JPH0731813A

JPH0731813A - フィルターカートリッジ及び濾過方法

Info

Publication number: JPH0731813A
Application number: JP18011393A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Tanaka; 茂樹田中
Original assignee: Toyobo Co Ltd
Current assignee: Toyobo Co Ltd
Priority date: 1993-07-21
Filing date: 1993-07-21
Publication date: 1995-02-03
Anticipated expiration: 2018-07-28
Also published as: JP3431086B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、濾過精度が高い上に濾過ライフの
長い濾過処理能力の優れた濾過材および濾過方法を提供
することにある。【構成】管状コアー材に繊維径分布のバラツキの小さ
い繊維よりなる繊維集合体を巻き付けてフィルターカー
トリッジを作成する際に、コアー材に近い部分ほど繊維
の分散状態をよくしていくことによりフィルター性能を
改善する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、気体または液体中に含
まれるミクロンまたはサブミクロンオーダーの微小な粒
子を除去するためのフィルターカートリッジ及び濾過方
法に関し、更にくわしくは、濾過ライフが長く、処理能
力に優れたフィルターカートリッジおよび濾過方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来から濾過材の開発において濾過精度
を高くなるように濾材を設定すると濾過ライフが短くな
り、逆に濾過ライフを長くすると濾過精度が低下すると
いう問題点がありその解決に努力されてきた。

【０００３】かかる問題を解決し、フィルターの濾過精
度が高く濾過ライフを長くするための工夫として、特開
昭６０−２１６８１８に記載されたように濾過材の繊維
径を濾過材の深さ方向に変えたり、また実開昭６０−２
８００９に見られるように繊維の充填密度を深さ方向に
勾配をもたせるという方法が取られてきた。これらは、
繊維により形成される孔径を下流側ほど小さくすること
を目的としてなされてきた。

【０００４】しかしながら、繊維径を変更することは異
なった紡糸条件下でつくられた不織布を何種類も保有す
る事が必要であり、濾材の製造条件の設定変更のロスが
大きいという問題があった。また、特開昭６０−２１６
８１８に見られるように製造条件を変更しつつ濾過材を
濾芯（管状コアー部材）に巻き付けていく方法は、その
ような問題点を解決できるが紡糸の条件が一定しないた
めにポリマー配管内に流れの変動や不均一を生じポリマ
ー滞留時間の斑を生じるためにポリマー粘度の斑が発生
し、オリフィスの孔詰まりを生じたり、紡糸が不安定化
し繊維径の変動や糸切れを生じるという問題点があっ
た。また、充填率の調整には新たな工程の追加が必要で
ありコストを高くするという問題もあった。

【０００５】また、特開平１−２９７１１３には、シー
トの粗密ムラと繊維径分布を大きくすることによりカー
トリッジフィルターのライフを長くすることが知られて
いる。しかし、繊維径の分布が大きくなると、太い繊維
が存在するために、繊維の冷却が遅れ、繊維が融着し、
濾材中にデッドスペースを生じることにより濾材全面を
有効に使えないという問題があった。また、これらの工
夫による効果も十分ではなかった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来のフィ
ルターカートリッジの欠点を解消したライフの長い濾過
を可能とするフィルターカートリッジを提供することを
課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、かかる課題を
解決するために次の手段をとる。すなわち、本発明は、
液体通過孔を有する管状コアー部材の外側に平均繊維径
が０．１〜１０μｍの間にあり、繊維径分布のばらつき
を示す指数である標準偏差を平均値でわったＣＶ％が５
０％以下である極細繊維よりなり、目付が５〜２００ｇ
／ｍ² の範囲にある繊維集合体を少なくとも３巻以上巻
き付け端部を固定したカートリッジフィルタにおいて、
コアー部材に近い繊維集合体ほど繊維の分散状態が良く
均一に繊維が分布させる事を特徴とするフィルターカー
トリッジ（請求項１）である。

【０００８】また、本発明は、液体通過孔を有する管状
コアー部材の外側に極細繊維よりなり目付が５〜２００
ｇ／ｍ² の範囲にある繊維集合体を少なくとも３巻以上
巻き付け端部を固定したカートリッジフィルターにおい
て、最大孔径と平均流量孔径の比が１．２〜３．０の間
にある濾過材をコアー部材に近い程その比の値が小さく
なよるようにする事を特徴とする請求項１に記載のフィ
ルターカートリッジ（請求項２）である。

【０００９】さらに、本発明は、請求項１または請求項
２に記載のフィルターカートリッジにおいて該繊維集合
体がメルトブロー法により得られ、繊維の分散状態をメ
ルトブローダイと不織布の捕集体の間の距離を変える事
により制御し変化させることにより得られたフィルター
カートリッジ（請求項３）である。

【００１０】また、本発明は、液体通過孔を有する管状
コアー部材の外側に極細繊維よりなり目付が５〜２００
ｇ／ｍ² の範囲にある不織布を少なくとも３巻以上巻き
付けたカートリッジフィルターにおいて、コアー材に近
いほど濾過材の目付を小さくすることを特徴とするフィ
ルターカートリッジ（請求項４）である。

【００１１】さらにまた、本発明は、液体通過孔を有す
る管状コアー部材の外側に極細繊維層よりなり目付が５
〜２００ｇ／ｍ² の範囲にある不織布を少なくとも３巻
以上巻き付けた濾過材において、コアー材に近いほど濾
過材の巻応力を高くすることを特徴とするフィルターカ
ートリッジ（請求項５）である。

【００１２】また、本発明は、コアー材に近いほど繊維
径のＣＶ％を小さくした請求項２に記載のフィルターカ
ートリッジ（請求項６）である。

【００１３】さらに、本発明は、請求項記載のいずれか
のフィルターカートリッジを使用し、濾過速度が線速度
で０．５〜１００ｃｍ／分で処理することを特徴とする
濾過方法である。

【００１４】以下に本発明を詳細に説明する。本発明に
使用される濾過材は、平均繊維径が０．１μｍから１０
μｍの間にある極細繊維よりなる。深層濾過に用いられ
る繊維は、下流側にいくほど細いことが好ましく、最内
層では、平均値で５μｍ以下、更に好ましくは、２．５
μｍ以下が好ましい。これらの極細繊維を製造する方法
としては熱可塑性ポリマーを使用する際には例えば、複
合紡糸法やスパンボンド法、メルトブロー法、静電紡糸
法などがあげられる。これらの方法の中で、スパンボン
ド法やメルトブロー法は後加工工程なしで濾過材を直接
形成できるためコスト的に有利であると考えられる。繊
維集合体の形態としては織布でも不織布でもよいが、不
織布の方が繊維がランダムに分散しており濾過精度を上
げるうえで効果的である。

【００１５】本発明に使用される濾過材の繊維径のバラ
ツキは狭いほど好ましく、特開平１−２９７１１３にあ
るようにノズルダイとシートをひきとる捕集体の間の距
離（ＤＣＤ）を変化させても繊維径分布に殆ど変化がな
いようコントロールする事が重要である。そのために
は、メルトブロー系を安定させることが必要である。例
えば、ノズルより噴射される牽引流体の速度及び温度の
シート幅方向でのバラツキが３％以下であり、牽引流体
に吸い込まれる同伴エアー流の速度のバラツキが約５％
以下と小さくなるよう装置を構成することが必要であ
る。これによりＤＣＤを変化させても繊維系のバラツキ
が大きくなることがなく、バラツキを５０％以下にする
事が可能となり、デッドスペースの発生が少なくなる。
また、深さ方向に繊維径ＣＶのを小さくしていくことが
好ましい。

【００１６】繊維集合体の目付は５〜２００ｇ／ｍ² の
範囲にあることが好ましく、更に好ましくは２０〜８０
ｇ／ｍ² にあることが好ましい。目付が５ｇ／ｍ² より
小さくなると管状コアー材に繊維集合体を巻き付けるコ
ストの上昇を招き、さらには加工工程で繊維集合体が何
らかの理由で切断されるなどの問題を生じやすい。一
方、目付が２００ｇ／ｍ² より大きくなると濾材に巻き
付ける際にシワが入るなどして操業性に問題がある。

【００１７】本発明においては、最も重要な要件として
管状コアー材に近い繊維集合体ほど繊維の分散状態が良
く均一に繊維を分散させる事を特徴とする。すなわち濾
過液体の流れ込む上流側にある濾材は繊維の分散状態を
故意に不良にしておき、濾材の一層が目詰まりを生じる
ことを防止し、何重にも巻き付けられた濾過材が均等に
濾過に寄与すること可能としている。従来の濾過材は、
濾材に繊維が均一に分散した際には表層と濾材内部（断
面方向）に構造の差が小さいために大きな粒子はほとん
ど濾材の表面でのみ濾過されるために一番上流側にある
表層の濾材の部分でケーキ層を形成するために濾過抵抗
が増加し、濾過ライフを短くするという問題点を生じて
いる。従って実際に濾過に使用される濾材はほとんど表
層部近傍のみであり濾材を何層にも積層する効果がなか
った。繊維の分散が均一でない場合には、一枚の濾材中
で部分的に繊維の充填密度が高い部分は、濾過の初期段
階で寄与しないが、濾材の部分的に繊維の充填密度が低
い部分が粒子の捕捉により閉息してくるとこの部分でも
濾過が行われ、フィルターライフの向上や濾過精度の改
善に寄与してくる。この点は、繊維径分布のバラツキが
大きい際の太い繊維が濾過に全く寄与しないことと大い
に異なる。

【００１８】本発明では繊維の分散状態を変更し、積層
される濾材の上流側ほど部分的に繊維の分散により大き
な粗密をつけること濾過ライフを長くする。すなわち、
繊維により形成されるミクロな孔（ポアー）のサイズの
分布が大きくなり、大きな孔で粒子を意識的に透過させ
ることにより下流側の濾材で濾過をさせることで深さ方
向の繊維を有効に用いることが可能となる。一方管状コ
アー体に近い濾過材は、大きい粒子が外側の層ですでに
除去されているため、濾過精度が上がるように均一なポ
アーサイズを形成するように繊維を均一に分散させるこ
とが必要となる。

【００１９】繊維の分散状態を変える方法としては、例
えばメルトブロー法においてはポリマーを吐出するダイ
と不織布の捕集体の間の距離（ＤＣＤ）を変えることで
容易に達成が可能である。適正なダイと捕集体の距離と
しては、紡糸の条件や濾過対象粒子の大きさにより異な
るが、一般的には３〜６０ｃｍが好ましく、より好まし
くは１０〜４０ｃｍの間にあることが好ましい。カート
リッジの下流側である最内層はＤＣＤが２０ｃｍ以下で
あることが好ましい。

【００２０】分散状態を変化させる形態としては、深さ
方向に徐々に変化させても良いし、何段階かにステップ
上に変化させても良い。繊維の分散性の評価は、濾過材
の変形を防いで断面をカットし（例えば液体窒素中でカ
ットしたりするなどにより）走査型電子顕微鏡写真でそ
の繊維が絡まってロープ状に何本かの繊維が集合したロ
ープの数を数えたり、ポロメーターなどで繊維により形
成されるポアーのサイズの分布を測定するなどの方法が
あげられる。繊維分散性が良くなるほどポアーサイズは
均一となるが、例えば最大孔径と平均流量孔径の比を測
定し比較する事で確認できる。繊維集合体が不織布であ
る場合は、不織布構造が完全には均一でないことが多い
ために、ポアーサイズの分布が場所により異なる事があ
るので濾材の幅方向に渡り、好ましくは３点以上測定を
実施し、平均値で評価する事が望ましい。

【００２１】最大孔径と平均流量孔径の比は１．２〜
３．０の間にある事が好ましい。この比の値が１．２よ
り小さくなると濾材を積層しても濾過精度が改善されな
いのに濾過ライフが短くなるという問題点を生じる。一
方、この比の値が３．０より大きくなると大きな孔の存
在の為に流れにチャンネリング（偏流）を生じ濾過精度
を高くすることにあまり効果的でなかった。但し、これ
らの積層濾材の最内層に１層程度の膜など孔径が揃った
ファイナルフィルターを用いることも可能である。

【００２２】もう一つの好ましい濾過ライフの改善の方
法としては、濾過材の目付けを深さ方向に変えることが
上げられる。管状コアー材に近い濾材ほど目付けを小さ
くしていくことで濾過材の界面の数を増やすことが効果
的である。すなわち、一般に管状コアー部材に近い濾材
は濾材が比較的密に繊維が充填されていることが多く一
旦、流れにチャンネリングを生じるとその濾材内部での
流れの修正が難しくなる。その修正のために、濾材の界
面を増やすことにより濾過ライフが改善されることがわ
かった。また、低目付の濾材ほどシートの断面積が小さ
く、従って、濾材を芯材に巻き付ける際のテンションに
よる応力が高くなるため、濾材が伸長され繊維によって
形成されるポアーの形状が楕円形状に変形されやすいた
めか、粒子が球形に近い場合ほど濾過効率が向上する傾
向が認められた。目付けを深さ方向に変更し、濾芯に近
いほど目付けを小さくする事で、仮に同一繊維径かつ同
一繊維分散性の濾材を用いた場合でもポアーサイズを深
さ方向に変える事が可能となる。さらには濾芯に近い目
付けの小さい濾材は、濾材が押さえつけられて、見かけ
の繊維充填率が上がり繊維間の距離が小さくすることが
でき、従って濾過精度を高くすることが可能となる。

【００２３】また、濾過ライフを改善する別の方法とし
て、カートリッジを製造する際にコアー部材に近い濾材
ほど巻応力を高くすることによりライフを改善すること
が可能であった。これはポアー形状が楕円形に変形する
効果や見かけの充填密度を上げる効果を目付を変更する
こと無しに達成することを可能とするものであると考え
られる。

【００２４】本発明に用いられる濾過材は、従来から用
いられてきたように、繊維径を深さ方向に変更したり、
充填率を深さ方向に変更する方法と併用してもよく、む
しろ効果を更に大きくする方向にある。また、本発明の
いくつかを併用することも望ましい。

【００２５】本発明のフィルターを多孔性のフイルムや
膜など他の素材と積層したり、水流交絡処理やエレクト
レット加工処理などの後加工を施してもその効果に変わ
りはない。また、顆粒状あるいは繊維状の活性炭やその
他の多孔体より成る層を途中に設けたりして吸着処理な
どを同時に行う事も好ましい。濾過材の保護のためにコ
アー部材と繊維分散性が最も良い濾材の間に保護材とし
て繊維径の太いシートを３層程度巻き付けてもよい。

【００２６】

【実施例】以下実施例をあげて、本発明を具体的に説明
する。実施例に記載の特性値は以下の測定法により決定
した。繊維径繊維の走査型電子顕微鏡写真を取り、その写真より任意
に抽出した２００本の繊維の幅を測定し、算術平均によ
り決定した。この際、２本以上の繊維が融着している繊
維群については、その繊維間の境界が不明瞭である場合
には測定数から除外した。また、以下の式で繊維径分布
のバルツキ使用であるＣＶ％を求めた。繊維径のＣＶ％＝（標準偏差／平均繊維径）×１００繊維分散性コールター社製ポロメーターIIを使用し、ＡＳＴＭＦ
３１６−８６に準じて測定を実施し、最大孔径と平均流
量孔径の比を求めた。濾過精度及び濾過ライフＪＩＳ１１種粒子を０．０５ｇ／ｌ分散させた水溶液を
線速度５ｃｍ／分でシリンジタイプのポンプにより供給
し、３分経過後に濾材前後の液の濁度を測定し、以下の
式により捕集効率を求めた。また、濾過ライフは濾材前
後の差圧をデジタルマノメーターで測定して、濾過圧力
が５Ｋｇｆ／ｃｍ²になるまでの時間を測定して求め
た。

【００２７】実施例１ポリプロピレン製の平均繊維径が２．０μｍで目付が３
０ｇ／ｍ² のメルトブロウン不織布をノズルと捕集体の
距離を２０，３０，４０ｃｍの３水準変更して作成し、
距離の小さいものから管状コアー材に５層ずつまきつけ
てカートリッジを作成した。結果を表１に示した。

【００２８】実施例２ポリプロピレン製の平均繊維径が３．０μｍで目付が３
０ｇ／ｍ² のメルトブロウン不織布をノズルと捕集体の
距離を１０，２０，３０ｃｍの３水準変更して作成し、
距離の小さいものから管状コアー材に５層ずつまきつけ
てカートリッジを作成した。結果を表１に示した。

【００２９】比較例１〜２ポリプロピレン製の平均繊維径が２．０μｍで目付が３
０ｇ／ｍ² のメルトブロウン不織布をノズルと捕集体の
距離を２０，４０ｃｍの２水準変更して作成し、管状コ
アー材に１５層まきつけたカートリッジを作成した。結
果を表１に示した。

【００３０】

【表１】

【００３１】実施例３ポリプロピレン製の平均繊維径が２．０μｍで目付が２
０，２５，３０ｇ／ｍ ² の３水準のメルトブロウン不織
布をノズルと捕集体の距離を４０ｃｍにして作成し、目
付の小さいものから管状コアー材に５層ずつまきつけて
カートリッジを作成した。結果を表２に示した。

【００３２】比較例３ポリプロピレン製の平均繊維径が２．０，３．０，４．
０μｍの３水準でＣＶ％が約６５％ので目付が３０ｇ／
ｍ² のメルトブロウン不織布をノズルと捕集体の距離を
３０ｃｍに固定して作成し、繊維径の小さいものから管
状コアー材に５層ずつまきつけてカートリッジを作成し
た。結果を表２に示した。

【００３３】

【表２】

【００３４】実施例１および２を見てよく判るように繊
維分散状態を変えたサンプルを積層したカートリッジは
濾過精度が９０％以上と高いうえに、濾過ライフも長か
った。一方、比較例１では濾過精度は高いが濾過ライフ
が約２分の１に低下している。また、比較例２では濾過
精度が低下しているが濾過ライフはあまり実施例１や２
と変わりがない。これは精度が低くなるとライフが高く
なるという一般的な期待を裏切る結果あまり好ましくな
い。比較例３では異なった繊維径のサンプルを利用して
いるにもかかわらず、濾過精度はあまりよくないし、濾
過ライフもほとんでかわりない。また、実施例３では比
較例２より合計の目付けが少ないにもかかわらず、濾過
精度が高く、濾過ライフが殆どかわらなかった。

【００３５】実施例４比較例２で用いた３０ｃｍ幅のシートを、５枚づつ巻テ
ンションを内層側から２．０Ｋｇ、１．５Ｋｇ、１．０
Ｋｇに設定してカートリッジを作成した。濾過テストの
結果は精度が７８．４％、ライフ８８．９分とフィルタ
ー性能が改善された。

【００３６】比較例４比較例３の濾材の外表面に繊維径３．０μｍで最大孔径
と平均流量孔径の比が３．１の濾過材を５層巻き付け濾
過テストを実施した。しかしながら、濾過精度、ライフ
とも比較例３の結果と測定誤差の精度内の差しかなかっ
た。

【００３７】

【発明の効果】本発明要件を満たすフィルターカートリ
ッジは、コントロールされた繊維の分散性のためにライ
フの長い濾過を可能とし、濾過にかかるコストを大幅に
改善する。また、本発明方法は、濾過ライフの長い濾過
処理能力に優れたものである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液体通過孔を有する管状コアー部材の外
側に平均繊維径が０．１〜１０μｍの間にあり、繊維径
分布のばらつきを示す指数である標準偏差を平均値でわ
ったＣＶ％が５０％以下である極細繊維よりなり、目付
が５〜２００ｇ／ｍ² の範囲にある繊維集合体を少なく
とも３巻以上巻き付け端部を固定したカートリッジフィ
ルタにおいて、コアー部材に近い繊維集合体ほど繊維の
分散状態が良く均一に繊維が分布させた事を特徴とする
フィルターカートリッジ。
【請求項２】液体通過孔を有する管状コアー部材の外
側に極細繊維よりなり目付が５〜２００ｇ／ｍ² の範囲
にある繊維集合体を少なくとも３巻以上巻き付け端部を
固定したカートリッジフィルターにおいて、最大孔径と
平均流量孔径の比が１．２〜３．０の間にある濾過材を
コアー部材に近い程その比の値が小さくなるようにする
事を特徴とする請求項１に記載のフィルターカートリッ
ジ。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載のフィル
ターカートリッジにおいて該繊維集合体がメルトブロー
法により得られ、繊維の分散状態をメルトブローダイと
不織布の捕集体の間の距離を変える事により制御し変化
させることにより得られたフィルターカートリッジ。
【請求項４】液体通過孔を有する管状コアー部材の外
側に極細繊維よりなり目付が５〜２００ｇ／ｍ²の範囲
にある不織布を少なくとも３巻以上巻き付けたカートリ
ッジフィルターにおいて、コアー材に近いほど濾過材の
目付を小さくすることを特徴とするフィルターカートリ
ッジ。
【請求項５】液体通過孔を有する管状コアー部材の外
側に極細繊維層よりなり目付が５〜２００ｇ／ｍ² の範
囲にある不織布を少なくとも３巻以上巻き付けた濾過材
において、コアー材に近いほど濾過材の巻応力を高くす
ることを特徴とするフィルターカートリッジ。
【請求項６】コアー材に近いほど繊維径のＣＶ％を小
さくした請求項２に記載のフィルターカートリッジ。
【請求項７】各請求項記載のいずれかのフィルターカ
ートリッジを使用し、濾過速度が線速度で０．５〜１０
０ｃｍ／分で処理することを特徴とする濾過方法。