して、厚さ３ｍｍ（ｗｄ₁、ｗｄ₂、ｗｄ₃、ｗｄ₄）の枠体を形成した。こうして、外形１９５ｍｍ（Ｌｍ）×２９５ｍｍ（Ｌａ）、高さ２７ｍｍ（Ｌｈ）のフィルタユニットを得た。このように、フィルタユニットの枠体の厚さは、フィルタ濾材の全周に渡って一定である（ｗｄ₁＝ｗｄ₂＝ｗｄ₃＝ｗｄ₄）。３０重量％のガラス繊維が添加されたポリカーボネート樹脂としては、三菱エンジニアリングプラスチック製「ユーピロン」を用いた。その収縮率は、３．５／１０００であった。

次いで、６個のフィルタユニットを枠体の外周面が互いに接するように配置し、熱溶着により一体化し、フィルタユニットパネルを得た。さらに、予め押出成形により形成した４本のポリカーボネート樹脂の棒材をフィルタユニットパネルの外周面に配置し、フィルタユニットパネルと棒材とを熱溶着し、外形６１０ｍｍ×６１０ｍｍ、高さ２７ｍｍの外枠付きフィルタユニットパネル（エアフィルタ）を得た。熱溶着は、枠体および外枠の上面および下面に形成した凸部を溶着リブとして用いることにより行った。

（実施例２）
射出成形に用いるポリカーボネート樹脂に添加するガラス繊維の量を１０重量％に変更した以外は実施例１と同様にして、エアフィルタを得た。１０重量％のガラス繊維を添加したポリカーボネート樹脂の収縮率は、５／１０００であった。

（比較例１）
射出成形に用いるポリカーボネート樹脂が、ガラス繊維が添加されていない状態にあることを除いては実施例１と同様にして、エアフィルタを得た。

（比較例２）
ガラス繊維層をフィルタ濾材とする市販品をエアフィルタとして準備した。

（比較例３）
外形２９５ｍｍ（Ｌｍ）×１９５ｍｍ（Ｌａ）、高さ２７ｍｍ（Ｌｈ）のフィルタユニットを形成した以外は実施例１と同様にして、エアフィルタを得た。

各実施例および比較例から得たエアフィルタについての特性（圧力損失および粒子捕集効率）を、エアフィルタの外形寸法および重量と、フィルタ濾材についての値Ｄ／Ｐ、ｄおよび比率（Ｌｍ−Ｌｅ）／Ｌｍの実測値と、エアフィルタの形成に使用したフィルタユニットの枠体の長さについての値Ｌａ／Ｌｍとともに表１に示す。なお、値Ｄ／Ｐ、ｄおよび比率｛（Ｌｍ−Ｌｅ）／Ｌｍ｝×１００（枠体収縮率）は、６つのフィルタユニットについての平均値を採用した。各実施例および比較例におけるフィルタユニットの枠体の長さＬａ、Ｌｍおよび枠体の厚さｗｄ₁、ｗｄ₂、ｗｄ₃、ｗｄ₄は、エアフィルタの形成のための熱溶着の前後において略一定であった。

比較例１のエアフィルタは、枠体に近い部分で樹脂の収縮によりフィルタ濾材が歪み、隣り合う山部が極めて近接した状態にあり、この部分において山部の間隔が小さくなっていた。このようなフィルタ濾材の変形が圧力損失の上昇をもたらしたと考えられる。

比較例３のエアフィルタも、枠体に近い部分でフィルタ濾材が歪み、この部分においてフィルタ濾材の山部の間隔が小さくなっていた。比較例３におけるフィルタユニットは、フィルタ濾材の山部が伸長する方向に沿った枠体の長さが、フィルタ濾材の山部が配列する方向に沿った枠体の長さよりも長いため、枠体収縮率は実施例と同程度に小さいものの、圧力損失の上昇をもたらすフィルタ濾材の歪みが発生したと考えられる。

実施例１，２を比較すると、ガラス繊維の添加量１０％と３０％とでは圧力損失の上昇を抑制する効果にはほとんど影響がないことがわかる。これを考慮すると、ガラス繊維の添加量は、例えば１０〜２０％であってもよい。

本発明のフィルタユニットにより構成されるフィルタユニットパネルは、クリーンルーム、空調設備、ガスタービン、蒸気タービン等の吸気口に使用されるエアフィルタに好適である。

図１は、本発明のフィルタユニットの一形態の斜視図である。 図２は、本発明のフィルタユニットパネルの一形態の斜視図である。 図３は、フィルタ濾材の一例を示す断面図である。 図４は、フィルタ濾材の一例を示す平面図であり、（ａ）はフィルタ濾材の変形がほとんどない状態を、（ｂ）は変形が顕著となった状態を示す。

符号の説明

１ フィルタ濾材
２ 枠体
３ 外枠
１０ フィルタユニット
１１，１２ 山部
２０ フィルタユニットパネル

Claims (4)

1. プリーツ加工されたフィルタ濾材と、
   前記フィルタ濾材を支持し、前記フィルタ濾材を通過する気流の流れに沿って見たときの内周および外周が矩形である枠体と、を備え、
   前記フィルタ濾材の周縁部が前記枠体の内周面に前記枠体の射出成形時に埋め込まれて固定され、
   前記プリーツ加工されたフィルタ濾材の隣接する山部の間隔Ｄを前記フィルタ濾材の山部の高さＰで除した値Ｄ／Ｐが０．２５以下であり、前記間隔Ｄの最小値ｄが１ｍｍ以上であり、
   前記枠体が、５〜３０重量％のガラス繊維が添加された樹脂部材であり、
   前記フィルタ濾材の山部が配列する方向に沿った前記枠体の長さＬａが、前記フィルタ濾材の山部が伸長する方向に沿った前記枠体の長さの最大値Ｌｍよりも長く、
   前記フィルタ濾材の山部が伸長する方向に沿って前記枠体の長さを測定したときに、前記枠体の端部における長さＬｅと前記長さＬｍとに基づいて算出される比率｛（Ｌｍ−Ｌｅ）／Ｌｍ｝×１００［％］が０．５％以下である、エアフィルタユニット。
2. 前記フィルタ濾材が、ポリテトラフルオロエチレン多孔質膜と通気性繊維層との積層体である、請求項１に記載のエアフィルタユニット。
3. 請求項１に記載のフィルタユニットを枠体の外周面が互いに接するように複数個配置して一体化した、エアフィルタユニットパネル。
4. プリーツ加工されたフィルタ濾材と、
   前記フィルタ濾材を支持し、前記フィルタ濾材を通過する気流の流れに沿って見たときの内周および外周が矩形である枠体と、を備えたエアフィルタユニットの製造方法であって、
   プリーツ加工されたフィルタ濾材の隣接する山部の間隔Ｄを前記フィルタ濾材の山部の高さＰで除した数値Ｄ／Ｐが０．２５以下となり、かつ前記フィルタ濾材の周縁部が樹脂射出空間に露出するように、前記フィルタ濾材を射出成形機に設置し、
   ５〜３０重量％のガラス繊維が添加された樹脂を前記樹脂射出空間に射出することにより、前記枠体として、前記濾材の山部が配列する方向に沿った前記枠体の長さＬａが前記濾材の山部が伸長する方向に沿った前記枠体の長さの最大値Ｌｍよりも長くなるように前記濾材の周縁部を埋め込んで固定し、前記フィルタ濾材の山部が伸長する方向に沿って前記枠体の長さを測定したときに、前記枠体の端部における長さＬｅと前記長さＬｍとに基づいて算出される比率｛（Ｌｍ−Ｌｅ）／Ｌｍ｝×１００［％］が０．５％以下となるように、前記樹脂からなる樹脂部材を形成する、エアフィルタユニットの製造方法。

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