KR20020033809A - 슬러리를 여과하기 위한 공정 및 필터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 슬러리를 여과하는 공정 및 부직포 섬유 물질, 직조 섬유, 다수의 부직포 섬유층 또는 섬유 펠트 또는 이와 유사한 종류를 포함하는 원통형의 고른 섬유질 깊이 필터, 또는 여과되는 슬러리로부터 고형물 입자의 분리를 가져오는 깊이 필터의 상류에서 실질적으로 개방 공극 부피가 없는 하우징 내에 보유된 귄취된 깊이 필터와 같은 깊이 필터로 형성된 여과재를 가진 슬러리를 여과하기 위한 필터 카트리지 구조에 관한 것이다. 상기 여과재는 깊이 필터를 수용하는 필터 카트리지 하우징의 길이를 따라 각각으로부터 분리 위치된 스페이서에 의해 다수의 깊이 필터 세그먼트로 분할된다. 상기 스페이서는 깊이 필터 여과재를 깊이 필터 세그먼트로 분할하고 유체가 스페이서의 개방부의 형상에 의해 정의된 규정된 통로를 따라 통과하도록 한다. 또한, 스페이서는 하우징의 내측면을 따라 여과되는 슬러리의 유동 변경을 방지하기 위해 필터 카트리지 하우징의 내측 면을 밀봉하도록 구성된다. 상기 스페이서를 사용함으로써, 여과재의 압축율은 또한 실질적으로 감소한다.

Description

슬러리를 여과하기 위한 공정 및 필터{PROCESS AND FILTER FOR FILTERING A SLURRY}
미립자 고형물 성분을 포함하는 유체 조성물을 이 기술 분야에서는 ˝슬러리˝라고 한다. 이 고형물 성분은 고형물 입자, 세포 성분, 응집 작용제, 겔 입자 또는 이들과 유사한 것을 포함하여 다양한 재료가 될 수 있다. 이들은 포토레지스트 화학물질, 생물약제학(biopharmaceutical) 제품 및 반도체 산업에 사용되는 연마 재료를 포함한 많은 제품들에서 발견된다.
포토레지스트 화학 조성물은 화학 물질의 응력(shear), 충격 또는 숙성(age)으로 인해 포토레지스트 화학 물질로부터 형성되는 겔 및 겔 응집물을 종종 포함한다. 이러한 겔 및 응집물은 이들 화학 조성물을 사용하기 전에 제거될 필요가 있다.
생물 약제학적 조성액에는 세포 배양액(cell broth), 발효액(fermentationliquid), 이식유전유(transgenic milk) 및 다른 이식 유전액(transgenic liquid), 혈액, 혈액 분획물(blood fraction) 또는 다른 박테리아 또는 동물 생체액 또는 전체 세포, 세포 성분, 지방 및 다른 고형물들을 포함하는 분비물들은 이러한 조성물의 필요한 성분을 더 처리하여 회복시키기 위해 제거될 필요가 있다.
특별히 관심이 가는 것은 슬러리 조성물인데, VLSI 및 ULSI 집적 회로 장치에서 웨이퍼를 연마하는 CMP에 사용된다. pH가 높은 실리카 CMP 슬러리는 유전체 및 폴리실리콘층을 연마하는 데 사용된다. 또한, 산성 실리카 및 알루미나 또는 금속/금속 산화 연마제 계열의 슬러리는 금속 상호연결부(interconnect)를 연마하는 데 사용된다. CMP 공정은 중량 당 1 내지 30 %의 전형적인 농도에서 미크론 이하(30 내지 500 nm)의 연마제 입자를 사용한다.
상업용 CMP 슬러리에 대한 전형적인 사양은 고형물 백분율, pH, 비중, 평균 입자 크기 및 일반적(벌크) 입자 크기 분포를 포함한다. 그러나, 소수의 ˝큰˝입자(1 ㎛ 초과)들은 사양에 나타난 크기 분포와는 동떨어져 있다는 것이 발견되었다. 이들 입자는 집합체, 응집물 또는 겔일 수 있고 응집, 침전, 시스템 또는 pH 쇼크 또는 슬러리의 국부 건조로부터 형성될 수 있다. 큰 패니클(panicle) 및 응집은 미세스크래치(microscratch)를 일으키고, 겔과 함께 CMP 공정 동안 평탄화된 웨이퍼 표면에 다른 결함을 발생시킨다. 이러한 상대적으로 큰 입자를 제거하는 슬러리 여과는 웨이퍼 결함을 감소시키고 CMP 공정에서 수득률(yield)을 증가시키는 이점이 있다는 것이 입증되었다.
현재 상당히 다양한 필터 카트리지 구조가 유체를 정화하는 데 사용된다.이 카트리지 구조는 미생물뿐만 아니라 고형물 및 콜로이드 입자를 제거하도록 구성된다. 기체, 액체의 여과에 사용되고 있는 기본적인 두 종류의 다른 독특한 형태의 카트리지는 (전형적으로 권취된) 깊이 필터와 (통상 주름진) 표면 또는 막 필터이다. 깊이 필터는 대부분의 오염물 및 입자를 제거하기 위해 주로 사용된다. 이는 전형적으로 표면 또는 막 필터의 상류에 사용된다. 깊이 필터의 가장 중요한 특성 중 하나는 그 ˝오염물 수용 능력(dirt holding capacity)˝ 또는 처리량, 압력 강하 및 보유도(retention)이다. 이 필터 구성은 다양한 여과재 형태의 다중 층 구조로 인해 오염물 및 입자들이 필터의 깊이 내의 스테이지(stage)에 함입되게 한다. 권취된 깊이 필터는 다중층을 가지는데, 예를 들면 통상 최대 포어(pore) 크기를 가지는 최 외곽 층과 같이 액체 유입구에 인접한 가장 성긴(open) 여과재(최대 미크론 보유 등급)를 가지고, 주위를 둘러싸는 최소 직경으로 인해 최소량의 표면적을 가지게 되는 액체 유출구에 인접한 코어에서 가장 조밀한 여과재를 가진다. 이 층은 코어에서, 해당 여과재가 최대 압력 강하 및 최소 여과 표면적을 가지기 때문에, 카트리지의 압력 강하의 대부분에 기여한다. 마찬가지로, 이 층은 낮은 여과 표면적 및 최소 미크론 보유 등급 양자로 인해 필터의 수용력을 현저히 떨어뜨릴 것이다.
현재 유용한 깊이 필터는 내부 하우징 벽으로부터 이격되어 하우징 내에 위치됨에 따라 깊이 필터의 상류에서 공극 부피(void volume)를 형성한다. 이 간격은 전체 필터로 공급되는 유체(fluid feed)를 도입하거나, 또는 필터로부터의 전체적인 투과를 제거토록 하게 한다. 만약 이 간격이 유지되지 않는다면, 필터를 통과하는 유체 유동은 엄격히 제한될 수 있다. 결국, 상대적으로 매우 큰 유체 수용(hold-up) 부피가 종래의 필터 유닛에서 발생한다. 이러한 간격을 사용하는 깊이 필터 구조는 또한 슬러리 내의 입자가 필터의 위 또는 내부의 슬러리에서 침전되어 나올 수 있기 때문에 슬러리를 여과하는 데 불리한 점이 있다. 이는 결국 필터가 빨리 막히도록 하는데, 특히 유동률이 낮을 때 제품을 사용하면 그렇게 된다.
상대적으로 깊은 필터 재료의 베드를 포함하는 깊이 필터는 필터 베드로 유입하는 유체의 압력에 따라 바람직스럽지 못하게 압축될 수 있다. 필터 베드의 압축성은 필터의 형태, 필터의 보유 특성 및 깊이 필터의 두께에 의존한다. 예를 들면, 두꺼운 필터 베드는 보다 얇은 필터 베드에 비해 보다 압축성이다. 필터 베드가 압축되면, 공극 부피가 감소하고 막힘 가능성은 증가한다. 이는 바람직스럽지 못하게 필터 파일의 유용성이 덮혀지는(shod) 결과를 가져온다. 또한, 필터 베드의 압축은 필요 처리량 비율을 유지하기 위해 공급 유체의 압력을 증가시키도록 요구한다. 이러한 압력 증가 상태는 필터 하우징과 필터 베드 사이의 간격에서 바람직스럽지 못한 유체의 유동 변경(channelling)의 가능성을 증가시킨다. 이러한 유동 변경은 유동 변경된 유체가 필터 베드를 통과하지 않고 불필요하게 큰 입자들이 유체에서 제거되지 않기 때문에 바람직스럽지 못하다.
막 필터의 표면은 등급 때문에 사실상 100% 입자 또는 오염물을 보유한다. 표면 또는 막 필터에 사용된 여과재는 그 높은 보유 효율 때문에 전형적으로 높은 압력 강하 및 낮은 ˝오염물 수용 능력˝ 또는 처리량을 가진다. 표면 필터에 통상 사용되는 여과재는 유리 또는 중합 미세섬유를 포함한다. 입자들은 필터의 깊이 내에서보다는 주로 막 필터의 표면 위에서 크기 배제(size exclusion)에 의해 보유된다. 조절된 포어 크기보다 작은 입자들도 표면 필터의 여과재 내에 갇히는 경향이 있다. 그러나, 조절된 포어 구조의 결과로, 그것은 깊이 필터보다 더 예측가능한 여과를 제공한다. 막 필터는 슬러리 내의 고형물 입자 및 겔에 의해 빨리 막히기 때문에 슬러리 여과에는 유용하지 못하다.
따라서, 불필요하게 큰 고상 입자 및 겔을 효과적으로 제거하도록 슬러리를 여과하기 위한 깊이 필터를 포함하는 필터 카트리지를 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 필요한 입자 크기 범위 내에서 슬러리 내의 입자가 통과할 수 있게 하는 그러한 필터 카트리지를 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 깊이 필터의 압축 및 여과되는 슬러리의 유동 변경을 실질적으로 방지하도록 깊이 필터의 압축이 조절되는 그러한 필터 카트리지를 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명은 입자 함유물 또는 슬러리(slurry)와 같은 재료를 여과하기 위한 필터 및 공정에 관한 것이다. 특히, 슬러리와, CMP(화학적-기계적 평탄화) 슬러리 및 포토레지스트 화학물질과 같은 입자 및/또는 겔을 포함한 조성물을 여과하기 위한 깊이 필터(depth filter) 및 공정에 관한 것이다.
도1은 본 발명에 따른 필터 카트리지의 단면도이다.
도2는 종래 기술에서의 필터 카트리지의 단면도이다.
도3은 도1의 카트리지에서의 중앙 도관의 측면도이다.
도4는 도1의 카트리지에서의 스페이서 배치의 등각도이다.
도5는 도1의 카트리지에서의 필터 세그먼트의 등각도이다.
도6a는 본 발명에서 사용된 스페이서의 단면도이다.
도6b는 본 발명에서 사용된 다른 스페이서의 부분 단면도이다.
도6c는 본 발명에서 사용된 스페이서의 평면도이다.
도7은 발명에서 유용한 다른 스페이서 및 본 필터 카트리지의 단면도이다.
도8은 본 발명에서의 다른 필터 카트리지의 단면도.
도8a는 본 발명에서 사용된 스페이서의 평면도.
도9는 본 발명에서의 다른 필터 카트리지의 단면도.
도10은 본 발명에서 유용한 다른 스페이서의 평면도.
도11은 본 발명에서 유용한 대체 스페이서의 단면도.
도12는 본 발명에서 유용한 스페이서 배치의 등각도.
본 발명은 슬러리를 여과하는 공정 및 부직포(nonwoven) 섬유질 물질, 직조(woven) 섬유, 다수의 부직포 섬유층 또는 섬유 펠트(felt) 또는 이와 유사한 종류를 포함하는 원통형의 고른 섬유질 깊이 필터, 또는 여과되는 슬러리로부터 고형물 입자의 분리를 가져오는 깊이 필터의 상류에서 실질적으로 개방 공극 부피(open void volume)가 없는 하우징 내에 보유된 귄취된 깊이 필터와 같이, 깊이 필터로 형성된 여과재를 가진 슬러리를 여과하기 위한 필터 카트리지 구조에 관한 것이다.
여과재는 깊이 필터를 수용하는 필터 카트리지 하우징의 길이를 따라 각각에 대해 이격되어 위치된 스페이서(spacer)에 의해 다수의 깊이 필터 세그먼트로 분할된다. 스페이서는 깊이 필터 여과재를 깊이 필터 세그먼트로 분할하고 유체가 이를 통과해 스페이서의 개구부의 형상에 의해 정의되는 규정된 통로를 따라 통과하는데 기여한다. 또한, 스페이서는 하우징의 내측 면을 따라 여과되는 슬러리의 유동 변경을 방지하기 위하여 필터 카트리지 하우징의 내측 면을 밀봉하도록 구성된다. 스페이서를 사용함으로써, 여과재의 압축률 또한 실질적으로 감소한다.
여기에서 사용된 ˝개방 공극 부피˝라는 용어는 깊이 필터를 형성하는 재료를 포함하여 재료가 없는 부피를 의미하고 전형적인 필터-하우징 구조에 있어 필터 재료 내에서 통상 마주치게 되는 공극 부피를 포함하는 것은 아니다.
한 실시예에서, 본 발명의 카트리지의 일 단부는 유체 유입구를 가지는 캡으로 밀봉되고 대향 단부는 유체 유출구를 가지는 캡에 의해 밀봉된다. 다른 실시예에서는, 유체 유입구 및 유출구는 모두 하우징의 동일 면에 위치되고 유체 도관은 유체를 유입구로부터 유출구로 안내하기 위해 하우징 내에 구비된다. 스페이서는 하우징의 내측 면을 따라 밀봉부를 제공하고, 다른 실시예의 경우에서는, 유체를 유입구로부터 하우징의 다른 면으로 안내하는 도관을 따라 밀봉부를 제공하는데, 그런 후 유체는 필터 재료를 통과해 유출구로 흐른다. 여과재가 권취된 깊이 필터일 경우에는 카트리지의 길이를 실질적으로 확장하는 코어의 주위에 위치된다. 이 실시예에서, 스페이서는 권취된 깊이 필터와 접촉하는 코어의 표면을 따라 밀봉부를 제공한다. 깊이 필터가 부직포 섬유질 물질을 포함하는 경우에는, 상기 물질의바람직한 퍼센트 보유 효율(percent retention efficiency)에 영향을 주도록 압축된다. 깊이 필터는 또한 다수의 여과재를 가지는 층상 여과 구조를 포함할 수 있고, 각각은 조절된 퍼센트 보유 등급을 가진다. 깊이 필터의 층은 펠트 층, 권취 또는 적층된 평면 여과 시트, 직조 섬유 또는 기계적 혼합에 의해 서로 고정되는 섬유질 물질의 부직포 중합 섬유 또는 섬유의 혼합 직조로 형성된다. 본 발명의 필터 카트리지는 불필요하게 큰 입자 및 겔 입자를 보유하고 필요한 범위 내의 크기를 갖는 슬러리의 입자들을 통과하도록 한다.
본 발명은 (1) (a) 권취된 깊이 필터, (b) 다수의 깊이 필터, 또는 (c) 하우징 내에 위치되는 섬유질 물질의 섬유로 형성되는 원통형의 고른 섬유질 깊이 필터를 포함하는 필터 카트리지 구조를 제공한다. 이 깊이 필터는 이를 통과하는 유체 유동 방향으로 약 1 in(2.54cm) 내지 약 18 in(45.72cm)의 두께를 가지고, 바람직하게는 약 3 in(7.62cm) 내지 약 12 in(30.48cm)의 두께를 가지는데, 불필요하게 큰 입자들을 효과적으로 보유하고 필요한 크기 범위 내에 있는 입자들이 상기 필터를 통과하도록 한다.
깊이 필터는 깊이 필터를 필터 세그먼트로 분할하기 위하여 깊이 필터 내에 위치되는 다수의 환상(annular) 스페이서를 포함한다. 스페이서 두께에 대한 깊이 필터 세그먼트의 두께 비는 약 1.1:1 내지 5:1 사이이고, 바람직하게는 약 1.5:1 내지 3:1 사이이다. 스페이서의 형상은 필터 하우징을 통해 여과되는 슬러리의 유동 통로에 달려 있다. 한 실시예에서, 슬러리는 제1방향으로 하우징 내에 위치한 개방 도관을 통과하고 그 후 제1방향과는 대향되는 제2방향으로 필터 세그먼트를 통과한다. 이 실시예에서, 하우징으로의 유체 유입구 및 필터 하우징으로부터의 유체 유출구는 모두 필터 하우징의 동일 면에 위치한다. 다른 실시예에서, 슬러리는 하우징 내에 위치한 개방 도관을 먼저 통과하지 않고 필터 세그먼트을 통과한다. 이 실시예에서, 액체 하우징으로의 유입구 및 하우징으로부터의 유체 유출구는 하우징의 대향 면에 위치한다. 스페이서는 본 발명에 따른 양 실시예에서 약 0.01 in(0.0254 cm) 내지 약 0.12 in(0.3048 cm), 바람직하게는 약 0.01 in 내지 약 0.07 in의 두께를 가진다. 스페이서는 공급 유체의 압력 하에서 사용되는 동안 깊이 필터의 압축율을 실질적으로 감소시키기 위한 수단을 제공한다. 스페이서에 대한 깊이 필터 세그먼트의 두께 비가 5보다 큰 스페이서는 일반적으로 깊이 필터의 압축율을 감소시키는 데 효과적이지 않다. 약 0.12 in(0.3048 cm)보다 큰 두께를 가진 스페이서는 여과재 세그먼트 간의 큰 간격으로 인해 여과되는 슬러리로부터 고형물 입자의 분리를 촉진할 것이기 때문에 바람직하지 못하다. 이 경우에, 필터의 길이를 통과해 나가는 유체 유동에 대해 기본적으로 연속적인 여과재를 형성하기 위해 여과재 절편을 스페이서의 개구부 내로 삽입하거나 결속할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에서, 스페이서 구성 요소는 필터 하우징 내의 주어진 높이에서 하우징의 내측 면 및 하우징 내에 위치한 도관의 외측 면 양 면을 따라 밀봉부를 구비하도록 구성된다. 이 밀봉부 구성은 이들 하우징 표면 및 도관을 따라 공급 유체의 유동 변경을 방지한다. 외측 도관 면을 따라 위치한 스페이서 구성 요소부는 필터 하우징 내에서 하우징의 내측 면을 따라 주어진 높이로 스페이서 구성 요소부에 연결될 수 있거나 또는 이 두 스페이서 구성 요소부는 각각 연결되지 않을 수도 있다. 두 스페이서 구성 요소부가 서로 연결될 경우, 공급 유체가 결합된 필터 세그먼트의 전체 높이를 통과하도록 하는 방식으로 연결된다. 상기 스페이서부가 각각 연결되지 않을 경우, 공급유체가 결합된 필터 세그먼트의 전체높이를 통과하기 위해 충분한 거리를 두고 각각 이격되어 위치된다. 또한, 스페이서 구성 요소들은 스페이서의 차폐부(solid portion)가 여과 구성 요소들의 선택 영역을 통과하는 액체 유동을 가로막아 필터 세그먼트를 통과하는 공급 유체의 비틀린 통로에 영향을 주기 위해 하나 이상의 개방부 및 차폐부를 가지도록 구성될 수 있다.
본 발명 상의 깊이 필터는 각각 동일하거나 또는 서로 다른 미크론 보유 크기를 가지는 하나 또는 다수 개의 여과재를 포함할 수 있다. 한 실시예에서, 깊이 필터는 각각 다른 미크론 보유 크기를 가지는 다수 개의 여과재(층들)를 포함하고 여과재 층들의 투과성 또는 보유성은 카트리지의 액체 유출구에 인접한 부근에서 가장 크다. 미크론 보유 크기는 섬유 크기 및/또는 섬유 간격을 조절함으로써 변화될 수 있다. 따라서, 큰 입자들은 공급 유체의 유입구 부근에서 보유될 것이고 공급 유체가 필터 카트리지를 통과함에 따라 점진적으로 작은 입자들이 보유될 것이다. 여과층의 투과성 또는 보유성은 바람직한 입자 범위 내에 있는 슬러리의 입자들이 카트리지 및 유출구를 통과하도록 조절된다. 본 발명에 따르면, 본 발명의 카트리지의 유용한 수명은 하우징 내에 위치된 깊이 필터의 상류에 위치하는 하우징 내에서 공극 부피를 가지는 선행 기술 상의 필터 카트리지에 비해 적어도 약 50% 더 길고, 바람직하게는 적어도 약 200% 더 길다는 것이 발견되었다. 따라서, 본 발명 상의 필터 카트리지는 선행기술 상의 필터 카트리지와 비교했을 때 특별한 사용을 위한 보다 적은 카트리지의 사용 및 저비용을 가져온다. 퍼센트 보유 효율 및 베타비(Beta Ratio)는 입자들을 포획하고 보유하는 리지(ridge) 능력의 측정 수단이다. 베타비 개념은 1970년 오클라호마주립대학(OSU)의 유력연구센터(FPRC)에 의해 소개되었다. 원래는 유압(hydrauric) 및 윤활성 오일 필터에서 사용하기 위해 개발되었지만, 이 테스트는 수성(aqueous based) 환경에서 카트리지 필터 성능을 측정 및 예측하기 위해 많은 카트리지 제조업자들에 의해 채택되어 왔다. 베타비는 FPRC에 의해, 공급 유체에서의 주어진 크기(X)보다 큰 입자들의 수를, 배출물에서의 동일 크기보다 큰 입자들의 수로 나눈 것으로써 정의된다. 퍼센트 보유 효율 및 베타비 값은 모두 특정 입자 크기 범위를 대해 산출된다.
다음의 식은 베타비 및 퍼센트 보유 효율의 상관 관계를 보여준다.
본 발명의 필터 카트리지에 있어, 최대 미크론 보유도를 가지는 깊이 필터의 여과재가 필터 카트리지의 유입구 부근에 위치되는 것이 바람직하다. 최소 미크론 보유도를 가지는 깊이 필터의 여과재는 필터 카트리지의 유출구 부근에 위치되는 것이 바람직하다. 필터의 미크론 보유 특성은 코어 주위로 여과재 시트를 더 단단히 또는 느슨히 권취함으로써와 같이, 필터 및/또는 섬유 압축 범위를 형성하기 위해 사용되는 섬유의 직경을 변화시킴으로써 변화될 수 있다. 더 단단히 권취된 여과재는 더 높은 퍼센트 보유 효율을 나타낸다. 중간 정도의 여과재는 퍼센트 보유 효율에 따라 위치되어, 유입되는 슬러리가 점진적으로 더 작은 미크론 보유도를 가지는 여과재를 연속적으로 통과하고 마지막으로 최소 미크론 보유도를 가지는 여과재를 통과하게 된다. 따라서, 전체 필터 카트리지는 유입구에서부터 유출구에 이르기까지 퍼센트 보유 효율이 단계적으로 증가하도록, 단계적인 변화도를 포함하는 퍼센트 보유 효율을 나타낸다. 깊이 필터를 형성하는 데 유용한 대표적인 여과재는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀계 섬유, 셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트와 같은 셀룰로오스 유도체, 면, 폴리아미드, 폴리에스테르, 유리섬유, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), PFA, MFA 및 FEP 또는 이와 유사한 종류의 플루오로폴리머를 포함한다.
섬유질의 깊이 필터는 솔기가 없고 섬유질 물질의 섬유를 생산하는 섬유로 형성된다. 깊이 필터의 이 실시예는 깊이 필터를 통과하는 유체 유동 방향으로 그 두께를 따라 나타나는 미크론 보유 특성의 단계적 변화(gradation)로 특징될 수 있다. 이 단계적 변화는 원통형 섬유질 깊이 필터의 여과재의 공극 부피를 필터를 통과하는 유체 유동 방향으로 두께의 기능에 따라 변화시킴으로써, 또는 부피를 일정하게 유지하고 섬유의 크기를 깊이 필터를 통과하는 유체 유동 방향으로 깊이 필터 두께의 기능에 따라 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 각 실시예에 있어서 필요한 모든 것은 미크론 보유 특성의 단계적 변화가 산출되는 것이다. 단계적 변화는 여과되는 슬러리가 먼저 최대 미크론 보유 특성(예를 들면 최대 포어)을 가지는 깊이 필터의 층을 만나게 되고, 유출구를 통과하도록 안내되기에 앞서 보다 작은 미크론 보유 특성(예를 들면 최소 포어)을 가지는 층을 만나게 된다. 고른 원통형 섬유질의 깊이 필터는 본 명세서에서 참고하는 미국 특허 제3,933,557호, 제4,032,688호, 제4,726,901호 또는 제4,594,202호에 개시된 소정의 종래 수단에 의해서도 형성될 수 있다.
본 발명에 따라 여과될 수 있는 대표적인 슬러리는 실리카 계열 슬러리, 티타늄 계열 슬러리, 세리아 계열 슬러리, 다이아몬드 계열 슬러리, 이산화망간 계열 슬러리, 티타늄 및 다른 금속 또는 산화금속 슬러리와 같은 CMP용 슬러리를 포함한다. 추가적으로, 본 발명의 필터가 사용될 수 있는 대표적인 생물학적 형태의 슬러리는 전체 세포 또는 파열된 세포 또는 세포 성분, 발효 제품, 이식유전유와 같은 이식유전성 액체, 혈액, 혈액 분획물을 포함하거나 또는 보다 작은 성분으로부터 분리될 필요가 있는 큰 성분을 포함하는 다른 슬러리를 포함하는 세포 배양액(cell brutish)을 포함한다.
원통형의 고른 섬유질 깊이 필터를 형성하기 위한 한 방법에서는, 예를 들면 용해된 열가소성 조성물을 회전 맨드릴에 대해 소정의 각도로 배치된 다수의 오리피스(orifice)로부터 자아낸다(spun). 오리피스는 맨드릴로부터 다수의 거리에 위치된다. 가스는 구멍에서 특정 방향으로, 일반적으로는 섬유를 이산된(discrete) 길이로 미세화 및 분쇄하기 위해 오리피스로부터 섬유의 분사 방향으로 안내된다. 섬유는 무질서하게 서로 얽히도록 자아낸 섬유의 일반적으로 나선형의 권취된 원통형 층을 형성하고 맨드릴로부터 제거될 수 있는 고른 원통을 형성하기 위해 맨드릴 위에서 선택 및 권취된다. 주어진 층을 위한 미크론 보유 특성은, 주어진 층을 생산하고 그 층의 공극 부피를 조절하는 특별한 오리피스 세트로부터의 섬유 탈출율(rate of exit of fibers)을 조절함으로써 조절될 수 있다.
다른 방법에서는, 원통형의 고른 섬유질 깊이 필터는 필터의 두께를 통관하여 방사 방향으로 공극 부피가 기본적으로 일정하게 되는 방식으로 형성된다. 바람직한 미크론 보유 특성의 단계적 변화는 원통형 섬유질 깊이 필터를 통관하여 방사 방향으로 섬유의 크기를 변화시킴으로써 달성된다. 가장 작은 섬유는 최소 미크론 보유 특성을 가지는 층을 생산하고 가장 큰 섬유는 최대 미크론 보유 특성을 가지는 층을 생산한다. 섬유는 용해된 열가소성 조성물을 섬유화(fiberizing) 다이로부터 압출함으로써 형성된다. 섬유는 회전 왕복 맨드릴로 안내되는 가스류에 의해 미세화된다. 섬유는 맨드릴 위에서 그들의 선택에 앞서 섬유 대 섬유 결합(fiber to fiber bonding)을 실질적으로 제거하기 위해 섬유가 다른 섬유에 도달해야 하는 온도 아래까지 냉각된다. 냉각된 섬유는 맨드릴 위에서 선택되고 원통형의 고른 섬유질 깊이 필터의 두께를 통관하여 방사 방향의 실질적으로 일정한 공극 부피를 가지도록 하기 위해 압축력에 의해 처리된다. 원통형 및 깊이 필터는 코어 위의 주름 장치에서 형성된다.
전형적으로, 원통형 섬유질 깊이 필터는 약 60 내지 95% 사이의 범위에 분포하고 오직 약 1 내지 2%만 변화한다. 전형적으로 섬유는 직경이 약 1.6 내지 16 m 사이의 범위이다. 또한, 본 발명의 깊이 필터를 형성하기 위한 조성물은 친수성, 소수성, 양전하 또는 음전하 또는 이와 유사한 것의 고유한 또는 부가된 특정 성질을 가질 수 있다.
권취된 깊이 필터는 일반적으로 원통형 구조의 결합을 형성하도록 섬유로 형성된 하나 또는 다수의 여과 시트를 권취함으로써 형성된다. 여과 시트 또는 시트들은 깊이 필터의 내에 또는 위에 방사상 위치의 기능으로서 깊이 필터의 한 부분의 미크론 보유 특성과 같이 변화하는 포어 크기를 가진다. 권취된 깊이 필터를 포함하는 필터 카트리지의 유입구에 인접하게 위치된 권취된 깊이 필터의 부분은 최대 미크론 보유 특성을 가지고, 최소 미크론 보유 특성을 가지는 권취된 깊이 필터의 부분은, 예를 들면 최소 포어 크기는 필터 카트리지의 유출구에 인접하게 위치된다. 권취된 깊이 필터의 어떤 중간부도 유입하는 슬러리가 점진적으로 보다 작은 미크론 보유 특성을 가지는 깊이 필터의 부분을 연속으로 통과하고 마지막으로 최소 미크론 보유 특성을 가지는 필터의 부분을 통과하도록 포어 크기에 따라 위치된다. 깊이 필터를 형성하는 데 유용한 대표적인 여과재는 원통형의 고른 섬유질 필터에 대해 앞서 서술한 섬유를 포함한다.
깊이 필터는 슬러리로부터 입자 분리를 촉진하는 깊이 필터 상류의 하우징 내 개방 부피를 방지하도록 하는 방식으로 하우징 내에 시트를 스택(stack)함으로써 하나 또는 다수의 분리된 필터 시트로부터 형성될 수 있다. 다양한 포어 크기를 가지는 시트를 사용할 경우, 필터 카트리지의 유입구에 인접하여 위치한 필터 스택부는 최대 미크론 특성을 가지는 것이 바람직하고, 예를 들면 최소 포어 크기와 같은 최소 미크론 특성을 가지는 필터 스택부는 필터 카트리지의 유출구에 인접하여 위치하는 것이 바람직하다. 필터 중간 스택부는 유입하는 슬러리가 점진적으로 보다 작은 미크론 보유 특성을 가지는 깊이 필터부를 연속적으로 통과하고 마지막으로 최소 미크론 보유 특성을 가지는 필터부를 통과하도록 포어 크기에 따라 위치된다. 필터 스택을 형성하는 데 유용한 대표적인 여과재는 원통형 고른 섬유질 필터에 대해 앞서 서술한 섬유를 포함한다.
도1, 도4, 도5 및 도7을 보면, 본 발명의 필터 카트리지(10)는 하우징(12) 및 하우징(12)에 밀봉된 말단 캡(14, 16)을 포함하고 있다. 말단 캡(14, 16)은 하우징(12) 외측 면에 나사식으로 체결되거나, O-링(O-ring), 다른 조임 장치 또는 에폭시 수지나 멜트 접착과 같은 접착 수단에 의해 체결되는 등과 같은 전형적인 수단에 의해 하우징(12)에 부착될 수 있다. 말단 캡(14)에는 유입구(24) 및 유출구(15)가 구비되고 말단 캡(16)은 하우징(12)에 닫혀져 밀봉된다. 다수 개의 필터 세그먼트(20)는 말단 캡(14, 16)이 차지한 영역을 제외한 하우징(12)의 전체 높이에 걸쳐 환상의 내측 스페이서(22) 및 환상의 외측 스페이서(26)에 의해 분리되어 하우징(2) 내에 위치된다. 이 스페이서(22,26)는 하우징(12)의 내벽의 홈 및 내부 도관(29)에 끼워지는 스냅 링과 같은 리테이너(27)에 의해 보유될 수 있다. 개개의 필터 세그먼트(2)는 전술한 바와 같이 여과재를 포함한다. 내부 하우징(12)은 개방 부피인 것은 아니다. 다시 말하면, 스페이서(22,26)에 인접한 필터 세그먼트 사이에 형성될 수 있는 작은 간격(23)을 제외하고는 개방 중앙 체적부(25)를 가지는 환상의 스페이서(22, 26)에 의해 분리된 다량의 필터 시트(20)로 완전히 채워진다. 상기 간격(23)은 여과되는 슬러리로부터 고형물 입자가 침강하는 것을 방지하기 위해 약 0.12 in(0.3048 cm)를 초과해서는 안되며, 바람직하게는 약 0.09 in(0.2286 cm)보다 큰 높이를 가져서는 안된다.
작업에 있어, 공급 유체는 유입구(24)를 통해 하우징(12)으로 유입되고, 도관(29)을 통과하여, 화살표(31)가 지시하는 바와 같이 방향을 전환한 후, 필터 세그먼트(20)를 통과해 하우징(12)에서 유출구(15)로 유출된다. 필요하다면, 하우징(12)은 공수성(hydrophobic)의 다공성 필터를 포함하는 통기구(17)를 구비할 수 있는데, 이는 가스의 통과는 허용하지만 수성 액체의 통과는 금지하는 전형적인 방법이다.
도2를 살펴 보면, 종래 기술의 필터 카트리지(30)는 유입구(34) 및 유출구(36)를 가지는 하우징(32)을 포함한다. 필터 카트리지(38)는 중공 코어(42)의 둘레를 권취하는 깊이 필터(40), 상기 코어(42) 및 깊이 필터(40)를 밀봉하는 말단 캡(44) 및 유출구(46)를 포함한다. 상기 권취된 필터(40)는 전술한대로 부직포 섬유를 포함한다. 하우징(32)의 내부는 공극 부피(39)을 포함한다. 슬러리가 이 필터 카트리지로 여과될 경우, 상기 필터는 상기 개방 공극 부피(39)에 인접한 깊이 필터의 노출면 위로 슬러리로부터 입자들이 침강됨으로 인해 신속하게 막히게 된다.
도3을 살펴 보면, 도관(29)의 외측 면은 O-링(18)을 위한 홈(33) 및 리테이너(27)를 위한 홈(35)를 가지는 것으로 도시되어 있다. 또한 도관(29)에는 필터 세그먼트(35)를 지지하기 위한 플랜지(37)가 구비되어 있다. 게다가, 도관(29)은 또한 도관(29)의 외측부에 리테이너(27)를 위한 보유점을 제공하고 이에 따라 여과재가 압력 때문에 붕괴되는 것을 방지하고 이를 적절한 위치에 유지되도록 함으로써 필터 재료를 지지하는 기능을 제공한다. 이것은 얇은 여과재 또는 고압이나 진동이 심한 시스템을 사용하는 경우에 특히 도움이 된다.
도6a, 도6b 및 도6c를 살펴 보면, 스페이서(40)는 둘 이상의 리브(44)에 의해 상호 연결되는 내측 스페이서 세그먼트(41) 및 외측 스페이서 세그먼트(42)를 포함한다. 도시한대로, 외측 및 내측 스페이서 세그먼트(41, 42)의 높이는 동일하지만, 상기 리브(44)들의 크기와는 다르다. 그러나, 필요하다면 이 세 부분(41, 42, 44)은 모두 동일한 두께를 가질 수도 있고 또는 상기 리브(44)는 스페이서(41, 42)보다 큰 두께를 가질 수도 있고, 또는 원한다면 유동 또는 장치의 여과 특성에 적대적인 영향을 주지 않는 한 모두 서로 다른 높이를 가질 수 있다. 스페이서 세그먼트(41)는 상기한 방법으로 도관(29)의 외측 면을 밀봉한다. 스페이서 세그먼트(42)는 상기한 방법으로 하우징(12)의 내측 면을 밀봉한다. 스페이서 세그먼트(42)의 단면은 도6b에서 도시한 바와 같이 개조될 수 있다. 여과되는 유체는 영역(46, 48 및 50)을 통과한다.
도9 및 도10을 살펴 보면, 필터 카트리지(50)는 유입구(51) 및 유출구(52)를 포함한다. 상기 카트리지(50)는 리브(56)에 의해 결합되는 도1의 스페이서(26)처럼 동일한 목적을 위해 기능하는 스페이서(26) 및 스페이서 세그먼트(54)와 스페이서 세그먼트(55)로 형성되는 스페이서(53)를 포함한다. 유체는 화살표(57)로 나타낸 통로를 지나 필터 세그먼트(20)를 통과한다. 간격(58)의 최대 높이(59)는 약 1.0 in(2.54 cm)보다 작고, 바람직하게는 약 0.5 in(1.27 cm)보다 작다. 이 높이는 슬러리로부터 고형물 입자의 이탈을 방지하는 한편, 유입하는 공급 슬러리의 바람직하고 균일한 분산을 촉진하기 위해 충분히 작다. 게다가, 중앙 지지 스페이서세그먼트(55)는 또한 여과 재료를 지지하고, 여과재가 압력 하에서 붕괴되는 것을 방지하며 적절한 위치에 유지하는 기능을 제공한다.[도1 및 도3의 도관(29)에서 일어나는 것과 유사한 방식으로.]
도8 및 도8a에 대해 살펴 보면, 필터 카트리지(65)는 화살표(69, 70)로 나타낸 유체 유동 통로를 제공하는 차폐부(66) 및 중앙 개방부(68)로 형성되는 스페이서(67; 도8a), 스페이서(53; 도10) 및 리테이너(27)를 포함한다.
도11을 살펴 보면, 스페이서(71)는 구멍(73)을 가지는 내측 스페이서 세그먼트(72) 및 외측 스페이서 세그먼트(74)를 포함한다. 스페이서 세그먼트(72, 74)는 리브(57)에 의해 결합된다. 유체 유동은 구멍(73)을 통과하는 것과 마찬가지로 영역(76, 77 및 78)을 통과하게 된다.
도12를 살펴 보면, 화살표(80)에 의해 나타낸 유체 통로는 본 발명 상의 필터 카트리지 내에서 폐쇄 영역(84, 85, 86)을 가지는 스페이서(81, 82, 83)에 의해 형성된다.

Claims (21)

  1. 슬러리 조성물을 여과하기 위한 필터 카트리지에 있어서,
    유입구 및 유출구를 가지는 중공 하우징을 포함하고,
    상기 중공 하우징은 여과재로 채워져 상기 여과재의 상류에서 개방 공극 부피가 없고,
    상기 여과재는 환상 스페이서에 의해 분할된 깊이 필터 세그먼트를 포함하는 것을 특징으로 하는 필터 카트리지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 여과재는 깊이 필터로 형성되고, 상기 여과재는 필터 카트리지 하우징의 내측 길이를 따라 각각에 대해 이격되어 위치되는 둘 이상의 스페이서에 의해 다수의 세그먼트로 분할되고, 상기 둘 이상의 스페이서는 유체가 둘 이상의 스페이서의 개방부의 형상에 의해 정의되는 규정된 통로를 따라 통과하도록 하는 하나 이상의 개구부를 가지는 것을 특징으로 하는 필터 카트리지.
  3. 제1항에 있어서,
    중공 하우징은 유입구 및 유출구를 포함하는 제1단과, 상기 유입구로부터 상기 하우징의 제2단으로 유체 소통을 제공하는 상기 하우징 내의 도관을 가지고, 상기 중공 하우징은 깊이 필터의 형태로 여과재로 채워지고, 상기 여과재는 필터 카트리지 하우징의 길이를 따라 각각에 대해 이격되어 위치된 둘 이상의 스페이서에 의해 다수의 세그먼트로 분할되고, 둘 이상의 스페이서의 각각은 유체가 통과해 상기 둘 이상의 스페이서의 상기 하나 이상의 개구부의 상기 형상에 의해 정의되는 규정된 통로를 따라 통과하도록 하는 하나 이상의 개구부를 가지는 것을 특징으로 하는 필터 카트리지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 여과재는 부직포 섬유로 형성된 권취된 깊이 필터, 각 시트가 부직포 섬유 및 섬유의 기계적 혼합에 의해 함께 고정되는 부직포 중합 섬유의 섬유성 물질을 포함하는 다량의 시트로 구성되는 그룹에서 선택되는 깊이 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 필터 카트리지.
  5. 슬러리를 여과하기 위한 공정에 있어서,
    슬러리가 필터 카트리지 내에 위치하는 도관을 통과하여 상기 도관으로부터 깊이 필터를 통과하도록 하고,
    상기 카트리지는 상기 깊이 필터의 상류에서 개방 공극 부피가 없고,
    상기 깊이 필터는 환상 스페이서에 의해 분리된 깊이 필터 세그먼트를 포함하고
    상기 카트리지로부터 여과된 슬러리를 수납하는 것을 특징으로 하는 공정.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 깊이 필터 세그먼트는 부직포 섬유를 포함하는 권취된 깊이 필터, 섬유의 기계적 혼합에 의해 상호 고정되는 다량의 섬유질로 된 부직포 중합 섬유로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 공정.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 슬러리는 실리카 계열 슬러리, 알루미나 계열 슬러리, 산화세륨 계열 슬러리, 다이아몬드 계열 슬러리, 이산화망간 계열 슬러리, 세포 배양액, 포토레지스트 화학물질, 발효액, 혈액, 혈액 분회물 및 이식유전액으로 구성되는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 공정.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 슬러리는 실리카 계열 슬러리, 알루미나 계열 슬러리, 산화세륨 계열 슬러리, 다이아몬드 계열 슬러리 및 이산화망간 계열 슬러리에서 선택되는 것을 특징으로 하는 공정.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 슬러리는 세포 배양액, 포토레지스트 화학물질, 발효액, 혈액, 혈액 분획물 및 이식유전액으로 구성되는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 공정.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 슬러리는 이식유전유인 것을 특징으로 하는 공정.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 슬러리는 혈액 및 혈액 분획물로 구성되는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 공정.
  12. 제1항에 있어서,
    스페이서 하우징의 내측 면을 따라 여과되는 유체의 유동 변경을 방지하기 위해 필터 카트리지 하우징의 내측 면을 밀봉하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 필터 카트리지.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서는 하우징을 통해 환상의 내측 스페이서 및 환상 외측 스페이서로 형성되는 것을 특징으로 하는 필터 카트리지.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서는 리테이너에 의해 적절한 위치에 보유될 수 있는 것을 특징으로 하는 필터 카트리지.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서는 리테이너에 의해 적절한 위치에 보유되고 상기 리테이너는 하우징의 내벽의 홈에 맞춰지는 스냅 링인 것을 특징으로 하는 필터 카트리지.
  16. 제1항에 있어서,
    스페이서는 개방 중앙 체적부를 가지는 것을 특징으로 하는 필터 카트리지.
  17. 제1항에 있어서,
    스페이서에 인접한 필터 세그먼트 사이에 형성되는 작은 간격을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 필터 카트리지.
  18. 제1항에 있어서,
    스페이서에 인접한 필터 세그먼트 사이에 형성되는 작은 간격을 더 포함하고 상기 간격은 약 0.12 in(0.3048 cm)보다 작은 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 필터 카트리지.
  19. 제1항에 있어서,
    스페이서에 인접한 필터 세그먼트 사이에 형성되는 작은 간격을 더 포함하고 상기 간격은 약 0.09 in(0.2286 cm)보다 작은 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 필터 카트리지.
  20. 제1항에 있어서,
    스페이서는 둘 이상의 리브에 의해 상호 연결되는 내측 스페이서 세그먼트 및 외측 스페이서 세그먼트를 가지는 것을 특징으로 하는 필터 카트리지.
  21. 제1항에 있어서,
    스페이서는 둘 이상의 리브에 의해 상호 연결되는 내측 스페이서 세그먼트 및 외측 스페이서 세그먼트를 가지고 상기 내측 세그먼트는 하나 이상의 구멍을 가지는 것을 특징으로 하는 필터 카트리지.
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