JPWO2005099877A1 - プリーツ型カートリッジフィルタ装置 - Google Patents
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Abstract
ろ過効率が高くフィルタ寿命も長く安価に製造できるカートリッジフィルタ装置を提供する。ろ材、コア、スリーブ、及び二つのエンドキャップ(上下蓋部)とを有するアウトインパス方式のプリーツカートリッジフィルタ装置において;プリーツ折りに直交するフィルタ材断面中には、1の山折線a、その両側の2の谷折線b及びその両側に2つの山折線cが存在して、スリーブ側の1の低い山部、その両側のコア側の2つの谷部、及びその両側のスリーブ側の2の高い山部が形成されているW字型部が含まれるカートリッジフィルタ装置。
Description
本発明は、ろ過効率が高くフィルタ寿命の長いプリーツ型カートリッジフィルタ装置に関する。更に詳しくはろ過に寄与するフィルタ面積が増大し、安価に製造できるプリーツ型カートリッジフィルタ装置に関する。
フィルタは各種流体中の異物・粒子の分離処理に用いられており、目的とする異物・粒子を捕捉でき、使用が簡単・簡便であり、粒子の保持能力(収容容量)が高い、つまり使用寿命が長いという機能が求められている。このようなフィルタとして、不織布又は膜状シート(メンブレン)がプリーツ状に折り畳まれたプリーツ型のものが知られている。プリーツ型フィルタはろ過面積を大きく製造することができるという点でメリットがある。
フィルタの用途としては、車両用オイル、エアろ過装置等の比較的簡易なものから半導体装置製造用のウェハ洗浄やフォトレジストろ過、医療分野におけるろ過等の精密なものまで多分野に渡っている。特に精密なフィルタが要求される半導体分野では、近年LSIの集積度が向上するにつれてより微細な配線幅が要求されてきており、LSIのパターニングを行う製造工程でのきわめて微細な異物の排除技術が要求されている。パターニングは一般的にはフォトレジストをシリコンウェハに適用し、露光部と非露光部との現像液に対する溶解度の差を利用して行われるものであるが、ウェハ上やレジスト液に異物が混入していると、設計どおりの線幅にパターニングすることができず不良の原因となる。例えば、現在ではろ過後のフォトレジスト液中に0.05μm程度の異物が残存しても欠陥・配線不良等の原因となってしまう。しかし、フォトレジスト液は、通常は滞留、長時間の放置によってゲルを発生しやすい性質をもっているので、フォトレジスト液をシリコンウェハに塗布して感光させる前にフォトレジスト液中にゲルが発生してしまう(ここで、ゲルとはフォトレジスト中においてその一部が変質した感光性物質とは異なるものをいう)。このようなゲルがフォトレジスト液中に存在する場合には、シリコンウェハ上のフォトレジスト膜には感光によって現像液に溶解されるべきパターンに未溶解の異物が残りパターン欠陥を生じてしまう。
上記のような超微細粒子・異物を除去するためのフィルタ材は非常に高価であり、フィルタ材の使用量は使用中に目詰まりが起こりにくい程度に広いろ過面積の範囲内でできるだけ節約することが好ましい。ここで、フィルタを透過しない粒子が実際に堆積する部分の面積を有効ろ過面積という。
通常、目詰まりを防止し使用可能期間(寿命)を延ばすために有効ろ過面積を広げるには、使用するフィルタ材面積を広くすることが行なわれている。しかし、通常のプリーツ折りは高さが均一な山から構成されるため、使用フィルタ材面積を広くするにはプリーツ折りの山の側面同士が接触するようにフィルタが緊密に折り畳まれる必要があった。図4は通常のプリーツ折りフィルタの一例の断面図であり、図の上流(または外側)から被ろ過流体が供給され下流(または内側)にろ液が流出する。図4では山折線及び谷折線の高さはそれぞれ一定であり谷折線は全てろ液側コアに接触するように設計されている。このような緊密に折り畳まれたフィルタでは、異物粒子を含んでいる流体をろ過するとフィルタを透過しない粒子が折り山の上方部にのみ堆積して目詰まりを生じ、折り畳まれた部分は有効に機能せず(有効ろ過面積が狭く)、結果的にフィルタとしての寿命が短くなる問題があった(図4参照)。
又、アウトインパス方式のプリーツ折りフィルタ材での通常のプリーツ折りの変形として、スリーブに相対する一部の山の頂上部の山折線をV字型に谷折してM字型とし、全ての山の頂上部の高さを一定とした構成も提案されている(例えば、特許文献1)。特許文献1のフィルタ材は、円筒状フィルタ材において均一プリーツ折りをした場合に、内周側(コア側)が密となり外周側(スリーブ側)が粗となって必然的に生じる外周側の空間を有効に利用して使用フィルタ材面積を広げるための構成である(図5参照)。従って、特許文献1のろ材は、内周側も外周側も密となる構成であるから更にフィルタは緊密に折り畳まれ有効ろ過面積がより狭くなっている。
発明が解決しようとする課題
上記のように、有効ろ過面積を広げ、かつ実際に使用するフィルタ材面積を節約する方法が求められていたが、フィルタ装置のスリーブ外径や高さなどの外径寸法は互換性があるように製作されているため、外径寸法を変更せずにこれらの目的を達成する必要があった。
上記のように、有効ろ過面積を広げ、かつ実際に使用するフィルタ材面積を節約する方法が求められていたが、フィルタ装置のスリーブ外径や高さなどの外径寸法は互換性があるように製作されているため、外径寸法を変更せずにこれらの目的を達成する必要があった。
本発明は、四角いフィルタ材をプリーツ状に折り畳み、フィルタ材のプリーツ折りに平行な両端を互いに封着して略円筒状として得られたろ材と、コア(多孔内筒)と、スリーブ(多孔外筒)と、二つのエンドキャップ(上下蓋部)とを有し、上記コアと上記スリーブとの間に上記ろ材を挿入して上下エンドキャップで挟みろ材の上下端縁部分をエンドキャップに液密に熱溶着して、スリーブ側からコア側方向に被ろ過液を流す、いわゆるアウトインパス方式のカートリッジフィルタ装置において;プリーツ折りに直交するフィルタ材断面中には、1の山折線a、その両側の2の谷折線b及びその両側に2つの山折線cが存在して、スリーブ側の1の低い山部、その両側のコア側の2つの谷部、及びその両側のスリーブ側の2の高い山部が形成されているW字型部が含まれるカートリッジフィルタ装置に関する。
上記フィルタ材の少なくとも片面にサポート材が使用されていてもよい。
上記低い山部を形成する山折部aと谷折部bとの間隔A(mm)と、高い山部を形成する谷折部bと山折部cとの間隔B(mm)の割合(A/B)は、0.3以上1未満であることが好ましい。
上記コアの外径D(mm)、フィルタ材及びサポート材の総厚さt(mm)に対するフィルタ材の谷折線の総数nは、n=(πD/2t)×(1.1〜1.9)の関係があることが好ましい。
尚、「山の高さ」とは、ろ材が収納された状態のプリーツ折りに直交するフィルタの切断面において、山折線から両側の隣接した谷折線同士を結ぶ線へ垂直に降ろした線との直交点までの距離をいう。又、ろ材が収納された状態でプリーツ折りに直交するフィルタの切断面の全ての谷折部を通過する線はコアを核とする1の円周を描く。
発明の効果
本発明のプリーツ型カートリッジフィルタ装置のフィルタは、高い山と高い山の間に低い山が含まれるため、ろ過に寄与するフィルタ面積が従来技術に比べ増大している。従来の常識では、フィルタ面積を増大させるためにはできるだけ広い面積のフィルタをフィルタ装置内に充填する必要があった。しかし、本発明では意外にも狭いフィルタ面積(少ない充填量)でろ過効率が高くフィルタ寿命も長い効果が得られる。又、ろ過効率が良いため使用するフィルタ材が少なくても良く原材料費が安価になり、かつろ材当りのプリーツ加工操作が少なくなるため製造時間が短縮される。
本発明のプリーツ型カートリッジフィルタ装置のフィルタは、高い山と高い山の間に低い山が含まれるため、ろ過に寄与するフィルタ面積が従来技術に比べ増大している。従来の常識では、フィルタ面積を増大させるためにはできるだけ広い面積のフィルタをフィルタ装置内に充填する必要があった。しかし、本発明では意外にも狭いフィルタ面積(少ない充填量)でろ過効率が高くフィルタ寿命も長い効果が得られる。又、ろ過効率が良いため使用するフィルタ材が少なくても良く原材料費が安価になり、かつろ材当りのプリーツ加工操作が少なくなるため製造時間が短縮される。
本発明のフィルタ材は、処理液中の除去すべき異物の大きさにより所望の大きさの孔を有する素材であればいかなる材質のものでもよく、例えば、フォトレジスト液のろ過を行う場合には、0.05〜0.2μm程度の微細孔を有する、四フッ化エチレン樹脂(以下PTFEと記す)、ポリエチレン、ポリプロピレン、SUS、ナイロン、ポリテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル(以下PFAと記す)、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)等の材質のフィルタ膜が用いられるがこれらに限定されるものではない。また、シリコンウェハ用のリンス液等、半導体装置製造に用いられる薬剤のろ過を行う場合には、0.05〜1.0μm程度の微細孔を有する上記材質のフィルタ膜が用いられる。
フィルタ材の厚さは、樹脂系材料の場合、例えば0.1〜2.0mmである。0.5mm未満であってもフィルタ材の曲げ剛性が低いものもあり、サポート材を使用することによりフィルタが挫屈し圧力損失が増大することを防止している。また、2.0mmを超えるとプリーツ加工が非常に困難になるばかりか、使用するフィルタ材面積の上限が制限され、結果的に有効ろ過面積が減少して目的の性能を発揮することができない。
本発明のろ材は、プリーツ折りされており、プリーツ折りに直交するフィルタ材断面中には、1の山折線a、その両側の2の谷折線b及びその両側に2つの山折線cが存在して、スリーブ側の1の低い山部、その両側のコア側の2つの谷部、及びその両側のスリーブ側の2の高い山部が形成されているW字型部が含まれる。図1は本発明に使用されるフィルタの一例のプリーツ折りに直交する断面概略図であり、全ての谷折線はコアに接触している。一方、山の高さは上下に変動しており、高い山の山折線は流体供給側であるスリーブに最も接近している。図1のプリーツ折りの1繰り返し単位は、1の高い山と1の低い山から構成されている。この構成を有するフィルタで粒子含有流体をろ過すると、折り畳まれたフィルタ部分も有効に機能してろ過が行なわれ、ろ過された粒子は2つの高い山の間にある低い山の上に堆積できるためフィルタ目詰まりを起こして使用が困難になるまでの時間(フィルタ寿命)が長くなる。
上記山の高さは、規則的に上下変動しても良くランダムに上下変動してもよい。例えば、山の高さが「高低」からなる2つの山でプリーツ折りの1繰り返し単位が構成されるものや、「高低高」又は「高低低高」からなる3又は4つの山で1繰り返し単位が構成されるものが挙げられる。
本発明のプリーツ折りされたフィルタは、ろ過された粒子が高い山と低い山の間にも堆積でき、折り畳まれた部分の一部が露出するため有効ろ過面積が広くろ過効率が高くなり、その結果フィルタ寿命が長くなる(図1参照)。
本発明のフィルタは、プリーツ折りの密度を高くすることにより、エンドキャップの融着の際に挫屈しないような高い剛性(保形性)を確保することも可能であるが、ろ過効率が高いため、サポート材を使用して折り畳みやすさと高い剛性(保形性)を確保する一方、プリーツ折りの密度を低くしてフィルタ材の使用量を節約することも可能である。
高い山と低い山の高さの違いは、上記と同様に条件により異なる。好ましくは低い山部を形成する山折部aと谷折部bとの間隔A(mm)と、高い山部を形成する谷折部bと山折部cとの間隔B(mm)の割合(A/B)は、0.3以上1未満である。この範囲内で、低い山は高い山より低くスリーブに接しないでろ材形状を保つための補強もかねた支えとなり得る高さとなる。その結果、ろ過効率を減少させずに、かつフィルタ寿命(供給−排出差圧が所定の値に到達するまでのろ過体積)も長くする効果が得られる。
本発明のプリーツは、樹脂系材料の場合、レシプロ式、高速ロータリー方式等の通常のプリーツ加工に設定して容易に作成することができる。
本発明のフィルタ材及びサポート材の総厚さt(mm)は、一つの山又は谷の厚みは2tであることから、使用するコアの外径D(mm)及びフィルタ材の谷折線の総数nとの間に、n=(πD/2t)×(1.1〜1.9)の関係があることが好ましく、更に好ましくはn=(πD/2t)×(1.3〜1.8)である。上記総厚さt(mm)は、圧力などの力がかからない状態のフィルタ材及びサポート材(使用した場合)の厚さの合計値である。nが(πD/2t)×1.1未満であると挫屈しやすく実用に供し得ない。一方、(πD/2t)×1.9を超えるとフィルタ充填密度が高くなり、有効ろ過面積が狭くなるため本発明の優れた効果が得られにくい。
又、間隔A(mm)と間隔B(mm)と総厚さt(mm)とは、t<A<Bの関係がある。
本発明のろ材は、フィルタ材の少なくとも片面又は両面にサポート材が使用されていてもよく、例えばフィルタ材の両面に1対のサポート材が添わされた後、プリーツ状に折り畳まれ両側縁が封着されたものでもよい。サポート材としては、メッシュ、不織布等の通常使用される材料が使用できる。サポート材を使用することによりフィルタ全体としての曲げ剛性を高くすることが可能となり保形性が向上する。
サポート材は、ネット状、多孔質シート状、不織布状で用いられ、例えば、PFA、PTFE、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体(以下ETFEと記す)、PVDF等の熱可塑性フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリプロプレン、SUS等の材質が好ましく用いられる。
本発明の、四角いフィルタ材をプリーツ状に折り畳み、フィルタ材のプリーツ折りに平行な両端を互いに封着して得られる略円筒状ろ材は、コアとスリーブとの間に挿入され、上下エンドキャップでさらに挟んでろ材の上下端縁部分をエンドキャップに液密に熱溶着して、カートリッジフィルタ装置に収納される。
本発明のカートリッジフィルタ装置は、アウトインパス方式に使用できる。流体がプリーツ型フィルタを通過する際には、流体供給方向に対して低い山折部分を囲んでいる高い山折部分が開口部となり流体に含まれる粒子及び/又は異物が効果的に捕捉され、フィルタの露出表面を充分に活用することができる。
樹脂系材料の場合、流体供給側(一次側)サポート材の種類は、プリーツ加工時またはプリーツ加工後において、プリーツの山形状(高低)を保持し得るサポート材の組み合わせを種々選択することにより多数存在する。
又、流体として液体、気体のいずれでも使用できる。
(実施例1)
目付量250g/m2(厚さ400μm)、の図6に示す構成を有するポリテトラフルオロエチレン(ダイキン工業社製、PTFE)不織布膜面積7,022cm2へ、一次側(流体供給側)サポート材として厚さ450μmのPFA製2重織りネット(繊維直径0.22mm)、二次側(流体排出側)サポート材として厚さ220μmの材料PFA製厚手ネット(繊維直径0.11mm)を重ねあわせ、15mm山/12mm山/15mm山から構成される繰り返し単位を繰り返してプリーツ加工(高低高で1繰り返し単位)して折山計114(高さ15mmの山数76、高さ12mmの山数38)としてから両側縁を封着してろ材とし、のカートリッジフィルタ装置(スリーブ内径76mmコア外径46mm)を組み立てた。A/B=0.8。n=114=[46π/{2×(0.4+0.45+0.22)}]×1.69。
目付量250g/m2(厚さ400μm)、の図6に示す構成を有するポリテトラフルオロエチレン(ダイキン工業社製、PTFE)不織布膜面積7,022cm2へ、一次側(流体供給側)サポート材として厚さ450μmのPFA製2重織りネット(繊維直径0.22mm)、二次側(流体排出側)サポート材として厚さ220μmの材料PFA製厚手ネット(繊維直径0.11mm)を重ねあわせ、15mm山/12mm山/15mm山から構成される繰り返し単位を繰り返してプリーツ加工(高低高で1繰り返し単位)して折山計114(高さ15mmの山数76、高さ12mmの山数38)としてから両側縁を封着してろ材とし、のカートリッジフィルタ装置(スリーブ内径76mmコア外径46mm)を組み立てた。A/B=0.8。n=114=[46π/{2×(0.4+0.45+0.22)}]×1.69。
(比較例1)
実施例1のPTFE不織布膜面積14,520cm2を、全て15mm山にしてプリーツ折りし、折山計220(山高さ15mm)としたフィルタを使用して組み立てたカートリッジフィルタ装置を使用した。A/B=1。n=220={46π/(2×0.4)}×1.22。
実施例1のPTFE不織布膜面積14,520cm2を、全て15mm山にしてプリーツ折りし、折山計220(山高さ15mm)としたフィルタを使用して組み立てたカートリッジフィルタ装置を使用した。A/B=1。n=220={46π/(2×0.4)}×1.22。
(比較例2)
実施例1のPTFE不織布膜面積12,300cm2の一次側サポート材及び二次側サポート材として厚さ150μmのPFA製薄手ネット(繊維直径0.08mm)を使用して重ねあわせ、全て15mm山にしてプリーツ折りし、折山計187(山高さ15mm)としてから両側縁を封着してろ材とし、カートリッジフィルタ装置を組み立てた。A/B=1。n=187=[46π/{2×(0.4+0.15+0.15)}]×1.81。
実施例1のPTFE不織布膜面積12,300cm2の一次側サポート材及び二次側サポート材として厚さ150μmのPFA製薄手ネット(繊維直径0.08mm)を使用して重ねあわせ、全て15mm山にしてプリーツ折りし、折山計187(山高さ15mm)としてから両側縁を封着してろ材とし、カートリッジフィルタ装置を組み立てた。A/B=1。n=187=[46π/{2×(0.4+0.15+0.15)}]×1.81。
(比較例3)
目付量250g/m2(厚さ400μm)、の図7に示す構成を有するPTFE不織布膜面積14,000cm2を、全て15mm山にしてプリーツ折りし、折山計213(山高さ15mm)とした市販のカートリッジフィルタ装置(日本マイクロリス株式会社製、商品名フロロガードPRSフィルター)を使用した。A/B=1。n=213={46π/(2×0.4)}×1.18。
目付量250g/m2(厚さ400μm)、の図7に示す構成を有するPTFE不織布膜面積14,000cm2を、全て15mm山にしてプリーツ折りし、折山計213(山高さ15mm)とした市販のカートリッジフィルタ装置(日本マイクロリス株式会社製、商品名フロロガードPRSフィルター)を使用した。A/B=1。n=213={46π/(2×0.4)}×1.18。
フィルタ性能評価
目付量250g/cm2のフィルタを使用した実施例1及び比較例1〜3のフィルタ装置について、流体として、JIS 8種のダスト(粒径1μm又は5μm)を濃度100ppmで含有する2種類の精製水を使用し、供給圧力0.05kgf/cm2及び0.1kgf/cm2でそれぞれ流出速度を測定し、寿命(供給−排出差圧が1kgf/cm2に到達するまでのろ過体積)及び除粒子性能(捕集効率;retention)を測定した。結果を表1に示す。又、供給圧力を0〜0.5kgf/cm2に変化させた場合のフィルタ装置からの流出速度の変化を図2に示し(水温25℃)、ろ過時間の変化を図3に示す(水温22℃、流出速度10L/分)。
目付量250g/cm2のフィルタを使用した実施例1及び比較例1〜3のフィルタ装置について、流体として、JIS 8種のダスト(粒径1μm又は5μm)を濃度100ppmで含有する2種類の精製水を使用し、供給圧力0.05kgf/cm2及び0.1kgf/cm2でそれぞれ流出速度を測定し、寿命(供給−排出差圧が1kgf/cm2に到達するまでのろ過体積)及び除粒子性能(捕集効率;retention)を測定した。結果を表1に示す。又、供給圧力を0〜0.5kgf/cm2に変化させた場合のフィルタ装置からの流出速度の変化を図2に示し(水温25℃)、ろ過時間の変化を図3に示す(水温22℃、流出速度10L/分)。
実施例1は、実用可能な除粒子性能を有し、かつ供給圧力に対する流出速度、寿命が非常に優れていた。
比較例1はサポート材料を使用せず、挫屈を防止するため実施例1の約2倍の面積の同一のフィルタを使用して従来のプリーツ折りを行ったものである(プリーツ折り数約2倍)。実施例1よりも除粒子性能は非常に向上したが、供給圧力に対する流出速度、寿命が非常に低下し実用に耐えなかった。これは折り密度が非常に高く有効ろ過面積が狭くなり、流体及び含有される粒子の通過が困難になるためである。
比較例2は比較例1と同一のフィルタをサポート材と共に使用して保形性を確保し、比較例1よりもフィルタ面積及び折数を少なくしたものである。しかし、サポート材の存在によりフィルタが緊密に折り畳まれた結果、供給圧力に対する流出速度、寿命は比較例1よりは向上したが、やはり非常に低いため実用に耐えなかった。
比較例3は、実施例1とは異なる孔径のフィルタをサポート材なして使用し、保形性を確保するためプリーツ折りの密度を高くして実施例1の2倍のフィルタ面積及びプリーツ折数を使用したものである。比較例3ではフィルタ孔径が大きいため供給圧力に対する流出速度は実施例1より大きかったが除粒子性能が非常に低く、通常のプリーツ折りであるため有効ろ過面積が狭く、寿命は半分であった。
Claims (4)
- 四角いフィルタ材をプリーツ状に折り畳み、フィルタ材のプリーツ折りに平行な両端を互いに封着して略円筒状として得られたろ材と、コア(多孔内筒)と、スリーブ(多孔外筒)と、二つのエンドキャップ(上下蓋部)とを有し、上記コアと上記スリーブとの間に上記ろ材を挿入して上下エンドキャップで挟みろ材の上下端縁部分をエンドキャップに液密に熱溶着した、アウトインパス方式のカートリッジフィルタ装置において;
プリーツ折りに直交するフィルタ材断面中には、1の山折線a、その両側の2の谷折線b及びその両側に2つの山折線cが存在して、スリーブ側の1の低い山部、その両側のコア側の2つの谷部、及びその両側のスリーブ側の2の高い山部が形成されているW字型部が含まれるカートリッジフィルタ装置。 - 上記フィルタ材の少なくとも片面にサポート材が使用されている請求項1記載のカートリッジフィルタ装置。
- 上記低い山部を形成する山折部aと谷折部bとの間隔A(mm)と、高い山部を形成する谷折部bと山折部cとの間隔B(mm)の割合(A/B)は、0.3以上1未満である請求項1又は2記載のカートリッジフィルタ装置。
- 上記コアの外径D(mm)、フィルタ材及びサポート材の総厚さt(mm)に対するフィルタ材の谷折線の総数nは、n=(πD/2t)×(1.1〜1.9)の関係がある請求項1〜3いずれか1項記載のカートリッジフィルタ装置。
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