JP5616894B2

JP5616894B2 - 螺旋巻きクロスフローフィルタ、及び流体をろ過するための方法

Info

Publication number: JP5616894B2
Application number: JP2011529026A
Authority: JP
Inventors: スコット・ピー・イェーガー
Original assignee: スコット・ピー・イェーガー
Priority date: 2008-09-29
Filing date: 2009-09-28
Publication date: 2014-10-29
Anticipated expiration: 2029-09-28
Also published as: DK2352576T3; EP2352576B1; US20100078378A1; CA2738589A1; US8454829B2; CA2738589C; JP2012504041A; KR101829293B1; EP2352576A1; CN102223944B; WO2010036374A1; CN102223944A; KR20110074524A

Description

関連出願の相互参照
本出願は、特許協力条約第８条の下で、２００８年９月２９日出願の米国特許仮出願第６１／１００，９１７号の優先権を主張し、この仮出願は、参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、改善された螺旋形クロスフローフィルタ、及び螺旋形クロスフローフィルタに伴う方法に関する。

クロスフローろ過は、流体が「デッドエンド」フィルタを塞ぐ可能性のある、ある量の固体材料を搬送するときに使用できる一種の膜ろ過である。クロスフローろ過は、デッドエンドろ過とは異なる。デッドエンドろ過では、供給原料は膜またはベッドを通過させられ、残余物は膜またはベッド内に捕捉され、ろ過液を膜またはベッドを通して放出する。一般にデッドエンドろ過では、供給流体がフィルタを出る唯一の方法は、膜を通ることである。しかしクロスフローろ過では、供給原料は、供給原料と膜のもう１つの側のろ過液との間のある圧力差、濃度差、または他の差でフィルタ膜を横切って（フィルタ膜に対して接線方向に）通過させられる。膜孔サイズより小さな材料は、ろ過液として膜を通過する。供給原料のうちのいくらかは、膜内にまたは膜上に残余物として捕捉され、一方残りの供給原料流れは、膜を通過せずに、あるいは膜内にまたは膜上に捕捉されずに供給側でフィルタを横切って移動する。フィルタを出る、このろ過されない供給原料流れは、ろ過液とは別に維持され、再循環させてフィルタを通過させることができる。この形態の動作は、「目詰まり（ｂｌｉｎｄｉｎｇ）」のリスクを生じさせる固体を伴う供給原料について使用することができる。目詰まりは、フィルタの有効性を妨害する、かつ／または減少させる膜上の残余物の蓄積である。デッドエンドろ過では、固体材料はフィルタ表面を急速に目詰まりさせる可能性があり、供給原料流れはもはや膜を通過できず、フィルタは役に立たなくなる。クロスフローろ過では、膜を横切る大量の流体の接線方向の動きによって、フィルタ表面上に捕捉される微粒子が接線方向の供給原料流れによって取り除かれるようになる。つまりクロスフローフィルタは、デッドエンドフィルタと比較して相対的に高い固体負荷の下で目詰まりが少なく連続的に動作することができる。

クロスフローフィルタ装置は、プレート、中空繊維、チューブ、及び螺旋形を含む多くの形状を取ることができる。螺旋形クロスフローろ過装置は、「ゼリーロール（ｊｅｌｌｙｒｏｌｌ）」型式の設計では、透過性チューブの周りに巻き付けられるフィルタ媒体を含むことができる。「螺旋形」フィルタの端部のところを見ると、フィルタエレメントの個々のリーフの端縁部は、中央軸の周りを回るが、そこから益々大きくなるところにある点によって引かれる平面曲線を作る。各「リーフ（ｌｅａｆ）」は、基本的に中空であり、フィルタ媒体から作られる「封筒（ｅｎｖｅｌｏｐｅ）」のようなものである。螺旋形クロスフローフィルタでは、供給原料流体は、この透過性チューブに対して平行に流れる。供給原料流れは、フィルタ媒体を横切ってリーフ「封筒」のうちの１つに入る。ろ過される流体または透過物は、この媒体を通過し、リーフ「封筒」の内側の媒体間で螺旋状になり、透過性チューブ内に入る。この透過物は透過性チューブを通りフィルタを出て、別々にフィルタを出る残りの供給原料流れから分離して維持される。

クロスフロー膜ろ過技術は、世界的に産業界で広く使用されてきている。クロスフローろ過は、例えば精密ろ過、限外ろ過、ナノろ過、及び逆浸透に使用することができる。

しかし、改善されたクロスフローフィルタ装置が依然として求められている。

本開示に記載される実施形態は、外側円筒状シェルと、このシェル内で同軸に位置合わせされ、そこから半径方向にオフセットする透過性の円筒状のチューブとを含む螺旋形クロスフローフィルタを含む。このフィルタは、外側シェルと透過性チューブとの間の環内に配置されるプリーツの付けられた環状のフィルタエレメントを含むこともできる。このフィルタエレメントは、外側シェルに隣り合う膜材料の第１の層と、透過性チューブに隣り合う透過性スペーサ材料の第２の層とを含む複合フィルタ材料を含むことができる。このフィルタは、供給スペーサの第１の層と、膜の第２の層と、透過性スペーサの第３の層とを含むこともできる。フィルタエレメントのプリーツは、それぞれがその近位縁部のところに透過性チューブへの取付部を含む、円周方向に間隔のあいた半径方向の複数のリーフを画定することができる。これらの複数のリーフは、透過性チューブの周りに「螺旋」形態で巻き付くことができる。

開示される発明は、この「発明の開示」に記載される実施形態に限定されないことを理解されたい。本発明は、特許請求の範囲によってのみ定義される本発明の範囲内にある改変及び他の主題を包含することが意図されている。

開示される非限定的な実施形態の様々な特徴及び機能は、以下の図面を参照することによってより良く理解することができる。

本開示による螺旋形クロスフローフィルタの一実施形態の概略分解斜視図である。図１に示すクロスフローフィルタの複合フィルタエレメントを構成する、膜及び透過性スペーサ材料の概略図である。部分的にプリーツの付けられた形態で示す、図２に示す材料の複合サンドイッチ体の概略図である。透過性チューブに取り付けられたフィルタエレメントのプリーツの付けられた複合サンドイッチ体の縁部を示す、図１に示すクロスフローフィルタの概略部分横断面図である。透過性チューブに取り付けられたフィルタエレメントのプリーツの付けられた複合サンドイッチ体の縁部を示す、図１に示すクロスフローフィルタの概略部分斜視図である。透過性チューブに取り付けられ、供給スペーサを有するフィルタエレメントのプリーツの付けられた複合サンドイッチ体の縁部を示す、図１に示すクロスフローフィルタの概略部分斜視図である。図１に示すクロスフローフィルタの端部キャップの概略端面図である。図７の線「Ａ−Ａ」に沿って取られ、螺旋形フィルタに取り付けられた端部キャップを示す、概略断面図である。

本明細書で開示される実施形態の様々な記述は、開示される実施形態の明瞭な理解に関連するそれらの要素、機構、及び態様のみ示すように簡略化され、分かり易くするために他の要素、機構、及び態様は除外していることを理解されたい。当業者は、開示される実施形態の本記述を考察するに当って、開示される実施形態の特定の実施または用途に他の要素及び／または機構が望ましい可能性があることを認識するであろう。しかし、そのような他の要素及び／または機構は、開示される実施形態の本記述を考察する際に当業者によって容易に確かめられ、実施することができ、したがって開示される実施形態の完全な理解のために必要ではないので、そのような要素及び／または機構の記述は本明細書で提供されない。そういう次第で、本明細書に記載される記述は、開示される実施形態の単に例示及び説明用であり、特許請求の範囲によってのみ定義される本発明の範囲を限定するためのものではないことを理解されたい。

本開示では、そうではないと指示される場所以外では、数量または特徴を示す全ての数は、全ての場合に用語「約（ａｂｏｕｔ）」によって前置きされ、改変されるとして理解すべきである。したがって、反対の旨が明記されない限り、以下の記述に記載されるどのような数字的なパラメータも、本開示による実施形態内で得られるように追求する所望の特性に応じて変更することができる。最低限でも、特許請求の範囲に均等物の原則の適用を制限する試みとしてではなく、本記述に記載される各数的なパラメータは、報告される有効数字の数に照らして、かつ通常の端数計算技術によって、少なくとも解釈すべきである。

同様に、本明細書で挙げられるどのような数値的範囲も、その中に包含される全てのサブ範囲を含むことが意図されている。例えば、「１から１０」の範囲は、挙げられる最小値１と挙げられる最大値１０の間の（かつ、それらを含む）全てのサブ範囲を含む、すなわち１と等しいまたは１より大きな最小値と、１０と等しいまたは１０より小さな値を有することが意図されている。本明細書で挙げられるどのような最大数値的限度もその中に包含される全てのより低い数値的限度を含み、本明細書で挙げられるどのような最小数値的限度もその中に包含される全てのより高い数値的限度を含むことが意図されている。したがって本出願人は、本明細書で明示的に挙げられる範囲内に包含される任意のサブ範囲に明示的に挙げるように、特許請求の範囲を含めて、本開示を修正する権利を留保する。任意のそのようなサブ範囲を明示的に挙げるように修正することは、合衆国法典３５巻１１２条の第１項及び合衆国法典３５巻１３２条（ａ）の要件を満たすように、全てのそのような範囲は本明細書で本来的に開示されることが意図されている。

本明細書で使用されるとき、文法的な冠詞「１つの（ｏｎｅ）」、「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、及び「その（ｔｈｅ）」は、そうではないと指示されない限り「少なくとも１つの（ａｔｌｅａｓｔｏｎｅ）」または「１つまたは複数の（ｏｎｅｏｒｍｏｒｅ）」を含むことが意図されている。したがって、これらの冠詞は、その冠詞の文法的な対象の１つまたは複数（すなわち、少なくとも１つ）を意味するために本明細書では使用される。例として、「１つの構成部品（ａｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）」は、１つまたは複数の構成部品を意味し、したがって、場合によっては１つより多くの構成部品が企図されており、１つより多くの構成部品を記載される実施形態の実施に利用するまたは使用することができる。

全体的にであれ部分的にであれ、参照により本明細書に組み込まれると言われる、いかなる特許、刊行物、または他の開示物も、その全体が本明細書に組み込まれるが、それは、その組み込まれるものが、本開示に明示的に記載されている目下の定義、陳述、または他の開示物に抵触しない範囲までのみである。そのようなものとして、かつ必要な範囲まで、本明細書に記載されている明示的な開示は、参照により本明細書に組み込まれるいかなる抵触物にも優先する。参照により本明細書に組み込まれると言われる一方で、本明細書に記載されている目下の定義、陳述、または他の開示物と抵触するいかなるもの、またはその部分も、その組み込まれるものと目下の開示物との間で抵触が起こらない範囲までのみ組み込まれる。

本開示は、実施形態の様々な異なる機構、態様、及び特徴を含む、様々な実施形態の記述を含む。本明細書に記載される全ての実施形態は、例示的、説明的、かつ非限定的なものであることを理解されたい。したがって、本発明は様々な例示的、説明的、及び非限定的な実施形態の記述によって限定されない。そうではなく本発明は、本開示に明示的にまたは本来的に記載される、あるいはそうではなく本開示によって明示的にまたは本来的に支持される任意の機構、態様、及び特徴を挙げるように修正することができる、特許請求の範囲によってのみ定義される。

その上、本明細書に示される図は、本開示の非限定的な実施形態を示す。これらの図は、縮尺または比例通りに画かれておらず、様々な実施形態の理解を助けるためにのみ提供され、本開示の範囲を限定すると解釈すべきではない。

本明細書に記載される実施形態は一般に、例えば、液体（例えば、水）またはガス（例えば、空気）などの流体から混入物を除去するための装置に関する。本明細書に記載される実施形態は、他の流体と関連する有用性も見出す可能性がある。例えば、精製すべき、またはさもなければろ過すべき流体は、任意の化学流体、産業流体、または生物学的流体であることができる。本明細書で一般的に使用されるとき、「混入物」とは、流体内の任意の所望されない物質を意味することができる。例えば「混入物」は、任意の固体及び残骸と、重金属と、多環芳香族化合物と、ハロゲン化多環芳香族化合物と、無機物と、ビタミンと、ウイルスを含む微生物または細菌（ならびに嚢胞及び胞子を含む、微生物の生殖型）と、菌類（例えば、かび及び酵母）と、蛋白質及び核酸と、有機化学薬品、無機化学薬品、及び溶解塩を含む殺虫剤及び他の農薬とを含むことができるが、それらには限定されない。

本明細書で一般的に使用されるとき、「混入物を除去する」または「混入物を減少させる」は、混入物を物理的にまたは化学的に除去する、減少させる、不活性にする、またはその他の方法で１つまたは複数の混入物を無害にすることのいずれかによって、流体内の１つまたは複数の混入物を安全化するまたは除去することを意味する。その上本開示は、特定の実施形態が、１つまたは複数の混入物を除去することを含むが、１つまたは複数の種類の、群の、部類の、または特に同定される混入物も同様に特に除外する、様々な態様をさらに想定している。例えば、様々な態様では、「混入物を除去する」は、１つまたは複数の特定の混入物を含むことができ、またはただ１つの特定の混入物を含むことができ、または特に１つまたは複数の混入物を除外することができる。

図１は、本開示の様々な実施形態による螺旋形クロスフローフィルタ１の一実施形態を示す。これらの実施形態は、外側円筒状のシェル３と、シェル３内で同軸に位置合わせされ、そこから半径方向にオフセットする多孔質の透過性円筒状チューブ４とを有する。これらの実施形態は、外側シェル３と透過性チューブ４の間の環６内に配置されるプリーツの付けられた環状のフィルタエレメント５をさらに有する。このフィルタエレメント５は、複数のリーフ７と複数の供給スペーサ８から形成される。図解を容易にするために、図１に示すこのリーフ７と供給スペーサ８は、「螺旋形」または「ゼリーロールの」形態で完全に巻き付けられず、しっかりと詰め込まれていない。クロスフローフィルタ１の様々な実施形態は、端部キャップ２を含むことができる。

次に図２を参照すると、フィルタエレメントは、少なくとも膜材料の第１の層９と透過性スペーサ材料の第２の層１０を有する複合サンドイッチ体を含むことができる。図１に示す螺旋形フィルタ内で、膜材料の第１の層９は、外側シェル３に隣り合い、透過性スペーサ材料の第２の層１０は透過性チューブ４に隣り合うことができる。次に図３を参照すると、複合サンドイッチ体フィルタエレメント５は両方の層を含むことができ、プリーツを付けることができる。プリーツの付けられたフィルタエレメント５は、透過性チューブ４の周りに配置することができる。透過性チューブ４の周りに配置された後、フィルタエレメント５のこのプリーツは、複数の連続する、円周方向に間隔のあいた半径方向のリーフ７を画定することができる。フィルタエレメント５が透過性チューブ４の周りに配置された後、リーフ７を同一の方向で透過性チューブ４の周りに巻き付けることができる。このリーフ７は、例えば外側シェル３、及び／または端部キャップ２によって巻き付けられた位置に維持することができる。様々な実施形態では、このフィルタエレメント５は、透過性チューブ４に取り付けなくてもよい。様々な実施形態では各リーフ７は、その近位縁部１１のところに透過性チューブ４への取付部１２を有することができる。取付部が形成された後、複数のリーフ７を透過性チューブ４の周りに同一の方向に巻き付けることができる。図４は、透過性チューブ４に取り付けられたフィルタエレメント５の部分横断面図を示す。図４は、透過性チューブ４の一部分のみと、複数のリーフ７のうちの２つのみ示す。このフィルタエレメント５は、近位縁部１１のところに取付部１２を含む。透過性チューブ４に取り付けられた後、各リーフ７は、２つの層９、１０を有する「中空の封筒」として記述することができる。

図６は、透過性チューブ４に取り付けられたフィルタエレメント５の２つのリーフ７を示す。２つのリーフ７しか示されていないが、様々な実施形態は透過性チューブ４の円周の周りに連続的に取り付けられるより多くの数のリーフ７を有することができる。図６では、これらのリーフ７は矢印１３によって示される同一の方向で、透過性チューブ４の周りを部分的に巻き付けられているが、最終の「螺旋形」または「ゼリーロール」の形態では完全に巻き付けられていない。図６に示すこのフィルタエレメント５は、２つのリーフ７の間に挿入される供給スペーサ８をさらに含む。様々な実施形態では、このフィルタエレメント５は、複数のリーフ７の各々の間に供給スペーサ８を含む。供給スペーサ８の目的は、フィルタエレメント５の全長にわたる供給原料流れ経路を形成するためにリーフ７間に距離間隔を維持することである。供給スペーサ８によって容易にされるクロスフローは、膜９が集まった残余物で妨害されないまたは目詰まりしないようにするのを助ける。

図５及び図６は、透過性チューブ４及びフィルタエレメント５の端部の部分斜視図を示す。図５では、リーフ７は透過性チューブ４の周りに未だ巻き付けられていない。図６では、リーフ７は透過性チューブ４の周りに部分的に巻き付けられている。次に図５及び図６を参照すると、様々な実施形態では、複数のリーフ７の各々は縁部１５（入口縁部及び／または出口縁部）のところに接合部１４を有し、この接合部１４は、膜材料９及び透過性スペーサ材料１０を共に密封する。本明細書で使用されるとき、用語「密封する（ｓｅａｌ）」または「密封される（ｓｅａｌｅｄ）」は、実質的に流体不浸透性の密封が形成されるが、材料は必ずしも共に接合される必要はないことを意味する。本明細書で使用されるとき、用語「接合する（ｂｏｎｄ）」または「接合される（ｂｏｎｄｅｄ）」は、例えば接着剤で、または例えば超音波溶接などの何らかの接合技術で、実質的に流体不浸透性の密封部が形成されるように、記載される材料が物理的にかつ／または化学的に共に接合されることを意味する。図５及び図６に示すリーフ７は、リーフ７の近位縁部１１に沿った取付部１２も含む。縁部１５のところで接合され、透過性チューブ４に取り付けられた後、２つの層を有する「中空の封筒」が形成される。この縁部接合部１４は、プリーツを付けた後で、透過性チューブ４に取り付ける前に、あるいは透過性チューブ４に取り付けられた後で形成することができる。各リーフ７の縁部１５は共に接合されるが、透過性チューブ４への取付部１２を形成するところでは、近位縁部１１はわずかに隔てられている。したがって、様々な実施形態では、小さな隙間１６が各リーフ７の近位縁部１１の近傍に形成される場合がある。そのような実施形態では、この隙間１６は端部キャップ２の内側部分２０によって覆い、密封することができる。様々な実施形態では、この端部キャップ２は各リーフ７の一部分に接合され、隙間１６を覆い、密封する。

次に図５を参照すると、この複数のリーフ７は少なくとも１つの、プリーツの付けられたフィルタエレメント５から形成されるので、これらのリーフ７はプリーツの付けられたフィルタエレメント５が出会う端部１７のところを除き連続である。図５では、フィルタエレメント５の各端部１７は、リーフ７の半分を構成する。したがって様々な実施形態では、少なくとも１つのリーフ７は遠位縁部１９のところに接合部１８を有し、プリーツの付けられたフィルタエレメント５の２つの端部１７をつなぎ合わせ、端部１７を有するリーフ７を形成するであろう。様々な実施形態（図示せず）では、プリーツの付けられたフィルタエレメント５の各端部１７は、完全なリーフ７の端部であり、リーフ７の半分ではないであろう。そのような実施形態では、この端部１７は近位縁部１１のところで取付部１２を形成する。フィルタエレメント５の端部１７は、１つの完全なリーフ７内で終了し、どのようなリーフ７もプリーツの付けられたフィルタエレメント５の端部１７をつなぎ合わせることによって形成されないであろう。

様々な実施形態では、接合部１４、１８及び取付部１２は、接着剤を含まない。様々な実施形態では、接合部１４、１８及び取付部１２は、超音波接合部、熱接合部、赤外線（ＩＲ）接合部、高周波接合部、及びマイクロ波接合部からなる群から選択される。様々な実施形態では、接合部１４、１８及び取付部１２は超音波接合部である。様々な実施形態では、取付部１２は、各リーフ７の膜の材料９及び透過性スペーサの材料１０を近位縁部１１のところで透過性チューブ４に接合する超音波接合部である。様々な実施形態では、接合部１４、１８は、各リーフ７の膜の材料９及び透過性スペーサの材料１０を縁部１５及び遠位縁部１９のところで接合する超音波接合部である。様々な実施形態では、超音波接合部を含むフィルタ構成部品は、本明細書で挙げられるポリマのうちの任意のものを含む、同じベースのポリマから形成することができる。様々な実施形態では、この構成部品は、超音波接合または溶接のために互換性のあるベースポリマから形成することができる。これらの構成部品には、膜の材料９、透過性スペーサの材料１０、透過性チューブ４、端部キャップ２及び外側シェル３が含まれる。これらの構成部品は、供給スペーサ８及び本明細書に記載される任意の他の構成部品も含むことができる。

図１及び図６に示すように、様々な実施形態では、供給スペーサ８は、波形の熱可塑性シートから形成される。供給スペーサ８内のこの波形は、平らな網または他の材料と比較して供給原料流れ経路内により少ない流れ制約を作り出す流れ通路を形成する。波形の供給スペーサ８の使用は、フィルタ１を横切る流れを平衡させるのを助け、フィルタ１がより高いクロスフロー量、より高い粘度の流体、及びより高い量の供給固体を取り扱うことを可能にし、同時に目詰まりを避けるのを助けることが意外にも発見された。様々な実施形態では、供給スペーサ８を形成するこの波形の熱可塑性シートは多孔質である。本明細書で使用されるとき、「多孔質の（ｐｏｒｏｕｓ）」は、顕微鏡的な開口部から肉眼で見える開口部までの開口の範囲を含む。様々な実施形態では、この開口は、例えば押し出された熱可塑性の網を備える開口格子によって形成することができる。この開口は、供給スペーサの材料８が作られるときその場で形成することができ、またはこの開口は、供給スペーサの材料８が作られた後で、機械的な方法または化学的な方法（例えば、打ち抜き、くり抜き、ドリル穴あけ、穿孔、等）によって作り出すことができる。様々な実施形態では、供給スペーサ８を形成するこの波形の熱可塑性シートは、非多孔質の、実質的に流体不浸透性である。

様々な実施形態では、この供給スペーサ８は、ざらつきのない波形の熱可塑性シートから形成することができる。本明細書で使用されるとき、用語「ざらつきのない（ｎｏｎ−ｔｅｘｔｕｒｅｄ）」は、肉眼レベルで実質的に平滑な表面を含む。様々な実施形態では、この波形の熱可塑性シートはざらつきがある。本明細書で使用されるとき、用語「ざらつきがある（ｔｅｘｔｕｒｅｄ）」は、肉眼レベルで見ることができる高くなった外観を有する表面を含む。ざらつきのあるシートは、流体の流れの中に乱れを作り出すのを助ける可能性があり、本明細書に記載される螺旋形クロスフローフィルタの動作で助けとなる可能性がある。波形の供給スペーサの例は、参照により本明細書に組み込まれているＳａｗａｄａらによる米国特許第４、８３４、８８１号に出ている。

様々な実施形態では、この波形の熱可塑性シートは、０．５０８ｍｍ（０．０２インチ）から６．３５ｍｍ（０．２５インチ）までの振幅と、０．５０８ｍｍ（０．０２インチ）から６．３５ｍｍ（０．２５インチ）までの波長を有する。様々な他の実施形態では、この波形の熱可塑性シートは、１．２７ｍｍ（０．０５インチ）から３．８１ｍｍ（０．１５インチ）までの振幅と、１．２７ｍｍ（０．０５インチ）から３．８１ｍｍ（０．１５インチ）までの波長を有する。様々な実施形態では、この供給スペーサ８は、ポリフッ化ビニリデン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリエチレン、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリアクリロニトリル、ナイロン、エチレンクロロトリフルオロエチレン、フルオロエチレンプロピレン、ペルフルオロアルコキシ、ポリエーテルエーテルケトン、ポリシニジレンスルフィド（ｐｏｌｙｓｙｎｉｄｉｌｅｎｅｓｕｌｆｉｄｅ）、ポリカーボネート、及び任意のそれらの共重合体及びブレンドからなる群から選択される熱可塑性樹脂から作られる。

図７は、端部キャップ２の端部図を示す。様々な実施形態は、透過性チューブ４の入口端部に入口端部キャップ２と、透過性チューブ４の出口端部に出口端部キャップ２を含むことができる。この端部キャップ２は、透過性チューブ４の入口端部または出口端部を密封する内側部分２０を有する。様々な実施形態では、この内側部分２０はリーフ７の近位縁部１１の近傍の隙間１６も密封し、リーフ７の一部分に接合することができる。端部キャップ２は、入口流体流を複数のリーフ７の入口縁部１５に向かって導く、または複数のリーフ７の出口縁部１５からの出口流体流を導く、少なくとも１つの開口部分２１も有する。様々な実施形態は、透過性チューブ４の少なくとも出口端部に取り付けられた出口端部キャップ２を含むことができ、この出口端部キャップ２は、透過性チューブ４から流れ出る透過性の流体流を、複数のリーフ７の出口縁部１５から流れ出る出口流体流から分離するように構成される構造を有する。

次に図８を参照すると、様々な実施形態では、この端部キャップ２は透過性チューブ４の端部に接合され、それを密封する。様々な実施形態では、入口端部のところで透過性チューブ４内に流体が入らないように、入口側では、端部キャップ２の内側部分２０は閉じている。出口側では、透過物がフィルタ１を出ることができるように端部キャップ２の内側部分２０は開いている。様々な実施形態では、透過性チューブ４の入口端部及び出口端部の両方が開いており、端部キャップ２の内側部分２０によって閉鎖されない。様々な実施形態では、透過性チューブ４の中央部分は閉鎖される。そのような実施形態では、流体は透過性チューブ４の入口端部に流れ込む。この閉鎖される中央部分は、強制的に流体を透過性チューブから外に出し、リーフ７内に入れる。リーフ内に入った後、この流体は透過性チューブ４に平行に流れ、リーフ内に留まる。そのような実施形態では、ろ過された流体は供給側から透過物側に、または透過物側から供給側に移動することができる。この流体は、透過性チューブの閉鎖される中央部分から下流で透過性チューブ４に再び入る。様々な他の実施形態では、透過性チューブ４の両端部は開いており、両方の端部が出口端部になる。これによって、膜９を横切り、リーフ７に、次いで透過性チューブ４に入る流体がどちらの端部のところでも透過性チューブ４を出ることができるので、流体流の制約を減少させるのが可能になる。

図８では、フィルタエレメント５は斜線部分よって示されている。複数のリーフ７が透過性チューブ４の周りに同一の方向に巻き付けられるが、個々のリーフ７はこの図に示されていない。図８に示す実施形態では、端部キャップ２の２２は、リーフ７の縁部１５に接合されていない。様々な実施形態では、このリブ２２はフィルタエレメント５の複数のリーフ７の縁部１５に接合される。前に述べたように、端部キャップ２の内側部分２０は、隙間１６を含むことができるリーフ７の一部分を密封し、または一部分に接合することができる。

外側円筒状のシェル３は、剛体の熱可塑性樹脂、ガラス繊維、または金属チューブから作ることができ、あるいは例えば、限定ではなく、テープなどの非剛性材料から作ることができる。様々な実施形態では、この外側円筒状のシェル３は、リーフ７が透過性チューブ４の周りに巻き付けられた後に形成することができる。そのような実施形態では、このシェル３は、フィルタエレメント５の周りにガラス繊維などの柔軟性のある材料を巻き付けることによって形成することができる。どちらの場合も、端部キャップ２の外側部分２３は、外側円筒状のシェル３と共に密封部を形成する。様々な実施形態では、端部キャップ２のこの外側部分２３は、シェル３にさらに接合することができる。様々な実施形態では、この入口端部キャップ２及び出口端部キャップ２は、超音波溶接、熱接合、赤外線接合、高周波接合、及びマイクロ波接合からなる群から選択される方法によって、少なくとも透過性チューブ４に、場合によってはシェル３にも接合される。

動作では、供給原料流れはフィルタエレメント５のリーフ７の入口縁部１５のところに導かれる。この供給原料流れは、端部キャップ２内の開口２１を通り螺旋形フィルタ１に入ることができる。供給原料流れは、入口縁部１５のところでリーフ７の間に導かれる。供給スペーサ８によってリーフ７の間に間隔を維持することができる。ろ過液は膜９を通過し、透過性チューブ４の周りに巻き付けられる任意のリーフ７に沿ったどのような点でもリーフ７に入ることができる。このろ過液は、圧力差、濃度勾配、または任意の他の手段によって強制的に膜９を通過させることができる。ろ過液がリーフ７の膜９を通過した後、このろ過液はリーフ７内に留まる。このろ過液は、リーフ７の内側にある間に強制的に透過性チューブ４に向かって流れるようにされる。リーフ７の内側にある間に、このろ過液は、多孔質の透過性チューブ４に入ることができるように、最終的に透過性スペーサ１０を通過しなければならない。この透過性チューブ４は、各リーフ７の内側と流体連通しているように、その長さの少なくとも一部分の間は多孔質である。透過性チューブ４の内側に入った後、このろ過液は、透過性チューブ４の出口端部を通りフィルタ１から外に流れ出る。このろ過液は、リーフ７に入らなかった、フィルタ１を出る供給原料流れと分離して維持される。リーフ７に入らなかった供給原料流れは、フィルタエレメント５のリーフ７の出口縁部１５を通り過ぎて螺旋形フィルタ１を出る。リーフ７に対して接線方向に流れる、ろ過されない供給原料の一定の流れは、フィルタ表面膜９から残余物を取り除きまたは運び去るのを助け、膜９が目詰まりしないようにする。様々な実施形態では、留まっている供給原料流れは、出口端部キャップ２内の開口２１を通りフィルタ１を出る。ろ過されない供給原料流れは最終的に、入口端部キャップ２を通り螺旋形フィルタ１内に循環させることができる。

様々な実施形態では、本明細書に記載されるフィルタは、（流体速度として測定される）３ｍ／秒以上のクロスフロー速度を有することができる。様々な実施形態では、本明細書に記載されるフィルタは、５ｍ／秒以上のクロスフロー速度を有することができる。様々な実施形態では、本明細書に記載されるフィルタは、１ｍ／秒以下のクロスフロー速度を有することができる。様々な実施形態では、本明細書に記載されるフィルタは、１ｍ／秒から５ｍ／秒の、または１ｍ／秒から３ｍ／秒のクロスフロー速度を有することができる。様々な他の実施形態では、本明細書に記載されるフィルタは、２０ｃｍ／秒から１００ｃｍ／秒のクロスフロー速度を有することができる。

様々な実施形態では、本明細書に記載されるクロスフローフィルタは３以下の、いくつかの実施形態では２．５以下の、他の実施形態では２以下の、螺旋形直径に対するリーフ高さの比を有することができる。本明細書で使用されるとき、「リーフ高さ」は、例えば、図４及び図５に示すようにリーフが透過性チューブから半径方向に延びるとき、リーフの近位縁部間のある点からリーフの遠位縁部までの距離を意味する。本明細書で使用されるとき、「螺旋形直径」は、透過性チューブの外側縁部から外側円筒状シェルの内側縁部まで測定される、本明細書に記載されるフィルタの直径の長さを意味する。

本明細書に記載されるフィルタは、様々なろ過用途のために使用することができる。様々な実施形態では、螺旋形クロスフローフィルタの膜材料は、精密ろ過材料、限外ろ過材料、ナノろ過材料、及び逆浸透材料からなる群から選択される材料から作ることができる。本明細書で使用されるとき、精密ろ過材料は、１０ミクロン未満で下は０．０１ミクロンまでの微粒子の大部分を、通常は９０％より大きい効率で取り除く多孔質のフィルタ材料として定義される。本明細書で使用されるとき、限外ろ過材料は、精密ろ過材料として機能するのに加えて、約１００万ダルトン（Ｄａｌｔｏｎ）から下に１、０００ダルトン未満までの分子の大部分を、通常は９０％より大きい効率で取り除く多孔質のフィルタ材料として定義される。本明細書で使用されるとき、ナノろ過材料は、限外ろ過材料として機能するのに加えて、多価のイオンの大部分を、通常は９０％より大きい効率で取り除く多孔質のフィルタ材料として定義される。本明細書で使用されるとき、逆浸透材料は、ナノろ過材料として機能するのに加えて、一価のイオンの大部分を、通常は９０％より大きい効率で取り除く多孔質のフィルタ材料として定義される。

本明細書に記載されるフィルタは、本明細書に挙げられる種類のろ過に適した、任意の知られる材料と共に役立つことができる。様々な実施形態では、膜材料は、精密ろ過材料及び限外ろ過材料からなる群から選択することができる。様々な実施形態では、この膜材料は、ポリフッ化ビニリデン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリエチレン、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリアクリロニトリル、ナイロン、エチレンクロロトリフルオロエチレン、フルオロエチレンプロピレン、ペルフルオロアルコキシ、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリシニジレンスルフィド、及びポリカーボネートからなる群から選択される材料から形成することができる。様々な実施形態では、この膜材料は、ポリフッ化ビニリデン及びポリエーテルスルホンからなる群から選択することができる。

本開示は、様々な例示的な、説明的な、及び非限定的な実施形態を参照して記載されてきた。しかし、特許請求の範囲によってのみ定義される本発明の範囲から逸脱することなく、任意の開示される実施形態（またはその一部分）の様々な代替、改変または組み合わせを行うことができることは、当業者によって認識されるであろう。したがって、本開示は本明細書で明示的に記載されない追加の実施形態を包含することが企図されており、そのことが理解される。そのような実施形態は、例えば、本明細書に記載される実施形態の任意の開示されるステップ、構成要素、構成物質、構成部品、要素、機構、態様等を組み合わせる、改変する、または再編成することによって得ることができる。したがって、この開示は、様々な例示的な、説明的な、及び非限定的な実施形態の記述によって限定されず、そうではなく特許請求の範囲によってのみ限定される。このように、本出願人は、手続き処理中の特許請求の範囲を、本明細書に様々に記載されている機能を追加するように修正する権利を留保する。

Claims

螺旋形クロスフローフィルタにおいて、
外側円筒状シェルと、
前記シェル内で同軸に位置合わせされた透過性の円筒状のチューブと、
前記外側シェルと前記透過性チューブとの間の環内に配置されたプリーツの付けられた環状のフィルタエレメントであって、
前記外側シェルに隣り合う膜材料の第１の層と、
前記透過性チューブに隣り合う透過性スペーサ材料の第２の層とを有し、
前記膜材料と前記透過性スペーサ材料とは前記フィルタエレメントの入口縁部と出口縁部とで接合された、複合フィルタ材料を備えた、フィルタエレメントとを備え、
前記フィルタエレメントの前記プリーツは、円周方向に間隔をあけて半径方向の複数のリーフを画定し、前記複数のリーフは前記透過性チューブの周りに同一の方向に巻き付き、各リーフは、前記リーフの近位縁部で前記透過性チューブへの取付部を備え、各取付部は、前記透過性チューブ、前記膜材料、及び前記透過性スペーサ材料の間に直接的な接合部を有する、螺旋形クロスフローフィルタ。
請求項１に記載のフィルタにおいて、
前記複数のリーフの各々の間に挿入された供給スペーサと、
前記透過性チューブの少なくとも入口端部に取り付けられた入口端部キャップであって、
前記透過性チューブの前記入口端部を密封する閉部分と、
入口流体流を前記複数のリーフの入口縁部に向かって導く開部分とを備えた、入口端部キャップと、
前記透過性チューブの少なくとも出口端部に取り付けられた出口端部キャップであって、前記透過性チューブから流れる透過流体流を、前記複数のリーフの前記出口縁部から流れる出口流体流から分離する手段を備えた、出口端部キャップとをさらに備えた、フィルタ。
請求項２に記載のフィルタにおいて、
前記入口端部キャップは、前記透過性チューブの前記入口端部と、前記透過性チューブ近傍で前記複数のリーフの前記入口縁部とに接合され、前記入口端部と前記入口縁部とを密封し、さらに前記出口端部キャップは、前記透過性チューブの前記出口端部に接合され、前記透過性チューブ近傍で前記複数のリーフの出口縁部にも接合され、前記出口縁部を密封する、フィルタ。
請求項３に記載のフィルタにおいて、
前記入口端部キャップ及び出口端部キャップは、超音波溶接、熱接合、赤外線接合、高周波接合、及びマイクロ波接合からなる群から選択される方法によって接合された、フィルタ。
請求項１に記載のフィルタにおいて、
前記接合部は接着剤を含まない、フィルタ。
請求項５に記載のフィルタにおいて、
前記接合部は、超音波接合部、熱接合部、赤外線接合部、高周波接合部、及びマイクロ波接合部からなる群から選択される、フィルタ。
請求項６に記載のフィルタにおいて、
前記接合部は超音波接合部を備えた、フィルタ。
請求項２に記載のフィルタにおいて、
前記供給スペーサは波形の熱可塑性シートを備えた、フィルタ。
請求項８に記載のフィルタにおいて、
前記波形の熱可塑性シートは多孔質である、フィルタ。
請求項８に記載のフィルタにおいて、
前記波形の熱可塑性シートは非多孔質である、フィルタ。
請求項８に記載のフィルタにおいて、
前記波形の熱可塑性シートにざらつきがない、フィルタ。
請求項８に記載のフィルタにおいて、
前記波形の熱可塑性シートにざらつきがある、フィルタ。
請求項８に記載のフィルタにおいて、
前記波形の熱可塑性シートは、０．５０８ｍｍ（０．０２インチ）から６．３５ｍｍ（０．２５インチ）までの振幅と、０．５０８ｍｍ（０．０２インチ）から６．３５ｍｍ（０．２５インチ）までの波長とを有する、フィルタ。
請求項１３に記載のフィルタにおいて、
前記波形の熱可塑性シートは、１．２７ｍｍ（０．０５インチ）から３．８１ｍｍ（０．１５インチ）までの振幅と、１．２７ｍｍ（０．０５インチ）から３．８１ｍｍ（０．１５インチ）までの波長とを有する、フィルタ。
請求項１に記載のフィルタにおいて、
供給スペーサをさらに備え、前記供給スペーサは、ポリフッ化ビニリデン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリエチレン、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリアクリロニトリル、ナイロン、エチレンクロロトリフルオロエチレン、フルオロエチレンプロピレン、ペルフルオロアルコキシ、ポリエーテルエーテルケトン、ポリシニジレンスルフィド及びポリカーボネートからなる群から選択される少なくとも１つの熱可塑性樹脂を含む波形の熱可塑性シートを備えた、フィルタ。
請求項１に記載のフィルタにおいて、
前記複数のリーフは、２．５以下の螺旋形直径に対するリーフ高さの比を備えた、フィルタ。
請求項１に記載のフィルタにおいて、
前記膜材料は、精密ろ過材料、限外ろ過材料、ナノろ過材料、及び逆浸透材料からなる群から選択される、請求項１に記載のフィルタ。
請求項１に記載のフィルタにおいて、
前記膜材料は、精密ろ過材料及び限外ろ過材料からなる群から選択される、フィルタ。
請求項１に記載のフィルタにおいて、
前記膜材料は、ポリフッ化ビニリデン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリエチレン、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリアクリロニトリル、ナイロン、エチレンクロロトリフルオロエチレン、フルオロエチレンプロピレン、ペルフルオロアルコキシ、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリシニジレンスルフィド、及びポリカーボネートからなる群から選択される少なくとも１つのポリマを含む、フィルタ。
請求項１に記載のフィルタにおいて、
前記膜材料は、ポリフッ化ビニリデン及びポリエーテルスルホンからなる群から選択される少なくとも１つのポリマを含む、フィルタ。
流体をろ過するための方法において、
５ｍ／秒以上のクロスフロー速度で、前記流体を請求項１に記載のフィルタに流通させる、流体をろ過するための方法。
流体をろ過するための方法において、
５ｍ／秒以下のクロスフロー速度で、前記流体を請求項１に記載のフィルタに流通させる、流体をろ過するための方法。
流体をろ過するための方法において、
１ｍ／秒から５ｍ／秒のクロスフロー速度で、前記流体を請求項１に記載のフィルタに流通させる、流体をろ過するための方法。
流体をろ過するための方法において、
２０ｃｍ／秒から１００ｃｍ／秒のクロスフロー速度で、前記流体を請求項１に記載のフィルタに流通させる、流体をろ過するための方法。
請求項１に記載のフィルタにおいて、
前記透過性チューブ、前記膜材料、及び前記透過性スペーサ材料の間の前記接合部は、前記透過性チューブの外周に沿って分離されることにより、前記フィルタエレメントの前記入力縁部及び前記出口縁部で前記透過性チューブに隣り合うリーフの各々の前記近位縁部に隙間を形成する、フィルタ。
請求項２５に記載のフィルタにおいて、
前記外側円筒状シェルと前記透過性チューブの入口端部とに接合された入口端部キャップと、
前記外側円筒状シェルと前記透過性チューブの出口端部とに接合された出口端部キャップとを備え、
前記入口端部キャップ及び前記出口端部キャップは、それぞれ前記フィルタエレメントの前記入口縁部と前記出口縁部とで前記隙間を覆って密封する、閉じた内側部分を備えた、フィルタ。