JP6353532B2 - メルトブローによるデプスフィルタカートリッジ - Google Patents

Description

本明細書は、デプスフィルタカートリッジ、メルトブローによる媒体、及びその製造方法に関する。

デプスフィルタは、ろ過媒体の奥行きの全体にわたって粒子を保持する。種々の媒体を、デプスフィルタを構成するために使用することができるが、そのうちの１つは、メルトブロー又はスパンボンドフィラメントからなる不織の媒体である。デプスフィルタは、複数の層（又は、ゾーン）を有することができ、通常は、孔のサイズが最大である層が、上流の層を形成し、孔のサイズが最小である層が、下流の層を形成する。これは、粒子を、フィルタの奥行きの全体にわたってではなく、むしろ主として上流の分離層又はその付近にサイズ排除によって保持する表面フィルタ（スクリーンフィルタとも呼ばれる）と対照的である。表面フィルタは、その定格の絶対粒子サイズを下回る粒子について或る程度の深層ろ過をもたらすことができるが、深層ろ過の量は、表面フィルタは厚みがないこと、及び上流の分離層の背後の層をできる限り透過性にしたいことから、限定的である。デプスフィルタは、典型的には少なくとも５ｍｍであり、より多くの場合には少なくとも１０ｍｍであるデプスフィルタのかなりの厚みによって、表面フィルタからの区別が可能である。また、デプスフィルタは、典型的には、その体積を最大にするように滑らかな内周及び外周面をもたらす構成にて提供される一方で、表面フィルタは、典型的には、その表面積を最大にするように折り曲げられ、或いはひだ状とされる。

カートリッジフィルタが、ハウジング内に配置されるように設計された取り出し可能又は交換可能なフィルタエレメントである。一部のカートリッジフィルタは、清掃が可能であるが、それらは、典型的には、有用寿命の終わりにおいて廃棄される。デプスフィルタカートリッジは、フィルタが詰まるまでに保持することができる固体粒子のグラム数にて評価されるごみ保持容量（ＤＨＣ）に従って格付け可能である。カートリッジの有用寿命は、フィルタエレメントが、デプスフィルタカートリッジをまたぐ圧力損失が指定の最大値に達するまでに指定の条件下で動作することができる時間として評価される。カートリッジの有用寿命は、カートリッジのＤＨＣによって、或いは粒子が蓄積されていくときの加えられる圧力に耐えるカートリッジの機械的な能力によって、限定される可能性がある。他の格付けの基準として、指定のサイズの粒子の除去におけるフィルタの効率、及び清浄水におけるフィルタの圧力損失が挙げられる。例えば、除去効率の格付けを、指定のミクロンサイズまでの粒子の９０％の除去又は指定のミクロンサイズまでの粒子の「絶対」（９９％を意味する）除去として指定することができる。

２００６年１月１７日に発行されたＡｕｎｅらの米国特許第６，９８６，４２７号が、デプスフィルタエレメントに有用なメルトブローによる不織の媒体を記載している。この媒体は、複数のメルトブローによるフィラメントを管状構造体の円錐形の端部の側面に導くことによって製造される。管状構造体は、回転マンドレル上で回転する。管状構造体の長さが、管状構造体の円錐形の端部へと素材を追加しつつ、管状構造体をマンドレルの長さに沿ってフィラメント吹き付け領域から引き出すことで、長くなっていく。異なるフィラメントが、円錐の異なる部位へと案内され、フィラメントは、円錐の長さに沿って１以上の特性において異なってよい。これは、１以上の特性に対応する変化を有する管状エレメントの同心な環状ゾーンを生み出す。１以上の他のメルトブローによるフィラメントを、媒体を強固にすべくエレメントの奥行きを貫いて延びて複数のゾーンを横切るフィラメントを追加するために、円錐の全長にわたって適用することができる。

米国特許第６，９８６，４２７号と共通の優先権出願を共有する米国特許第６，９３８，７８１号が、基本的に連続的なメルトブローによるポリマーフィラメントからなる円筒形の塊と、この塊を貫いて延びる基本的に連続的な横断のメルトブローによるポリマーフィラメントとを含む不織のデプスフィルタカートリッジを記載している。円筒形の塊は、奥行き寸法、長さ寸法、及び周寸法を有している。円筒形の塊のフィラメントは、おおむね長さ及び周寸法に向けられ、複数の同心ゾーンを形成している。横断のフィラメントは、円筒形の塊の長さのかなりの部分を通って長さ寸法に延びる一方で、円筒形の塊を巡って周寸法に延び、円筒形の塊の２以上のゾーンの厚さ全体を実質的に貫いて奥行き寸法において径方向に延びている。

上述の特許に従って製造されたポリプロピレン製デプスフィルタカートリッジは、Ｚ．ＰＬＥＸという商標との組合せにおいてＧＥ Ｗａｔｅｒ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓによって販売されている。これらのカートリッジは、約１インチの内径並びに約２又は２．７５インチの外径を有している。これらのカートリッジは、いくつかの水ろ過の用途に使用されている。

米国特許第６９８６４２７号明細書

以下の概要は、読者を後述される詳細な説明へと案内するように意図されており、請求される発明を限定又は定義しようとするものではない。請求される発明は、後述される構成要素又は工程の一部の組合せであってよく、或いは本明細書の他の部分で説明される構成要素又は工程を含んでもよい。

すでに示したように、米国特許第６，９３８，７８１号及び第６，９８６，４２７号に従って製造される市販のデプスフィルタカートリッジは、３インチ未満の外径を有する。大径のフィルタ、とくには公称の外径が３インチ（８ｃｍ）を超え、最大で７インチ（１８ｃｍ）にもなるフィルタは、典型的には、ひだ状フィルタの形式で表面フィルタから作られる。公称で６．５インチの外径及び４０インチの長さを有するひだ状フィルタカートリッジは、約７０〜８０平方フィートの表面積を有することができる。対照的に、同じサイズのデプスフィルタは、外面において約５平方フィートかつ内面において約３平方フィートの表面積を有する。この限られた表面積ゆえに、伝統的なデプスフィルタは、例えば２０ミクロン未満の粒子についての９０％の除去効率において公称４０インチの長さのフィルタで４０ＵＳガロン毎分（ｇｐｍ）の流量において０．５ｐｓｉ未満などの清浄水における低い圧力損失を有することが、期待できないと考えられる。しかしながら、デプスフィルタは、例えば有機又は乳化汚染物質の表面への蓄積に耐える能力など、いくつかの利点を有している。

本明細書は、３以上の同心ゾーンを有する管状デプスフィルタエレメントを説明する。各々のゾーンは、基本的に連続的なメルトブローによるフィラメントで作られる。これに代え、或いはこれに加えて、各々のゾーンは、１以上のフィラメントで作られ、外側ゾーンの１以上のフィラメントは、他のゾーンの１以上のフィラメントよりも大きい直径を有する。外側ゾーンのフィラメントは、他のゾーンの奥行きの少なくとも５０又は８５％、好ましくは全体を貫いて他のゾーンのフィラメントと重なり、或いは交わり、もしくはその両方である。随意により、１以上の追加のフィラメントが、すべてのゾーンを通って横切ることができる。典型的な実施形態は、５つのゾーンを有する。

さらに、本明細書は、デプスフィルタエレメントの製造方法を説明する。メルトブローによるフィラメントが、回転しているマンドレルへと吹き付けられ、円錐形のプレスローラに接触したフィラメントの塊を形成する。フィラメントは、マンドレルの長さに沿って間隔を空けつつ並べられた３以上のノズルから吹き付けられる。フィラメントのうちの１つは、隣のフィラメントの吹き付けパターンの少なくとも５０又は８５％、好ましくは全体と重なる吹き付けパターンにて形成される。好ましくは、重なる吹き付けパターンは、次のゾーンに向かってマンドレルの法線に対して少なくとも１０度傾けられた外側ゾーンを形成するノズルから生み出される。

本明細書に記載のデプスフィルタエレメントは、既存のフィルタカートリッジの有用な代案を提供する。このデプスフィルタエレメントを、例えば、少なくとも４．５インチの外径を有し、かなりの寿命を有し、清浄水における圧力損失が小さいフィルタを提供するために、使用することができる。

右側から撮影したデプスフィルタカートリッジの写真である。 左側から撮影した図１のデプスフィルタカートリッジの写真である。 形成されているときの図１のデプスフィルタカートリッジの概略の端面図である。 図１のデプスフィルタカートリッジを製造するための装置の概略図である。 ４つ及び５つのゾーンを有する比較用のデプスフィルタカートリッジ並びに図１のデプスフィルタカートリッジのごみ保持容量を示す実験結果のグラフである。 図５において試験したデプスフィルタカートリッジの寿命を示す実験結果のグラフである。

本明細書及び特許請求の範囲の至る所において使用される近似の表現は、それが関与する基本機能に変化をもたらすことなく変動することが許される量を修飾するために適用することができる。したがって、「約」などの１以上の用語で修飾された値は、明記された厳密な値に限定されるものではない。いくつかの例において、近似の表現は、その値を測定する計器の精度に対応することができる。範囲の限界は、組合せ及び／又は入れ替えが可能であり、そのような範囲及びすべての部分範囲は、そのようでないことが文脈又は文言によって示されない限り、本明細書に含まれる。動作の例を除き、或いはそのようでないと示される場合を除き、材料、プロセス条件、などの量に関して本明細書及び特許請求の範囲において使用されるすべての数又は表現は、いずれも場合も用語「約」によって修飾されていると理解されるべきである。

「随意」又は「好ましい」並びに同様の用語は、これらの用語の後ろに記載される事象又は状況が、生じても、生じなくてもよく、或いはこれらの用語の後ろで特定される物質が、存在しても、存在しなくてもよく、説明が、当該事象又は状況が生じ、もしくは当該物質が存在する場合と、当該事象又は状況が生じず、もしくは当該物質が存在しない場合とを含むことを意味する。用語「できる／してもよい（ｍａｙ）」は、存在しても、存在しなくてもよい条件を示すために使用される。

本明細書において使用されるとき、用語「を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「を備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「を含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「を含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「を有する（ｈａｓ）」、「を有している（ｈａｖｉｎｇ）」、及びこれらのあらゆる他の変種は、非排他的な包含を含むように意図されている。例えば、列挙された構成要素を含むプロセス、方法、物品、又は装置は、必ずしもそれらの構成要素だけに限定されず、明示的には列挙されておらず、或いはそのようなプロセス、方法、物品、又は装置に固有である他の構成要素を含むことができる。単数形「１つの（ａ、ａｎ）」、及び「前記（ｔｈｅ）」は、文脈からそのようでないことが明らかでない限り、指示対象が複数である場合を含む。

図１及び２を参照すると、デプスフィルタカートリッジ１０が、管状デプスフィルタエレメント１２と、左側端部キャップ１４と、右側端部キャップ１６とを有している。用語「左側」及び「右側」は、任意に決められ、本明細書において、単に図中の向きにあるときのカートリッジ１０を説明するための手段を提供するためだけに用いられるにすぎない。カートリッジ１０又はその一部を、長さ（カートリッジの左側と右側との間の線に平行な長さ寸法において測定される）、外周（長さ寸法に垂直な円に沿った周寸法において測定される）、又は奥行き（周寸法に垂直な径寸法において測定される）を有すると説明することもできる。

端部キャップ１４、１６は、熱可塑性材料で製造されてよく、好ましくはデプスフィルタエレメント１２の各々の端部へと熱によって接合され、デプスフィルタエレメント１２の端部とシールを形成する。或いは、端部キャップ１４、１６を、接着剤又は技術的に公知の他の手段によってデプスフィルタエレメント１２へと接合してもよい。端部キャップ１４、１６は、デプスフィルタエレメント１２の外側をデプスフィルタエレメント１２の中空な中心部から流体に関して隔てる。好ましくは、多孔性のコア管（見て取ることができない）が、デプスフィルタエレメント１２の中空な中心部を通って延び、端部キャップ１４、１６へと取り付けられ、シールされる。

デプスフィルタカートリッジ１０は、典型的には、ハウジング又はシェル（図示せず）へと挿入された後に使用される。ハウジングは、１つ又は２以上のカートリッジ１０を保持することができる。外側から内側へのろ過モードにおいて、ろ過されるべき供給水は、入り口を通過してハウジングの内側とカートリッジ１０の外側とによって定められる空間へと流れる。次いで、供給水は、デプスフィルタエレメント１２を通って流れ、ろ過後の水が、デプスフィルタエレメント１２の中空な中心部又はコア管へと集まる。端部キャップ１４、１６の一方又は両方が、ハウジングの出口へと接続されたろ過後の水のための開口を有している。図示のカートリッジ１０においては、左側の端部キャップ１４が、ハウジングの出口へとつながるアダプタ１８及びシール２０を備えている。シール２０は、アダプタ１８の溝に位置するＯリングである。或いは、シール２０を、単純な穴の形態であるアダプタ１８の周囲に平面環状ガスケットをもたらすように溝にエラストマ材料を入れ込むことによって形成することができ、或いは技術的に公知の他の手段によって形成することができる。

図３を参照すると、デプスフィルタエレメント１２は、その奥行きにおいて、複数の媒体層又はゾーン２２を備えている。好ましくは、ゾーンの保持サイズ（所与の効率において除去される粒子サイズ）は、デプスフィルタエレメント１２の外面２４から内面２６へと小さくなる。したがって、大きな粒子が、外面２４の近くに保持され、供給物がデプスフィルタエレメント１２を内側へと通過するにつれて、次第に小さな粒子が保持されると考えられる。ゾーン２２が、説明を容易にするためにゾーン２２の間の明瞭な線によって示されているが、実際には、ゾーン２２の間に、より緩やかな移行又は移行領域が存在してよい。図示のとおり、５つのゾーン２２が好ましいが、より多数又はより少数のゾーンが存在してもよい。図１及び２のデプスフィルタエレメント１２において、その５つのゾーン２２の各々は、異なるフィラメント径及び保持サイズを有し、フィラメント径及び保持サイズのどちらも、内面２６に向かうにつれて小さくなる。随意により、２以上のゾーン２２が、同じフィラメント径又は保持サイズを有してもよいが、好ましくは全体としてのデプスフィルタエレメント１２に関して内面２６に向かうにつれての保持サイズの全体的な減少をもたらしている。

図１及び２の例において、デプスフィルタエレメント１２は、約６．５インチの外径及び約３インチの内径を有する。カートリッジ１０の長さは、４０インチの公称長さに相当する約３８インチである。アダプタ１８は、標準的なタイプ２２６の接続金具であるが、他の適切な接続金具も使用可能である。カートリッジ１０の寸法も、さまざまであってよい。例えば、外径が、より大きくても、或いはより小さくてもよく、好ましくは３インチ〜９インチ、又は４．５インチ〜７インチの範囲である。長さも、より長くても、より短くてもよく、例えば公称６０インチのカートリッジを製造することができる。随意により、表面フィルタを、援用される国際公開第２０１２／０３４０２８号に記載のやり方で、デプスフィルタエレメント１２の内側に設けることができる。この場合、表面フィルタは、例えば、約１．１インチ〜３インチの間の外径を有するコア管に当接でき、約２インチ〜４．５インチの間の内面フィルタの外径まで広がることができる。

図１及び２のカートリッジ１０は、接着剤にて取り付けられたポリプロピレン（ＰＰ）製のデプスフィルタエレメント１２及びＡＢＳ製の端部キャップ１４、１６で作られている。端部キャップ１４、１６は、商用の実施形態ではは、食品との接触に適合したカートリッジ１０をもたらすために、デプスフィルタエレメント１２へと熱によって接合されるＰＰ製の端部キャップ１４、１６で置き換えられる。デプスフィルタエレメント１２の形成に有用な他の材料として、例えば、ポリエチレンなどの他のポリオレフィン、セルロース、ポリアミド、ポリエステル、及び繊維ガラスなどの鉱物繊維が挙げられる。複数の材料を、単一のカートリッジ１０に使用してもよい。

デプスフィルタエレメント１２を、メルトブローによる媒体で製造することができ、各々のゾーン２２は、１以上の基本的に連続的なポリマーフィラメントで形成された塊である。図４に関して後述されるように、各々のゾーン２２は、メルトブローフィラメント送出システムから供給される供給されるポリマーで製造される。無作為の切断の可能性を免れないが、各々のゾーン２２は、単一の基本的に連続フィラメントから作られる。ゾーン２２を構成するフィラメントは、主として長さ及び周寸法に延びている。好ましくは、デプスフィルタエレメント１２は、１以上の複数ゾーンフィラメント３２をさらに備える。複数ゾーンフィラメント３２は、２以上のゾーン２２の間、好ましくはすべてのゾーン２２の間を奥行き寸法に延びている基本的に連続的なポリマーフィラメントである。図３において（並びに、図１及び２のカートリッジにおいて）、複数ゾーンフィラメント３２は、米国特許第６，９３８，７８１号及び第６，９８６，４２７号に記載のように、静止フィラメント２８及びＺフィラメント３０を含む。

図４に関してさらに説明されるとおり、ゾーン２２を構成するフィラメントは、形成中のデプスフィルタエレメント１２の回転している円錐形の端部に対して、長さ方向に間隔を空けて配置された位置から吹き付けられることによって、層ごとに塊へと築き上げられる。複数ゾーンフィラメント３２も、形成中のデプスフィルタエレメント１２の回転している円錐形の端部に対して同様に吹き付けられるが、複数ゾーンフィラメント３２は、複数のゾーン２２を横切って長さ方向に延びるパターンにて吹き付けられる。複数ゾーンフィラメント３２は、基本的に、いかなる特定のゾーン２２の形成についても責任を負わない。複数ゾーンフィラメント３２は、合計しても、各ゾーンにおけるフィラメントの塊のうちの５０％未満しかもたらさない。

複数ゾーンフィラメント３２が、とりわけ繊維間の結合を改善し、他のフィラメントからなる機械的な構造体に連結の構成要素をもたらす。とくには、静止フィラメント２８の量が、最も内側ゾーン２２において、少なくとも単位体積当たりにおいて最高であるが、好ましく絶対基準においても最高である。静止フィラメント２８の直径は、最も内側ゾーン２２に使用されるフィラメントの直径とほぼ同じか、それよりも大きくてよい。静止フィラメント２８は、小さな粒子の保持をもたらすために内側ゾーン２２に使用される小さなフィラメント径に鑑みて圧縮において弱くなりかねない内側ゾーン２２を、強固にする。

Ｚフィラメント３０は、（固定された送出システムから吹き付けられるよりもむしろ）形成中のデプスフィルタエレメント１２の回転している円錐形の端部を横切る振動パターンにて吹き付けられる。Ｚフィラメント３０の送出システムを振動させることで、周方向において集中させられた（すなわち、より高い密度の領域と、より低い密度の領域とを有する）フィラメントの塊がもたらされる一方で、静止フィラメント２８及びゾーン２２を構成するフィラメントは、周寸法において一様な密度を有する。これにより、Ｚフィラメント３０は、全体としてのデプスフィルタエレメント１２の密度を大きく増加させることなく、複数のゾーン２２、好ましくはすべてのゾーン２２を圧縮に耐える領域によって結合させる。Ｚフィラメント３０の塊は、デプスフィルタエレメント１２の塊の好ましくは２〜２０％の間である。随意により、Ｚフィラメント３０の単位体積当たりの密度は、内側ゾーン２２において、これらのゾーンをさらに強くするためにより高くてよい。例えば、Ｚフィラメント３０は、最も内側ゾーン２２においてフィラメントの塊の約２５％、最も外側ゾーン２２においてフィラメントの塊の約３％を構成することができる。

図３に示されるように、図示のデプスフィルタエレメント１２は、最も内側ゾーンから最も外側ゾーンへとゾーン２２Ａ〜ゾーン２２Ｅと標記された５つのゾーン２２を有している。これらのゾーン２２を、それぞれ第１〜第５のゾーン２２と称することもできる。外側又は第５のゾーン２２Ｅは、独立部分３２及び重複部分３４を含む。重複部分３４は、１以上の他のゾーン２２の少なくとも５０又は８５％、好ましくはすべてを通って延びている。例えば、図３における重複部分３４は、第４のゾーン２２Ｄの全体を横切り、部分的に第３のゾーン２２Ｃへと延びている。随意により、好ましいというわけではないが、独立部分３２を省略してもよい。ゾーン２２が５つよりも多く、或いは５つよりも少ないデプスフィルタエレメント１２においては、最後のゾーンが、第５のゾーン２２について上述したように製造される。

好ましくは、図３には示されていないが、結合繊維の薄い層が、米国特許第６，９３８，７８１号及び第６，９８６，４２７号に記載のように、最も外側ゾーン２２を覆って追加される。結合繊維は、緩いフィラメントの輪の出現を減らし、デプスフィルタエレメント１２の外面に保護ケージをもたらす。これらの結合繊維は、冷却時に収縮して、デプスフィルタエレメント１２の有効表面積を増やすための粗さをもたらすこともできる。

図面は円筒形のフィルタに向けられているが、同じ原理が、平坦なシート又は平面状の製品に適用可能である。そのような平坦な製品を、平坦なテーブルに沿って、テーブルの幅を横切って振動するフィラメント吹き付け器によって製造することができ、或いは大型の円柱形のマンドレル上で製造されたデプスフィルタエレメントを長さに沿って切断して材料のシートを得ることによって、製造することができる。

図４が、管状デプスフィルタ媒体を不定の長さへと連続的に製造するためのシステム１１０を示している。次いで、媒体を、所望の長さの複数の個々のデプスフィルタエレメント１２へと切断することができる。このシステムは、例えば米国特許第６，９３８，７８１号の図５など、米国特許第６，９３８，７８１号及び第６，９８６，４２７号に記載のシステムに似ているが、第５のゾーン２２をもたらすためのフィラメント送出システムが追加されている。

システム１１０は、モータによって駆動されるスクリュ式の押し出し器１１２を備えており、熱可塑性ポリマー材料が供給源（図示せず）から押し出し器１１２へと供給される。ポリプロピレンが好ましいが、ポリエステル、ナイロン（商標）、又はポリウレタンなどの他の材料も、フィラメントのうちの一部又はすべてについて使用可能である。押し出し器１１２において、ポリマー材料は、溶融状態へと加熱され、その時点において計量され、加熱された配送ライン１１４へと運ばれる。材料は、２つのフィラメント送出システム１１６及び１１８へと運ばれる。

フィラメント送出システム１１６は、５つのノズル１２７、１２８、１２９、２１６、及び２１７の各々について、加熱された配送ライン１１４から溶融したポリマー材料を受け取ってヒータブロック１２２へと送るモータによって駆動される歯車式の容積型計量ポンプ１２０を備える。計量ポンプ１２０を駆動するモータ１２４の速度、したがって計量ポンプ１２０によって計量される材料の流量は、適切なコントローラ１２６によって電子的に制御される。モータ１２４及びコントローラ１２６は、図を簡単にするためにノズル１２７についてのみ示されているが、典型的にはノズル１２８、１２９、２１６、及び２１７の各々にも１つずつ設けられると考えられる。

加熱手段（図示せず）によって別個独立に加熱される各々のヒータブロック１２２は、ノズル１２７、１２８、１２９、２１６、及び２１７のうちの１つへとつながる内部通路を備える。加熱手段、したがってヒータブロック１２２内のポリマー材料の温度は、温度制御部１３０によって制御される。各々のノズル１２７、１２８、１２９、２１６、及び２１７は、オリフィスを備えており、オリフィスのサイズを、フィラメントの所望のサイズ又は直径の達成を助けるように所望のとおりに選択することができる。各々のノズル１２７、１２８、１２９、２１６、及び２１７へと供給された溶融した材料は、細流にてそれぞれのオリフィスを出る。好ましくは、オリフィスのサイズは、ノズル１２７が最小のオリフィスを有し、ノズル２１７が最大のオリフィスを有するように、ノズル１２７、１２８、１２９、２１６、及び２１７において図４の右側から左側へと大きくなる。

各々のノズル１２７、１２８、１２９、２１６、及び２１７に、複数のガス又は空気ジェットを備える減衰機構１３１、１３２、１３３、２１８、及び２１９が組合せられている。減衰機構１３１、１３２、１３３、２１８、及び２１９から流出するガスが、技術的に公知のやり方で、ノズル１２７、１２８、１２９、２１６、及び２１７から出る溶融した材料の細流を細くして、ポリマーフィラメントを形成するように機能する。したがって、減衰機構１３１、１３２、１３３、２１８、及び２１９は、Ｌｉｎの米国特許第４，１７３，４４３号に記載の減衰機構などの技術的に公知の任意の設計の減衰機構であってよく、米国特許第４，１７３，４４３号の開示は、ここでの言及によって本明細書に援用される。

減衰機構１３１、１３２、１３３、２１８、及び２１９は、随意によるガスヒータ１３４及びガス供給源１３６に組合せられる。ガス供給源１３６は、導管１３８並びに適切な弁及び調整器を介してヒータ１３４へとガスを供給する。ヒータ１３４の温度は、温度制御部１４０によって所望の温度へと上げられ、或いは下げられる。その後に、ガスは、ヒータ１３４から導管１４２を通って減衰機構１３１へと送られる。減衰機構１３１、１３２、１３３、２１８、及び２１９に、共通の供給源からガスを供給することができ、或いは別々に制御されるガス供給源を、各々の減衰機構１３１、１３２、１３３、２１８、及び２１９について使用することができる。共通のガス供給の場合、典型的には、各々の減衰機構１３１、１３２、１３３、２１８、２１９が異なる流量で空気を受け取ることができるように、流量制御弁（図示せず）が設けられる。

フィラメント送出システム１１８は、好ましくはフィラメント送出システム１１８がシステム１１６に使用されるノズルのうちの１以上によって生み出されるフィラメントと積極的に混ざり合うようなやり方でフィラメントを送り出す手段を備える点を除き、上述のシステム１１６と実質的に同様である。フィラメント送出システム１１８は、１以上のポリマー押し出しノズルを備えることができる。一実施形態は、掃引機構へと接続されたノズル１４４及び減衰器１５４を使用する。具体的には、システム１１８は、ヒータブロック１４６と、独立して駆動される容積型計量ポンプ１４８と、モータ１５０とを備える。ヒータブロック１４６は、温度制御部１５２を備える。システム１１８は、ノズル１４４に組合せられた減衰機構１５４をさらに備える。加圧されたガスが、ガス供給源１５６から導管１５８を介して減衰機構１５４へと通される。送出システム１１６と同様に、システム１１８における減衰器の各々を、随意によるガスヒータ（図示せず）に組合せることができる。別々のフィラメント送出システム１１６及び１１８を備えることで、システム１１６及びシステム１１８の各々の部分によって生み出されるポリマーフィラメントの別々の制御及び製造が可能になる。

送出システム１１６及び１１８は、ノズル１２７、１２８、１２９、２１６、２１７、１４４、２２４並びに減衰機構１３１、１３２、１３３、２１８、２１９、１５４、及び２２６のそれぞれからフィラメント収集装置１７４へと向けられた末広がりのパターン１６６、１６８、１７０、２２０、２２１、１７２、及び２２８に分布する別個の基本的に連続的なポリマーフィラメントの細流を生み出す。好ましくは、各々のパターンのフィラメントがそれぞれの隣のパターンのフィラメントとつながり、一体的な管状フィラメントの塊がもたらされるように、隣り合うフィラメントのパターン１６６、１６８、１７０、及び２２０に或る程度の重なり合いが存在する。さらに、フィラメントのパターン２２１は、パターン２２０の少なくとも半分、随意によりパターン２２０の少なくとも８５％、好ましくはパターン２２０のすべてに重なり、より好ましくはパターン１７０の一部とも重なる。フィラメント収集装置１７４は、駆動モータ１７８から延びるマンドレル又はドラムなどの中央の回転可能な収集装置１７６を含む。軸棒１８１を中心にして回転するプレスロール部材１８０が、マンドレル１７６の隣に、マンドレル１７６から離して配置されている。

動作の際に、細流１６６、１６８、１７０、２２０、及び２２１の基本的に連続的なポリマーフィラメントが、末広がりのパターンにて回転しているマンドレル１７６へと向けられ、マンドレル１７６上に集められる。マンドレル１７６が示されているが、大径のドラムなど、他の収集装置も使用可能であると考えられる。同時に、細流１７２を往復又は振動させることで、細流１６６の遠方の縁１８２と細流２２１の遠方の縁１８４との間の距離にわたり、細流１６６、１６８、１７０、２２０、及び２２１によってもたらされたフィラメントの層を横切る基本的に連続フィラメント又は繊維の細流が配置される。回転しているプレスローラ１８０が、回転しているマンドレル１７６上に蓄積したフィラメントに当接する。充分なフィラメントがマンドレル１７６上に溜まるにつれて、プレスローラ１８０が、不織のフィラメントの塊又は繊維構造体１８６をマンドレル１７６の軸端から矢印１８８の方向に押すことで、不定の長さの連続フィラメントの塊１８６が生み出される。フィラメントの塊１８６は、径寸法、長さ寸法、及び周寸法を有している。フィラメント収集装置１７４の全体は、Ｌｉｎの米国特許第４，２４０，８６４号に記載のフィラメント収集装置と同様であってよく、米国特許第４，２４０，８６４号の開示は、ここでの言及によって本明細書に援用される。

ノズル１２７、１２８、１２９、２１６、及び２１７は、好ましくはマンドレル１７６に対する平行から約０〜１５度ずらされた共通の軸１９０に沿って長さ方向に並べられる。各々のノズル１２７、１２８、１２９、２１６、及び２１７は、軸１９２、１９４、１９６、１９３、及び１９５をそれぞれ定めるオリフィスを備える。軸１９２、１９４、１９６、及び１９３は、好ましくは軸１９０に垂直であり、マンドレル１７６に対する垂直から約０〜１５度ずらされている。軸１９２、１９４、１９６、１９３、及び１９５は、一般に、それぞれのノズルのオリフィスを出る溶融したポリマーの流れの軸に一致する。この向きが、マンドレル１７６へと向けられている末広がりのフィラメントのパターン１６６、１６８、１７０、２２０、及び２２１をもたらす。フィラメントのパターン２２１は、好ましくは、フィラメントのパターン２２１にフィラメントのパターン２２０との重なり及び随意によるフィラメントのパターン１７０との重なりを持たせるうえで助けとなるように、フィラメントのパターン１７０に向かって内側へと傾けられる。フィラメントのパターン２２１は、好ましくは、ノズル２１７を内側へと傾けることによって傾けられる。随意により、減衰器２１９も内側へと傾けることができる。

一例（ただし、これに限られるわけではない）として、フィラメントのパターン１６６、１６８、１７０、２２０、及び２２１のポリマーフィラメントを、摂氏約３２５度〜摂氏約４００度の間の温度へと加熱されたポリプロピレンを、ノズルごとに毎時約５〜２０ポンドの流量で押し出しつつ、ノズルのオリフィスを出る溶融したポリマーの細流を覆って毎分約１０〜２０標準立方フィートの流量で摂氏約２５度の温度の外気を通すことによって、生成することができる。マンドレル１７６を、６００〜１０００ｒｐｍの間で回転させることができる。

フィラメントのパターン１７２は、往復する横断のパターンにて移動し、好ましくは主たるパターンの縁１８２及び１８４の間の距離に及ぶパターン１７２Ａを含む。或いは、フィラメントのパターン１７２は、縁１８２及び１８４の間の距離には及ばない。フィラメントのパターン１７２は、好ましくは、パターン１７２がプレスローラ１８０へと直接吹き付けられることなくノズル１４４からマンドレル１７６へと移動して形成中のフィラメントの塊１８６に到達するように、プレスローラ１８０の上方又は下方の位置に位置する１以上のノズル１４４から由来する。

減衰機構１５４は、好ましくは、フィラメントのパターン１７２Ａがフィラメントの塊１８６の長さ寸法に沿って繊維のパターン１６６、１６８、１７０、２２０、及び２２１の間を横切って往復するように減衰機構１５４又はノズル１４４を或る角度にわたって掃引することができるサーボ駆動の掃引機構１９８を備える。パターン１７２Ａが繊維のパターン１６６、１６８、１７０、２２０、及び２２１を横切るため、主たるパターンの縁１８２及び１８４の間を広がる全体としての配置パターンを横切って基本的に連続的なポリマーフィラメントが配置される。

好ましい実施形態では、掃引機構１９８は、カムとフォロワとからなる機構を有するサーボ駆動モータを備える。例えばＡＣ／ＤＣ駆動の機械的なクランクとプッシュロッドとからなる機構など、他の適切な装置も、容認される。好ましい実施形態では、掃引機構１９８は、毎分約８００〜１０００回の振動にて動作する。図示のとおり、ノズル１４４の減衰機構１５４が、マンドレル１７６へと向けられている末広がりのフィラメントのパターン１７２をもたらすガス流を生み出すように向けられる。

好ましくは、フィラメントのパターン１７２の繊維が、フィラメントのパターン１６６、１６８、１７０、２２０、及び２２１の繊維に触れるときに依然として比較的液体である。外皮又は外殻が、フィラメントのパターン１７２の繊維上にまだ完全には形成されていないため、接触時にフィラメントのパターン１６６、１６８、１７０、２２０、及び２２１の繊維に瞬時に付着する。しかしながら、フィラメントのパターン１６６、１６８、１７０、２２０、及び２２１の繊維の溶融を避けるために、フィラメントのパターン１７２の繊維の或る程度の減衰又は冷却が必要である。

一例（ただし、これに限られるわけではない）として、フィラメントのパターン１７２のポリマーフィラメントは、本発明のデプスフィルタにおいて、摂氏約３２５度〜摂氏約４００度の間の温度へと加熱されたポリプロピレンを毎時約８ポンドの流量で約０．０１６インチのオリフィスサイズを有するノズルに通しつつ、ノズルのオリフィスを出る溶融したポリマーの細流を覆って毎分約７標準立方フィートの流量で摂氏約２５度の温度の外気を通すことによって生成される。他の適切なパラメータの組合せも、使用可能である。

蓄積したフィラメントの塊１８６が、マンドレル１７６上に生成される。フィラメントのパターン１７２は、パターンの縁１８２及び１８４の間を掃引して全体としてのより広い円錐形のパターン１７２を生み出す往復する円錐形のフィラメントのパターン１７２Ａを含む。一実施形態では、プレスローラ１８０は、ニップ２００をマンドレル１７６に接触させてマンドレル１７６に対して或る角度に向けられる。一例（ただし、これに限られるわけではない）として、プレスローラ１８０の外面２０２は、マンドレル１７６に対して約１〜１０度だけ角度がずらされる。一実施形態では、ニップ２００は、フィラメントのパターン１６６の縁１８２の近くでマンドレル１７６に接触する。プレスローラ１８０の斜め配置ゆえに、蓄積されたフィラメントの塊１８６のフィラメントの圧縮は、プレスローラ１８０の長さに沿って変化する。これは、径寸法において変化している密度勾配を有するフィラメントの塊をもたらし、フィラメントのパターン１６６のフィラメントの密度が、通常は外側のフィラメントのパターンからなるフィラメントの塊よりも大きい。

フィラメントのパターン１６６、１６８、１７０、２２０、及び２２１からの繊維は、繊維の多数の層からなるフィラメントの塊１８６を作り上げるようにマンドレル１７６上に連続的に形成される材料のおおむね二次元のマット又は層を形成する。これらの繊維を、Ｘ−Ｙ平面或いは長さ及び周（又は、緯度）寸法に配置されていると表現することができる。繊維が層ごとに蓄積されているにつれ、径又は奥行き寸法が生み出される。フィラメントのパターン１７２Ａの掃引運動が、マンドレル１７６の回転と組み合わさって、ノズル１４４からの繊維を、フィラメントのパターン１６６、１６８、１７０、２２０、及び２２１によって生み出されるゾーンを通って径方向に延びる「ｚ」方向の繊維として塊１８６へと一体化させる。フィラメントのパターン１６６、１６８、１７０、２２０、及び２２１は、図３に示したゾーン２２を生成する。図３のＺフィラメント３０は、フィラメントのパターン１７２によって生成される。Ｚフィラメント３０は、好ましくは、デプスフィルタエレメント１２の回転の約１２０度以下において、ゾーン２２の内側から外側を経て再び内側へと連続的なやり方で配置される。

システム１１０は、好ましくはフィラメント送出システム２１４をさらに備え、フィラメント送出システム２１４は、フィラメント送出システム２１４が好ましくはシステム１１６に使用されるノズルのうちの１以上によって生み出される繊維と混ざり合うようなやり方でフィラメントを送り出す手段を備える点を除いて、上述のシステム１１６のフィラメント送出システムと実質的に同様である。フィラメント送出システム２１４は、１以上のポリマー押し出しノズルを備えることができる。一実施形態は、減衰器２２６を備える１つのノズル２２４を、フィラメントのパターン１６６、１６８、１７０、２２０、及び２２１、並びにフィラメント送出システム１１８のフィラメントのパターンと混ざり合う楕円形のパターンにてフィラメントの塊１８６と接触するフィラメントのパターン又は細流２２８をもたらすようにマンドレル１７６に対して鋭角に配置して使用する。

具体的には、システム２１４は、ヒータブロック２３０と、独立して駆動される容積型計量ポンプ２３２と、モータ２３４とを備える。ヒータブロック２３０は、ノズル２２４及び温度制御部２３６を備える。さらに、システム２１４は、ノズル２２４に組合せられた減衰機構２２６を備える。加圧されたガスが、ガス供給源２３８から導管２４０を介して減衰機構２２６へと通される。送出システム１１６と同様に、減衰器２２６に、随意によるガスヒータ（図示せず）を組合せることができる。別々のフィラメント送出システム１１８及び２１４を設けることで、フィラメント送出システム１１８及び２１４の各々がフィラメントの塊１８６を径又はｚ寸法に横断するフィラメントを生み出すが、各々のシステム１１８及び２１４によって生成されるポリマーフィラメントの別々の制御及び生成が可能になる。一実施形態では、フィラメント送出システム２１４のための材料の供給源は、配送ライン１１４による押し出し器１１２であるが、別の実施形態では、システム２１４の材料源は、フィラメント送出システム１１６、１１８、及び２１４に使用される材料に別の材料をもたらすために別である。

送出システム２１４は、末広がりのパターン２２８に分布し、ノズル２２４及び減衰機構２２６からフィラメント収集装置１７４へと向けられた別個の基本的に連続的なポリマー繊維の細流を生み出す。動作の際に、フィラメントのパターン２２８は、末広がりのパターンにて回転しているマンドレル１７６へと向けられる。一実施形態では、フィラメントのパターン２２８は、細流１６６の遠方の縁１８２と細流２２１の遠方の縁１８４との間の距離に及ぶ。別の実施形態では、フィラメントのパターン２２８は、遠方の縁１８２及び１８４の間の距離の全体には及ばないが、例えばフィラメントのパターン２２８が及ぶ距離が各々の主たるフィラメントの細流１６６、１６８、１７０、２２０、及び２２１が個別に及ぶ距離よりも長いなど、フィラメントの塊１８６の形成層のかなりの部分に及ぶ。好ましくは、フィラメントのパターン２２８が及ぶ距離は、２以上の隣り合う主たるフィラメントの細流１６６、１６８、１７０、２２０、及び２２１が及ぶ距離よりも大きい。一実施形態では、ノズル２２４は、マンドレル１７６に対して約１０度〜約２０度の鋭角に配置される。図３における静止フィラメント２８が、吹き付けパターン２２８のフィラメントに相当する。

外殻形成フィラメント送出システム２２２は、外殻形成フィラメント送出システム２２２が好ましくはフィラメントの塊１８６の円柱形の外面上に比較的滑らかな外殻ゾーンを生み出すように構成及び配置される点を除き、上述のシステム１１６と実質的に同様である。外殻形成フィラメント送出システム２２２は、好ましくは、フィラメント送出システム１１６と比べて異なる位置、ポリマー処理量、及び空気減衰設定を使用する。システム１１６と比べ、ノズル２４４は、好ましくはマンドレル１７６により近く配置され、より少ないポリマー処理量を使用し、さらには減衰機構２４６が、より少ない空気による減衰を使用する。システム１１６と同様に、外殻形成フィラメント送出システム２２２は、ヒータブロック２４８と、計量ポンプ２５０と、モータ２５２と、温度制御部２５４と、ガス供給源２５６と、導管２５８とを備える。一例（ただし、これに限られるわけではない）として、フィラメントのパターン２６２のポリマーフィラメントは、摂氏約２７０度〜摂氏約３２５度の間の温度へと加熱されたポリプロピレンを毎時約１ポンドの流量で約０．０１６インチのオリフィスサイズを有するノズル２４４を通って押し出し、ノズルのオリフィスを出る溶融したポリマーの細流を覆って毎分約１．５標準立方フィートの流量で摂氏約２５度の温度の外気を通すことによって生成される。

ノズル２４４は、好ましくは、ノズル２４４によって生成されるフィラメントが、フィラメントのパターン２２１によって形成される外側ゾーン２２ｅの上に置かれるように配置される。この構成は、外殻の繊維と外側ゾーン２２ｅの繊維との間の或る程度の結合を含むかなりの繊維対繊維の結合を有するきわめて浅いゾーン又は外殻を生み出す。外殻の繊維対繊維の結合は、仕上がったデプスフィルタエレメント１２の表面における緩んだ繊維の存在を基本的に排除し、得られるデプスフィルタエレメント１２の表面積を大きく増加させる。

図５及び６が、３つの設計に従って製造された、いくつかのデプスフィルタカートリッジについての試験結果を示している。これらのカートリッジの各々は、約６．５インチの外径、４０インチの公称長さ（すなわち、約３７又は３８インチ）、並びに１２ミクロンの粒子についての約９０％の除去効率又は７０ミクロンの粒子の９９％の（絶対の）除去を有した。フィルタＡ及びＢは、米国特許第６，９３８，７８１号及び第６，９８６，４２７号に記載の方法に従って製造され、それぞれ４つ及び５つの最小限の重なり合いの同心ゾーン並びに静止及びＺ形の複数ゾーンフィラメントを有している。フィルタＣは、図１〜４に示したとおりに製造され、５つのゾーン並びに類似の静止及びＺ形の複数ゾーンフィラメントを有しており、第５のゾーンがゾーン４及びゾーン３の一部に重なっている。

図５に示されるとおり、フィルタＢ及びフィルタＣの各々は、フィルタＡのどれと比べても顕著に大きいごみ保持容量（ＤＨＣ）をもたらした。しかしながら、図６に示されるとおり、フィルタＣの４０ｇｐｍにおける５０ｐｓｉの圧力差までの寿命は、フィルタＡ及びフィルタＢの両方と比べて顕著に伸びた。これらの結果及びフィルタの目視点検にもとづき、本発明の発明者は、フィルタＣがフィルタＢよりも圧縮によく耐え、フィルタＣのこの特性が、フィルタＢと比べて改善されたフィルタＣの寿命に少なくとも部分的に貢献していると考える。理論によって限定されるつもりはないが、本発明の発明者は、大径のフィルタエレメントの製造時の高い回転速度にもかかわらず、第５のゾーンから第４のゾーンへのフィラメントの重なりが、フィラメント対フィラメントの結合の密度を高めるとともに、これらのゾーンにおける単位体積当たりの適切なフィラメント密度を可能にすると考えられる。第４のゾーンに対する第５のゾーンの斜めの吹き付けパターンも、第４のゾーンの圧縮をさらに抑制することができる。

他の試験において、フィルタＣの清浄水圧力差（圧力損失）を測定したところ、４０ｇｐｍにおいて０．２〜０．４ｐｓｉの間であった。フィルタを８０ｇｐｍで動作させたとき、圧力損失は依然として無視できる程度であった。１００ｇｐｍにおいて１．０ｐｓｉの圧力損失が記録された。

米国特許第６，３５８，４１７号、第６，９１６，３９５号、第６，９３８，７８１号、及び第６，９８６，４２７号が、本明細書に援用される。国際公開第２０１２／０３４０２８号が、本明細書に援用される。

本発明の開示を助け、本発明を実施可能にするために、本発明の１以上の実施形態を、この詳細な説明において図面を参照して説明した。しかしながら、本発明は、特許請求の範囲によって定められ、特許請求の範囲をこれらの特定の例又は実施形態に限定することは、意図されていない。特許請求の範囲は、代案、改良、及び均等物を含むことができる。

Claims (15)

1. ３以上の同心ゾーンを有している管状デプスフィルタエレメントであって、外側ゾーンの１以上のフィラメントが他のゾーンのフィラメントよりも大きい直径を有しており、外側ゾーンのフィラメントが、他のゾーンの奥行きの少なくとも８５％を貫いて該他のゾーンのフィラメントに重なり、交わり、或いは混ざり合っており、管状デプスフィルタエレメントが、４．５インチ（１１．５ｃｍ）以上の外径を有している、管状デプスフィルタエレメント。
2. 各々のゾーンが基本的に連続フィラメントで作られている、請求項１に記載の管状デプスフィルタエレメント。
3. 外側ゾーンのフィラメントが、他のゾーンの奥行きの全体を貫いて該他のゾーンのフィラメントに重なり、交わり、或いは混ざり合っている、請求項１又は請求項２に記載の管状デプスフィルタエレメント。
4. 外側ゾーンのフィラメントが、他のゾーンの奥行きの全体及び他のゾーンに隣接する第３のゾーンの一部を貫いて該他のゾーンのフィラメントに重なり、交わり、或いは混ざり合っている、請求項１又は請求項２に記載の管状デプスフィルタエレメント。
5. ４以上の同心ゾーンを有している、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の管状デプスフィルタエレメント。
6. すべてのゾーンを横切る１以上の追加のフィラメントを有している、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の管状デプスフィルタエレメント。
7. ６．５インチ（１６．５ｃｍ）以上の外径を有している、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の管状デプスフィルタエレメント。
8. ２０ミクロンの粒子の除去に関して少なくとも９０％の効率を有し、或いは７０ミクロンの粒子の絶対除去を有している、請求項７に記載の管状デプスフィルタエレメント。
9. 清浄水圧力差が、４０ｇｐｍ（１５１Ｌ／ｍ）で動作させられる少なくとも長さ３７インチ（９４ｃｍ）のフィルタにおいて０．５ｐｓｉ（３．５ｋＰａ）以下、又は１００ｇｐｍ（３７８Ｌ／ｍ）で動作させられる少なくとも長さ３７インチ（９４ｃｍ）のフィルタにおいて１ｐｓｉ（７ｋＰａ）以下である、請求項７又は請求項８に記載の管状デプスフィルタエレメント。
10. デプスフィルタエレメントの製造方法であって、
    メルトブローによるフィラメントを回転しているマンドレルへと吹き付けて円錐形のプレスローラに接触したフィラメントの塊を形成するステップを含んでおり、
    フィラメントは、マンドレルの長さに沿って間隔を空けつつ並べられた３以上のノズルから吹き付けられ、フィラメントのうちの２つは、平行軸を中心に吹き付けられ、フィラメントのうちの１つであって、外側ゾーンを形成するフィラメントは、隣のフィラメントゾーンの吹き付けパターンの少なくとも８５％と重なる吹き付けパターンにて形成される、方法。
11. フィラメントのうちの１つは、隣のフィラメントの吹き付けパターン全体と重なる吹き付けパターンにて形成される、請求項１０に記載の方法。
12. 重なる吹き付けパターンは、他のフィラメントより大きな直径を有するフィラメントを用いて生み出される、請求項１０又は請求項１１に記載の方法。
13. 重なる吹き付けパターンは、重ねられるゾーンに向かってマンドレルの法線に対して少なくとも１０度傾けられる、請求項１２に記載の方法。
14. デプスフィルタエレメントを製造する装置であって、
    ａ）回転可能なマンドレルと、
    ｂ）円錐形のプレスローラと、
    ｃ）マンドレルの長さに沿って間隔を空けつつ並べられ、溶融紡糸フィラメントをマンドレルへと吹き付けるように構成された３以上のノズルと
    を備えており、
    ノズルのうちの第１のノズルは、第２のノズルによって形成される吹き付けパターンの少なくとも８５％と重なる吹き付けパターンを形成するように構成され、
    ノズルのうちの第１のノズルは、第２のノズルに対して少なくとも１０度傾けられる、装置。
15. ノズルのうちの第１のノズルは、第２のノズルによって形成される吹き付けパターンと重なり、かつ第３のノズルによって形成される吹き付けパターンの一部と重なる吹き付けパターンを形成するように構成される、請求項１４に記載の装置。