JP5877421B2

JP5877421B2 - 積層型ろ過体

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Publication number: JP5877421B2
Application number: JP2011191781A
Authority: JP
Inventors: 達男石橋
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-01-04
Filing date: 2011-09-02
Publication date: 2016-03-08
Anticipated expiration: 2031-09-02
Also published as: JP2012152730A

Description

本発明は、流体中に分散した微粒子を分離・ろ過する装置に関するものである。

流体中の粒子をろ過する装置は機械、化学、食品等のあらゆる工業分野で使用されている。また近年、水や海水の再生が環境問題や生物多様性に係る重要なテーマとして位置づけられる等、ろ過装置の重要性が増大している。

ろ過装置内で現れるろ過現象は、（１）ろ過しようとする粒子の大きさより小さな開口をもつフィルター等を用いて、開口より大きな粒子をろ過するストレインろ過と、（２）フィルター等の開口部にろ過粒子を堆積させ堆積粒子間に開口より狭い隙間を形成して、開口より小さな粒子をろ過するケークろ過と、（３）砂の様な濾材を用い、濾材中の隙間より小さな粒子をその隙間に捕捉してろ過する深層ろ過との３つの原理に基づくとされている。

一般的にろ過装置でろ過出来る粒子の大きさとろ過時間は反比例しており、より小さな粒子をより高速でろ過することは難しいとされている。従って、例えば精密切削加工分野で使用される切削油等ではミクロンオーダーのろ過が要望されているにも関わらず、ミクロンオーダーの粒子になるとろ過速度は極端に遅くなる問題がある。また近年、船舶が積み荷を降ろした後にバランスを保つために使用するバラスト水（海水）中の生物による海洋生物の多様性破壊が重要な問題になっている。即ち粒子径10μｍ以上の範囲に分布する植物・動物プランクトンや粒子径10μｍ以下の範囲に分布する細菌類のろ過が強く要望されているにも関わらず、この場合もろ過速度の低下が課題となり、大量処理のためには装置自体を大型にして対応せざるを得ない状況になっている。

またろ過精度を上げてミクロンオーダーの粒子をろ過するためにフィルター等の濾材の開口を狭くするとろ過抵抗が高くなり、ろ過時に大きな動力を用いて高圧ろ過する必要が出てくる。またろ過精度を高くすると濾材の価格も高くなり、目詰まりによる交換・廃棄はランニングコスト高の要因ともなっている。さらに使用済み濾材は廃棄物になり環境上も好ましくない。従って、ミクロンオーダーの粒子を高速でろ過する小型で安価な装置が強く求められている。

ろ過精度を上げ、目詰まりを防止してろ過速度を大きくする様々なタイプのろ過装置が開示されている。図１(a)は全面に微細な凹凸のある円形シートを積層し、円形シート間のランダムな凹凸により形成される隙間を利用してろ過するものである。しかしシート間に形成される隙間の大きさを制御することが難しく、シート全面に凹凸があるため目詰まりが発生し易く、さらにろ過流路が長く流体のろ過抵抗が高くなり高速ろ過には不利となる（特許文献１を参照）。図１(b)は片面に放射状のリブを持ち、反対面に同心円状のリブを持つシートを積層し、シート間に形成される隙間を利用してろ過するものである。しかしリブの高さを低くしてより小さな粒子のろ過に対応しようとすると、リブの加工が難しくなり加工コストも高くなる。またろ過流路が長く、複雑であるため流体のろ過抵抗が高くなり高速ろ過には不利となる（特許文献２を参照）。図１(c)は波状の起伏のあるシートを積層してろ過表面積を増大させ、ろ過流量を大きくしようとするものである。しかしシート自体に不織布等を用いるため、粒子径が小さくなると目詰まりが発生し易くなり、ろ過シートは使い捨てとなる。また流体のろ過抵抗が高くなって高速ろ過には不利となる。（特許文献３を参照）。図１(d)は断面が三角形の棒を一定間隔で並べたウエッジワイヤースクリーンを直行配置したもので、ワイヤー間の隙間を利用してろ過するものである。ウエッジワイヤースクリーン型のろ過装置は比較的大きい粒子を大量にろ過する装置として広く使われている。しかしミクロンオーダーの粒子のろ過に対応しようとする場合はスクリーンの加工や組立てが難しくなり、その量産効率も低くなるためコスト高になる（特許文献４を参照）。
特開平１０−５２６１０号公報特開昭６１−２７４７１３号公報特開平１−７０１１５号公報特開平６−２１０１１４号公報

本発明が解決しようとする課題は、流体中のミクロンオーダーの粒子をろ過しようとするとろ過速度が極めて遅くなる点であり、またろ過精度の高い装置に使用される濾材は加工・組立てが難しく量産効率が低くなっている点であり、またろ過速度の大きい装置は装置容積が大きくなる点である。

請求項１に係る積層型ろ過体は、平板状のろ過シートと平板状のスペーサーシートとを交互に多数積層するとともに、積層方向の貫通孔からなる少なくとも一つの第一柱状流路と、前記第一柱状流路に近接し積層方向の貫通孔からなる複数の第二柱状流路とを備える積層型ろ過体であって、前記ろ過シートが表面平滑な多角形または円形の環状ろ過部と、前記環状ろ過部の外縁に接続し、前記環状ろ過部の中心から放射方向に間隔を置いて延設した複数の第一支持部と、前記第一支持部の延設方向の全ての先端部に一括して接続し、前記第一支持部の放射方向に延設した第一台座部と、を備えるとともに、前記スペーサーシートが前記第一台座部と略同形の第二台座部と、前記第二台座部の内縁に接続し、前記第一支持部と略同形で見当一致して延設した複数の第二支持部とを備えるとともに、前記環状ろ過部の内縁が前記第一柱状流路を構成し、前記環状ろ過部と前記第一支持部と前記第一台座部と前記第二支持部と前記第二台座部とが前記第二柱状流路を構成するものである。

本発明で表面平滑な環状ろ過部用いる理由は微細な粒子を高速でろ過するためである。流体の接触表面に凹凸があれば流体の接触抵抗が増し、流体の通過距離が長いとやはり摩擦による接触抵抗が増し共にろ過抵抗が大きくなる要因となる。多角形または円形の環状ろ過部の帯幅は狭い程ろ過抵抗が小さくなるため有利であるが環状ろ過部の剛性は小さくなる。環状ろ過部の剛性を保持するため本発明では複数の第一支持部を環状ろ過部の外縁に接続している。また複数の第一支持部を一括して固定する第一台座部を設けることでさらに剛性を大きくしている。本発明でスペーサーシートに複数の第二支持部を設ける理由は、第一支持部と第二支持部を見当一致して積層することで環状ろ過部の固定を強固にするためである。さらに第一台座部と第二台座部の積層により環状ろ過部の固定・剛性が一層強化される。また本発明ではろ過シートおよびスペーサーシートの積層によりろ過体を形成するため、ろ過シートを薄くすることにより容易にろ過流量を大きくすることができ、小型化が可能である。

また請求項２に係る積層型ろ過体は、請求項１に記載の積層型ろ過体であって、前記ろ過シートが前記環状ろ過部の内径の異なる２種類のろ過シートAおよびろ過シートBとからなるとともに、前記ろ過シートAおよびろ過シートBが前記スペーサーシートを介して交互に多数積層しているものである。

多角形または円形の環状ろ過部の帯幅は狭い程ろ過抵抗が小さくなるため有利であるが剛性は小さくなる。しかし帯幅を変えず剛性を保つとともに、ろ過抵抗を小さくすることが可能である。本発明では環状ろ過部の内径が異なる２種類のろ過シートを交互に積層して、隣接する環状ろ過部が積層面に水平に交互にずれた構造を形成している。このため隣接する環状ろ過部の隙間を流れる流体の流路を短縮してろ過抵抗を小さくすることが可能となる。また本発明では、隣接するろ過シートAおよびろ過シートBの環状ろ過部の内縁によって形成される凹部空間によりろ過時に生成するケーク層の固定およびケーク層の厚みの制御が可能となる。

また請求項３に係る積層型ろ過体は、請求項１〜２のいずれかの項に記載の積層型ろ過体であって、前記環状ろ過部の厚みが、前記環状ろ過部の内縁から外縁に向かって減少しているものである。

本発明では、ろ過シートの環状ろ過部の厚みをその内縁から外縁に向かって徐々に薄くすることにより、環状ろ過部の外縁に向かうろ過流路の断面積を拡大して、ろ過抵抗を小さくすることができる。

また請求項４に係る積層型ろ過体は、請求項１〜３のいずれかの項に記載の積層型ろ過体であって、前記積層型ろ過体がその両端面を押圧する固定枠を備えるとともに、前記固定枠の内少なくとも一方が前記ろ過シートの開口パターンと略同形の貫通した開口を有する固定枠であるものである。

本発明では積層型ろ過体を一体として固定するために、固定枠を使用する。少なくとも一方の固定枠をろ過シートと略同形の開口パターンを有するものにすれば、流路断面積を一定に保つとともに、積層型ろ過体の端面と固定枠との接触面積が最大になるためろ過体の固定と剛性とを共に強化することができる。

本発明の積層型ろ過体を用いると、表面平滑な環状ろ過部をスペーサーシートにより一定の間隔に保ちつつ、第一支持部により環状ろ過部が中に浮いた構造を形成することができる。従って、ろ過抵抗が小さくなりより微細な粒子をより高速でろ過することができる。また本発明の積層型ろ過体を用いると、環状ろ過部の内径差によりろ過面に凹型の空間を形成するため、ケーク層を固定しその厚みをコントロールして、より微細な粒子を高速でろ過することができる。また本発明の積層型ろ過体を用いると、環状ろ過部の断面にテーパーを形成するため、ろ過抵抗が小さくなり高速でろ過することができる。また本発明の積層型ろ過体は、少なくとも一方の固定枠がろ過シートと略同形の開口パターンを有するため剛性を高くすることができる。また本発明による積層型ろ過体は、ろ過シートを薄くすることによりろ過面積を大きくすることが可能で小型化が容易である。また本発明による積層型ろ過体は、汎用材料と汎用加工技術を用いて、簡易に製造することができるため、量産効率が高く、低コストである。

本発明を実施するための最良の形態を、図に基づいて説明する。図３(ａ)、図３(ｂ)に本発明によるろ過シート2とスペーサーシート3の一例を示す。ろ過シート2とスペーサーシート3は一対のパターンを有し交互に多数積層するものである。ここでろ過シート2とスペーサーシート3を交互に積層するのは、積層体の剛性を保ちつつ、ろ過シート間の間隔を一定に保つためである。ろ過シート2の材質は特に限定されないが、例えばポリオレフィン系、ポリエステル系、アクリル系、ポリアミド系、ポリカーボネイト系、ポリ塩化ビニル系、PEN、PEI、PEEK、PAI、PES等の樹脂シートや、アルミニウム、鉄、ステンレス、真鍮、ニッケル、亜鉛、チタンあるいはそれらの合金等の金属シートを用いることができる。

スペーサーシート3の材質は特に限定されないが、例えばポリオレフィン系、ポリエステル系、アクリル系、ポリアミド系、ポリカーボネイト系、ポリ塩化ビニル系、PEN、PEI、PEEK、PAI、PES等の樹脂フィルムや、アルミニウム、鉄、ステンレス、真鍮、ニッケル、亜鉛、チタンあるいはそれらの合金等の金属フィルムを用いることができる。スペーサーシート3の厚みはろ過粒子の大きさを基に設計するもので限定されない。

多角形または円形の環状ろ過部21は（１）流体のろ過抵抗を出来るだけ小さくするためにその表面を平滑にし、（２）流体のろ過流路を出来るだけ短くするためにその帯幅Lを狭くするほうが良い。ただし剛性を保持するため材質により帯幅Lは0.5ｍｍ〜5ｍｍ程度とするのが好ましい。複数設ける第一支持部22は環状ろ過部21を安定して支持するため三つ以上設ける。第一支持部22の数は多いほど環状ろ過部21を支持する効果は大きくなるが、ろ過流体の流路断面積が狭くなるためろ過流量を考慮して設計する。また、各々の第一支持部22の幅は、剛性を保持できる程度で、その数と共にろ過流量を考慮して設計する。スペーサーシート3の第二支持部31および第二台座部32は、ろ過シート2のパターンから環状ろ過部のパターンを除いたものと基本的に同一パターンとすればよい。しかし量産積層時の剛性を確保する一方、積層時の位置合わせのバラツキを考慮して第一支持部22と第二支持部31の幅を変えることもできる。

本発明によるろ過シート2およびスペーサーシート3のパターン加工法は特に限定されず、汎用工法を利用することができるため量産性が高い。例えば、汎用工法である金型による打ち抜き加工や印刷エッチング加工等を利用して製造することができる。また、成形後のバリ取り等に関しても化学研磨法や電解研磨法を利用することができる。

スペーサーシート3の厚みが薄くなると剛性が低くなり加工や組立て時のハンドリング性が悪くなる場合がある。スペーサーシート3にシート材が使用し難い場合、本発明ではスペーサーシートとして印刷膜あるいはメッキ膜を利用することができる。印刷法を利用する場合は、ろ過シート2上に第二台座部32および第二支持部31を直接印刷形成することができる。印刷法はスクリーン印刷、グラビア印刷、平版印刷、インクジェット印刷等の中から必要な膜厚にあわせて適宜選択する。

またメッキ法を利用する場合は、ろ過シート2 が金属シートであればアディティブ電気メッキ法が使用できる。例えば、打抜き等によりパターン成形され、バリ取りされた金属ろ過シート2上に印刷レジストを使用して、環状ろ過部21をマスキングし、第二台座部32および第二支持部31を必要な膜厚になるよう電気メッキ法でメッキ形成した後、レジストを剥離すれば良い。またサブトラクティブ法であれば、打抜き等によりパターン成形され、バリ取りされた金属ろ過シートを電気メッキにより全面メッキし、片面の第一支持部および第一台座部のみをマスキングし、マスキング部以外のメッキ膜をエッチング除去した後、マスキングを剥離すればよい。

図４、図５に本発明による一例のろ過シート2およびスペーサーシート3が積層される様子を示す。環状ろ過部21は複数の第一支持部22のみにより周囲から支持され、スペーサーシート3により一定の間隔で空間に浮いた状態で保持される。第一台座部23は第二台座部32とともに表面積が大きく積層時の剛性を大きく保つ効果がある。さらにスペーサーシート3に第一支持部22と見当一致した第二支持部31を設けることで、積層時の環状ろ過部21の固定効果および剛性が十分に大きくなる。

図６に本発明によるろ過体の一例を示す。流体は第一柱状流路24から入り、隣接する表面平滑な環状ろ過部21の隙間を通過してろ過され柱状流路25から出る。流体のろ過抵抗は環状ろ過部21の間隔Sと帯幅Lと表面性状で決定される。ここで本発明の第一の主眼は、表面平滑な環状ろ過部21を用いるとともに帯幅Lを短くして、ろ過抵抗を小さくし、ろ過速度を上げることである。またろ過時に生成するケーク層を第一柱状流路24を通る流体で積極的に除去し、ケーク層の成長を抑制することである。従って、連続ろ過時のろ過流量の低下が抑制され、ろ過速度が向上する。ろ過粒子の大きさはスペーサーシートの厚みを利用することで簡易かつ正確に制御することができる。

図７に本発明によるろ過体の別の例を示す。環状ろ過部21の内径がH2、H1と異なるろ過シートA（2A）とろ過シートB（2B）を、スペーサーシート3を介して交互に積層したものである。内径差H2−H1は隣接する環状ろ過部21の重なりが保てる範囲であれば限定されない。ここで本発明の第二の主眼は隣接する環状ろ過部21を交互にずらすことにより、環状ろ過部21の剛性を保持しつつろ過流路を短縮して、ろ過抵抗を小さくしろ過速度を上げることである。またろ過時に生成するケーク層を積極的に利用して、隣接する環状ろ過部21の間隔Sより小さな粒子をろ過することである。ケーク層を積極的に利用してより小さい粒子をろ過する場合、ろ過助剤を用いて予めケーク層を形成し、その後目的のろ過を実施する。汎用のろ過助剤としてはケイソウ土、パーライト等を用いることができる。生成するケーク層は、一方で第一柱状流路24を通る流体で積極的に除去しその成長を抑制するとともに、他方で環状ろ過部21の内径差が生む凹部空間に適量のケーク層を固定することでその厚さを制御することができる。

図８に本発明によるろ過体の別の例を示す。隣接する環状ろ過部21の隙間に形成されるろ過流路の断面積が広いほどろ過抵抗は小さくなる。環状ろ過部21の厚み（F）をろ過流体の進行方向に沿ってFからFtまで徐々に減少させる。これにより環状ろ過部21の断面は略台形となる。ここで本発明の第三の主眼はケーク層を利用してより小さな粒子をろ過する場合のろ過抵抗を小さくすることである。本発明によれば、ケーク層の厚みを制御しつつろ過抵抗をより小さくすることが可能である。この場合もろ過助剤を用いることができることは言うまでもない。

図９、図１０に本発明による積層型ろ過体の別の例を示す。ろ過シート2およびスペーサーシート3を交互に多数積層する場合、積層体の両端面から押圧して積層体を固定する必要がある。押圧する際の固定枠（4，5）は剛性の高い金属、樹脂、セラミック等であれば特に限定されないが、流路パターンに関しては少なくとも一方の固定枠がろ過シートと略同形の開口パターンを有するものが好ましい。これにより流路断面積を一定に保つとともに、積層型ろ過体の端面と固定枠との接触面積が最大になるためろ過体の固定と剛性とを共に強化することができる。ここで押圧の方法としてはボルト締め等（図示していない）を使用することができる。シート間を恒久的に接着することも可能であるが逆洗、分解・洗浄等を考慮して未接着にしてもよい。シート間の位置合わせは各シートに穴明した固定ボルト用の穴を利用することができる。本発明によれば、シートの加工誤差や熱膨張あるいは積層誤差等の発生を不可避なものとした上で簡易にろ過精度の高いろ過体を得ることができる

図１１に本発明によるろ過シート（A-2、B-2、C-2）とスペーサーシート（A-1、B-1、C-1）の構成例を示す。本発明によるろ過シート2およびスペーサーシート3の外形は特に限定されない。多角形または円形であればよい。積層して固定することから、ろ過シート2とスペーサーシート3の外形を同じにするほうがよい。またろ過シートの環状ろ過部21の形状は多角形または円形で、ろ過シートの外形と異なっていてもよい。また本発明によるろ過シートとスペーサーシートは図１２の（A-1）、（A-2）に示すように、同一のシートに複数の環状ろ過部を設け、各々の環状ろ過部に対応する支持部、台座部を設けることができる。これにより複数のろ過体を一体化することが可能となる。なお本発明によるろ過シート2およびスペーサーシート3の外形およびパターン形状は例に示されたものに限定されるものではない。

従来技術の例を示す各種概要図。本発明のろ過シートおよびスペーサーシートの一例を示す平面図本発明のろ過体の一例を示す部分拡散分解図本発明のろ過体の一例を示す部分切欠き図本発明のろ過体の一例を示す部分断面図本発明のろ過体の別の例を示す部分断面図本発明のろ過体の別の例を示す部分断面図本発明のろ過体の別の例を示す拡散分解図本発明のろ過体の別の例を示す部分断面図本発明のろ過シートとスペーサーシートの構成例を示す各種平面図本発明のろ過シートとスペーサーシートの他の構成例を示す平面図

１積層型ろ過体
２ろ過シート
２１環状ろ過部
２２第一支持部
２３第一台座部
２４第一柱状流路
２５第二柱状流路
２６柱状流路
３スペーサーシート
３１第二支持部
３２第二台座部
４固定枠
５固定枠
２A 環状ろ過部の内径の長いろ過シートA
２B 環状ろ過部の内径の短いろ過シートB

Claims

平板状のろ過シートと平板状のスペーサーシートとを交互に多数積層するとともに、積層方向の貫通孔からなる少なくとも一つの第一柱状流路と、前記第一柱状流路に近接し積層方向の貫通孔からなる複数の第二柱状流路とを備える積層型ろ過体であって、前記ろ過シートが表面平滑な多角形または円形の環状ろ過部と、前記環状ろ過部の外縁に接続し、前記環状ろ過部の中心から放射方向に間隔を置いて延設した複数の第一支持部と、前記第一支持部の延設方向の全ての先端部に一括して接続し、前記第一支持部の放射方向に延設した第一台座部とを備えるとともに、前記スペーサーシートが前記第一台座部と略同形の第二台座部と、前記第二台座部の内縁に接続し、前記第一支持部と略同形で見当一致して延設した複数の第二支持部とを備えるとともに、前記環状ろ過部の内縁が前記第一柱状流路を構成し、前記環状ろ過部と前記第一支持部と前記第一台座部と前記第二支持部と前記第二台座部とが前記第二柱状流路を構成することを特徴とする積層型ろ過体
前記ろ過シートが前記環状ろ過部の内径の異なる２種類のろ過シートAおよびろ過シートBとからなるとともに、前記ろ過シートAおよびろ過シートBが前記スペーサーシートを介して交互に多数積層していることを特徴とする請求項１に記載の積層型ろ過体
前記環状ろ過部の厚みが、前記環状ろ過部の内縁から外縁に向かって減少していることを特徴とする請求項１〜２のいずれかの項に記載の積層型ろ過体
前記積層型ろ過体がその両端面を押圧する固定枠を備えるとともに、前記固定枠の内少なくとも一方が前記ろ過シートの開口パターンと略同形の貫通した開口を有する固定枠であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの項に記載の積層型ろ過体